化学反应工程基础PPT课件.ppt
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- 化学反应 工程 基础 PPT 课件
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1、-1第一节第一节 化学反应和反应器分类化学反应和反应器分类1、 化学反应的分类化学反应的分类2、 反应器的分类反应器的分类3、 连续流动反应器内流体流动的两种理想形态连续流动反应器内流体流动的两种理想形态-21、 化学反应的分类化学反应的分类(1) 按化学反应的特性分类按化学反应的特性分类(2) 按反应物料的相态分类按反应物料的相态分类(3) 按反应过程进行的条件分类按反应过程进行的条件分类-3反应机理反应机理简单反应、复简单反应、复杂反应杂反应反应级数反应级数一级、二级、一级、二级、三级、零级、三级、零级、分数级反应分数级反应反应的可逆性反应的可逆性可逆反应、不可逆反应、不可逆反应可逆反应反
2、应热效应反应热效应放热反应、吸放热反应、吸热反应热反应反应分子数反应分子数单分子、双分单分子、双分子、三分子子、三分子反应反应(1 1) 按化学反应的特性分类按化学反应的特性分类-4均相反应均相反应催化反应催化反应气相反应、液相反应气相反应、液相反应非催化反应非催化反应非均相反应非均相反应催化反应催化反应液液- -液相、气液相、气- -液相、液液相、液- -固相、气、固相固相、气、固相非催化反应非催化反应气气- -固相、固相、气固相、固相、气- -液液- -固相固相(2 2) 按反应物料的相态分类按反应物料的相态分类-5操作方式操作方式间歇反应、半连续反应、连续反应间歇反应、半连续反应、连续反
3、应温度条件温度条件等温反应、绝热反应、非绝热变温等温反应、绝热反应、非绝热变温反应反应(3 3) 按反应过程进行的条件分类按反应过程进行的条件分类-62、反应器的分类、反应器的分类(1) 按物料相态分类的反应器种类按物料相态分类的反应器种类(2) 按反应器的结构型式分类按反应器的结构型式分类(3) 按操作方式分类按操作方式分类-7反应器种类反应器种类反应特性反应特性反应类型举例反应类型举例适用设备的结构形式适用设备的结构形式均相均相气相气相液相液相 无相界面,无相界面,反应速率只与反应速率只与温度或浓度有温度或浓度有关关燃烧、裂解等燃烧、裂解等中和、酯化、水解等中和、酯化、水解等管式管式釜式釜
4、式非均相非均相气气- -液相液相液液- -液相液相气气- -固相固相液液- -固相固相固固- -固相固相气气- -液液- -固固相相 有相界面,有相界面,实际实际 反应速反应速率与相率与相 界面界面大小及相大小及相 间间扩散速率有关扩散速率有关氧化、氯化、加氢等氧化、氯化、加氢等磺化、硝化、烷基化等磺化、硝化、烷基化等燃烧、还原、固相催化等燃烧、还原、固相催化等还原、离子交换等还原、离子交换等水泥制造等水泥制造等加氢裂解、加氢脱氢等加氢裂解、加氢脱氢等釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移动固定床、流化床、移动床床釜式、塔式釜式、塔式回转筒式回转筒式固定床、流化床固定床、流
5、化床(1) 按物料相态分类的反应器种类按物料相态分类的反应器种类-8结构型式结构型式适用的相态适用的相态应用举例应用举例反应釜(包括反应釜(包括多釜串联)多釜串联)液相、气液相、气- -液相、液液相、液- -液液相、液相、液- -固相固相苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、顺苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、顺丁橡胶聚合等丁橡胶聚合等管式管式气相、液相气相、液相清油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙烯清油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙烯等等鼓泡塔鼓泡塔气气- -液相、气液相、气- -液液- -固(催固(催化剂)相化剂)相变换气的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧化、变换气的碳化、苯的烷基化、二甲苯氧化、乙烯
6、基乙炔合成等乙烯基乙炔合成等固定床固定床气气- -固(催化或非催化)固(催化或非催化)相相二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙烯、乙苯脱氢、半水煤气生产等乙苯脱氢、半水煤气生产等流化床流化床气气- -固(催化或非催化)固(催化或非催化)相,特别是催化剂很相,特别是催化剂很快失活的反应快失活的反应硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化裂硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯氨氧化制丙烯腈等氧化制丙烯腈等回转筒式回转筒式气气- -固相、固固相、固- -固相固相水泥制造等水泥制造等喷雾式喷雾式气相、高速反应的
7、液相气相、高速反应的液相氯化氢合成、天然气裂解制乙炔氯化氢合成、天然气裂解制乙炔(2) 按反应器的结构型式分类按反应器的结构型式分类-9反应釜反应釜-10夹套式蒸汽加热反应釜夹套式蒸汽加热反应釜-11内外盘管式加热不锈钢反应釜内外盘管式加热不锈钢反应釜 管式反应器管式反应器-12鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器-13固定床反应器固定床反应器-14固定床反应器固定床反应器-15厌氧流化床反应器厌氧流化床反应器-16(3) 按操作方式分类按操作方式分类间歇反应器间歇反应器连续反应器连续反应器半连续反应器半连续反应器-17间歇反应器特点:间歇反应器特点:1 1、反应物料一次加入,、反应物料一次加入,产物一次
8、取出。产物一次取出。2 2、非稳态操作,反应器、非稳态操作,反应器内浓度、温度随反应时内浓度、温度随反应时间连续变化。间连续变化。3 3、同一瞬时,反应器内、同一瞬时,反应器内各点温度相同、浓度相各点温度相同、浓度相同。同。间歇反应器间歇反应器0Ct-18连续反应器连续反应器反应物反应物A反应物反应物B生成物生成物R连续反应器特点:连续反应器特点:1 1、反应物料连续加、反应物料连续加入,反应产物连续入,反应产物连续引出。引出。2 2、稳态操作,反应、稳态操作,反应器内任一点的组成器内任一点的组成不随时间改变。不随时间改变。0Ct-19半连续反应器半连续反应器AB半连续反应器特点:半连续反应器
9、特点:1 1、某些反应物料一次、某些反应物料一次加入,其余物料连续加加入,其余物料连续加入,或者将某种产物连入,或者将某种产物连续取出。续取出。2 2、非稳态操作。、非稳态操作。0Ct-203、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态平推流反应器平推流反应器理想混合流反应器理想混合流反应器-21平推流反应器平推流反应器反应物反应物A反应物反应物B 活塞流反应器活塞流反应器生成物生成物R平推流反应器特点:平推流反应器特点:1 1、在稳态操作时,在反应器的每个截面上,物料、在稳态操作时,在反应器的每个截面上,物料浓度不随时间变化。浓度不随时间变化。2 2、所有
10、物料质点在反应器中的停留时间都相同。、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。2 2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变,故反应、反应器内物料浓度沿着流动方向改变,故反应速率随空间位置改变,即反应速率的变化只限于速率随空间位置改变,即反应速率的变化只限于反应器的轴向。反应器的轴向。-22理想混合流反应器理想混合流反应器反应物反应物A反应物反应物B生成物生成物R理想混合流反应器特点:理想混合流反应器特点:1. 1. 物料连续以恒定的流速物料连续以恒定的流速流入、流出反应器,稳态流入、流出反应器,稳态操作。操作。2. 2. 反应器内各空间位置温反应器内各空间位置温度、浓度均一。度、浓度均一。3. 3
11、. 反应器内浓度、温度反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。与出口处浓度、温度相同。-23第二节第二节 均相反应动力学均相反应动力学p均相反应均相反应是指在均一的液相或气相中进行的反应是指在均一的液相或气相中进行的反应p均相反应动力学内容:研究化学反应本身的速度均相反应动力学内容:研究化学反应本身的速度规律,即物料的浓度,温度,催化剂等因素对化规律,即物料的浓度,温度,催化剂等因素对化学反应速度的影响。学反应速度的影响。 即即Rp(C,T,Cats)p均相反应动力学没有考虑到物理因素的影响,仅均相反应动力学没有考虑到物理因素的影响,仅研究化学反应内在规律研究化学反应内在规律-241、 反应
12、速率反应速率 定义定义:对均相反应而言,反应速率可定义为单位:对均相反应而言,反应速率可定义为单位时间,单位反应体积中所生成(消失)的某组分时间,单位反应体积中所生成(消失)的某组分的摩尔数。的摩尔数。 即即:表示:表示i组分的生成速率组分的生成速率:表示:表示i 组分的消失速率组分的消失速率1Vdnidt+=ri-25对反应:对反应: aA + Bb lL + mM各组分的反应速率:各组分的反应速率:rB1VdnBdt=rL1VdnLdt=rA1VdnAdt=rM1VdnMdt=-26它们之间:它们之间:幂函数形式:幂函数形式: k: 反应速率常数反应速率常数 1,2:实验测定常数实验测定常
13、数 总级数总级数 n=1+2 rA=arBblmrlrm rA1VdnAdt-=kCA1CB2对基元反应:对基元反应:1=a2=b 复杂反应:复杂反应:n需实验测定需实验测定-27k = A0e-E/RT lnk =lnA0 E/RTdlnk/dT = E/RT2,ln/EdK dT(1) 反应对反应对T敏感敏感所以,所以,T对对K的影响在低温下更敏感的影响在低温下更敏感 k遵循遵循Arrehnies方程方程: :,ln/TdK dT(2) (低温低温)-28Ak1k2Pk1 = k0e- E1/RTk2 = k0e- E2/RTE1E2 TAPE1k2tCRCSCACk11时,小时,小反应器
14、宜在前;反应级数反应器宜在前;反应级数nn2CA大大n1n2CA小小n1=n2无关无关-96112212RABSABdRrk C CdtdSrk C Cdt1212()()12RABSrkCCrk反应级数的反应级数的大小大小对浓度的对浓度的要求要求CA、CB均大均大CA大、大、CB小小CA小小、CB大大CA、CB均小均小A+BR(主反应)S(副反应)12主、副反应的速率方程主、副反应的速率方程二式相除得二式相除得1212121212121212-97间歇操作间歇操作-98连续流动操作连续流动操作-995.22 连串反应连串反应122ARRSRk Ck Crrk CRSrrA R Sk1k2rA
15、=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CR 若若R R为目的产物,应提高为目的产物,应提高CA,使,使 大,可选用平推流反大,可选用平推流反应器、间歇反应器;若应器、间歇反应器;若S是目的产物,则应降低是目的产物,则应降低CA,使,使 小,可选用理想混合反应器。小,可选用理想混合反应器。RSrr-1005.23 连串连串平行反应平行反应()()ABRABS 主反应副反应三种加料方式:三种加料方式:a、A慢慢加入慢慢加入B中(慢慢加入是指加入速率比反中(慢慢加入是指加入速率比反应速率慢)应速率慢)b、B慢慢加入慢慢加入A中中c、将将A、B迅速混合
16、迅速混合-101ABABABASBA的逐渐加入量浓度A、B反应前混合均匀ASR浓度反应中B的消耗量,mol连串连串平行反应产物分布随时间变化平行反应产物分布随时间变化第一种加料方式第一种加料方式第二、三种加料方式第二、三种加料方式-102结论结论a、对于单一反应,除零级反应,为达到相同转化率下的生、对于单一反应,除零级反应,为达到相同转化率下的生 产能力,平推反应器所需的反应器体积比理想混合反应产能力,平推反应器所需的反应器体积比理想混合反应 器小。器小。b、复杂反应中,对于平行反应,主要控制反应器内物料的复杂反应中,对于平行反应,主要控制反应器内物料的 浓度,高浓度有利于反应级数高的反应;连
17、串反应,应浓度,高浓度有利于反应级数高的反应;连串反应,应 控制反应器内物料的平均停留时间;连串控制反应器内物料的平均停留时间;连串- -平行反应可采平行反应可采 用不同的加料方式来控制产物的分布。用不同的加料方式来控制产物的分布。c、温度对复杂反应的产物分布也有重大影响。平行反应,温度对复杂反应的产物分布也有重大影响。平行反应, 升温有利于活化能高的反应;对于连串反应,若生产目升温有利于活化能高的反应;对于连串反应,若生产目 的产物反应的活化能高于其他副反应,宜采用高温,反的产物反应的活化能高于其他副反应,宜采用高温,反 之亦然。之亦然。-103第四节第四节 理想混合反应器的热稳定性理想混合
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