化学反应工建第一章课件

教科书李绍芬，反应工程，天大出版社参考书：H.ScottFogler,“ElementsofChemicalReactionEngineering”,PrenticeHall（第三版有中译本，李正元等译，化学反应工程）Schmidt

L.D，TheEngineeringofChemicalReaction（靳海波等译，化学反应工程)教科书李绍芬，反应工程，天大出版社课程主要内容-天大李绍芬教材基础部分Ch1-5等温理想反应器多相反应器：催化反应的反应机理及及反应器设计与分析Ch6-7反应速率数据处理技术复杂反应计算策略反应器稳定性分析应用部分聚合反应工程Ch8燃烧反应、链式反应及反应器安全环境反应工程生化反应工程电化学反应工程课程主要内容-天大李绍芬教材基础部分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：原料产物副产物原料预处理（纯化）化学反应过程产物的分离与提纯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。Ch.1导论化工过程流程原料产物原料预处理化学反应过程产物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。化学反应工程的研究内容

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。反应器设计分析：研究反应器内上述因素的变化规律，ChemicalReactionEngineering(CRE)isthefieldthatstudiestheratesandmechanismsofchemicalreactionsandthedesignofthereactorsinwhichtheytakeplace.FoglerChemicalReactionEngineering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。化学反应工程研究方法转化率、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）。

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转化率、选择性和收率选择性：收率：由上述定义式，可得X、S和Y之间的关系Y=SX化学反应工建第一章课件例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+HClCH2CHCl计算基准：进口100molC2H2(关键组分）由x/(210-x)=0.90得x=99.47molXC2H2=99.47/100=0.9947=99.47%XHCl=99.47/110=0.9043=90.43%反应组分反应器进口(mol)变化量(mol)反应器出口（mol)C2H2

100-x100-xHCl110-x110-xCH2CHCl0xx总计210-x例1.1已知HCl过量10%，出口处氯乙烯摩尔分率90%，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+1/2O2CH2CH2O变化量x0.5xx-0.5xC2H4+3O22CO2+2H2Oy3y2y2y0∑x+y0.5x+3y总变化量

-0.5x例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分：C2H4反应组分反应器进口(mol)转化量反应器出口C2H2

15-x-y15-x-yO27-0.5x-3y7-0.5x-3yC2H4O0xxCO2102y10+2yH2O02y2yAr12012N256056总计100-0.5x100-0.5x反应组分反应器进口(mol)转化量反应器出口C2H215-(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(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131及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

连串反应Ａ→Ｐ→Ｑ

并列反应Ａ→ＰB→Ｑ化学反应及反应器分类化学反应的分类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？热力学特征分类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。化学反应器分类化学反应工建第一章课件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3、按反应器型式来分类，分为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。4、按传热条件分类，分为化学反应工建第一章课件重油的催化裂化流化床反应器重油的催化裂化流化床反应器化学反应工建第一章课件乙苯加氢气液塔式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][进]-[出]+[生成]=[累积][In]-[Out]+[Generation]=[Accumulation]反应器设计的基本方程

设计内容：（１）选择合适型式（２）选择反应器摩尔平衡--通用方程Fj0Fj系统体积VGjFj0-Fj+Gj=dNj/dt反应器摩尔平衡--通用方程Fj0Fj系统体积VGjFj0-F

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：Gj=rj·Vmol/tmol/(t.L)L式中Nj为物种j在任意时间t在系统中的摩尔假设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，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：取极限（△V10,M∞)(微元足够小，数目足够多）则体积微元△V1中j的生成速率△Gj1:代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得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课堂问题：在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？Hw1:Text.Ch1题1.1；

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）