化学反应过程与设备(杨西平)模块一课件.ppt

1、专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系 原料预处理化学反应分离提纯化学反应过程是化工生产的核心绪论化工生产包括脱出杂质产物产品专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系010203概况三点击此处输入相关文本内容整体概况概况一点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应和反应器化学反应化学工程流体的返混和不均匀流动传质过程传热过程化学反应动力学专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系化学反应动力学特性物理过程对反应的影响反应器的设计和优化主要教学内容反应器的操作专业技能取证

2、实训专业技能取证实训石油化学工程系化工反应原理与设备与相邻学科的关系化学反应工程流体流动传质与传热传递工程化学工艺工艺路线流程、设备最佳化催化剂反应条件物理化学化学动力学化学热力学工程控制测量与控制动态特性专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系化工反应原理与设备的研究方法数学模型法模型方法：建立简化物理模型，建立数学模型 讨论特性规律用模型法进行开发的步骤：实验室规模的实验小试研究化学反应规律根据化学反应规律合理选择反应器类型大型冷模试验研究传递过程规律综合反应和传递规律，预测反应器性能，寻找优化条件热模试验检验模型的合理性专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系模块一、基础知识

3、1、掌握反应过程中的基本概念和常用物理量的计算2、理解动力学基本概念、常见动力学方程的表示方法和 工程应用3、能分析反应活化能和反应温度间的关系，具备控制反 应温度的技能4、理解均相和非均相反应过程的特征5、了解本征动力学和宏观动力学的区别与联系6、掌握反应器内理想流动和非理想流动的特征7、了解不同非均相反应过程的传质、传热原理目标要求：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系化学反应类型反应过程进行的条件反应特性相的类别和数目项目一、化学反应器类型化学反应类型专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系半间歇半连续操作连续操作间歇操作反应器操作方式非定态过程定态过程非定态过程定态过程

4、：物系的组成与温度随时间变化 非定态过程：物系的组成与温度不随时间变化 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系管式反应器釜式反应器鼓泡塔反应器流化床 反应器固定床反应器反应器类型专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系常见的工业反应器 均相间歇反应器 半间歇反应器专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系连续搅拌反应器组合 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系 轴向填充床催化反应器 流化床催化反应器 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系Sasol/sastech PT Limited公司的反应器（直径3.5米高

5、38米）专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系u物料衡算u热量衡算u动力学方程式基本方程项目二、反应器设计基本方程式u反应器的设计计算 u反应器的校核计算工艺设计专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系物料衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：A A=(t=(t，位置）微元时间内 微元时间内 微元时间微元 微元时间微 进人微元体积 离开微元体积 +体积内变化的 =元体积内 关键组分量 关键组分量 关键组分量 关键组分的累积量某一物质物料守恒单位时间单位体积单位：mol/s专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系热量衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：

6、衡算意义：T T=(t=(t，位置）微元时间内进入 微元时间内离开 微元时间微元 微元时间微元 微元时间微微元体积的物料 微元体积的物料 十 体积内反应过程 十 体积内和外界 元体积内热带入的热量 带出的热量 的热效应 的热交换量 量的累积量单位时间单位体积单位：kJ/s体系内所有物质能量守恒专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系若为反应物则变化的组分量前符号为“-”-”若为生成物则变化的组分量前符号为“+”+”注 意 事 项在所选的范围内，操作条件不变。若为放热反应和外界的热交换量前符号为“-”-”若为吸热反应和外界的热交换量前符号为“+”+”连续操作:累积量（物料、热量）间歇操作:

7、进入和离开的组分量（热量）=0=0绝热操作:和外界的热交换量 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系动力学方程式)(cTfr、均相反应：本征动力学方程 非均相反应：宏观动力学方程 反应速率与影响反应速率的影响因素之间的函数表达式定量描述反应速率与影响因素之间的关系式。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应速率定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间的变化率。或单位时间单位体积物料数量的变化。（反应体系）反应时间变化量反应速率 注意：1 1、上述定义无论对反应物和产物均成立。若为反应物则为消失速度.若为产物则为生成速度.dtdnVrAA1)(dtdnVrii1专业技能取

8、证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应速率2 2、反应速率恒为正值dtdnVrii13 3、不同体系：反应体系的量所取不同。均相：反应体积。非均相：相界面积，催化剂的重量或体积dtdnwVsVricatcat),(14 4、速度的表示形式和化学计量系数有关SPBASPBA对于SSppBBAArrrrr专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应速率5 5、在复杂反应体系中，即在同一反应系统中同 时进行若干个化学反应时。对于任意组分i i，该组分的反应速率为它所参加的所有化学反 应速率的代数和：个反应中的速率在第组分ji 1 jiMjjiirrr专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工

9、程系影响因素温度浓度压力溶剂催化剂固定速率方程或动力学方程定量描述反应速率和温度及浓度的关系式动力学方程式专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系动力学方程式基本方程1 1、基元反应：根据质量作用定律RvBvAvRBA动力学方程式：BABAcAcckr r rA A 一 反应速率，kmol/(mkmol/(m3 3h)h)c cA A 、c cB B 一 反应物的浓度，kmol/mkmol/m3 3A A、B B 一 分别为反应物A A、B B的反应 级数，反应总级数为 n=n=A A+B B k kc c 一 以浓度表示的反应速率常数，（kmol/mkmol/m3 3）1-n1-nhh

10、-1-1专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系动力学方程式基本方程2 2、非基元反应：可分为几个基元反应，选取其中一个基元反应为控制步骤，一般为对反应起决定性作用的那一个基元反应即反应速率最慢那一个基元反应，其余各步基元反应达到平衡。然后根据质量作用定律推导出动力学方程。ypnckpRTkRTk)()(对气相反应：BABApAppkrBABAyAyykr理想气体：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系1、反应分子数和反应级数反应分子数=化学计量系数反应级数=A A、B B =f(=f(机理）当且仅当基元反应时，反应级数=化学计量系数总反应级数n=n=A+B+动力学方程式反应级数

11、2 2、反应级数的意义：表示物料浓度对反应速率影响的程度。该值可为”“+”+”、可为“-”-”、也可为0 0。但最高绝对值不大于3 3 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系动力学方程式反应速率常数定义：也称为比速率)exp(0RTEkk撞分率。“活化分子”之间的碰所需要的能量；激发”到“活化状态”活化能（把反应分子“；气体常数，（；频率因子，与温度无关)/(314.8)(00RTEekEKmolJRRk专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系k=f=f（T T,Catalyst,pressure,Catalyst,pressure,粒子强度，溶剂等）影响：动力学方程式反应速率常

12、数（1 1）线性关系的斜率为-E/R-E/R；（2 2）活化能越大，温度对反应速率的影响越显著；（3 3）k k与T T的关系低温时比高温时更敏感。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率SRBASRBA对于下列化学反应：初始 n nA0 A0 n nB0 B0 n nR0 R0 n ns0s0某一时刻 n nA A n nB B n nR R n ns s反应的量 n nA A-n-nA0 A0 00 n nB B-n-nB0 B0 0 n 0 0 摩尔数的反应 A A 0 0 摩尔数的反应。A A=0 0 等分子反应物理意义:关键组分A A消耗

13、1mol1mol时,引起整个物系摩尔数的变化量.反应器计算中常用的几个物理量3 3、膨胀因子和膨胀率生产中的三率此时：)1(00AAAxyVV)1()1(000AAAAAAAxyVxcVnc则：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3 3、膨胀因子和膨胀率膨胀率：当物系体积随转化率变化呈线性关系)1(0AAxVV物理意义：反应物全部转化后系统体积的变化率001)(AAAxxxAVVV两者关系：A=yA0A 浓度变化关系：)1()1(00AAAAAAxVxcVnc专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系4 4、收率和产率反应器计算中常用的几个

14、物理量生产中的三率收率：指通入反应器的原料量中有多少生成了目的产品。的物质的量加入系统中的关键组分的量消耗的关键组分的物质在系统中生成目的产物Y产率：是指参加反应的原料量中有多少生成了目的 产品。也称选择性。物质的量参加反应的关键组分的的量消耗的关键组分的物质在系统中生成目的产物SSxYA三率的关系为：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念1 1、反应持续时间 反应持续时间也叫反应时间，主要用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的转化率所需要的时间。其中不包括装料、卸料、升温等非生产时间。2 2、停留时间 停留时间又称接触时间，主要

15、用于连续流动反应器，指流体微元从进入反应器到离开反应器所经历的时间。停留时间分布、平均停留时间专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念3 3、空间时间反应器的有效容积V VR R与流体特征体积流率V V0 0即在反应器入口条件下及转化率为零时的体积流率的比值 RNvVVs04 4、空间速度空速指单位有效反应器容积所能处理的反应混合物料的标准体积流率。RNvVVs0001TTppsv两者关系：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系项目三、流体流动流体的流动特征主要是指反应器内流体的流动状态和混合情况，它们随反应器的几何结构（包括内部构

16、件）和几何尺寸不同发生变化。正是由于反应流体在反应器内流动的复杂性导致反应器内不仅存在流体流速的分布，更重要的是还存在浓度和温度的分布。使得反应器内存在不同停留时间的流体粒子以及不同停留时间流体粒子之间的混合即返混，从而导致反应器内反应物料处于不同的温度和浓度下进行反应。影响反应速率和反应选择性，使反应结果发生变化。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系停留时间分布密度函数E(t)E(t)=0 t 0E(t)0 t01/1)(0NNdttE归一化条件流体流动的描述1、停留时间分布密度函数停留时间分布专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系tdttEtF0)()(dttdFtE)(

17、)(停留时间分布函数F(t)流体流动的描述2、停留时间分布函数停留时间分布t0，F(t)=00t，0F(t)CCASASCCACACCCAeAe内扩散作控制步骤外扩散过程的阻力很小，表面反应过程的速率很快。反应过程的速率取决于内扩散的速率。浓度变化为C CAGAG C CASAS ACACCCAeAe表面反应作控制步骤传质过程的阻力很小可以忽略。反应过程的速率取决于表面反应过程。浓度变化为C CAG AG C CASASCCAC AC AeAe专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程气固相催化反应的本征动力学是指表面反应做控制步骤时的动力学。表面反应过

18、程是由反应组分在催化剂表面的活性中心吸附、吸附的物质在催化剂表面上进行化学反应、反应产物在催化剂表面上脱附三步组成的。因此，气固相催化反应的本征动力学存在三种情况：吸附做控制步骤的动力学化学反应做控制步骤的动力学脱附做控制步骤的动力学专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系物理吸附化学吸附吸附剂所有的固体物质某些固体物质吸附的选择性临界温度以下的所有气体只吸附某些起化学变化的气体温度范围温度较低，接近沸点温度较高，远高于沸点吸附速率和活化能很快，活化能低 40kJ/mol覆盖情况多分子层单分子层可逆性高度可逆常不可逆重要性用于测定表面积、微孔尺寸用于测定活化中心的面积及阐明反应动力学规律

19、化学吸附和物理吸附气固相催化反应本征动力学吸附等温方程专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)langmuir)基本假设：1、催化剂表面各处的吸附能力是均匀的，各吸附位具有相同的能量；2 2、每个吸附中心只能吸附一个分子（单分 子层吸附）；3 3、吸附的分子间不发生相互作用，也不影 响分子的吸附作用；4 4、吸附活化能与脱附活化能与表面吸附程 度无关。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)langmuir)AA吸附速率VAaaVAaapR

20、TEkpkrqq)exp(0脱附速率AddAddRTEkkrqq)exp(0总的活性中心数组分覆盖的活性中心数被AAq总的活性中心数未覆盖的活性中心数Vq覆盖率空位率1VAqq专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)langmuir)净速率:吸附速率与脱附速率之差darrr 平衡时:即吸附速率与脱附速率相等0rAdVAakpkqqAAAAApKpK1q1VAqq其中：)exp()exp(0000RTqkkRTEEkkkkKdaaddadaA专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系AA22222)1(AdAAak

21、pkqq2VAaapkrq2AddkrqAAAAApKpK1q平衡时:气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)langmuir)若组分A A在吸附过程时发生解离如：N2=2N专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系若吸附过程不仅吸附A A，同时还吸附B BAAVAaAaApkrqAdAdAkrqAdAVAaAkpkqqVAAApKqqBBVBaBaBpkrqBdBdBkrqBdBVBaBkpkqqVBBBpKqqdAaAAkkK dBaBBkkK 1BAVqqqBBAAAAApKpKpK1qBBAABBBpKpKpK1q气固相催化反应本征动力学理想吸附等温

22、方程（langmuir)langmuir)吸附等温方程专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)langmuir)若有n n个不同的分子同时被吸附，则i i组分的吸附方程为：niiivpK111qiiiiipKpK1q1VIqq专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程真实吸附等温方程1 1、焦姆金吸附模型:吸附分子间有影响;吸附热随覆盖度的增加而减小q0aaEEq0ddEEqq)()()(000qEEEEqadda吸附热)exp(RTpkrAAaaq)exp(RTkrAddq)

23、ln(1AAApKqdaAkkK 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学吸附等温方程真实吸附等温方程2 2、FreundlichFreundlich吸附模型：吸附和脱附活化能及吸附热随覆盖率发生变化qln0aaEEqln0ddEEqq)()()(000qEEEEqadda吸附热推导得吸附方程式为 LAARTAAApKpK1)(q专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学表面反应过程是由吸附反应脱附三步串联进行的。因此，本征动力学方程的推导方法可按如下步骤进行：1 1、先假设反应机理，确定反应所经历的步骤；2 2、在吸

24、附反应脱附三个步骤中必然存在一控 制步骤；3 3、本征反应速率即为该控制步骤的速率，其余各 步则认为达到平衡。4 4、利用各平衡式和将速率方程中的表面浓度变换 成气相组分分压，得到用气相组分分压表示的动力学方程式。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学某一化学反应:A:AR RA A的吸附过程:A+:A+A A 表面化学反应:A :A R RR R的脱附过程:R R+各步骤的表观速率方程:吸附过程速率r rA A:表面反应速率r rS S:吸附过程速率r rR R:AAVAAAkpkrqqdaRSASskkrqqVadpqqRRRRRkkr1V

25、RAqqq专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学1 1、化学反应做控制步骤:反应速率:RSASskkrrqq其余各步达到平衡:AdAVAaAkpkqqVRaRRdRpkkqqRRAAAAApKpKpK1qRRAARRRpKpKpK1qRRAARSRAAsspKpKpKKpKkrr1)(得：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学2、吸附为控制步骤:反应速率:其余各步达到平衡:得：AAVAAAkpkrrqqdaRSASkkqqVRaRAdRpkkqq1)11(1RRSVpKKq1)11()(RRSR

26、SRApKKpKKq1)11(RRSRASRAaAApKKpKKKpkrr专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学3、脱附为控制步骤:反应速率:其余各步达到平衡:得：VRaRRdRRpkkrrqqRSASkkqqAdAVAaAkpkqqRRAAVpKpK11qAASAAAASRpKKpKpKK1q)1(1SAARRAASRRKpKKppKKkrr专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学气固相催化反应过程中，由于受内、外扩散的影响，颗粒内各处的温度和浓度不同，导致反应速率在床层内各处均不同。即传质过程对气固相催化反应动力学

27、的影响是不能忽略的。考虑了传质过程的动力学方程为宏观动力学。它是以催化剂颗粒体积为基准的平均反应速率 SSVSVSAAdVdVrR00)()(专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学内扩散是指反应物从催化剂的外表面向催化剂的内表面的扩散。由于内扩散的影响，使催化反应的动力学发生了变化。这种影响可以用效率因子来表示。本征动力学方程力学方程有内扩散影响的宏观动sAArR)()(即:专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内气体扩散催化剂颗粒是一多孔性的物质，流体要通过催化剂的孔道进行扩散传质。由于孔道的大小、结构均不相同，导致扩散的机理

28、也不同。不论是何种扩散，扩散速率方程均可用费克（Fick）定律来描述：dzdyDRTpdzdcDSdtdnAAAAA当扩散机理不同时，扩散速率中的扩散系数是不同的。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学单一孔道的扩散催化剂颗粒内气体扩散分子扩散：孔径较大。/2ra 10-2 阻力：分子间碰撞)()11(436.031315.05.1BABAABVVpMMTD努森扩散：孔径较小。/2ra 10 阻力：分子与孔壁碰撞MTdDK04850专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学单一孔道的扩散催化剂颗粒内气体扩散综合扩散：孔径10-2 /2ra 1

29、0。阻力：分子间碰撞、分子与孔壁碰撞 均存在。ABAKDyDD)1(11定态下双组分扩散:NA=-NBABNN1其中:ABKDDD111专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学多孔颗粒中的扩散催化剂颗粒内气体扩散工业上所使用的催化剂，孔隙结构错综复杂。孔道间会有相互交叉，孔径大小不一，各孔道的形状和每根孔道的不同部位的截面积也不相同。导致在催化剂颗粒中的扩散距离与在圆柱形孔道中的扩散距离有所不同。因此需加一校正因子，也叫曲折因子。该值一般由实验确定，通常取为37。peDD 催化剂的有效扩散系数:专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系例：镍催化剂在200进行苯加

30、氢反应.若催化剂的平均孔径d0=5*10-9m,p=0.43,=4,求系统总压为3039.3kpa时,氢在催化剂内的有效扩散系数De解：氢A:MA=2，VA=7.07cm3/mol 苯B:MB=78，VB=90.68cm3/mol氢在苯中的扩散系数:scmVVpMMTDBABAAB231315.05.12571.0)()11(436.0scmMTdDK200373.04850scmDDDABK201522.0111scmDDpe2001636.0催化剂颗粒内气体扩散内扩散控制宏观动力学专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系等温球形催化剂上进行一级不可逆反应为例对反应组分A作物料衡算：)

31、()(42drdrdccdrddrrDAAe 输出A:drdcrDAe24反应消耗A:)(4(2Ardrr积累A:0(连续稳定过程)(2222AeAArDRdzdczdzcdRrz 内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布根据物衡公式：输入A:专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系等温一级反应：esDkR3AsAAcdzdczdzcd222)3(2代入边界条件解该二阶齐次常微分方程得：)3sinh()3sinh(sszzccASA)(2222AeAAkcDRdzdczdzcd边界条件:内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布AvAckr)(0,0,0dzdczrAASAcczRr,1,

32、定义新物理量Thiele模数 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布梯尔模数的物理意义:1、反应物的浓度cA从催化剂的外表面到催化剂的 内表面都是逐渐减小的。2、s值不同，其降低的程度亦不同。s越大，反应物的浓度变化越剧烈，s越小，浓度变化越平坦。内扩散速率表面反应速率SSASeSSAsASeASvevsSVcDSrVRcDRckRDkR0)()(4)34(3192322梯尔模数的大小反映了反应过程受化学反应及内扩散影响的程度专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系ASSSSAkcR31)3tanh(11)(RssASVSASVSVSAAd

33、rrRrRrkcRdVrVdVdVrRSSS0230004)3sinh()3sinh(341)(1)()(内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则球形颗粒等温一级反应动力学方程式为：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系根据效率因子定义：ASASkcrRA本征动力学方程宏观动力学方程SSS31)3tanh(11sAArR)()(内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则动力学方程式为：效率因子为：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系蒂勒模数与效率因子关系：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式s则扩散速率大于反应速率,动力学控制当s9时,=1/s反应速率大于扩

34、散速率,内扩 散控制.专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式不同形状的催化剂：推导过程与球形颗粒相同，只是蒂勒模数的表示方法不同。无限圆柱体：)(2ASescfDkR)(2ASescfDkL圆形薄片：球形：)(3ASescfDkR通用表达式：)(ASeSSscfDkSV34)34(23RRRSVSS222RRLLRSVSS2222LRLRSVSS专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则效率因子为：球形催化剂颗粒上进行的等温非一级反应 nAvAckr)(令蒂勒Thiele模数:13nASevs

35、ncDkRSSS31)3tanh(11专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式 催化反应速率快，热效应大，热量得不到及时补充或移出，就会导致催化剂内部存在温度分布。因此，要讨论催化剂内部的温度分布关系。仍以球形催化剂为例：定常态下,体积元放出的热量=反应放出的热量)()(4)()(20HdrdcDrdVrHQrAeSVAgSdrdTrQer24传递的热量:专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系连续稳定过程:rgQQAeedcDHdT)(一阶微分方程，边界条件:r=R,T=Ts,cA=cAS内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式

36、)()(AASeeSccDHTT反应物的浓度cA=0时，即处于催化剂颗粒中心位置，此时的温差为最大 eASeScDHTT)()(max专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系催化剂内不同位置处的温度:内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式)3sinh()3sinh(1)(ssASeeSzzcDHTT若要求非等温时宏观动力学方程，则 SSVSVSAAdVdVrR00)()(AsAAcdzdczdzcd222)3(2)()(AASeeSccDHTT三式联立求解。一般没有解析解专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系外扩散控制宏观动力学外扩散是指反应物从流体主体向催化剂的外表面扩

37、散的过程。由于外扩散的影响，导致催化反应的动力学发生了变化。这种影响也可以用效率因子来表示。本征动力学方程力学方程有外扩散影响的宏观动一般情况下，颗粒外表面上的反应物的浓度总是低于气相主体的浓度，因而效率因子值是小于1的。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系外扩散控制宏观动力学外扩散过程传质过程：)(ASAGeGAccSkdtdn传热过程：)(GSeGTTSdtdQ由于催化剂的外表面上存在一层流边界层，使得气相主体反应物的浓度与催化剂外表面反应物的浓度有所不同，同时，气相主体的温度与催化剂外表面的温度也有所不同 G:流体与催化剂颗粒外表面的传热系数 J/(m2.h.K)kG :气相传

38、质系数 cm/s 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系外扩散控制宏观动力学外扩散过程传质系数kG和传热系数G 计算传质因子：传热因子：32CgD)S(GkJG32rpHP)Gc(JG当0.3 Rem 300时：JD2.10Rem-0.51 JH2.26Rem-0.51当300Rem 6000时：JD1.19Rem-0.41 JH1.28Rem-0.4 固定床反应器中，雷诺数：)1(BgpemGdR专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系外扩散控制宏观动力学外扩散浓度与温度分布浓度分布：物衡：nAGvASAGeGAckccSkdtdn)(一级反应：)1(aAgASDcc二级反应：

39、aAgaASDcDc2141其中：eGvaSkkD Da是化学反应速率与外扩散速率的比值。该值反映了外扩散对反应的影响。该值越大，说明外扩散的阻力越大，外扩散对反应过程的影响越大。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系外扩散控制宏观动力学外扩散浓度与温度分布温度分布：热衡：)()(GSeGATTSHR将物衡式代入上式：)(ASAGGGGSccHkTT对于多数气体可认为Pr/Sc1,因此JH JD 因此：)()(ASAGpGGScccHTT催化剂外表面与流体主体的温差与浓度差成线性关系 专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系外扩散控制宏观动力学外扩散宏观动力学宏观动力学方程：GA

40、ArR)()(即只要求出效率因子，就可得到动力学方程 效率因子AGASAGvASvGAAccckckrR)()(一级反应：)1(aAgASDcc)1(1aDDa越大，效率因子值越小。即外扩散效率因子总是随坦克莱数的增加而下降。反应级数越高，随Da增加而下降的越明显。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系项目五、气液相反应过程气液相反应过程是指气相中的组分必须进入到液相中才能进行反应的过程。一种情况：所有反应组分是气相的，而催化剂是液相的，反应组分必须经相界面传质进入到液相中，然后在液相中发生反应；另一种情况：一种反应物是气相的，而另一种反应物是液相的，气相的反应物必须进入到液相中才有可

41、能发生反应。不管是哪种形式，气液相反应均需要进行相间传递才能进行。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应传质过程双膜理论：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应传质过程双膜理论：产物（液相）（液相）气相）BA(气相中的反应组分A A从气相主体通过气膜向气液 相界面扩散，其分压从PAG降至PAi。AiAAicHp 在相界面处组分A A溶解并达到相平衡 溶解的组分A A从相界面通过液膜向液相主体扩散。在扩散的同时，与液相中的反应组分B B发生化学反 应生成产物。此过程是反应与扩散同时进行。反应生成的产物向其浓度下降的方向扩散。产物若为液相，则向液体内部扩散；产物

42、若为气相，则扩散方向为：液相主体-液膜 相界面气膜气相主体。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应传质过程传质速率：)()(ALAiLGALAiAGGAGccDppDN由于在相界面处气液两相达到平衡，则：)()(AAiALAAGAGccKppKN其中：ALAGALLAGGAGHkkHDDK111ALAGAGGALLALkkHDHDK11专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应宏观动力学宏观动力学方程建立反应）（）（lClBgAB)(组分A物衡：SdzrdzdzdccdzdSDdzdcSDAAAALAAL)(DAL为常数：BAAAALckcrdzcdSD)(22

43、组分B物衡：BABABBLckcrbdzcdSD)(22二级不可逆气液相反应的基础方程。二阶微分方程。边界条件有两个：z=0，cA=cAi，dcB/dz=0。而另一个边界条件则与气液相反应类型有关。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应宏观动力学反应类型1、瞬间反应 当组分A与组分B的反应速率远远大于由液膜两侧向膜内的传质速率时，气相组分A与液相组分B之间的反应为瞬间完成，即两者不能在液相中共存 边界条件：z=L，cB=cBL，cA=0.)(1)(AiBBLALBLAiLAAccDDcDR（若液相中B的浓度高，气相A扩散到达界面时即反应完毕，则反应面移至相界面上。总反应速率取

44、决于气膜内A的扩散速率 AGAGASPkR)(专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应宏观动力学反应类型2、快速反应 当A与B的反应速率大于A与B由液膜两侧向膜内的传质速率时，通过相界面溶解到液膜内的组分A在膜内全部与组分B反应，反应面为整个液膜 边界条件：z=L，cB=cBL，cA=0.AiALAckR)tanh()(其中：ALLkk为八田准数。专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应宏观动力学反应类型3、中速反应 当A与B的反应速率与A在液膜内的传质速接近时，通过相界面溶解到液膜内的组分A在膜内不可能全部与组分B反应，因此，在液相主体内仍然发生化学反应。即反

45、应过程在液膜和液相主体内同时进行。总反应速率既和传质速率有关又和化学反应速率有关。)(cosh11 tanh)(AiALAiALAckccR专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应宏观动力学反应类型4、慢速反应 当A与B的反应速率小于A与B由液膜两侧向膜内的传质速率时，通过相界面溶解到液膜内的A在液膜中与液相B发生反应，但由于液相主体内的反应速率已大于A在液膜内的传质速率，所以液膜内的传质阻力可以忽略，致使大部分A反应不完而扩散进入液相主体，并在液相主体中与B发生反应。故反应主要在液相主体中进行。宏观动力学方程即为物理吸收过程的规律 SHcPkHkRALAGALAGA)(11)

46、(专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应宏观动力学反应类型5、极慢速反应 由于A与B的反应速率远远小于A与B由液膜两侧向膜内进行传质的速率，导致组分A在气膜和液膜内的传质阻力可以忽略。所以组分A在液相主体和相界面上的浓度是相等的，与气相主体中组分A的反应成相平衡。反应速率完全取决于化学反应动力学。BAAckcR)(专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系气液相反应过程重要参数化学增强系数定义：在液相中的传质速率纯物理吸收时在液相中的传质速率有化学反应时AAkkALAL物理意义：由于化学反应的发生使得传质系数增加的倍数。也可以认为是表观反应速率与物理传质速率的比值)(1AiBBLALBLccDD（)tanh(ALAiALAicccc)cosh()tanh(11瞬间反应：快速反应:中速反应:慢速反应:极慢速反应：专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系提问与解答环节Questions and answers专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系添加标题添加标题添加标题添加标题此处结束语点击此处添加段落文本 .您的内容打在这里，或通过复制您的文本后在此框中选择粘贴并选择只保留文字专业技能取证实训专业技能取证实训石油化学工程系最后、感谢您的到来 讲师：XXXX 时间：202X.XX.XX