化学反应工程学.ppt

《化学反应工程学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应工程学.ppt（70页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、化学反应工程学现在学习的是第1页，共70页4.1.2 研究研究目的目的将将实验室成果转化为工业生产实验室成果转化为工业生产，并对所采，并对所采用的反应及预期的生产过程要求对用的反应及预期的生产过程要求对反应反应器型式、结构、尺寸及操作方式和操作器型式、结构、尺寸及操作方式和操作条件进行优化选择与设计条件进行优化选择与设计.4.1.3 主要研究方法主要研究方法 数学模拟方法数学模拟方法 关键：数学模型的关键关键：数学模型的关键现在学习的是第2页，共70页数学模拟方法步骤数学模拟方法步骤实验室内进行的小规模实验，包括新产实验室内进行的小规模实验，包括新产品合成，反应动力学的研究以及新型催品合成，反

2、应动力学的研究以及新型催化剂的开发等。化剂的开发等。初步放大初步放大:仍属于实验室规模，但大于通仍属于实验室规模，但大于通常的实验室规模，且反应器的结构与将常的实验室规模，且反应器的结构与将来工业规模装置相接近。来工业规模装置相接近。现在学习的是第3页，共70页大型冷模试验大型冷模试验 包括包括“冷模实验冷模实验”和和“热模实验热模实验”，主要用于探索传递过程对，主要用于探索传递过程对化学反应过程的影响以及与设备规模之间的关系。化学反应过程的影响以及与设备规模之间的关系。中试中试 这一阶段的试验除在规模上扩大外，在流程及设备型式上也与这一阶段的试验除在规模上扩大外，在流程及设备型式上也与生产车

3、间十分接近。目的在于对数学模型进行检验和修正，生产车间十分接近。目的在于对数学模型进行检验和修正，为最终工业化设计提供有用的信息。同时对设备材料的情况、为最终工业化设计提供有用的信息。同时对设备材料的情况、催化剂的寿命及活性变化进行考查。催化剂的寿命及活性变化进行考查。现在学习的是第4页，共70页4.2 工业反应器及其分类工业反应器及其分类 现在学习的是第5页，共70页4.2.1 反应的操作方法反应的操作方法 非定态的操作非定态的操作非定态的操作非定态的操作定态的操作定态的操作现在学习的是第6页，共70页4.2.2反应器的型式反应器的型式 现在学习的是第7页，共70页管式反应器管式反应器釜式反

4、应器釜式反应器鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器现在学习的是第8页，共70页固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反应器现在学习的是第9页，共70页填料塔反应器填料塔反应器回转筒式反应器回转筒式反应器喷雾塔反应器喷雾塔反应器现在学习的是第10页，共70页4.2.3 反应的相态反应的相态现在学习的是第11页，共70页4.2.4 化学反应的动力学基础化学反应的动力学基础均相反应均相反应在均一的气相或液相中进行的反应，在均一的气相或液相中进行的反应，如如烃类的高温裂解，酯化、皂化、酸碱中烃类的高温裂解，酯化、皂化、酸碱中和等反应，均为典型的气相和液相均相和等反应，均为典型的气相和液相均相反应。反应。现在学

5、习的是第12页，共70页4.2.4.1.化学反应速率及其表示化学反应速率及其表示ri体系中i组分的反应速率nii组分的物质的量V反应体积若反应过程中体积恒定，即均相定容反应若反应过程中体积恒定，即均相定容反应 现在学习的是第13页，共70页同一化学反应按不同组分计同一化学反应按不同组分计算得到的反应速率在数值上算得到的反应速率在数值上并不一定相等并不一定相等现在学习的是第14页，共70页反应速率数的单位为（反应速率数的单位为（kmolm-3）1-ns-1则对一级反应则对一级反应k的单位为的单位为 s-1，二级反应的单位为二级反应的单位为m3kmol-1s-1 反应速率常数反应速率常数k的单位随

6、反应级数不同而异的单位随反应级数不同而异现在学习的是第15页，共70页图图4-2 流动体系的反应速率示意图流动体系的反应速率示意图 现在学习的是第16页，共70页4.2.5 转化率，产率和选择性转化率，产率和选择性 转化率转化率现在学习的是第17页，共70页等温、定容条件下连续流动系统连续流动系统间歇系统间歇系统现在学习的是第18页，共70页转化率是针对反应物而言的。以不同的反转化率是针对反应物而言的。以不同的反应物为基准计算得到的转化率数值可能并应物为基准计算得到的转化率数值可能并不相同不相同 在工业反应过程所用的反应物料中，各反在工业反应过程所用的反应物料中，各反应组分之间的比例通常并不符

7、合化学计量应组分之间的比例通常并不符合化学计量关系，一般选择不过量的反应物计算转化关系，一般选择不过量的反应物计算转化率率.这样的组分称为这样的组分称为着眼组分着眼组分或或关键组分关键组分 由关键组分计算的转化率，其最大值为由关键组分计算的转化率，其最大值为100%。而按过量组分计算，其最大值永远。而按过量组分计算，其最大值永远小于小于100%。当当原原料料中中各各组组分分间间的的比比例例符符合合化化学学计计量量关关系系时时，对对于于同同一一状状态态，按按任任意意一一种种反反应应物物计算的转化率数值都一样。计算的转化率数值都一样。现在学习的是第19页，共70页收率收率y单一反应，转化率与收率相

8、等，而且无论按单一反应，转化率与收率相等，而且无论按哪一个反应产物计算的收率，其数值都相等哪一个反应产物计算的收率，其数值都相等当反应系统中进行的反应不只一个时，则当反应系统中进行的反应不只一个时，则不相等不相等.现在学习的是第20页，共70页在在工工业业生生产产中中，评评价价复复合合反反应应时时，除除了了采采用用转转化化率率和和收收率率外外，还还常常用用反反应应的选择性来表示。的选择性来表示。选择性选择性 S现在学习的是第21页，共70页转化率，收率和选择性的关系转化率，收率和选择性的关系现在学习的是第22页，共70页例例4-1 在在银银催催化化剂剂上上通通过过乙乙烯烯氧氧化化反反应应以以生

9、生产产环环氧氧乙乙烷烷,已已知知进进入入反反应应器器的的气气体体组组成成为为C2H415%,O27%,CO210%,Ar12%,N256%。反反应应器器出出口口气气体体中中含含C2H413.1%,O24.8%。试试计计算算乙乙烯烯的的转转化化率率，环环氧氧乙乙烷烷收率和反应选择性收率和反应选择性。解解：以以100 mol进进料料为为计计算算基基准准，并并设设x和和y分分别别表表示示环环氧氧乙乙烷烷和和二二氧氧化化碳碳的的生生成成量量，由由已已知知进进料料组成和该反应系统的化学计量式，可列出下表组成和该反应系统的化学计量式，可列出下表现在学习的是第23页，共70页现在学习的是第24页，共70页反

10、应器出口气体中乙烯和氧的浓度已反应器出口气体中乙烯和氧的浓度已知，所以可列出以下两个方程知，所以可列出以下两个方程：x1.504 mol;y0.989mol乙烯的转化率为1.999/150.1333或13.33%环氧乙烷收率1.504 mol/15 mol0.1003或10.03%S0.1003 mol/0.1333 mol0.7524或或75.24%现在学习的是第25页，共70页4.3 理想均相反应器及其计算理想均相反应器及其计算 4.3.1理想流动模型理想流动模型理想理想均相均相反应器反应器现在学习的是第26页，共70页1.理想置换理想置换（又称理想排挤、活塞流或平推流）（又称理想排挤、活

11、塞流或平推流）特点：特点：任一截面上的各点的温度、浓度、压力、速度都任一截面上的各点的温度、浓度、压力、速度都相同。相同。所有质点在反应器中的停留时间都相同。所有质点在反应器中的停留时间都相同。现在学习的是第27页，共70页2.理想混合理想混合（全混流（全混流）特点特点在整个反应器中，各点的浓度和温度均匀在整个反应器中，各点的浓度和温度均匀一致，且等于反应器出口处的物料的温度一致，且等于反应器出口处的物料的温度和浓度和浓度。物料质点的停留时间并不相等物料质点的停留时间并不相等.将反应器内停留时间不同的物料质点之将反应器内停留时间不同的物料质点之间的混合现象。间的混合现象。返混：现在学习的是第2

12、8页，共70页理想排挤模型中，物料停留时间都一样，因此，理想排挤模型中，物料停留时间都一样，因此，不存在不存在“返混返混”。理想混合模型的提出是以高效率搅拌釜作为基理想混合模型的提出是以高效率搅拌釜作为基础，所以，实际生产中连续操作搅拌釜中的流础，所以，实际生产中连续操作搅拌釜中的流动型式可看作理想混合动型式可看作理想混合。现在学习的是第29页，共70页现在学习的是第30页，共70页间歇釜式反应器间歇釜式反应器：反应时间反应时间=停留时间停留时间连续操作的釜式反应器：反应时间反应时间 停留时间；停留时间；反应时间反应时间:反应物料加入反应器后从实际进行反反应物料加入反应器后从实际进行反应起至反

13、应到某一时刻所需的时间。应起至反应到某一时刻所需的时间。停留时间停留时间:指反应物料从进入反应器至离开反应指反应物料从进入反应器至离开反应器所经历的时间器所经历的时间。4.3.2 反应器操作中的几个基本概念反应器操作中的几个基本概念现在学习的是第31页，共70页空时空时:在规定条件下进入反应器的物料在规定条件下进入反应器的物料 通过反应体积所需的时间。通过反应体积所需的时间。空速空速:在规定条件下，单位时间内通过在规定条件下，单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。单位反应器容积的物料体积。现在学习的是第32页，共70页1.1.达到一定转化率时所需反应时间达到一定转化率时所需反应时间2.反应器

14、有效容积反应器有效容积V的计算的计算计算的内容计算的内容计算的对象计算的对象现在学习的是第33页，共70页4.3.3 间歇釜式反应器间歇釜式反应器(BTR)间间歇歇釜釜式式反反应应器器内内设设有有搅搅拌拌装装置置，反反应应物物料料按按一一定定配配比比一一次次加加入入到到反反应应器器内内，在在搅搅拌拌良良好好的的情情况况下下，釜釜内内物物料料达达到到完完全全混混合合，各各处处浓浓度度、温温度度均均一一。各各点点的的化化学学反反应应速速度度也也都都相相同同。随随反反应应的的进进行行，釜釜内内的的浓浓度度、温温度度和和反反应应速速度度都都随随时时间间而而改改变。因此为一非稳态过程。变。因此为一非稳态

15、过程。BTR特点：特点：操作条件灵活，多品种小批量的化学生产操作条件灵活，多品种小批量的化学生产生产规模小或者反应时间长的反应生产规模小或者反应时间长的反应现在学习的是第34页，共70页反应时间的计算和反应器的有效容积反应时间的计算和反应器的有效容积 非流动系统非流动系统00-(物料物料A消耗速度消耗速度)(物料物料A积累速度积累速度)现在学习的是第35页，共70页现在学习的是第36页，共70页一级反应一级反应 现在学习的是第37页，共70页表表4-3 不同级数反应的反应时间计算式不同级数反应的反应时间计算式现在学习的是第38页，共70页反应器容积的计算反应器容积的计算反应器实际体积反应器实际

16、体积VR反应器有效容积反应器有效容积V辅助操作时间辅助操作时间 装料系数装料系数 物料起泡、沸腾：物料起泡、沸腾：0.40.65不起泡不沸腾，不起泡不沸腾，0.70.85现在学习的是第39页，共70页例例4-1在在等等温温间间歇歇反反应应器器内内进进行行乙乙酸酸乙乙酯酯的的皂皂化化反反应应已已知知该该反反应应对对乙乙酸酸乙乙醋醋和和氢氢氧氧化化钠钠均均为为一一级级，反反应应开开始始时时乙乙酸酸乙乙酯酯及及氢氢氧氧化化钠钠的的浓浓度度均均为为0.02kmol m-3，反反应应速速率率常常数数为为0.0935m3 kmol s-1，若若每每天天处处理理乙乙酸酸乙乙酯酯176 kg，试试求求最最终终

17、转转化化率率大大达达90%所所需需反反应应器器的的有有效效容容积积；若若装装料料系系数数取取0.80，则则反反应应器器的的实实际际体体积积为为多多少少(已已知知辅辅助助操操作作时时间间为为t =30 min)?MCH3COC2H5=88 kg/molV =7.66 m3 VR=9.58 m3现在学习的是第40页，共70页4.3.4 理想置换反应器理想置换反应器(PFR)图图4-4 理想置换反应器物料衡算示意图理想置换反应器物料衡算示意图(物料物料A加入量加入量)-(物料物料A引出量引出量)-(物料物料A消耗量消耗量)0 现在学习的是第41页，共70页现在学习的是第42页，共70页PFR与与BT

18、R比较比较相同点相同点不同点不同点反应物浓度的变化过程相同反应物浓度的变化过程相同 反应器内物料的流动形态却完全不同反应器内物料的流动形态却完全不同 PFR:物料为无返混的物料为无返混的定态过程定态过程 BTR:物料属于混合均匀的物料属于混合均匀的非定态过程非定态过程 现在学习的是第43页，共70页例例4-2 4-2 将例将例4-14-1中所述乙酸乙酯与氢氧化钠进行的皂化中所述乙酸乙酯与氢氧化钠进行的皂化反应，改在理想置换反应器中进行，操作条件及乙酸乙反应，改在理想置换反应器中进行，操作条件及乙酸乙酯处理量与上例完全相同，试求算理想排挤反应反应器酯处理量与上例完全相同，试求算理想排挤反应反应器

19、所需的体积所需的体积。解：已知反应为二级反应解：已知反应为二级反应,现在学习的是第44页，共70页现在学习的是第45页，共70页现在学习的是第46页，共70页气相反应的膨胀因子气相反应的膨胀因子(或体积变化率或体积变化率)当着眼反应组分当着眼反应组分A每转化每转化1 kmol时，引起时，引起物系总量物系总量(以以kmol计计)增加或减少的值。增加或减少的值。物理意义物理意义该数值与进料中有无惰性物质无关。该数值与进料中有无惰性物质无关。现在学习的是第47页，共70页当当 时，着眼反应组分时，着眼反应组分A A的摩尔分数为的摩尔分数为等温等压，由理想气体状态方程和分压定律得等温等压，由理想气体状

20、态方程和分压定律得现在学习的是第48页，共70页现在学习的是第49页，共70页4.3.5 理想混合反应器理想混合反应器(CSTR)(物料物料A加入速度加入速度)(物料物料A引出速度引出速度)+(物料物料A消耗速度消耗速度)图图5-6 理想混合反应器物料衡算示意图理想混合反应器物料衡算示意图 现在学习的是第50页，共70页现在学习的是第51页，共70页现在学习的是第52页，共70页例例4-3：将例：将例4-1中所进行的反应，改用理想混合反应器中进中所进行的反应，改用理想混合反应器中进行，操作条件与例行，操作条件与例4-1完全相同，试求反应器所需的体完全相同，试求反应器所需的体积？积？二级反应，在

21、二级反应，在CSTR中进行中进行解：已知解：已知现在学习的是第53页，共70页在相同的条件下，采用在相同的条件下，采用理想混合反应器理想混合反应器所需的体积所需的体积远大于远大于理想排挤反应器理想排挤反应器和和间歇釜式反应器间歇釜式反应器，造成不同型式，造成不同型式反应器反应器之间体积之间体积差异的主要原因，是由于反应器内差异的主要原因，是由于反应器内返混程度返混程度不同不同所造成的。所造成的。对对PFR来说，由于不存在物料的来说，由于不存在物料的“返混返混”，反应器入口处，反应器入口处反应物浓度高，沿反应器管长逐渐降低，浓度高反应速度反应物浓度高，沿反应器管长逐渐降低，浓度高反应速度快，达到

22、相同的转化率所需时间短，因而所需反应器体积快，达到相同的转化率所需时间短，因而所需反应器体积小；小；BTR中反应物浓度变化与中反应物浓度变化与PFR相似，但随时间而变；相似，但随时间而变；CSTR中中“返混返混”最大，反应物一进入该反应器即达到最大，反应物一进入该反应器即达到出口处浓度、反应过程中始终是在出口浓度水平下进行，出口处浓度、反应过程中始终是在出口浓度水平下进行，浓度低，反应速度慢，达到相同转化率所需反应时间长，浓度低，反应速度慢，达到相同转化率所需反应时间长，因此所需反应器体积就大。因此所需反应器体积就大。现在学习的是第54页，共70页 4.3.6 多级串联理想混合反应器多级串联理

23、想混合反应器(CCSTR)图图4-7 多级串联反应器物料衡算示意图多级串联反应器物料衡算示意图 现在学习的是第55页，共70页(单位时间内物料加入速度单位时间内物料加入速度)(单位时间内物料的引出速度单位时间内物料的引出速度)+(单位时间内物料的消耗速度单位时间内物料的消耗速度)现在学习的是第56页，共70页在多釜串联反应器计算中，常涉及到四在多釜串联反应器计算中，常涉及到四个参数，即：个参数，即：每釜的有效体积每釜的有效体积V V，串联釜串联釜的个数的个数N N，最终转化率最终转化率 及及反应物的最反应物的最终浓度终浓度 常用的计算方法有常用的计算方法有代数法代数法或或图解法图解法.现在学习

24、的是第57页，共70页代数法代数法 对多釜串联反应器，前一釜出口浓度和转化率出口浓度和转化率就是后一釜物料入口浓度及入口转化率入口浓度及入口转化率，假设各釜体积分别为 V1，V2VN，若各釜的温度和反应速率常数已知，在确定第一釜的入口浓度 和体积流量 后，可从第一釜开始，利用式(6-43)，求得 或 ，再将其代入式(6-43)，求算出 ，逐级计算，直到要求的转化率为止。6-43现在学习的是第58页，共70页一级反应一级反应 若在等温下操作，且各釜体积相等，则有若在等温下操作，且各釜体积相等，则有k1=k2=kN=k，现在学习的是第59页，共70页二级反应二级反应 当当CA,O=CB,O，且各釜

25、的温度及体积均相等，有，且各釜的温度及体积均相等，有 现在学习的是第60页，共70页例例4-4 将乙酸乙酯的皂化反应放在二釜串联反应器中进行，若在将乙酸乙酯的皂化反应放在二釜串联反应器中进行，若在第一釜中乙酸乙酯的转化率为第一釜中乙酸乙酯的转化率为60%，第二釜中达到最终转化率，第二釜中达到最终转化率90%，当反应条件与例，当反应条件与例4-2中完全相同时，计算该两釜串联反应器中完全相同时，计算该两釜串联反应器的总体积的总体积?解：解：已知已知：现在学习的是第61页，共70页所以反应器的总体积为所以反应器的总体积为 现在学习的是第62页，共70页 图解法图解法 当串联反应器各釜体积相等时当串联

26、反应器各釜体积相等时 或或 现在学习的是第63页，共70页对于简单反应，不存在选择性的问题，只需考虑其对于简单反应，不存在选择性的问题，只需考虑其生生产能力的大小产能力的大小对复杂反应，除需考虑对复杂反应，除需考虑反应器体积的大小反应器体积的大小外，还要外，还要考虑考虑反应的选择性反应的选择性。由于副产物的多少影响着原。由于副产物的多少影响着原料的消耗量、分离流程的选择及分离设备的大小。料的消耗量、分离流程的选择及分离设备的大小。因此复杂反应的选择性更应着重考虑。因此复杂反应的选择性更应着重考虑。4.4 反应器型式和操作方法的评比和选择反应器型式和操作方法的评比和选择现在学习的是第64页，共7

27、0页4.4.1反应器生产能力的比较反应器生产能力的比较 表表4-4 乙酸乙酯皂化反应所需各种不同类型反应器的有效容积乙酸乙酯皂化反应所需各种不同类型反应器的有效容积 现在学习的是第65页，共70页4.4.2 容积效率容积效率在等温等容过程中，相同产量，相同转化率，相同初始浓度的条件下，将所需理想排挤反应器体积理想排挤反应器体积与理想混合反应器理想混合反应器体积体积之比称为容积效率容积效率，即 现在学习的是第66页，共70页容积效率容积效率的大小随反应级数反应级数及转化率转化率而变。零级反应零级反应一级反应一级反应 二级反应二级反应现在学习的是第67页，共70页n x 现在学习的是第68页，共70页现在学习的是第69页，共70页4.4.3 反应选择性的分析反应选择性的分析 平行反应平行反应现在学习的是第70页，共70页