化学反应工程 第一章课件

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化学反应工程的研究内容
化学反应工程 化学反应工程是化学工程学科的一个重 要分支，主要包括两个方面的内容，即反应 动力学与反应器分析与设计。 反应动力学：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 的动力学知识和信息，如反应模式、速率方 程及反应活化能等。其中速率方程可表示为： r=f（T、C、P） （对于一定的反应物系）而言，随时间、空 间变化。其中，r为反应系统中某一组分的反 应速率，C代表浓度，P为系统的总压。
G G r V
M i M i j ji ji
i
• 取极限（△V1 数目足够多）
j
0,M
V
∞)(微元足够小，
G r dV
j
代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得
dN F F r dV dt
V j0 j j
j
Hw1:Text.Ch1 题1.1； 复习： 化工热力学：化学反应热与化学反应平衡 化工动力学 预习：Ch2
[进]-[出]+[生成]=[累积] [In]-[Out]+[Generation]=[Accumulation]
反应器摩尔平衡--通用方程 系统体积V
Fj0
Gj
Fj
Fj0-Fj+Gj=dNj/dt
式中Nj为物种j在任意时间t在系统中的摩尔数，若 系统参数（温度、压力、浓度、催化剂活性等）在整个 系统中分布均匀，则j的生成速率恰为体积V与生成速率 rj的乘积：
Fogler
化学反应工程研究方法 （1）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。 （2）建模：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，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）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 和时间分布特点 —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 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
教科书
• 李绍芬，反应工程，天大出版社 • 参考书： •H. Scott Fogler, “Elements of Chemical Reaction Engineering”, Prentice Hall （第三版有中译本，李正元 等译，化学反应工程） •Schmidt L.D ， The Engineering of Chemical Reaction （靳海波等译，化学反 应工程)
Gj mol/t
= rj 〃 mol/(t.L)
V L
• 假设J的生成速率随着系统体积中的位置而 异，则在位置1时，体积微元△V1中的均匀 速率为rj1，在位置2时为rj2，
• 则体积微元△V1中j的生成速率△Gj1: △Gj1= rj1〃△V1 • 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M个体积微元，则总生成 速率为：
3、按反应器型式来分类，分为 （1） 管式反应器，一般长径比大于30。PFR （2） 釜（槽）式反应器，一般高径比为2—3。 CSTR （3） 塔式反应器，一般高径比在3—10几之间 （4）固定床 （5）流化床 （6）移动床 （7）滴流床 （8）其它
4、按传热条件分类，分为 （ 1 ） 等温反应器，整个反应器维持恒温， 这对传热要求很高。 （ 2 ） 绝热反应器，反应器与外界没有热 量交换，全部反应热效应使物料升温或 降温。 （ 3 ） 非等温、非绝热反应器，与外界有 热量交换，但不等温。
A R R0
n n n n
R A0
A
收率：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 Y 起始的关键组分量
n n n
A R R A0
R0
由上述定义式，可得X、S和Y之间的关系 Y=SX
• 例1.1 已知HCl过量10%，出口处氯乙烯摩尔分率90%，计算 乙炔和氯化氢的转化率 C2H2 + HCl CH2CHCl 计算基准：进口100 molC2H2(关键组分） 反应组分
在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？
dC A rA , A为关键组分 dt
解答： 由通用（一般）设计方程
FA0 FA rA dV
V
dN A dt
间歇式进出口流率为零，FA0=0,FA=0，所以

V
dN A rA dV dt
假设反应器各处速率均匀，即:rA在反应器空间与位置无关
重油的催化裂化流化床反应器
乙苯加氢气液塔式反应器
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
反应器设计的基本方程
设计内容：（１）选择合适型式（２）选择操作方式，确定最佳 操作条件（３）根据操作条件，确定反应器体积。 设计基本方程 物料衡算式： [关键组分i的输入速率]＝[关键组分i的输出速率]＋[关键组分i 的转化速率]＋[关键组分i的累积速率] 能量衡算式： [单位时间内输入热量]＝[单位时间内输出热量]＋[单位时间反应 热]＋[单位时间内累积热量] 动量衡算式： [输入的动量]＝[输出的动量]＋[消耗的动量]＋[累积的动量]
得到
因此
rA dV rA dV rAV dN A rAV dt
V
V
间歇（理想反应器） 设计方程
NA d( ) 1 dN A 恒容时 rA V V dt dt NA 又因为 CA V NA d( ) dCA V 最后得到 rA dt dt
课堂问题： 在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？
dC r dt
j
j
习题1.1题解答 说明 （1）根据进口原料mol比换算成百分比 ，以100mol进料为基准计算容易一些。 （2）关键组分选甲醇，各物质流向更清 楚 （3）空气中N2是惰性组分，计算时单列 （不参加反应） （4）得到的反应后各物质mol数再转换 成mol百分含量或mol分率。
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x

反应组分
C2 H2 O2
化学反应及反应器分类
化学反应的分类 按相态分类：可分为均相和非均相 均相：气相，液相，固相 非均相：气－固，气—液，液－液，液－固，气－液－固，固 －固 按反应特征分类 单一反应： Ａ＋Ｂ→Ｐ 复合反应： 平行反应 Ａ →Ｐ Ａ →Ｑ Ａ→Ｐ→Ｑ Ａ →Ｐ B→Ｑ
连串反应 并列反应
热力学特征分类 可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒 容 控制步骤分类 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 的空间不随时间变化
其它分类方法？
化学反应器分类 按反应系统涉及的相态分类，分为 均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。 非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液— 固相反应等。 按操作方式分类，分为 间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定 时间的反应再取出的操作方法。间歇式=分批式 连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方 式。 半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地 加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。
反应器设计分析：研究反应器内上述 因素的变化规律，找出最优工况和适宜的 反应器型式和尺寸。
化学反应是研究反应本身的规律，与 反应器内各局部的状况有关，而与反应器 总体的性态无关。所以可以说反应动力学 从点上着眼，而反应器的设计与分析则从 面上（体上）着手。
Chemical Reaction Engineering (CRE) is the field that studies the rates and mechanisms of chemical reactions and the design of the reactors in which they take place.
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组分（设为A）。
某一反应物（关键组分）的转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
反应器进 口(mol)
7
转化量
反应器出 口 15-x-y
7-0.5x-3y
-0.5x-3y
C2 H4 O
CO2 H2O
0
10 0
x
2y 2y
x
10+2y 2y
Ar
N2 总计
12
56 100
0
0 -0.5x
12
56 100-0.5x
(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131 及 (7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048 解方程组得：x=1.518mol;y=0.495mol 乙烯转化量=x+y=1.518+0.495=2.013 • 乙烯转化率 X=2.013/15=13.4% • 环氧乙烷选择性S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754 • 环氧乙烷收率 Y=x/15=1.518/15=0.101
Ch.1 导论
化工过程流程 化学工业、冶金、石油炼制和能源加工 等工业过程，均采用化学方法将原料加工 成为有用的产品。生产过程包括如下三个 组成部分：
原料
原料预 处理 （纯化） 化学反应 过程 产物的分 离与提纯 产物 副产物
• ①和③两部分属于单元操作的研究范围； • ②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程 的核心。