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文档简介
1绪论化工生产过程
用化学方法将原料加工成产品的生产过程。pretreatmentphysicaltreatmentsteps
separationphysicaltreatmentstepsrawmaterialsrecycleproductschemicaltreatmentsteps化学工程:
工程技术的一个分支,探讨化工生产过程的规律性,并根据对其规律性的认识来解决化工生产中的问题。pretreatmentphysicaltreatmentsteps
separationphysicaltreatmentstepsrawmaterialsrecycleproductschemicaltreatmentsteps1.1ChemicalReactionEngineeringconcernedwiththeexploitationofchemicalreactionsonanindustrialscale.engineeringaspectofchemicalreactionindustrialreactorsTheresearchesonchemicalprocesses:
before1920s
forproductionofspecificproducts
1920s
unitoperations
1960
transportphenomena
1957
reactionengineering
engineeringscience1.1.1研究对象
对于化学变化的研究,有:尺度基础研究对象量子量子力学分子间化学变化的微观规律分子动力学或化学动态学分子经典力学众多分子间化学变化的宏观规律微团或设备化学动力学传递理论工业反应器中的化学变化规律化学动力学化学反应工程-工业反应过程1.1.2Objectives(1)
developmentofreactiontechnology(2)
optimizationofoperatingcondition(3)design,scale-up,andanalysisofreactor,
predictionofreactorperformance1.1.3Context
Kineticsmechanismandrateofreaction
Foracertainreactionsystem,therateofreactionisusuallyexpressedas
r=f(c,T,p)Modeloftransportphenomena
v,p,c,T=f(x,y,z,t)
effectoftransportprocessesontherateofreaction
optimizedoperationcondition,
themostappropriatetypeandstructureofreactor(三传一反)(反应器设计与分析)Oxidationofammoniaonacatalyst:
Chemicalandphysicalprocessesoccursimultaneously.NH3O2NOH2OQ4NH3+5O2
4NO+6H2OHr
reactionheatandmasstransfermomentum,1.1.4Methodmathematicalmodeling
resolutionofproblemchemicalreactionphysicalprocessesreactionkineticsmodeloftransportcombinationMathematicalmodeling:过程实验与观察过程的分析研究计算机模拟物理模型数学模型用于反应器设计、放大与分析与实验结果比较否模型参数(实验)合理简化是理论、实验和计算的结合1.2ConversionandYieldofReaction1.2.1Extentofreaction
Areactionis
AA+BB
RR(1.1)whereisthestoichiometriccoefficient,
for
reactant(A,B),isnegative;
for
product(R),ispositive.
initialmoles:nA0,nB0,nR0
attheendofreaction:nA
,nB
,nR
Theratio
Foranycomponenti,
ni
ni
0=i
(1.3)IfcomponentiinvolvesinMreactions,isapositiveconstant,=
(1.2)theextentofreaction.(1.4)1.2.2ConversionInitialcondition:continuousatthe
inletofthereactorbatch
atthebeginningofthereactionItisthefractionofareactantconverted,amountofreactantconverted
initial
amountofthereactantX=(1.5)Conversion:Calculationsareusuallybasedontheconversionofkeycomponent,e.g.,Aisusuallythemostexpensivereactant,soitsamountinthemixtureislimited.thevalueofXreflectstheeconomy;themaximumvalueofXis100%.amountofreactantconverted
initial
amountofthereactantX=(1.5)TherelationbetweenconversionXand
is
(1.6)1.2.3Yieldandselectivity
TheyieldisdefinedforreactionproductR,whereAisusuallythekeycomponent.amountofRformed
initialamountofA
(1.7)orYR=
molesofAconsumedforR
molesofAfedtothesystem(1.8)Formultiplereactions,theselectivityisoftenused,definedas(1.11)TherelationbetweenconversionX,yieldY,andselectivitySis
Y=SX(1.12)S=molesofAconsumedfordesiredproduct
molesofAconvertedExample1.2
inlet
outlet
C2H41515x
y/2O277x/23y/2
C2H4O0xCO21010+yH2O0
y
Ar
1212
N2
56
56.
total100100x/2Theequationsforconcentrationsattheexit:
ethyleneoxygenx,y
separationrawmaterialsproductsreactorrecycleConversion:单程转化率separationrawmaterialsproductsreactorrecycle全程转化率amountofreactantconverted
initial
amountofthereactantX=(1.5)Exercises:Chap.1:1,21.3ClassificationofReactionsandReactors1.3.1Classificationofreactions
homogeneoussystems:
gas,liquidheterogeneoussystems:
gas-solid,gas-liquid,liquid-liquid,liquid-solid,gas-liquid-solid
1.3.2TypesofreactorsAccordingtotheconstructionofreactors,wehave(1)tubularreactor
(2)stirredtankreactor(3)towerreactorGLGLGLGLplatetowerpackedtowerbubblecolumnspraytower(4)fixedbedreactorpackedtubularreactor(5)fluidizedbedreactor
G(L)G(6)movingbedreactorSG(7)tricklebedreactorL
G1.4ModeofOperation1.Batchoperation
nomaterialentersorleavesthereactorduringreaction.
Feature:
closing
usuallyconstant-volume
unsteady-state
cRcAtcA00Itisusuallyinastirredtankreactorforslowreactionandsmallamountofoutput.reactionA
R:2.Continuousoperationreactantsenterandproductsleavethereactorcontinuously.
Feature:
open
steady-state
usuallyconstantpressureLz0cALcRLcRcAcA0e.g.,reactionA
Rinatubularreactor:3.Semi-batchoperation
Atleastoneofthereactantsorproductsisfedinortakenoutcontinuously,andothersarechargedordischargedinbatchmode,whichmaybeusedtotreatagaswithaliquid,tocontrolahighlyexothermicreaction,toimproveproductyield.1.5DesignandScale-upofReactorsObjectives:selectthetypeofreactordeterminetheoptimumoperatingconditiondeterminethesizeofreactor1.5.1Generalprocedureforreactordesign
Generalrequirements:
inchemistry:sufficientreactiontime
inmasstransfer:
inheattransfer:
insafety:Generalprocedure:(1)forallreactions,collectthedataonkineticsandthermodynamicsundertheoperatingcondition;(2)collectthephysicalpropertiesneeded;(3)determinetheratecontrollingprocessandselectthetypeofreactor;(4)determinetheoperatingcondition;(5)calculatethesizeofreactor;(6)selectappropriateconstructionmaterial;(7)carryoutinitialmechanicaldesign;(8)evaluatethecapitalandoperationcostsofvariousdesignsandassesstheeconomicoptimumdesign.1.5.2BasicequationsforreactordesignreactorsizeV
rateofreactionrA(c,T,p)
c,T,p=f(x,y,z,t)Basicequations:(1)materialbalanceforanycomponent
ci
(x,y,z,t)(2)energybalance
T(x,y,z,t)(
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