反应工程基础（程易）反应工程期中复习ppt课件

1、反响工程期中复习2021.04.08 清华大学绿色反响工程与工艺北京市重点实验室清华大学绿色反响工程与工艺北京市重点实验室Fluidization Laboratory Of Tsinghua University Fluidization Laboratory Of Tsinghua University FLOTU FLOTU.期中考试p内容内容p 理想流动：第一章至第六章，理想流动：第一章至第六章，第八章第八章p题型题型& &题量题量p 计算题计算题40604060，p 填空题，判别题根本概念为填空题，判别题根本概念为主主p时间时间p 4 4月月1111日上午第一大节日上

2、午第一大节p 90 90分钟分钟.目录p各章主要内容p解题普通思绪p例题与作业中问题. 概述p化学反响工程：p 化学反响动力学+反响器设计p反响动力学p 反响速率、反响机理p反响器设计p 传送行为p 反响器方式、体积，反响时间，p 操作条件，转化率.反响器设计的普通步骤摩尔衡算摩尔衡算Chap 1Chap 2动力学动力学Chap 3Chap 5Chap 6化学计量学化学计量学Chap 3能量衡算能量衡算Chap 8综合设计综合设计Chap 4Chap 8.p摩尔衡算通式摩尔衡算通式 第一章 摩尔衡算进入量流出量生成量积累量-+=0jjjjVdNFFr dVdt.p四种理想反响器模型p Batc

3、hCSTRPFRPBR1.空间分布均匀；2.非稳态时间的函数1.空间分布均匀；2.稳态,d/dt=0;3.出口量=反响器内量4.空间、时间返混无穷大1.只需轴向分布；2.稳态,d/dt=0;3.径向理想混合、轴向无返混、无时间返混1.只需轴向分布；2.稳态,d/dt=0;3.径向理想混合、轴向无返混、无时间返混 第一章 摩尔衡算流动方式、反响器参数，etc. 最简化.p四种理想反响器的摩尔衡算AAdNr Vdt微分方式代数方式0AAAFFVrAAdFrdVAAdFrdW 第一章 摩尔衡算 BatchCSTRPFRPBR积分方式A0A1A1ANNdNtr VA0A1A1AFFdFVrA0AA1A

4、FFdFWr.p 速率方程 p p 代数方程，而非微分方程p 与反响物性质有关，与反响器方式无关p 强度量p 定义p均相反响 单位体积的物质的量变化率p非均相反响 单位催化剂质量的变化率 第一章 摩尔衡算Ar= ( , , ,.)Arf C P T.p转化率Xp 进料A的摩尔数中反响掉的A的摩尔数 第二章 转化率和反响器尺寸p 间歇釜体系A0AA0NNXNp 流动体系A0AA0FFXFp 无支流的p 串联反响器AAiiX 到达 点时反应掉的 组分摩尔数进入第一个反应器的 组分的摩尔数.p用转化率改写摩尔衡算方程BatchCSTRPFRPBR微分方式代数方式积分方式A0AdXNr Vdt A0A

5、outoutinFXXVrA0AdXFrdV A0AdXFrdW A0AoutinXXdXWFrA0AoutinXXdXVFrA00AXdXtNr V 第二章 转化率和反响器尺寸.p用转化率改写速率方程*p设计反响器 第二章 转化率和反响器尺寸12(,), (), so ()AAAAAVf XrrfXVf X()AArf X( , , ,.)Arf C T P.p图解法设计反响器 Levenspial plot 第二章 转化率和反响器尺寸0.00.81.0024681012 FA0/(-rA)Conversion X0.00.81.0024681012 FA

6、0/(-rA)Conversion XCSTRPFR. 第二章 转化率和反响器尺寸p空时p 只与实践入口条件有关；与 区别？ p空速p 代表处置才干；与实践入口条件不一定有关p用空时改写摩尔衡算方程*01AAACCr10AACACAdCrCSTRPFR0Vv0vSVVt对液体对液体.p方式p 幂律方式 V.S. 非幂律方式p幂律方式的速率方程p速率方程中的参数 第三章 速率方程和化学计量学ABCAABrkC C ABCD()CDAABC Crk C CK反响级数、速率常数、平衡常数反响级数、速率常数、平衡常数.p反响级数：实验测定p速率常数动力学p Arrhenius公式p平衡常数(热力学/E

7、 RTkAe 0011expEk Tk TR TTA: 频率因子E: 活化能 1111expRXHK TK TRTT 第三章 速率方程和化学计量学=const.RXH.p 将浓度表示成转化率的函数p 物质的量/摩尔流率 转化率p 第三章 速率方程和化学计量学()C X or nFCCVv化学计量表化学计量表体积/体积流率 转化率.bcdABCDaaa组分进入反响器的流率(mol/time)反响器内的变化(mol/time)流出反响器的流率(mol/time)ABCI (惰性)总量A0FB0BA0FF T0FA0FXA0bFXaA0cFXaAA01FFXBA0BbFFXa II0IFFTT0A0

8、T0A01dcbFFFXaaaFFXC0CA0FF I0IA0FF CA0CcFFXa 化学计量表化学计量表 第三章 速率方程和化学计量学基准？基准？.p体积/体积流率的变化恒体积间歇釜：恒体积间歇釜： 0VV0001PTvvXPT流动体系：流动体系： 气体气体液体液体0vv1dcbaaaA总摩尔数的变化反应掉的 的摩尔数膨胀因子0Ay完全转化时总摩尔数的变化值进入反应器的总摩尔数膨胀率 第三章 速率方程和化学计量学.0000111AAAAFXTFXPCCvvXPT000/1CCCAc a XFTPCCvXPT C0C00CA0A0A0CFCyFCy 00011AAAAFFCXCXvv0CAC

9、cCCXa 恒压，气体恒压，气体不可紧缩流体不可紧缩流体 第三章 速率方程和化学计量学p以转化率为变量的浓度()jCX.p等温反响器设计思绪p两种算法p1以转化率为变量p2以浓度或摩尔流率为变量 第四章 等温反响器设计求解求解联立方程联立方程化学计量学化学计量学动力学动力学摩尔衡算摩尔衡算.p以转化率为变量的计算步骤a. a. 设计方程设计方程 (Batch, CSTR, PFR, PBR) (Batch, CSTR, PFR, PBR)0AAdXNr Vdt 0AAF XVr0AAdXFrdV 0AAdXFrdW b. b. 速率方程速率方程2AArkCc. c. 化学计量学化学计量学ABC

10、Dbcdaaa(1) 气相 0001P TvvXP T0000000111( ) 11 AAAAAFXFXTFPCvvvTTXPCTXyX012XdyTdWyT 第四章 等温反响器设计.对填充床0vv(2) 液相01AACCX0021ccAP 0301150 11.75cppGGG DD d. d. 等温操作等温操作Gas: 2220211AAXrkCyXLiquid:2201AArkCX将浓度带入动力学，将动力学带入摩尔衡算方程，积分求解将浓度带入动力学，将动力学带入摩尔衡算方程，积分求解 第四章 等温反响器设计.,CABDABCDdFdFdFdFrrrrdVdVdVdV速率方程AABrkC

11、 C化学计量学,BACADAbcdrr rr rraaa 气体00000AAATTTTTTFFPCCCyF P TF T00BBTTTFCCyF TTABCDIFFFFFF002TTFdyTdWyFT液体0AAFCp以摩尔流率为变量的计算步骤摩尔衡算对每一组分利用数值方法求解常微分方程组利用数值方法求解常微分方程组 第四章 等温反响器设计.p几种特殊反响器方式p p 膜反响器提高转化率p 半间歇反响器提高选择性p 循环反响器自催化反响，生化反响p 微反响器强化过程，如混合、传热p 球型反响器降低压降 第四章 等温反响器设计.p膜反响器 AB C ,andCABABBCVdFdFdFrrRrdV

12、dVdBcBRk C摩尔衡算 AAAAd C VVdCdVr VCdtdtdt0dVdt00VVt摩尔衡算 体积：时间的函数 第四章 等温反响器设计p半间歇反响器 .p循环反响器(只思索不可紧缩液体)0(,0000AAAxvxFPFRM32333),(,vxxxFAAAA0AF2AF222,vxFAA11,AAxF11,vFA2Ax介于CSTR与PFR之间的一种反响器方式循环比无穷：CSTR循环比0：PFR附加定义：循环比、单程转化率、总转化率 第四章 等温反响器设计.循环比：单程转化率：总转化率：设计方程：最优循环比：R 返回反应器入口的流体体积离开系统的流体体积A2A1xAA0AxdxV(

13、1R)FrAAsX 单程反应的 摩尔数进入反应器的 摩尔数AAoX 总反应掉 的摩尔数新鲜进料中 的摩尔数A1A2Rxx1R211121)(1AAAxxAAAAxArdxxxr入口反响速率的倒数 过程反响速率倒数的积分平均值 )0(,0000AAAxvxFPFRM32333),(,vxxxFAAAA0AF2AF222,vxFAA11,AAxF11,vFA2Ax.p以浓度为变量求解循环反响器问题 第四章 等温反响器设计00,ACvPFR323(),AACCv22,ACv11,ACv22,ACv211AACACAdCVvr1000 02 0()AAACvRvC vRC v20vv20210(1)A

14、AACACRCRAdCVRvr10302vvvvRv设计方程设计方程摩尔平衡关系摩尔平衡关系.p反响级数与速率常数确实定p p 均相反响间歇反响器p 非均相反响微分反响器 第五章 速率方程数据搜集分析.p均相反响测定方法 Ct 关系p p 摩尔衡算方程+动力学 p p 微分法：p p 积分法：p p 初始速率法：p 半衰期法：AAdCkCdtlnlnlnAAdCkCdt011011lnln1111(1)(1)AAAACCtkkCCtkk00lnlnlnAAdCkCdt10.501ln2121lnln(1)ln1(1)AtktCk 第五章 速率方程数据搜集分析.p非均相反响测定方法 FP CA0

15、关系p 摩尔衡算方程：p 动力学：p 联立：0APAF XFrWW0AArkC0lnlnlnPAFCkW 第五章 速率方程数据搜集分析.p选择性定义p D：目的产物；U：副产物 第六章 复合反响D D的瞬时选择性的瞬时选择性/DUDD UUrSr的生成速率的生成速率D D的总选择性的总选择性/DUDD UUFSF的流出摩尔流率的流出摩尔流率对间歇釜对间歇釜/DD UUNSN.p收率定义 第六章 复合反响瞬时收率瞬时收率DDArYr总收率总收率0DDAANYNN0DDAAFYFF流动体系间歇釜.p几种简单复合反响的讨论：p 平行反响 & 连串反响p1平行反响A DDk A UUk 主反响

16、副反响1DDArk C2UUArk CDEUE选择性选择性反响级数：反响级数越大对浓度越敏感反响器方式活化能：活化能越大对温度越敏感反响温度 第六章 复合反响.2连串反响12A B Ckk CiABCt最正确收率以PBR中的反响为例121012210kkABk CdCk ek edkk1opt1221lnkkkk01opt122lnkWkkk112121/11opt221expln1kkkkkkkkXkk 第六章 复合反响.p复杂反响求解的思绪摩尔衡算摩尔衡算: : 写出每种物质的摩尔平衡方程式写出每种物质的摩尔平衡方程式 摩尔流率摩尔数方式摩尔流率摩尔数方式 动力学动力学: : 写出各种物质

17、的净生成速率写出各种物质的净生成速率化学计量学化学计量学: : 用摩尔流率摩尔数表示速率方程中的浓度用摩尔流率摩尔数表示速率方程中的浓度 压降压降: : 写出按摩尔流率得到的气相压降表达式写出按摩尔流率得到的气相压降表达式联立联立: : 运用数值方法求解常微分方程组运用数值方法求解常微分方程组1112221212(,.,)(,.,).(,.,)nnnnndFf F FFdVdFfF FFdVdFfF FFdV1qjijirr 第六章 复合反响.p稳态热量衡算方程 第八章 稳态非等温反响器设计00010insAiPiRxRPRAiQWFCTTHTCTTF X CSTR与PFR(PBR)不同普通可

18、以忽略式中：RxRCRDRBRARcdbHTHTHTHTHTaaaPpCpDpBpAcdbCCCCCaaa0RTT参考温度；进料温度R0iTTiTTPiPiCC组分 在与 之间的平均热容；组分 在与 间的平均热容.p稳态CSTR中的热量衡算方程代数方程 第八章 稳态非等温反响器设计00010inAiPiRxRPRAiaQFCTTHTCTTF XQUA TT UU=0AaT 冷却介质温度；总传热系数，绝热时；换热面积010inaRxRPRiPiiAUA TTHTCTTXCTTF .p稳态PFR/PBR中的热量衡算方程微分方程 第八章 稳态非等温反响器设计00010inAiPiRxRPRAiaQF

19、CTTHTCTTF XdQUa TTdV aUaT总传热系数；单位体积反应器的换热面积；冷却介质温度； 0iaARxAiPPUa TTrHTdTdVFCX C .p稳态非等温反响器设计思绪 第八章 稳态非等温反响器设计摩尔衡算方程摩尔衡算方程动力学动力学化学计量学化学计量学能量衡算方程能量衡算方程V=f(X,T)T=h(X)求解求解V V或或X X，T T详细计算公式参考详细计算公式参考P345P345图图8-48-4，P351P351表表8-28-2，P359P359表表8-38-3.pCSTR热稳定性多稳态分析 第八章 稳态非等温反响器设计QRGGRRGGRT 0ARxRxAr VG TH

20、HXF 01PcR TCTT00APUAF C01acTTT2rrcRTTTE失控判据：01arcTTTT 反 应 器 温 度 ；.p题型：求体积、转化率、时间、动力学p按照步骤依次推导，最后带入数据 解题普通思绪针对某种方式反响器，写出摩尔衡算方程设计方程写出动力学方程不可逆？可逆？净反响速率？利用化学计量学，关联不同组分反响速率、浓度，思索体积变化影响将化学计量学处置后的浓度带入动力学，将动力学带入摩尔衡算方程假设非等温，根据反响器方式，写出热量衡算方程求解方程组，求V，X，t，rA均可.p等温反响器设计习题p 不是最难的，但是最有代表性的p p 苯醌A和环二戊烯B在298K下的液相加成反响为： ，p 反响在全混流反响器中