化学反应工程第一章课件.ppt

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1、教科书教科书李绍芬，反应工程，天大出版社李绍芬，反应工程，天大出版社参考书：参考书：H.H.Scott Scott Fogler,Fogler,“Elements“Elements of of Chemical Chemical Reaction Reaction Engineering”Engineering”,Prentice Prentice HallHall（第第三三版版有有中中译译本本，李李正正元元等等译译，化化学学反反应工程）应工程）SchmidtSchmidt L.DL.D，The The Engineering Engineering of of Chemical Chemic

2、al ReactionReaction（靳靳海海波波等等译译，化化学学反反应应工程工程)第一页，编辑于星期六：十八点 分。课程主要内容课程主要内容-天大李绍芬教材天大李绍芬教材基础部分基础部分Ch1-5 Ch1-5 等温理想反应器等温理想反应器多相反应器：多相反应器：催化反应的反应机理及及反应器设计与分析催化反应的反应机理及及反应器设计与分析Ch6-7Ch6-7反应速率数据处理技术反应速率数据处理技术复杂反应计算策略复杂反应计算策略反应器稳定性分析反应器稳定性分析应用部分应用部分聚合反应工程聚合反应工程 Ch8Ch8燃烧反应、燃烧反应、链式反应及反应器安全链式反应及反应器安全环境反应工程环境反

3、应工程生化反应工程生化反应工程电化学反应工程电化学反应工程第二页，编辑于星期六：十八点 分。Ch.1 Ch.1 导论导论化工过程流程化工过程流程 化化学学工工业业、冶冶金金、石石油油炼炼制制和和能能源源加加工工等等工工业业过过程程，均均采采用用化化学学方方法法将将原原料料加加工工成成为为有有用用的的产产品品。生生产产过过程程包包括括如如下下三三个个组成部分：组成部分：原料原料产物产物副产物副产物原料预原料预处理处理（纯化）（纯化）化学反应化学反应过程过程产物的分产物的分离与提纯离与提纯和和两部分属于单元操作的研究范围；两部分属于单元操作的研究范围；部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程部分是

4、化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。的核心。第三页，编辑于星期六：十八点 分。化学反应工程的研究内容化学反应工程的研究内容 化学反应工程化学反应工程 化学反应工程是化学工程学科的一个重要分化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学反应动力学与与反应器分析与设计反应器分析与设计。反应动力学反应动力学：研究化学反应进行的机理和速率，：研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等。其信息，如反应模式、速率方程及反应活

5、化能等。其中速率方程可表示为：中速率方程可表示为：r=fr=f（T T、C C、P P）（对对于于一一定定的的反反应应物物系系）而而言言，随随时时间间、空空间间变变化化。其其中中，r r为为反反应应系系统统中中某某一一组组分分的的反反应应速速率率，C C代代表表浓度，浓度，P P为系统的总压。为系统的总压。第四页，编辑于星期六：十八点 分。反反应应器器设设计计分分析析：研研究究反反应应器器内内上上述述因因素素的的变变化化规规律律，找找出出最最优优工工况况和和适适宜宜的的反应器型式和尺寸。反应器型式和尺寸。化化学学反反应应是是研研究究反反应应本本身身的的规规律律，与与反反应应器器内内各各局局部部

6、的的状状况况有有关关，而而与与反反应应器器总总体体的的性性态态无无关关。所所以以可可以以说说反反应应动动力力学学从从点点上上着着眼眼，而而反反应应器器的的设设计计与与分分析析则则从从面上（体上）着手。面上（体上）着手。第五页，编辑于星期六：十八点 分。Chemical Chemical Reaction Reaction Engineering Engineering(CRE)(CRE)is is the the field field that that studies studies the the rates rates and and mechanisms mechanisms of

7、of chemical chemical reactions reactions and and the the design design of of the the reactors reactors in in which which they they take place.take place.Fogler Fogler第六页，编辑于星期六：十八点 分。化学反应工程研究方法化学反应工程研究方法（1 1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理后仍能）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理后仍能反应事物的本质。反应事物的本质。（2 2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化学和）建

8、模：用数学，物理，化学等基础学科，将化学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相互关系，物理现象综合起来研究，了解它们之间的相互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作用，找出数学掌握各种现象的规律，以及对反应的作用，找出数学关联式。关联式。（3 3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反应动力）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间和时间分布特学因素）；具体参数：浓度，温度的空间和时间分布特点点选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条件选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条件最优化的技术指标最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的

9、强化措施。学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。第七页，编辑于星期六：十八点 分。转化率、选择性和收率转化率、选择性和收率转化率转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组：针对反应物，反应物中价值最高的组分为关键组分（设为分为关键组分（设为A A）。）。设设A A起始摩尔数起始摩尔数N NA0A0，反应后摩尔数，反应后摩尔数N NA A，转化，转化量量N NA0 A0 N NA A，则，则 X XA A=(N=(NA0 A0-N-NA A)/N)/NA0A0第八页，编辑于星期六：十八点 分。选择性选择性：收率：收率：由上述定义式，可得由上述定义式，可得X X、S S和和Y Y之间的关系之间的

10、关系 Y=SX Y=SX第九页，编辑于星期六：十八点 分。例例1.1 1.1 已知已知HClHCl过量过量10%10%，出口处氯乙烯摩尔分率，出口处氯乙烯摩尔分率90%90%，计算乙，计算乙炔和氯化氢的转化率炔和氯化氢的转化率 C C2 2H H2 2+HCl CH+HCl CH2 2CHClCHCl 计算基准：进口计算基准：进口100 molC100 molC2 2H H2 2(关键组分关键组分）由由x/(210-x)=0.90 x/(210-x)=0.90得得x=99.47molx=99.47molX XC2H2 C2H2=99.47/100=0.9947=99.47%=99.47/100

11、=0.9947=99.47%X XHClHCl=99.47/110=0.9043=90.43%=99.47/110=0.9043=90.43%反应组分反应组分反应器进反应器进口口(mol)(mol)变化量变化量(mol)(mol)反应器出口反应器出口（mol)mol)C C2 2H H2 2 100-x100-xHClHCl110-x110-xCHCH2 2CHClCHCl0 xx总计210-x第十页，编辑于星期六：十八点 分。例题例题2 2：计算基准：进口原料量：计算基准：进口原料量100mol100mol。关键组分：关键组分：C C2 2H H4 4.化学计量表如下：化学计量表如下：C C

12、2 2H H4 4+1/2O+1/2O2 2 CH CH2 2CHCH2 2O O 变化量变化量 x 0.5x x -0.5x x 0.5x x -0.5xC C2 2H H4 4+3O+3O2 2 2CO 2CO2 2+2H+2H2 2O O y 3y 2y 2y 0 y 3y 2y 2y 0 x+y 0.5x+3y x+y 0.5x+3y 总变化量总变化量 -0.5x-0.5x第十一页，编辑于星期六：十八点 分。反应组分反应组分反应器进反应器进口口(mol)(mol)转化量转化量反应器出口反应器出口C C2 2H H2 2 15-x-y15-x-yO27-0.5x-3y7-0.5x-3yC

13、 C2 2H H4 4O O0 xxCO2102y10+2yH2O02y2yAr12012N256056总计100-0.5x100-0.5x第十二页，编辑于星期六：十八点 分。(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131 及及(7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048(7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048解方程组得：解方程组得：x=1.518mol;y=0.495molx=1.518mol;y=0.495mol乙烯转化量乙烯转化量=x+y=1.518+0.495=2.013=x+y=1.518+0.495=

14、2.013乙烯转化率乙烯转化率 X=2.013/15=13.4%X=2.013/15=13.4%环氧乙烷选择性环氧乙烷选择性S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754环氧乙烷收率环氧乙烷收率 Y=x/15=1.518/15=0.101 Y=x/15=1.518/15=0.101第十三页，编辑于星期六：十八点 分。化学反应及反应器分类化学反应及反应器分类 化学反应的分类化学反应的分类按相态分类按相态分类：可分为均相和非均相：可分为均相和非均相 均相：气相，液相，固相均相：气相，液相，固相 非均相：气固，气非均相：气固，气液，液液，

15、液固，气液固，液，液液，液固，气液固，固固固固按反应特征分类按反应特征分类 单一反应：单一反应：复合反应：复合反应：平行反应平行反应 连串反应连串反应 并列反应并列反应 B第十四页，编辑于星期六：十八点 分。热力学特征分类热力学特征分类 可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒容容 控制步骤分类控制步骤分类 稳态和非稳态（连续）稳态和非稳态（连续）连续稳态：某一反应器的反应速率在特定的空连续稳态：某一反应器的反应速率在特定的空间不随时间变化间不随时间变化其它分类方法？其它分类方法？第十五页，编辑于星期六：十八点 分。化学反应器分类化学反应器分类按反应系统涉及的相

16、态分类按反应系统涉及的相态分类，分为，分为均相反应均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。，包括气相均相反应和液相均相反应。非非均均相相反反应应，包包括括气气固固相相，气气液液相相，气气液液固固相反应等。相反应等。按操作方式分类按操作方式分类，分为，分为间间歇歇操操作作，是是指指一一批批物物料料投投入入反反应应器器后后，经经过过一一定定时时间的反应再取出的操作方法。间的反应再取出的操作方法。间歇式间歇式=分批式分批式连续操作连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。半半连连续续操操作作，指指反反应应器器中中的的物物料料，有有一一些些是是分分批批地

17、地加加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。第十六页，编辑于星期六：十八点 分。第十七页，编辑于星期六：十八点 分。3 3、按反应器型式来分类，分为、按反应器型式来分类，分为（1 1）管式反应器管式反应器，一般长径比大于，一般长径比大于3030。PFRPFR（2 2）釜（槽）式反应器釜（槽）式反应器，一般高径比为，一般高径比为2323。CSTRCSTR（3 3）塔式反应器，一般高径比在塔式反应器，一般高径比在310310几之间几之间（4 4）固定床）固定床（5 5）流化床）流化床（6 6）移动床）移动床（7 7）滴流床）滴流床（8 8）其它）其它第

18、十八页，编辑于星期六：十八点 分。4 4、按传热条件分类，分为、按传热条件分类，分为（1 1）等等温温反反应应器器，整整个个反反应应器器维维持持恒恒温温，这对传热要求很高。这对传热要求很高。（2 2）绝绝热热反反应应器器，反反应应器器与与外外界界没没有有热热量量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。交换，全部反应热效应使物料升温或降温。（3 3）非非等等温温、非非绝绝热热反反应应器器，与与外外界界有有热热量交换，但不等温。量交换，但不等温。第十九页，编辑于星期六：十八点 分。第二十页，编辑于星期六：十八点 分。重油的催化裂化流化床反应器第二十一页，编辑于星期六：十八点 分。第二十二页，编辑于星

19、期六：十八点 分。乙苯加氢气液塔式反应器乙苯加氢气液塔式反应器第二十三页，编辑于星期六：十八点 分。轻油裂解制乙烯管式非催化反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器第二十四页，编辑于星期六：十八点 分。反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程设计内容设计内容：（）选择合适型式（）选择操作方式，确定最佳操作：（）选择合适型式（）选择操作方式，确定最佳操作条件（）根据操作条件，确定反应器体积。条件（）根据操作条件，确定反应器体积。设计基本方程设计基本方程物料衡算式：物料衡算式：关键组分关键组分i i的输入速率的输入速率 关键组分关键组分i i的输出速率的输出速率 关键组分关键组分i i的转的转化速率化

20、速率 关键组分关键组分i i的累积速率的累积速率 能量衡算式：能量衡算式：单位时间内输入热量单位时间内输入热量 单位时间内输出热量单位时间内输出热量 单位时间反应热单位时间反应热 单位时间内累积热量单位时间内累积热量 动量衡算式：动量衡算式：输入的动量输入的动量 输出的动量输出的动量 消耗的动量消耗的动量 累积的动量累积的动量 进进-出出+生成生成=累积累积 In-Out+Generation=Accumulation In-Out+Generation=Accumulation第二十五页，编辑于星期六：十八点 分。反应器摩尔平衡反应器摩尔平衡-通用方程通用方程F Fj0j0F Fj j系统体

21、积系统体积V VG Gj jF Fj0j0-F-Fj j+G+Gj j=dN=dNj j/dt/dt第二十六页，编辑于星期六：十八点 分。式式中中N Nj j为为物物种种j j在在任任意意时时间间t t在在系系统统中中的的摩摩尔尔数数，若若系系统统参参数数（温温度度、压压力力、浓浓度度、催催化化剂剂活活性性等等）在在整整个个系系统统中中分布均匀，则分布均匀，则j j的生成速率恰为体积的生成速率恰为体积V V与生成速率与生成速率r rj j的乘积：的乘积：G Gj j =r=rj j V Vmol/t mol/(t.L)Lmol/t mol/(t.L)L第二十七页，编辑于星期六：十八点 分。假设

22、假设J J的生成速率随着系统体积中的位置而的生成速率随着系统体积中的位置而异，则在位置异，则在位置1 1时，体积微元时，体积微元V V1 1中的均匀中的均匀速率为速率为r rj1j1，在位置，在位置2 2时为时为r rj2j2，第二十八页，编辑于星期六：十八点 分。则体积微元则体积微元V V1 1中中j j的生成速率的生成速率G Gj1j1:G Gj1j1=r rj1j1V V1 1 同样可写出其它体积微元的生成速率。如同样可写出其它体积微元的生成速率。如果系统体积可分成果系统体积可分成M M个体积微元，则总生成个体积微元，则总生成速率为：速率为：取极限（取极限（V V1 1 0,M0,M )

23、()(微元足够小，微元足够小，数目足够多）数目足够多）第二十九页，编辑于星期六：十八点 分。代入式代入式F Fj0j0-F-Fj j+G+Gj j=dN=dNj j/dt/dt中，得中，得第三十页，编辑于星期六：十八点 分。Hw1:Text.Ch1 Hw1:Text.Ch1 题题1.11.1；复习：复习：化工热力学：化学反应热与化学反应平衡化工热力学：化学反应热与化学反应平衡化工动力学化工动力学预习：预习：Ch2Ch2课堂问题：课堂问题：在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？第三十一页，编辑于星期六：十八点 分。习题习题1.11.1题解答题解答说明说明（1

24、 1）根据进口原料根据进口原料molmol比换算成百分比，以比换算成百分比，以100mol100mol进料为基准计算容易一些。（进料为基准计算容易一些。（2 2）关）关键组分选甲醇，各物质流向更清楚键组分选甲醇，各物质流向更清楚（3 3）空气中）空气中N N2 2是惰性组分，计算时单列是惰性组分，计算时单列（不参加反应）（不参加反应）（4 4）得到的反应后各物质）得到的反应后各物质molmol数再转换成数再转换成molmol百分含量或百分含量或molmol分率。分率。第三十二页，编辑于星期六：十八点 分。在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？解答：解答：由通用（一般）设计方程由通用（一般）设计方程间歇式进出口流率为零，间歇式进出口流率为零，F FA0A0=0,F=0,FA A=0=0，所以，所以第三十三页，编辑于星期六：十八点 分。假设反应器各处速率均匀，即假设反应器各处速率均匀，即:r rA A在反应器空间与位置无关在反应器空间与位置无关得到得到恒容时恒容时又因为又因为因此因此最后得到最后得到间歇（理想反应器）间歇（理想反应器）设计方程设计方程恒容恒容间歇反应间歇反应器设计方程器设计方程第三十四页，编辑于星期六：十八点 分。