化學(xué)反應(yīng)工建第一章課件

教科書李紹芬，反應(yīng)工程，天大出版社參考書：H.ScottFogler,“ElementsofChemicalReactionEngineering”,PrenticeHall（第三版有中譯本，李正元等譯，化學(xué)反應(yīng)工程）Schmidt

L.D，TheEngineeringofChemicalReaction（靳海波等譯，化學(xué)反應(yīng)工程)教科書李紹芬，反應(yīng)工程，天大出版社課程主要內(nèi)容-天大李紹芬教材基礎(chǔ)部分Ch1-5等溫理想反應(yīng)器多相反應(yīng)器：催化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理及及反應(yīng)器設(shè)計與分析Ch6-7反應(yīng)速率數(shù)據(jù)處理技術(shù)復(fù)雜反應(yīng)計算策略反應(yīng)器穩(wěn)定性分析應(yīng)用部分聚合反應(yīng)工程Ch8燃燒反應(yīng)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及反應(yīng)器安全環(huán)境反應(yīng)工程生化反應(yīng)工程電化學(xué)反應(yīng)工程課程主要內(nèi)容-天大李紹芬教材基礎(chǔ)部分Ch.1導(dǎo)論化工過程流程化學(xué)工業(yè)、冶金、石油煉制和能源加工等工業(yè)過程，均采用化學(xué)方法將原料加工成為有用的產(chǎn)品。生產(chǎn)過程包括如下三個組成部分：原料產(chǎn)物副產(chǎn)物原料預(yù)處理（純化）化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)物的分離與提純①和③兩部分屬于單元操作的研究范圍；②部分是化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。Ch.1導(dǎo)論化工過程流程原料產(chǎn)物原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)物化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容

化學(xué)反應(yīng)工程

化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程學(xué)科的一個重要分支，主要包括兩個方面的內(nèi)容，即反應(yīng)動力學(xué)與反應(yīng)器分析與設(shè)計。

反應(yīng)動力學(xué)：研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理和速率，以獲得工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計與操作所需的動力學(xué)知識和信息，如反應(yīng)模式、速率方程及反應(yīng)活化能等。其中速率方程可表示為：

r=f（T、C、P）（對于一定的反應(yīng)物系）而言，隨時間、空間變化。其中，r為反應(yīng)系統(tǒng)中某一組分的反應(yīng)速率，C代表濃度，P為系統(tǒng)的總壓。化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容

反應(yīng)器設(shè)計分析：研究反應(yīng)器內(nèi)上述因素的變化規(guī)律，找出最優(yōu)工況和適宜的反應(yīng)器型式和尺寸。化學(xué)反應(yīng)是研究反應(yīng)本身的規(guī)律，與反應(yīng)器內(nèi)各局部的狀況有關(guān)，而與反應(yīng)器總體的性態(tài)無關(guān)。所以可以說反應(yīng)動力學(xué)從點上著眼，而反應(yīng)器的設(shè)計與分析則從面上（體上）著手。反應(yīng)器設(shè)計分析：研究反應(yīng)器內(nèi)上述因素的變化規(guī)律，ChemicalReactionEngineering(CRE)isthefieldthatstudiestheratesandmechanismsofchemicalreactionsandthedesignofthereactorsinwhichtheytakeplace.FoglerChemicalReactionEngineering化學(xué)反應(yīng)工程研究方法（1）簡化：忽略和簡化事物的次要方面，簡化處理后仍能反應(yīng)事物的本質(zhì)。（2）建模：用數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，將化學(xué)和物理現(xiàn)象綜合起來研究，了解它們之間的相互關(guān)系，掌握各種現(xiàn)象的規(guī)律，以及對反應(yīng)的作用，找出數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式。（3）優(yōu)化：實際反應(yīng)場所（物理傳遞現(xiàn)象；化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)因素）；具體參數(shù)：濃度，溫度的空間和時間分布特點—選擇適宜的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式，操作方式和工藝條件—最優(yōu)化的技術(shù)指標(biāo)學(xué)習(xí)要重點掌握典型的反應(yīng)，有利的強(qiáng)化措施?；瘜W(xué)反應(yīng)工程研究方法轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率轉(zhuǎn)化率：針對反應(yīng)物，反應(yīng)物中價值最高的組分為關(guān)鍵組分（設(shè)為A）。

設(shè)A起始摩爾數(shù)NA0，反應(yīng)后摩爾數(shù)NA，轉(zhuǎn)化量NA0–NA，則XA=(NA0-NA)/NA0轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率選擇性：收率：由上述定義式，可得X、S和Y之間的關(guān)系Y=SX化學(xué)反應(yīng)工建第一章課件例1.1已知HCl過量10%，出口處氯乙烯摩爾分率90%，計算乙炔和氯化氫的轉(zhuǎn)化率C2H2+HClCH2CHCl計算基準(zhǔn)：進(jìn)口100molC2H2(關(guān)鍵組分）由x/(210-x)=0.90得x=99.47molXC2H2=99.47/100=0.9947=99.47%XHCl=99.47/110=0.9043=90.43%反應(yīng)組分反應(yīng)器進(jìn)口(mol)變化量(mol)反應(yīng)器出口（mol)C2H2

100-x100-xHCl110-x110-xCH2CHCl0xx總計210-x例1.1已知HCl過量10%，出口處氯乙烯摩爾分率90%，例題2：計算基準(zhǔn)：進(jìn)口原料量100mol。關(guān)鍵組分：C2H4.化學(xué)計量表如下：C2H4+1/2O2CH2CH2O變化量x0.5xx-0.5xC2H4+3O22CO2+2H2Oy3y2y2y0∑x+y0.5x+3y總變化量

-0.5x例題2：計算基準(zhǔn)：進(jìn)口原料量100mol。關(guān)鍵組分：C2H4反應(yīng)組分反應(yīng)器進(jìn)口(mol)轉(zhuǎn)化量反應(yīng)器出口C2H2

15-x-y15-x-yO27-0.5x-3y7-0.5x-3yC2H4O0xxCO2102y10+2yH2O02y2yAr12012N256056總計100-0.5x100-0.5x反應(yīng)組分反應(yīng)器進(jìn)口(mol)轉(zhuǎn)化量反應(yīng)器出口C2H215-(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131及(7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048解方程組得：x=1.518mol;y=0.495mol乙烯轉(zhuǎn)化量=x+y=1.518+0.495=2.013乙烯轉(zhuǎn)化率X=2.013/15=13.4%環(huán)氧乙烷選擇性S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754環(huán)氧乙烷收率Y=x/15=1.518/15=0.101(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131及化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)器分類

化學(xué)反應(yīng)的分類按相態(tài)分類：可分為均相和非均相均相：氣相，液相，固相非均相：氣－固，氣—液，液－液，液－固，氣－液－固，固－固按反應(yīng)特征分類單一反應(yīng)：Ａ＋Ｂ→Ｐ復(fù)合反應(yīng)：

平行反應(yīng)Ａ→Ｐ

Ａ→Ｑ

連串反應(yīng)Ａ→Ｐ→Ｑ

并列反應(yīng)Ａ→ＰB→Ｑ化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)器分類化學(xué)反應(yīng)的分類熱力學(xué)特征分類可逆和不可逆；放熱和吸熱；恒容和非恒容控制步驟分類穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)（連續(xù)）連續(xù)穩(wěn)態(tài)：某一反應(yīng)器的反應(yīng)速率在特定的空間不隨時間變化其它分類方法？熱力學(xué)特征分類化學(xué)反應(yīng)器分類按反應(yīng)系統(tǒng)涉及的相態(tài)分類，分為均相反應(yīng)，包括氣相均相反應(yīng)和液相均相反應(yīng)。非均相反應(yīng)，包括氣—固相，氣—液相，氣—液—固相反應(yīng)等。按操作方式分類，分為間歇操作，是指一批物料投入反應(yīng)器后，經(jīng)過一定時間的反應(yīng)再取出的操作方法。間歇式=分批式連續(xù)操作，指反應(yīng)物料連續(xù)地通過反應(yīng)器的操作方式。半連續(xù)操作，指反應(yīng)器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些則是連續(xù)流動通過反應(yīng)器。化學(xué)反應(yīng)器分類化學(xué)反應(yīng)工建第一章課件3、按反應(yīng)器型式來分類，分為（1）管式反應(yīng)器，一般長徑比大于30。PFR（2）釜（槽）式反應(yīng)器，一般高徑比為2—3。CSTR（3）塔式反應(yīng)器，一般高徑比在3—10幾之間（4）固定床（5）流化床（6）移動床（7）滴流床（8）其它3、按反應(yīng)器型式來分類，分為4、按傳熱條件分類，分為（1）等溫反應(yīng)器，整個反應(yīng)器維持恒溫，這對傳熱要求很高。（2）絕熱反應(yīng)器，反應(yīng)器與外界沒有熱量交換，全部反應(yīng)熱效應(yīng)使物料升溫或降溫。（3）非等溫、非絕熱反應(yīng)器，與外界有熱量交換，但不等溫。4、按傳熱條件分類，分為化學(xué)反應(yīng)工建第一章課件重油的催化裂化流化床反應(yīng)器重油的催化裂化流化床反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工建第一章課件乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器乙苯加氫氣液塔式反應(yīng)器輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器輕油裂解制乙烯管式非催化反應(yīng)器反應(yīng)器設(shè)計的基本方程

設(shè)計內(nèi)容：（１）選擇合適型式（２）選擇操作方式，確定最佳操作條件（３）根據(jù)操作條件，確定反應(yīng)器體積。設(shè)計基本方程物料衡算式：[關(guān)鍵組分i的輸入速率]＝[關(guān)鍵組分i的輸出速率]＋[關(guān)鍵組分i的轉(zhuǎn)化速率]＋[關(guān)鍵組分i的累積速率]能量衡算式：[單位時間內(nèi)輸入熱量]＝[單位時間內(nèi)輸出熱量]＋[單位時間反應(yīng)熱]＋[單位時間內(nèi)累積熱量]動量衡算式：[輸入的動量]＝[輸出的動量]＋[消耗的動量]＋[累積的動量][進(jìn)]-[出]+[生成]=[累積][In]-[Out]+[Generation]=[Accumulation]反應(yīng)器設(shè)計的基本方程

設(shè)計內(nèi)容：（１）選擇合適型式（２）選擇反應(yīng)器摩爾平衡--通用方程Fj0Fj系統(tǒng)體積VGjFj0-Fj+Gj=dNj/dt反應(yīng)器摩爾平衡--通用方程Fj0Fj系統(tǒng)體積VGjFj0-F

式中Nj為物種j在任意時間t在系統(tǒng)中的摩爾數(shù)，若系統(tǒng)參數(shù)（溫度、壓力、濃度、催化劑活性等）在整個系統(tǒng)中分布均勻，則j的生成速率恰為體積V與生成速率rj的乘積：Gj=rj·Vmol/tmol/(t.L)L式中Nj為物種j在任意時間t在系統(tǒng)中的摩爾假設(shè)J的生成速率隨著系統(tǒng)體積中的位置而異，則在位置1時，體積微元△V1中的均勻速率為rj1，在位置2時為rj2，假設(shè)J的生成速率隨著系統(tǒng)體積中的位置而異，則在位置1時，體積則體積微元△V1中j的生成速率△Gj1:△Gj1=

rj1·△V1

同樣可寫出其它體積微元的生成速率。如果系統(tǒng)體積可分成M個體積微元，則總生成速率為：取極限（△V10,M∞)(微元足夠小，數(shù)目足夠多）則體積微元△V1中j的生成速率△Gj1:代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得Hw1:Text.Ch1題1.1；復(fù)習(xí)：化工熱力學(xué)：化學(xué)反應(yīng)熱與化學(xué)反應(yīng)平衡化工動力學(xué)預(yù)習(xí)：Ch2課堂問題：在間歇式反應(yīng)器中，下式什么情況下成立？Hw1:Text.Ch1題1.1；

習(xí)題1.1題解答

說明

（1）根據(jù)進(jìn)口原料mol比換算成百分比，以100mol進(jìn)料為基準(zhǔn)計算容易一些。（2）關(guān)鍵組分選甲醇，各物質(zhì)流向更清楚

（3）空氣中N2是惰性組分，計算時單列（不參加反應(yīng)）