化学反应工程PPT演示课件
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《化学反应工程》PPT课件
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16
CR1[k10exp(R E T 1)C A k02k01e 0x ep x(p ( R E R T 2 E T 1 ) )k30exp(R E T 3)]
对上式求导并令其为零：
d d C T R 0 E 1 k 1 [ 1 ( k 1 k 2 k 3 )] k 1 ( k 1 E 1 k 2 E 2 k 3 E 3 ) 0
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14
解答： 图1
图2
（1）可逆反应
可逆反应
（2）放热反应
吸热反应
(3)M点速率最大，A点速率最小 M点速率最大，A点速率最小
(4)O点速率最大，B点速率最小 H点速率最大，B点速率最小
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15
【例题】在一定空时(空时=体积/流量)的全混釜中进行如 下反应，求R产量最大时的反应温度(注意和活化能联系起来)。
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11
【例题】在液体中，反应物A按下式生成R和S：
k1 R 一级反应 A k2 S 二级反应
原料（CA0=1、CR0=CS0=0）进入两个串联的全混流釜式反应器中 （τ1=2.5min，τ2=5min ），已知第一个反应器中的组成 （CA1=0.4,CR1=0.4,CS1=0.2）试求第二个反应器出口的组成。
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9
解：对于该气相均相反应A→R+S：
A21 11 , yA01
首先求解pA~xA的关系： 由 p v FR , p T A v F A R 可得T 到：
p A F A F A 0 (1 x A ) y A 0 (1 x A ) 1 x A
p FF 0 (1 y A 0A x A ) 1 y A 0A x A 1 x A
CCAR00==01.0 CS0=0
化学反应工程课件
3、简化模型的要求：
（1）不失真； （2）能满足应用的要求；
（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值； （4）能适应现有计算机的能力；
4 、基础数学模型
1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速
率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的 研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于 表达三者的数学关系，而直接加以应用。
（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产 品质量好。 设计最佳化——反应器体积最小，投资少。 操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。
（4）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大； 新产品研发：小试——中试——扩大试验；
反应过程开发放大方法
• 逐级经验放大法
• 相似放大法
1 、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
• 化学工程学科体系的基本内容：
化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动 量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了 以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工 热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）
过程工程
• 过程工程（process engineering)的概念是对“化学工程” 概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域 渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学 加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业” （process industry），包括石油炼制、化学工业、能源 工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物 技术、医药、食品、造纸等工业部门。
2 、化学反应器
在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物 料的化学性质。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化 工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器 中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设 备。
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
(推荐)《化学反应工程》PPT课件
12
反应器类型 取样和分析
微分
P-F
固定床
G
搅拌间歇
F
SCSR
G
CSTR
F
提升管
F-G
循环
F-G
脉冲
G
G：优 F：中等 P 差
表 5-4 各种类型反应器的比较
等温性能
液固接触
催化剂失活
F-G
F
P
P-F
F
P
G
G
P
G
F-G
P
G
F-G
F-G
P-F
F-G
G
G
G
F-G
F-G
P
F-G
加工难度 G G G F-G P-F F-G P-F G
13
ratedatabatchreactordatadifferentialmethodintegralmethodinitialrateshalflifedifferentialreactorsleastsquareanalysisexperimentalplanninglabreactors积分法零级反应一级反应二级反应积分反应器固定床反应器积分反应器的一个优点是易于构造另一方面当反应物穿过催化剂层时对数据分析产生的不良影响虽然较微分反应器少但仍然是一个需要解决的问题
Chapter 5 Collection and analysis of rate data
Batch reactor data (Differential method and integral method) Method of initial rates Method of half life Differential reactors Least square analysis Experimental planning Evaluation of lab reactors
反应器类型 取样和分析
微分
P-F
固定床
G
搅拌间歇
F
SCSR
G
CSTR
F
提升管
F-G
循环
F-G
脉冲
G
G：优 F：中等 P 差
表 5-4 各种类型反应器的比较
等温性能
液固接触
催化剂失活
F-G
F
P
P-F
F
P
G
G
P
G
F-G
P
G
F-G
F-G
P-F
F-G
G
G
G
F-G
F-G
P
F-G
加工难度 G G G F-G P-F F-G P-F G
13
ratedatabatchreactordatadifferentialmethodintegralmethodinitialrateshalflifedifferentialreactorsleastsquareanalysisexperimentalplanninglabreactors积分法零级反应一级反应二级反应积分反应器固定床反应器积分反应器的一个优点是易于构造另一方面当反应物穿过催化剂层时对数据分析产生的不良影响虽然较微分反应器少但仍然是一个需要解决的问题
Chapter 5 Collection and analysis of rate data
Batch reactor data (Differential method and integral method) Method of initial rates Method of half life Differential reactors Least square analysis Experimental planning Evaluation of lab reactors
化学反应工程PPT演示课件
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
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8
• 径向反应器特点： 气体留道短，流速 低，可大为降低催 化床层压降，为使 用小颗粒催化剂提 供了条件。
• 设计的关键：合理 设计流道使各横截 面上的气体流量均 等。
9
10
四、基本设计原则
• 1.设计条件 • （1）掌握反应过程的热力学数据和热容、
粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。 • （2）尽可能获得反应动力学及传递过程
πd s 2 πd s 3
6
ds
6 dS SV
6 VS SS
20
6
•（4）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子
直径的加权平均）
(5)形状因子a
dm
1
xi di
定义：
＝
a
球形颗粒的外表面积 与球形颗粒相同体积的非球形颗粒的外表面积
＝ Ss Sp
;
球形：a＝1;
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
第5章 气固相催化固定床反应器
1
第一节：概述
• 一、固定床反应器
• 固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料 所形成的床层而进行反应的装置。
炼油工业：催化重整、异构化 气固相催化反应 基本化学工业：合成氨、天然气转化
石油化工：乙烯制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯 水煤气的生产
气固相非催化反应氮气与电石反应生成石灰氮 矿物的焙烧
ds 6
. B (1 B )
故：d
e＝4
RH＝
2 3
.
ds B (1 B
)
＝
2 3
.
(1
B
B
)
.a
dV
22
二、床层压降
• 气体流动通过催化剂床层，将产生压降.
流体在空管中的压降公式：
－P
f
L D
u2
2
对于填充床，假设二者截面积相同，um＝u B
的数据。 • A.本征动力学 • B.工业催化剂
11
• 2.基本设计原则 • （1）确定催化剂用量，W Wmin ； • （2）确定传热方式，算出床层温度分布，
使之趋于最佳温度曲线上分布； • （3）确定最佳工艺操作参数及固定床的
类型和结构。
12
五、固定床反应器的数学模型
• 同时关联物料衡算、热量衡算、动力学
上述反应都采用固定床反应器。其中，气固相催化
反应约占80%，故本章重点介绍气固相催化固定床反应器
2
二、催化固定床反应器的优缺点
1.优点： （1）催化剂不易磨损，可以长期使用（除
非失活）； （2）高径比较大时，床层中流体流动接近
平推流； （3）停留时间可以严格控制，温度分布可
以调节，有利于达到较高的转化率和选 择性。
3
2.缺点：
（1）传热较差；
（2）催化剂的更换必须停车，浪费人力、 物力，要求催化剂有足够的寿命；
（3）催化剂的有效系数低。 三、催化固定床反应器的类型
单段
按传热方式 绝热式多段中 冷间 激换 式热式
换热式内列冷管管式式
4
固定床催化反应器的类型
• 绝热型
换热型
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
13
• 六、基本问题
• 温度、浓度分布，气相压降，转化率及 催化剂用量
• 选择固定床反应器的原则－－什么反应 需要用固定床反应器？
• 气固相催化反应首选－－非常普遍 • 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙
烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。
14
第二节：固定床反应器内的传递特性
• 气体在催化剂 颗粒之间的孔 隙中流动，较 在管内流动更 容易达到湍流。
18
• 2.粒径
• 颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质 的尺寸为颗粒的当量直径。
• 对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗 粒，以当量直径表示。
• （1）体积当量直径：(非球形颗粒折合 成同体积的球形颗粒应当具有的直径）
球形体积：VS
4 3
π
d 2
3
6VS π
1
3
催化剂颗粒内的体积）。
B
空隙体积 床层体积
1
颗粒体积 床层体积
1 VP VB
1
B P
B－床层堆积密度，P－颗粒密度
• 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床 层，其空隙率与颗粒大小无关。
17
• 壁效应：靠近壁面处的空 隙率比其它部位大。
• 为减少壁效应的影响，要 求床层直径至少要大于颗 粒直径的8倍以上。
5
6
7
• 操作方式： • 绝热、换热两种；操作方式的不同，反
应器的结构就不同。 • 操作方式由反应的热效应和操作范围的
宽窄及反应的经济效益等决定。 • 从反应器的设计、制造及操作考虑，绝
热型比较简单。 • 从设计上讲，基本方程是一样的。
•还有径向反应器、滴流床反应器、移动床 •反应器等都是固定床反应器。
非球形：a
1
(6)各种当量直径的关系
a
dV＝d
＝
s
d
3 V
d
2 a
2
a＝
dV ds
21
3.固定床的当量直径de
de＝4RH , 其中RH 为水力半径
RH＝
填充床的自由体积 填充床的水力浸湿表面积
＝
4 3
π
பைடு நூலகம்
ds 2
3
B
(1
B
)4π
ds 2
2
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
• 气体自上而下 流过床层。
15
一、颗粒层的若干物理特性参数
• 1.床层密度和空隙率 • （1）粒子密度ρp －－包括粒内微孔在内
的全颗粒的密度； • （2）真密度（材料密度） ρs －－除去
微孔容积的颗粒的密度； • （3）床层密度ρB： －－单位床层体积中
颗粒的质量。
16
• 4.床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙 体积（没有被催化剂占据的体积，不含
• 径向反应器特点： 气体留道短，流速 低，可大为降低催 化床层压降，为使 用小颗粒催化剂提 供了条件。
• 设计的关键：合理 设计流道使各横截 面上的气体流量均 等。
9
10
四、基本设计原则
• 1.设计条件 • （1）掌握反应过程的热力学数据和热容、
粘度、导热系数及扩散系数等物性数据。 • （2）尽可能获得反应动力学及传递过程
πd s 2 πd s 3
6
ds
6 dS SV
6 VS SS
20
6
•（4）混合粒子的平均直径：（各不同粒径的粒子
直径的加权平均）
(5)形状因子a
dm
1
xi di
定义：
＝
a
球形颗粒的外表面积 与球形颗粒相同体积的非球形颗粒的外表面积
＝ Ss Sp
;
球形：a＝1;
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
第5章 气固相催化固定床反应器
1
第一节：概述
• 一、固定床反应器
• 固定床反应器：凡是流体通过不动的固体物料 所形成的床层而进行反应的装置。
炼油工业：催化重整、异构化 气固相催化反应 基本化学工业：合成氨、天然气转化
石油化工：乙烯制环氧乙烷、乙苯脱氢制苯乙烯 水煤气的生产
气固相非催化反应氮气与电石反应生成石灰氮 矿物的焙烧
ds 6
. B (1 B )
故：d
e＝4
RH＝
2 3
.
ds B (1 B
)
＝
2 3
.
(1
B
B
)
.a
dV
22
二、床层压降
• 气体流动通过催化剂床层，将产生压降.
流体在空管中的压降公式：
－P
f
L D
u2
2
对于填充床，假设二者截面积相同，um＝u B
的数据。 • A.本征动力学 • B.工业催化剂
11
• 2.基本设计原则 • （1）确定催化剂用量，W Wmin ； • （2）确定传热方式，算出床层温度分布，
使之趋于最佳温度曲线上分布； • （3）确定最佳工艺操作参数及固定床的
类型和结构。
12
五、固定床反应器的数学模型
• 同时关联物料衡算、热量衡算、动力学
上述反应都采用固定床反应器。其中，气固相催化
反应约占80%，故本章重点介绍气固相催化固定床反应器
2
二、催化固定床反应器的优缺点
1.优点： （1）催化剂不易磨损，可以长期使用（除
非失活）； （2）高径比较大时，床层中流体流动接近
平推流； （3）停留时间可以严格控制，温度分布可
以调节，有利于达到较高的转化率和选 择性。
3
2.缺点：
（1）传热较差；
（2）催化剂的更换必须停车，浪费人力、 物力，要求催化剂有足够的寿命；
（3）催化剂的有效系数低。 三、催化固定床反应器的类型
单段
按传热方式 绝热式多段中 冷间 激换 式热式
换热式内列冷管管式式
4
固定床催化反应器的类型
• 绝热型
换热型
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
13
• 六、基本问题
• 温度、浓度分布，气相压降，转化率及 催化剂用量
• 选择固定床反应器的原则－－什么反应 需要用固定床反应器？
• 气固相催化反应首选－－非常普遍 • 如，合成氨、硫酸、合成甲醇、环氧乙
烷乙二醇、苯酐及炼油厂中的铂重整等。
14
第二节：固定床反应器内的传递特性
• 气体在催化剂 颗粒之间的孔 隙中流动，较 在管内流动更 容易达到湍流。
18
• 2.粒径
• 颗粒的定型尺寸－－最能代表颗粒性质 的尺寸为颗粒的当量直径。
• 对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗 粒，以当量直径表示。
• （1）体积当量直径：(非球形颗粒折合 成同体积的球形颗粒应当具有的直径）
球形体积：VS
4 3
π
d 2
3
6VS π
1
3
催化剂颗粒内的体积）。
B
空隙体积 床层体积
1
颗粒体积 床层体积
1 VP VB
1
B P
B－床层堆积密度，P－颗粒密度
• 若不考虑壁效应，装填有均匀颗粒的床 层，其空隙率与颗粒大小无关。
17
• 壁效应：靠近壁面处的空 隙率比其它部位大。
• 为减少壁效应的影响，要 求床层直径至少要大于颗 粒直径的8倍以上。
5
6
7
• 操作方式： • 绝热、换热两种；操作方式的不同，反
应器的结构就不同。 • 操作方式由反应的热效应和操作范围的
宽窄及反应的经济效益等决定。 • 从反应器的设计、制造及操作考虑，绝
热型比较简单。 • 从设计上讲，基本方程是一样的。
•还有径向反应器、滴流床反应器、移动床 •反应器等都是固定床反应器。
非球形：a
1
(6)各种当量直径的关系
a
dV＝d
＝
s
d
3 V
d
2 a
2
a＝
dV ds
21
3.固定床的当量直径de
de＝4RH , 其中RH 为水力半径
RH＝
填充床的自由体积 填充床的水力浸湿表面积
＝
4 3
π
பைடு நூலகம்
ds 2
3
B
(1
B
)4π
ds 2
2
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
• 气体自上而下 流过床层。
15
一、颗粒层的若干物理特性参数
• 1.床层密度和空隙率 • （1）粒子密度ρp －－包括粒内微孔在内
的全颗粒的密度； • （2）真密度（材料密度） ρs －－除去
微孔容积的颗粒的密度； • （3）床层密度ρB： －－单位床层体积中
颗粒的质量。
16
• 4.床层空隙率εB：单位体积床层内的空隙 体积（没有被催化剂占据的体积，不含