2019-反应工程基础(程易)chpt14-fixedbedreactor-r2-206808519-PPT文档资料-文档资料
反应工程总复习PPT课件
工艺教研室
.
第一章 均相单一反应动力学和理想反应器
本章重点: 转化率及其计算,阿累尼乌斯关系式计算,基元反应的性 质和级数,反应速率方程式与化学计量方程式,简单级数 不可逆反应动力学方程式计算,返混,反应器的分类及各 类反应器的特点,定态操作,平均停留时间、空间时间、 空间速度和标准空速的定义和计算,各类反应器的空间时 间与平均停留时间的关系,变容体系和恒容体系,膨胀因 子、膨胀率的定义和计算,各类反应器基础设计方程的计 算(如反应器处理量、体积的计算和比较)。
解:汞置换的体积减去氦气置换的体积就是孔容积,因此
V g 8.1 7 2 .4 5 0.1 5 c 13 m g 1 0 .3c 73 m g 1 1 氦气体积是催化剂中固体物质密度的一种量度,即
s140 ..1 5 5g 1cm 32.2g 5cm 3
把Vg和ρs值代入式(4.2-3)中得活性二氧化硅的孔隙率,即
.
第二章 复合反应Байду номын сангаас反应器选型
.
第三章 非理想流动反应器
本章重点: 停留时间分布的性质和定量描述,F(t)、E(t)、平均停留时 间、方差的计算,停留时间分布的统计函数随时间变化的 关系图,非理想流动反应器的实验测定,对比时间的定义, 两种停留时间分布规律的关系,PFR和CSTR的停留时间 分布规律,非理想流动与停留时间分布的关系,凝集流模 型出口转化率的计算,多级混合槽模型的计算(模型参数、 停留时间分布规律、出口转化率、槽数计算等),轴向扩 散模型的模型参数Pe的取值范围与反应器返混的关系。
.
考试时间及安排
考试时间:第14周2(6月3日)晚上 7:00~9:00 考试地点: 选课1班(31人)汇南120
反应工程基础教学课件:第四章答案.docx
第四章1. Fogler 《化学反应工程》(英文版)Page 242, P4-16AP4・16A The reversible isomenzationm Xylene <222^ para-Xylenefollows an elementar )T rate law. If X c is the equilibrium conversion^X X (a) Shou for a batch and a PFR: / = T PFR = — In ------------- --PF R k x c -xX / X 、\Show for a CSTR: T PFR = —j —一"-— K \X 宅一X 丿Show that the volume efficiency is, (X c -X) InPFRCSTRand then plot the volume efficiency as a function of the ralio (X/X c ) from 0to I.(d) What would be the volume efficiency for (wo CS7 Rs in series with thesum of the two CSTR volumes being the same as the PFR volume?解:(a)对于间歇反应器:化学动力学:十HC A — C B /K) K 严C ;/C ; = X'(1 — XJ化学计量学:Q=Q O (1-X) C B =C A °XV V联立以上各代"PU 对于PFR 反应器:fX dX摩尔衡算:T =F J D Jo化学动力学:-「"(C A -C B /K) K c = C B /C^ = X e /(]-X e )化学计量学:C A =C 40(l-X) C 严C A °X联立以上各式:S FR = F AO(b) 对T CSTR 反应器:(b) XcXc-X 摩尔衡算:T = N AQ 、x dXA化学动力学:-r A=k\C A-C B IK c ) K严C;/C; = X'(1 — XJ化学计量学:(:A=C AO(\-X) C H= C AQ XX X联立以上各式:S汝匸;题目侦(C)对于两种反应器的体积效率:\7 丁( Y \ ( Y= ±PFR_ =1_厶In 1- —VcSTR SsiR V X丿I X((d)按串联CSTR之间体积效率比理解(V1+V2=V PFR):设第一个CSTR反应器体积为VI,转化率为XI;第二个CSTR反应器体积为V2,转化率为X,贝IJ:由于・1/I*A随X单调增,由图示法可知在达到相同转化率条件下必冇V1+V2W,故V1+V2=V 不存在有意义解。
反应工程基础(程易)chpt12-externaldiffusion-53460205
WA WB
WA JA yA[WA WB ] JA cDAByA
For constant total concentration:
WA JA DABCA
Dilute Concentration
The mole fraction of the diffusing solute is small, BA is neglected compared with JA, thus
rA
CA t
For cylindrical coordinates (rederive),
1 r
r
rWAr
WAz zrAC源自 tIn vector form,
WA rA
CA t
9
11.1.2 Molar flux
Two contributions to molar flux: WA JA BA
Define the mass transfer coefficient, explain what it is function of and how it is measured or calculated.
Analyze PBRs in which mass transfer limits the rate of reaction.
Equimolar counter diffusion (EMCD) Dilute concentrations Diffusion through a stagnant Gas Forced convection Diffusion and convective transport
14
Equimolar Counter Diffusion (EMCD)
Molar flux: WAz (mol/m2 s) Molar flow rate: FAz=AcWAz (mol/s) Diffusion is the spontaneous intermingling or mixing of
反应工程基础(程易)chpt11-catalysiscatalyticrea
CH.8 Steady state heat effects
CH.9 Unsteadys tate heat
effects
CH.10 Catalysis
& catalytic reactors
CH.11 External diffusion
CH.12 Diffusion in porous catalysts
➢ The use of catalyst DOES NOT vary DG & Keq values
of the reaction concerned, it merely change the PACE of the process.
2021/7/22
6
The use of catalyst DOES NOT vary DG & Keq values of
本课程的架构
第一部分:理想反应器
第二部分:非理想流动
1. Mole balance 2. Conversion and reactor sizing 3. Rate laws and stoichiometry 4. Isothermal reactor design 5. Collection and analysis of rate data 6. Multiple reaction 7. Reaction mechanisms ... 8. Steady-state non-isothermal
➢ Taking part in the reaction
➢ Altering the rates of reactions by promoting a different mechanism for the reaction
反应工程总结
第一章绪论化学工业生产过程,包括三个步骤,原料的预处理,化学反应,产物的分离反应工程的研究对象是以工业规模进行的化学反应,目的是实现工业反应过程的优化,包括设计优化和操作优化优化的技术指标有三个,反应速率,反应选择率,能耗常用反应器:均相管式反应器:轴向混合小,解热冷却较方便,温度易于控制,釜式搅拌器:有间歇,连续两种操作方式,间歇釜式搅拌器设备简单,操作方便,适用于小批量、多品种生产场合。
连续釜式搅拌器通常物料强烈返混,适用于大规模的生产要求固定床反应器是用来进行气固催化反映的设备。
按操作方式及床层温度分布不同可分为绝热式、等温式和非绝热非等温式。
按换热方式可分为换热式和自热式流化床、气液反应器、涓流床反应器、淤浆反应器反应器的操作方式按其连续性可以分为间歇、连续和半连续,按加料方式可以分为一次加料、分批加料和分段加料化学反应过程有容积过程和表面过程物理过程包括:返混和不均匀流动,传质过程,传热过程研究方法:主要采用数学模型法第二章化学反应动力学化学反应工程中包含的物理过程有,返混、传质、传热在包含物理过程影响的条件下测得的反应速率称为表观反应速率在排除物理过程影响的条件下测得的反应速率称为本征反应速率均相反应的前提是参与反应的所有物料达到分子尺度的均匀混合实现预混合:机械搅拌、高速射流造成的射流混合实现均相应该满足的条件:1.反应系统可以成为均相2.预混合时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对温度的敏感程度,活化能越大,表示温度对反应速率的影响越大,随温度上升而增加的越快反应级数的意义在于反应速率对浓度变化的敏感程度气固相催化的三个步骤:吸附,表面反应,脱附物理吸附是分子间的引力,化学吸附是吸附分子与固体表面间的化学力造成的第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征典型的化学反应包括五类:简单反应、可逆反应、平行反应、串联反应、自催化反应两种理想反应器:搅拌充分的间歇搅拌器、连续流动的理想管式反应器间歇搅拌器:1.剧烈搅拌可达到分子尺度的混合,且各处浓度相等2.有足够的传热条件,各处温度始终相等3.反应物料同时开始同时停止优点是:操作灵活,小批量、多品种、长时间产品生产,缺点是产品质量不稳定,需要消耗填料装料的辅助时间间歇反应器的体积是反应物料在反应器中所占的体积在间歇反应器中,反应物料达到一定转化率所需时间只取决于过程的速率,而与反应器大小无关,反应器的大小只决定于物料的处理量为达到相同转化率或残余浓度,k值的提高都将导致反应时间减少而与反应级数无关达到相同转化率所需反应时间:一级反应,与初始浓度无关;二级反应与初始浓度成反比;零级反应与初始浓度成正比不同级数反应时间比较:零级反应残余浓度与反应时间呈直线下降,一级反应逐渐慢慢下降,二级反应后期变化速率非常小,反应大部分时间消耗在反应后期。
【灯神】1.化学反应工程基础
反应类型举例
燃烧、裂解等 中和、酯化、水解等
有相界面, 实际 反应速 率与相 界面 大小及相 间 扩散速率有关
氧化、氯化、加氢等 磺化、硝化、烷基化等 燃烧、还原、固相催化等
还原、离子交换等 水泥制造等
加氢裂解、加氢脱氢等
适用设备的结构形式
管式 釜式
釜式、塔式 釜式、塔式 固定床、流化床、移动
床 釜式、塔式
k: 反应速率常数
α1,α2:实验测定常数 总级数 n=α1+α2
对基元反应:
复杂反应:
α1=a α2=b
n需实验测
2020/6/18
24
定
k遵循Arrehnies方程:
k = A0e-E/RT lnk =lnA0 – E/RT dlnk/dT = E/RT2
(1) E , d ln K / dT 反应对T敏 感(2) T (低温,)d ln K / dT
kt = 1
1
dCA dt
=
1
xA
CA CA0 CA0 1-xA
(2)M≠1 即 CA0≠CB0 CA≠CB
rA = kCA20 (1-xA)(M-xA)
1 kt =
ln CB0CA
CA0-CB0 CA0CB
2020/6/18
32
xA/(1-xA) ln(CB0CA)/(CA0CB)
斜率= CA0k
2020/6/18
12
(3)塔式反应器。长径比为2~40。 如苯乙烯本体聚合、己内酰胺的缩聚
(4)硫化床反应器 反应器 传热好、温度均匀、易控 制。 (如聚丙烯反应器)
2020/6/18
13
3、按操作方式分类 (1)间歇反应器(分批式反应器)。采
反应工程基础(程易)chpt14-fixedbedreactor-r2-206808519.ppt
reaction
12
k1 R 2 De
2. The internal effectiveness factor and overall
effectiveness factor.
1
Summary (cont’d)
3. For large values of the Thiele modulus for an n order reaction,
If the catalyst has to be treated (regenerated) frequently because it deactivates rapidly, then the liquid-like fluidized state allows it to be pumped easily from unit to unit.
Effective temperature control of large fixed beds can be difficult because such systems are characterized by a low heat conductivity. If operations are to be restricted within a narrow temperature range, then the fluidized bed is favored.
反应工程基础(程易)chap11-15复习--73809739.pptx
dp = particle diameter. m Ac = cross-sectional area of tube containing the catalyst, m2
14
1 Ac
dFAz dz
rA" ac
0
The molar flow rate of A in the axial direction is
➢ Taking part in the reaction
➢ Altering the rates of reactions by promoting a different mechanism for the
reaction
➢ Returning to its original form (In practice a catalyst deactivates gradually
rA'
kPA PB 1 KA PA KBPB KCPC
2
A S + B(g) C S
rA'
1
kPA PB KA PA KC PC
9
Chapter 12 External Diffusion Effects on Heterogeneous Reactions
10
Molar flux
tc
c R02c
6DeCA0
For a 1 cm diameter pellet with a 0.04 volume fraction of carbon, the regeneration time is the order of 10 s.
Chapter 13 Diffusion and Reactions
反应工程基础(程易)chap8
3-理想反应器:极端行为
实际反应器
CSTR
PFR
4-教学与学习
物理-建模-求解-应用
A. 科学概念、知识库 B. 技能:解决问题的能力(思路+细节)
实验 解析 数值
(工具)i
C. 相关的数学 0维: CSTR 代数方程(组) 1维: PFR 常微分方程(组) 2维: 2D-PFR 偏微分方程(组)
Rate laws Stoichiometry Energy balance
Objectives
• Describe the algorithm for CSTRs, PFRs, and PBRs that are not operated isothermally.
• Size adiabatic and nonadiabatic CSTRs, PFRs, and PBRs.
mass flow
out of the
dEˆ sys dt
Q W
Fin Ein
system
Fout Eout
Unit: Joule/s
Fi in
Q
Fi out
Hi in
Ws
Hi out
Energy balance on a well-mixed open system: schematic
out
Flow work: combined with those terms in the energy balance that represent the energy exchange by mass flow across the system boundaries
Ei
Ui
ui2 2
dEˆ Q W
反应工程基础chpt15-fluidizedbedreactor-2019-7837010000
Excellent heat transfer performance On-line catalyst replacement, reaction-regeneration
coupled operation Fine catalyst particles, with a high effectiveness factor
In the wakes, the concentration of solids is equal to the concentration of solids in the emulsion phase. The average velocities of both solid and gas in the wake are assumed to be the same and equal to the upward velocity of the bubbles
14
Flow regime diagram u* Ug (sg2g)g13
d*p
dp
g(s g)g13
2
15
Industrial applications of the fluidized bed reactors
“自由”流化床
C2H4氧氯化反应器
Model and symbols used to describe the K-L bubbling gas fluidized bed.
18
Davidson’s bubble model
Davidson and Harrison (1963)
1. The rise velocity of the bubble ub depends only on the bubble size; 2. The gas behavior in the vicinity of the bubble depends only on the
反应工程基础(程易)chpt15-fluidizedbedreactor-2013-7837010000
3
Notation for a bed of suspended solids
or p
or U
4
The minimum fluidization velocity
At the minimum fluidization velocity (umf), the following condition is satisfied: the weight of the solids = the drag on the particles by the gas
All parameters at umf are characterized by the subscript “mf,” to denote that this is the value of a particular term when the bed is just beginning to
Flow rate of gas into and out of a bubble
q 3umf Rb2 3uf mf Rb2 20
The assumptions of K-L model
The bubbles are all of one size. The solids in the emulsion phase flow smoothly downward,
ut*
18
(d
* p
)2
2.335 1.744s
(d
* p
)1
2
1
where the particle sphericity s is defined as:
10
Drag coefficient and particle terminal velocity
聚合物反应工程基础知识总结
体系具有热稳定性必须具备以下两个条件:
① 放热速率与除热速率相等,即:稳态条件 Qr Qc
② 稳定条件 dQc dQr dT dT
影响热稳定性的因素: 1、化学反应的特性,如 k、△H、E 等
2、反应过程的操作条件.如 v0 、 C A0 、T 等。
3、反应器的结构,如 A;
4、操作条件,如 v0 、T、TW 、K 等
聚合物反应工程基础知识总结
第一章(填空、选择、简答)
1. 聚合物反应和聚合物生产的特点: ① 反应机理多样,动力学关系复杂,重现性差,微量杂质影响大。 ② 除了要考虑转化率外,还要考虑聚合度及其分布,共聚物组成及其分布和序列分布,聚合
物结构和性能等。 ③ 要考虑反应时候的聚合物流动、混合、传热、传质等问题。 ④ 要考虑反应器放大的问题。
4、缩聚反应
反应程度: p N0 N (表示已反应的官能团数与原始官能团数的比) N0
间歇操作时:
F ( 缩聚反应聚合度分布函数可以写为: n j) pi1 (1 p)
FW ( j) j(1 p)2 p j1
➢ 零级反应时, 1,两种反应器体积相等,即反应器型式对反应速度没有影响 。
➢ 除零级反应以外,其他正级数反应的反应器容积效率小于 1。 ➢ 当转化率一定时,反应级数越高,容积效率越低,故对于反应级数高的反应宜采用平推流反应
器。
5、理想混合反应器热稳定性
反应器的热稳定性是指当反应过程的放热或除热速率发生变化时,过程的温度等因素产生一系列的 波动,当外扰消除后,过程能恢复到原来的操作状态,则反应器具有热稳定性,或具有自衡能力, 否则为热不稳定的或无自衡能力。
2. 本课程研究内容: 1) 聚合物反应器的最佳设计。 2) 进行聚合反应操作的最佳设计和控制。
化学反应工程陈甘棠
17.59 3.908 2.92
5.15
a 1 1 1 1
k
2.92
t
1 k1cA0
xA
0
ax
2 A
dxA bxA
c
2021年3月26日星期五
k1cA0
1
ln 2axA b
b2 4ac 2axA b
第20页/共145页
b2 4ac b2 4ac
b2 4ac 5.152 4 2.61 0.6575 4.434
第三章 理想反应器
第一节 间歇式完全混合反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
2021年3月26日星期五
第1页/共145页
反应器设计的基本内容 1)根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式; 2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
的操作设计; 3)根据给定的产量对反应装置进行设计计算,确定反应器
P生成的摩尔数 :VRc p
v0cA0t VRcA VRcp
A
p
A p 1
VRcp v0cA0t VRcA
2021年3月26日星期五
第34页/共145页
cp
v0cA0t VR0 v0t
cA
v0cA0t v0cA0 1 ekt VR0 v0t k VR0 v0t
v0cA0
对于绝热操作:U 0
积分:
2021年3月26日星期五
dT Hr cA0 dxA
dt
cv
dt
t 0,T T0, xA xA0
T
T0
Hr cA0
cv
xA
xA0
第11页/共145页
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
ddPz0 PP0 TT0 FFTT0
ρb= bulk density ρc= solid catalyst density = porosity (void fraction)
W 1 A czc
yP/ P0
2 0
Acc1P0
dy T FT
Effective temperature control of large fixed beds can be difficult because such systems are characterized by a low heat conductivity. If operations are to be restricted within a narrow temperature range, then the fluidized bed is favored.
14.2 Pressure Drop in the Packed Bed Reactor
In liquid phase, effect of pressure drop can be ignored.
In gas phase, for an ideal gas, the concentration of reacting species i is
dW 2yT0 FT0
17
Pressure drop in reactor
dy T FT
dW 2yT0 FT0
This Eqn. is for multiple reactions and reaction in a membrane reactor.
For single reaction:
rA'
Rate law, rA' k'CA2
Stoichiometry,
CA
CA0
1X
1X
P P0
Combine,
d d W Xk F C A A 2 0 0 1 1 X X 2 P P 0 2k C 0 A 0 1 1 X X 2 P P 0 2
3. For large values of the Thiele modulus for an n order reaction,
21/2
n1
3
21/23
n n1 R
D kn eCA (s-1n)/2
4. For internal diffusion control, the me reaction order is related to the measured reaction order by
Ci F i F A00(( 1 i vX iX ))P P 0T T0
where
i
Fi0 FA0
,
=yA0δ
δ=C hangesintotalnum berofm oles M oleofA reacted
For isothermal operation:
Ci CA01ivXiXPP0
5
14.1 Types of the fixed bed reactor
6
7
Fixed-bed reactors for methanol synthesis
多段冷激式反应器
列管式合成反应器
径向反应器
8
Fluidized bed reactor
9
10
Selection of the reactor type
G u i s t h e s u p e r f i c i a lm a s s v e l o c i t y 16
Ergun Equation
Giv 0 e G 0g n 1 cD P 3 15 1 D P 0 1 .7G 5
4
Contents
Introduction of fixed-bed reactor Adiabatic fixed bed reactor Fixed-bed reactor with heating or cooling Model of the fixed-bed reactor
Fixed beds cannot use very small sizes of catalyst because of plugging and high-pressure drop, whereas fluidized beds are well able to use small-size particles.
The Weisz-Prater criterion dictates that:
If CWP<<1, no internal diffusion limitations present If CWP>>1, internal diffusion limitations present
6. Mears Criteria for Neglecting External Diffusion and Heat Transfer
ntrue 2nappare1nt
The true and apparent activation energies are related by
Etrue2Eapp
2
Summary (cont’d)
5. The Weisz-Prater Parameter
CWP12 rA D ' oe,C bRsA2sc
Characters of the fixed-bed reactor
In passing through fixed beds, gases approximate plug flow. If efficient contacting in a reactor is of primary importance, then the fixed bed is favored.
0 X W(1W)
k'CA0 (1X)
2
21
Solving for conversion gives:
k 'C A 0 (1 W )
X
1
0
k 'C A 0W
2
(1 W
where 1 is the Thiele modulus. For a first-order
reaction
2 1
k1R 2 De
2. The internal effectiveness factor and overall
effectiveness factor.
1
Summary (cont’d)
dy dW 2 y
y
P
1
(1W)2
P0
18
Reaction with pressure drop
0 PP0(1W)1/2 P (a)
W
X
(d) W
CA
(b) W
No P P
No P P
1.0
P CA CA0(1X) P0
rA
(c)
W
P
No P P
There is no catalyst attrition in the fixed-bed reactor.
12
Temperature profile of the fixed bed reactor Hot spot
Exothermic reaction
13Biblioteka See Section 4.5
14
Analyze the following second order gas phase reaction that occurs isothermally in a PBR
2A → B+C
Mole balance (must use differential form),
FA0
dX dW
0
PT0 P0 T
FT0 FT
d d P z 0 g G C D P 1 3 11 D 5 P0 1 .7 G 5 P P 0 T T 0 F F T T 0
Need to find (P/P0) as a function of W (or V if you have a PFR).
15
Pressure drop in a packed bed
P/P0 = f(Volume, V) or f(catalyst weight, W) Majority gas phase reactions happened in a packed
rA' Rbn 0.15
kcCA b
HrxnrA ' bRE0.15 hR gTb2 3
Chapter 14 Fixed-Bed Reactor
Department of Chemical Engineering
Tiefeng Wang
Reactor type preferred as a function of on stream time of the catalyst between two regenerations (van Swaaij et al., Chem. Eng. J., 2019, 90: 25–45) 11
FT 1 X
FT 0
NTf NT0
NT0
20
Acc 1P0
Changeintotalnum berofm olesforcom pleteconversion Total m oles fed