化学反应工程学基本原理

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利用数学模型解决化学反应工程问题
1.小试研究化学反应规律; 2. 3.利用计算机或其它手段综合反应规律和传递规 律,预测大型反应器性能,寻找优化条件; 4.热模实验检验数学模型的等效性。
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8.2 工业反应器
8.2.1 工业反应器类型
按操作方式分类
1 .间歇操作: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。 2 .连续操作:反应物料连续地通过反应器的 操作方式。 3 .半连续操作: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。
一、反应速率
定义为单位反应体积内反应程度随时间
的变化率 r 1 d
V dt
mol m s3 1
rA
1 V
dnA dt
mol m3s1
nA:反应体系内,反应物A的摩尔数;
V:反应体积;
t:时间;
对于反应 A 2B 3C 4D
• 以反应物B为基准定义的反应速率为:
rB
1 V
dnB dt
(2) 工业反应器中对反应结果产生影响 的主要物理过程是:
• 由物料的不均匀混合和停留时间不同引 起的传质过程;
• 由化学反应的热效应产生的传热过程; • 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热
过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。
反应过程与物理过程关系:
从本质上说,物理过程不会改变化学反应 过程的动力学规律,即反应动力学规律不因 为物理过程的存在而发生变化。但是流体流 动、传质、传热过程会影响实际反应场所的 温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分 布,最终影响到反应的结果。
五、数学模型法
1.建立简化物理模型
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2. 对复杂客观实体,在深入了解基础上,进行 合理简化,设想一个物理过程(模型)代替实际过 程。简化必须合理,即简化模型必须反映客观 实体,便于数学描述和适用。
3.建立数学模型 依照物理模型和相关的已知原理,写出描述
物理模型的数学方程及其初始和边界条件。 4.用模型方程的解讨论客体的特性规律
VR
V0
注意:
• 空间时间是一个人为规定的参量,它表示处理 在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的 时间。
• 空间时间不是停留时间
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(5)空间速度SV 空速的一般定义为在单位时间内投入
单位有效反应器容积内的物料体积。即:
SV
V0 VR
h 1
标准空速定义为:
SV
VNO VR
h 1
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8.3.3 反应动力学
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按反应器型式
1. 管式反应器:一般长径比大于30 2. 槽式反应器:一般高径比为1—3 3. 塔式反应器:一般高径比在3—30之间
按传热条件 1.等温反应器 整个反应器维持恒温。 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。
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按原理分
1.固定床反应器
2.流化床反应器
3.移动床反应器
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4. 滴流床反应器
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
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搅拌釜式反应器
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邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
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乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
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轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
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8.3 化学反应动力学基础
8.3.1 反应相关的基本概念
一、化学反应式
aA bB rR sS
反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予 以描述时,该定量关系式称为化学反应式
二、反应程度(反应进度)
aA bB rR sS 0
nI nI0 I
nI:体系中参与反应的任意组分I的摩尔数; αI:其计量系数; nI0:起始时刻组分I的摩尔数。
化学反应工程学基本原理
8.1 化学反应工程学概述
一、研究对象:工业反应器
二、研究内容 (1)化学反应动力学; (2)传递过程对反应速率的影响;
宏观动力学 (3)反应器放大 研究内容 (1)反应动力学; (2)反应器设计与分析
注意:
(1) 工业规模的化学反应较之实验室规模 要复杂得多,在实验室规模上影响不大的质 量和热量传递因素,在工业规模可能起着主 导作用。在工业反应器中既有化学反应过程, 又有物理过程。物理过程与化学过程相互影 响,相互渗透,有可能导致工业反应器内的 反应结果与实验室规模大相径庭。
转化率与反应程度的关系
xA
nA0 nA nA0
nI nI0 I
xA
A
nA0
四、收率 收率:生成目的产物消耗关键组分的量除 以关键组分的初始量。
五、选择性 选择性:生成目的产物消耗关键组分的量 除以已转化的关键组分量。
8.3.2 反应相关的时间概念
(1)反应持续时间tr (反应时间) 用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到
所要求的反应程度或转化率所需时间,其中不包 括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。 (2)停留时间t(接触时间)
用于连续源自文库动反应器,指流体微元从反应器 入口到出口经历的时间。
t
(3)平均停留时间t 各质点在反应器内停留时间的平均值。
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(4)空间时间τ
其定义为反应器有效容积VR与流体特征体
积流率V0之比值。即
讨论:
1. ξ恒为正值,具有广度性质,因次为[mol]。 2. 反应进行到某时刻,体系中各组分的摩尔数与 反应程度的关系为:
nI nI0 I
三、转化率
xA
转化了的A组分量 A组分的起始量
nA0 nA nA0
普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学 反应进行的程度。组分A的选取原则:
A必须是反应物,它在原料中的量按照化学计量方程 计算应当可以完全反应掉(与化学平衡无关),即转 化率的最大值应当可以达到100%,如果体系中有多于 一个组份满足上述要求,通常选取重点关注的、经济 价值相对高的组分定义转化率。
三、化学反应分类
一、按反应系统涉及的相态分类 1. 均相反应:气相均相反应和液相均相反应。 2. 非均相反应:气—固相,气—液相,气—
液—固相反应等。
二、按有无催化剂 1. 催化反应 2. 非催化反应
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四、化学反应工程的基本研究方法
化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。 数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客 观实体,人为地做某些假定,设想出一个简化模 型,并通过对简化模型的数学求解,达到利用简 单数学方程描述复杂物理过程的目的。
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