化学反应过程第一章-(1)分析课件.ppt

1、2022-6-8第一章 应用化学反应动力学及应用化学反应动力学及反应器设计基础反应器设计基础2022-6-8本章授课内容本章授课内容 化学反应器和工业反应器的分类化学反应器和工业反应器的分类 化学计量学化学计量学 加压下气相反应的反应焓和化学平衡常数加压下气相反应的反应焓和化学平衡常数 化学反应速率及动力学方程化学反应速率及动力学方程 温度对反应速率的影响及最佳反应温度温度对反应速率的影响及最佳反应温度 反应器设计基础及基本设计方程反应器设计基础及基本设计方程2022-6-8第一节第一节 化学反应和工业反应器的分类化学反应和工业反应器的分类一一. 化学反应的分类化学反应的分类 F（1）按反应的

2、化学特性分类）按反应的化学特性分类 （2）按化学反应单元的分类）按化学反应单元的分类 ?反应机理反应机理（1）单一反应；（）单一反应；（2）多重反应）多重反应?反应的可逆性反应的可逆性（1）可逆反应；）可逆反应； （2）不可逆反应）不可逆反应?反应分子数反应分子数（1）单分子反应；（）单分子反应；（2）双分子反应；（）双分子反应；（3）三分子）三分子反应反应?反应级数反应级数（1）一级反应；（）一级反应；（2）二级反应；（）二级反应；（3）三级反）三级反应；应；（4）零级反应；（）零级反应；（5）分数级反应）分数级反应?反应热效应反应热效应（1）放热反应；（）放热反应；（2）吸热反应）吸热反应

3、2022-6-8F (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均相均相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多相多相催化反应催化反应液液- -液相反应；气液相反应；气- -液相反应；液液相反应；液- -固相反应；固相反应；气气- -固相反应；固固相反应；固- -固相反应；气固相反应；气- -液液- -固三相反应固三相反应非催化反应非催化反应温度温度等温反应；绝热反应；非绝热变温反应等温反应；绝热反应；非绝热变温反应压力压力常压反应；加压反应；减压反应常压反应；加压反应；减压反应操作方法操作方法间歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间型）；间

4、歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间型）；半间歇过程半间歇过程定态过程；非定态过程定态过程；非定态过程流动模型流动模型理想流动模型（平推流，全混流）理想流动模型（平推流，全混流）非理想流动模型非理想流动模型2022-6-8二二.工业反应器的分类工业反应器的分类(一一) 按操作方法分类按操作方法分类 A 间歇反应器间歇反应器A 管式及釜式连续流动反应器管式及釜式连续流动反应器A 半间歇反应器半间歇反应器2022-6-8间歇操作间歇操作 将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。浓度CA物质量nA体积V2022-6-8 操作特点反应过

5、程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。 基本特征间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时间变化而变化。反应时间浓度完全混合流反应器反应物反应产物 主要优点操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模废水的处理。 主要缺点设备利用率低， 劳动强度大，每批的操作条件不易相同，不便自动控制。间歇操作的主要特点间歇操作的主要特点 2022-6-8连续操作连续操作连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器A的流入量A的流出量 管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器2022-6-8操作特点物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料

6、的流动。基本特征连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各处的各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。）主要优点便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。主要缺点灵活性小，设备 投资高。连续操作的主要特点连续操作的主要特点2022-6-8操作：原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或半连续操作。半间歇操作半间歇操作/ /半连续操作半连续操作主要特点：半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反应器内的组成随时间变化而变化。A的流入量2022-6-8(二二)

7、按流动模型分类按流动模型分类 连续流动反应器连续流动反应器 理想流动模型理想流动模型 非理想流动模型非理想流动模型 平推流反应器，平推流反应器，PFR 全混流反应器全混流反应器，MFR或或CSTR 2022-6-8F 理想流动模型理想流动模型G平推流模型平推流模型反应物料以稳定流量流入反应器，沿着物料的流动方反应物料以稳定流量流入反应器，沿着物料的流动方向，物料的浓度、温度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面向，物料的浓度、温度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物料的流速、浓度、温度、压力等参数都相同，所有材料质点具有上物料的流速、浓度、温度、压力等参数都相同，所有材料质点具有相同

8、的停留时间，不存在返混；举例相同的停留时间，不存在返混；举例长径比很大，流速较高的管长径比很大，流速较高的管式反应器。式反应器。A全混流模型全混流模型返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，有的很短；举例有的很短；举例强烈搅拌的连续釜式反应器。强烈搅拌的连续釜式反应器。非理想流动模型非理想流动模型偏离上

9、述两种理想流动模型，偏偏离上述两种理想流动模型，偏离程度可通过测定停留时间分布来确定。离程度可通过测定停留时间分布来确定。2022-6-8理想反应器：理想反应器：流体的流动处于理想状况的流体的流动处于理想状况的 反应器。反应器。流体混合的流体混合的两种理想极限两种理想极限全混流模型全混流模型平推流模型平推流模型特征：特征：物料达到完全物料达到完全混合，浓度、温度和混合，浓度、温度和反应速度处处相等反应速度处处相等注：工业生产中，搅拌良好注：工业生产中，搅拌良好的釜式反应器可近似看成的釜式反应器可近似看成全全混流模型；混流模型；长径比很大，流长径比很大，流速较高的管式反应器可看成速较高的管式反应

10、器可看成平推流模型平推流模型特征特征: :在与流动方向垂直的在与流动方向垂直的截面上，各点的流速和流截面上，各点的流速和流向完全相同，就象活塞平推向完全相同，就象活塞平推一样，故又称一样，故又称“活塞流活塞流”或或“平推流平推流”2022-6-8流体的质点或粒子（微元）流体的质点或粒子（微元） 代表一堆分子所组成的流体，它的体积比代表一堆分子所组成的流体，它的体积比反应器的体积小到可以忽略，但其中所包反应器的体积小到可以忽略，但其中所包含的分子足够多，具有确切的统计平均性含的分子足够多，具有确切的统计平均性质，如组成、温度、压力、流速；质，如组成、温度、压力、流速；停留时间（停留时间（Rete

11、ntion time） 指连续操作中一物料指连续操作中一物料“微元微元”从反应器从反应器入口到出口经历的实际时间。入口到出口经历的实际时间。l 有关反应器操作的几个工程概念有关反应器操作的几个工程概念2022-6-8由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停留时间分布（留时间分布（RTD）。）。年龄分布年龄分布仍然留在反应器中的质点的仍然留在反应器中的质点的RTD 寿命分布寿命分布反应器出口处质点的反应器出口处质点的RTD返混返混l 有关反应器操作的几个工程概念有关反应器操作的

12、几个工程概念不同年龄质点间的混合不同年龄质点间的混合时间概念上的逆向。连续流动反应器中，时间概念上的逆向。连续流动反应器中，反应物料的参数随空间位置而变，不同空间位置的物料由于倒流、反应物料的参数随空间位置而变，不同空间位置的物料由于倒流、绕流、回流等流动状况，使不同年龄的质点混合，即返混。绕流、回流等流动状况，使不同年龄的质点混合，即返混。 2022-6-8（三）按反应器结构类型分类（三）按反应器结构类型分类 型式型式适用的反应适用的反应特征特征釜（槽）式，一级釜（槽）式，一级或多级串联或多级串联液相，液液相，液- -液相，液液相，液- -固相，气固相，气- -液相，气液相，气- -液液-

13、-固三相固三相适用性大，操作弹性大。连续操作时温度、适用性大，操作弹性大。连续操作时温度、浓度易控制，返混严重。浓度易控制，返混严重。均相管式均相管式气相，液相气相，液相比传热面大，长径比很大，压降大，近平比传热面大，长径比很大，压降大，近平推流。推流。固定床固定床气气- -固相催化（绝热式或连续换固相催化（绝热式或连续换热式）热式）催化剂不易磨损，但装卸难，传热控温不催化剂不易磨损，但装卸难，传热控温不易，近平推流。易，近平推流。填料塔填料塔气气- -液相液相结构简单，压降小，填料装卸麻烦，返混结构简单，压降小，填料装卸麻烦，返混小。小。板式塔板式塔气气- -液相液相逆流接触，流速有限制，返

14、混小，可在板逆流接触，流速有限制，返混小，可在板间另加换热面。间另加换热面。喷雾塔喷雾塔气气- -液相快速反应液相快速反应结构简单，流体表面积大，气流速度有限结构简单，流体表面积大，气流速度有限制。制。流化床流化床气气- -固相（催化及非催化）固相（催化及非催化）液液- -固相（非催化）固相（非催化）传热好，易控温。粒子易输送，但易磨损，传热好，易控温。粒子易输送，但易磨损，操作条件限制较大，返混较大。操作条件限制较大，返混较大。2022-6-8气流床气流床气气- -固相固相固体颗粒细小，气流流动情况固体颗粒细小，气流流动情况复杂。复杂。滴流床滴流床气气- -液液- -固三相固三相催化剂带出少

15、，要求气液分布催化剂带出少，要求气液分布均匀，温度调节较难。均匀，温度调节较难。鼓泡淤浆床鼓泡淤浆床气气- -液液- -固（催化及非催化）固（催化及非催化）固相在液相中悬浮，气相连续固相在液相中悬浮，气相连续流入及流出反应器。流入及流出反应器。三相流化床三相流化床气气- -液液- -固（催化及非催化）固（催化及非催化）固相在液相中悬浮，液相和气固相在液相中悬浮，液相和气相连续进入及流出反应器。相连续进入及流出反应器。回转筒式回转筒式气气- -固相，固固相，固- -固相固相粒子返混小，相接触面小，传粒子返混小，相接触面小，传热效能低。热效能低。螺旋挤压机式螺旋挤压机式高黏度液相高黏度液相停留时间

16、均一，传热难。停留时间均一，传热难。2022-6-8(1) 反应器的一般特性主要指哪几个方面？反应器的一般特性主要指哪几个方面？(2) 反应器研究开发的主要任务是是什么？反应器的分类？反应器研究开发的主要任务是是什么？反应器的分类？(3) 什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？它们一般各有什么是间歇操作、连续操作和半连续操作？它们一般各有 哪些主要特点？哪些主要特点？(4)根据反应物料的流动与混和状态，反应器可分为哪些类型？根据反应物料的流动与混和状态，反应器可分为哪些类型？(5)什么是流体的质点、停留时间、寿命分布和年龄分布、返混？什么是流体的质点、停留时间、寿命分布和年龄分布、返混？ 本节

17、思考题本节思考题2022-6-8第二节第二节 化学计量学化学计量学nnnn 1122112.1 化学计量式：也可以写成：或：或：表示参加反应的各组分的数量关系表示参加反应的各组分的数量关系0112211 nnnn01niii式中：式中：Ai为组分为组分ii为组分为组分i的化学计量数的化学计量数2022-6-8 反应进度反应进度( (extent of reaction) ) 对于单一反应对于单一反应 称为称为“反应进度反应进度”，单位为，单位为mol. MMMLLLBBBAAAnnnnnnnn0000MLBAMLBA取正值各组分初始态的物质的量分别为各组分初始态的物质的量分别为nA0， nB0

18、， nL0， nM0 “某一状态某一状态”反应物质的量为反应物质的量为nA，nB，nL，nM2.2 反应进度、转化率、化学膨胀因子反应进度、转化率、化学膨胀因子2022-6-8 转化率转化率( (Conversion) ) 反应物反应物A的反应量的反应量-nA与其初态量与其初态量nA0之比成为转之比成为转化率，用符号化率，用符号xA表示，即表示，即 工业反应工业反应过程的原料中各反应组分之间往往不符合化过程的原料中各反应组分之间往往不符合化学计量数关系，学计量数关系，通常选择不过量的反应物计算转化率通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为这样的组分称为关键组分关键组分(key comp

19、onent)。 000AAAAAAnnnnnx2022-6-8 化学膨胀因子化学膨胀因子(chemical expansion factor) 组分组分A转化转化1mol时，反应物系增加或减少的量，称为时，反应物系增加或减少的量，称为化学膨胀因子，用符号化学膨胀因子，用符号 A表示。表示。 AiBAMLAA1MLBAMLBA对于反应：对于反应： 2022-6-82.3 多重反应系统中独立反应数的确定多重反应系统中独立反应数的确定 一、什么是多重反应系统一、什么是多重反应系统 给出给出n个组分个组分A1，Ai，An，这，这n个组分首个组分首先遵循未知放大反应图式相互间进行反应，根据反应需先遵循未

20、知放大反应图式相互间进行反应，根据反应需要用一个或多个化学计量方程式来描述的情况，分别称要用一个或多个化学计量方程式来描述的情况，分别称之为之为简单反应简单反应或或多重反应系统多重反应系统。二、多重反应系统的关键组分和关键反应二、多重反应系统的关键组分和关键反应 为了能够计算所有气体组分的摩尔数变化，至少应该为了能够计算所有气体组分的摩尔数变化，至少应该知道多少化学物质的摩尔数如何变化，这些物质称为知道多少化学物质的摩尔数如何变化，这些物质称为关关键组分键组分。 为了说明所有组分的摩尔数变化，至少需要多少反应为了说明所有组分的摩尔数变化，至少需要多少反应方程式，这些反应称之为方程式，这些反应称

21、之为关键反应关键反应。2022-6-8三、三、原子矩阵的确定原子矩阵的确定 设反应物系中含有设反应物系中含有n个反应组分个反应组分A1 、A2、 An，它们之中共包含它们之中共包含l种元素。若种元素。若ji为组分为组分Ai的分子式中的分子式中元素元素j的系数，的系数，Ni为组分为组分Ai的量（的量（mol），则反应物系中），则反应物系中元素元素j的摩尔数的摩尔数bj为为1,1,2,.,njiijiNbjl注：注：i表示反应组分的个数；表示反应组分的个数；j表示反应组分中原子的个数表示反应组分中原子的个数 1in；1jE2,则则T，S3,且且Y3，采用高温反应。，采用高温反应。若若E1 E2,则

22、则T，S3,采用低温反应采用低温反应,Y3 ,但是但是x 因此存在最佳温度。因此存在最佳温度。 若若E1 E2,T对对S无影响。无影响。选择合适的催化剂，可提高主反应速率常数，降低副反应选择合适的催化剂，可提高主反应速率常数，降低副反应速率常数，改善反应选择率。速率常数，改善反应选择率。1013120212010201exp()1exp()exp()1exp()ggggEkR TSEEkEEkkR TR TkR T2022-6-8二二 连串反应连串反应 均为不可逆一级反应：均为不可逆一级反应： 讨论：若讨论：若A4为目的产物，为目的产物，A4的生成量应尽可能大，的生成量应尽可能大，A3的生成量

23、应尽量减少。的生成量应尽量减少。 T,k1、k2均均，r4，r3的变化与的变化与k1、k2相对大小相对大小有关。有关。 3211AAAk4322AAAk2111CCk3224CCk3222112CCkCCk3222113CCkCCk2022-6-8 若若A3为目的产物，为目的产物， 初始条件：初始条件：C1O, C2O, C3O=C4O=0, A2大量过量，恒容反应。大量过量，恒容反应。 则：则：令令 令 )exp(201101tCkCC)exp()exp()(202201121013tCktCkKKCKC)exp()exp()(2022011213tCktCkkkkY)exp()exp()

24、1(120220112tCktCkkk120120111)exp()exp(1XtCktCkX)1)(1 (1)1 (1111312kXXkYkkk2022-6-8温度T对收率的影响体现为对 的影响。 但低温下反应速率慢，使生产能力下降。31YkX，一定时，。有极大值，一定时，0133XYYk12kk)exp(21010212TkEEkkkkg。低温有利。，则。高温有利；，则3122131221YkkTEEYkkTEE2022-6-8反应器研究开发的主要目的： 选择合适的反应器型式； 反应器的设计计算（确定反应器的尺寸）； 确定操作方式和优化操作条件； 反应器性能的评价。反应器内反应物的流动状

25、态、混合状态、浓度与温度分布、质量和能量传递性能等反应器的特性及其决定因素反应器的特性及其决定因素反应器的结构型式、操作方式、操作条件等第五节第五节 反应器设计基础及基本设计方程反应器设计基础及基本设计方程2022-6-8化学反应器的设计、分析和开发的化学反应器的设计、分析和开发的一般内容一般内容1.根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进行反应器的选型设计；要求，进行反应器的选型设计；2.根据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺根据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸；寸；3.反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、反应器的机械设计。充分考虑到机械设计

26、、设备制造及运输、安装方面的要求和有关制约。设备制造及运输、安装方面的要求和有关制约。2022-6-8 4.4.在机械设计可行的前提下，进行改变结构尺寸和操作在机械设计可行的前提下，进行改变结构尺寸和操作温度、流体流动条件对反应器的稳定操作和适应一定温度、流体流动条件对反应器的稳定操作和适应一定幅度的催化剂失活和产量、产品质量和选择率、收率幅度的催化剂失活和产量、产品质量和选择率、收率等方面的等方面的工艺要求工艺要求的工程分析，然后确定反应器的设的工程分析，然后确定反应器的设计。计。5.5.反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果改进改进今后同一类型

27、化学反应器的设计今后同一类型化学反应器的设计；6.6.开发新型反应器，如由固定床改为三相悬浮床，往往开发新型反应器，如由固定床改为三相悬浮床，往往会提高反应效果，但在液相载体选择、结构尺寸设计会提高反应效果，但在液相载体选择、结构尺寸设计等方面需要经过一定规模的工业试验，才能投入大规等方面需要经过一定规模的工业试验，才能投入大规模生产。模生产。2022-6-8n 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 F 反应动力学方程反应动力学方程F 物料衡算物料衡算 质量守恒定律质量守恒定律F 能量衡算能量衡算 能量守恒定律能量守恒定律F 动量衡算动量衡算（输入）=（输出）+（消耗）+（累积）2022-6-82022-6-82022-6-8