绪论均相反应动力学均相反应器课件.ppt

1、化学反应工程基础江苏工业学院江苏工业学院 张卫红2006.2第一章 绪论n1.1 概述n一、反应工程的研究内容n二、二、反应工程与其他学科的关系n三、化学反应工程的学科发展n 1.2 化学反应器 n一、一、化学反应的分类n二、化学反应器的类型n三、反应器的操作方式n1.3 化学反应工程的研究方法 图图1.1典型的化学加工过程典型的化学加工过程n化学反应工程主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。时时 间间标志性成果标志性成果代表人物代表人物20世纪30年代（萌芽阶段）对扩散、流体流动和传热对反应过程的影响丹克来尔(Damhhler)梯尔（Thiele）史尔多维奇20世纪40年代（

2、系统化）化学过程原理和化学动力学中的扩散与传热对学科形成奠定了基础霍根（Hougen）华生（Waston）20世纪50年代（学科确立）学科第一次国际性的学术会议在欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一术语丹克沃茨（Dankwerts)泰勒（Taylor）烈文斯彼尔(Levenspiel)20世纪60年代(学科发展壮大)石油化工的发展要求生产的大进化，产品的多样化和深加工促进了实验研究和生产实际的结果，产品研发周期缩短20世纪80年代到90年代中期(学科交叉和新技术运用)计算机和微电子技术普遍应用实现了反应器的精确控制问题；通过与其它学科的交叉形成了一系列新的学科；反应与分离过程的结合出现了多功

3、能反应器20世纪90年代环境保护对化学反应工程学科提出了新的要求。新的环境友好、原子经济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存放利用的贡献 表 常见的化学反应分类、方法和种类 表表 常见的化学反应器的类型常见的化学反应器的类型 种类种类 特点特点 应用范围应用范围 管式反应器管式反应器 长度远大于管径,内部没有任何构件 多用于均相反应过程 釜式反应器釜式反应器 高度与直径比约为 2-3，内设搅拌装置和档板 均相、多相反应过程均可 塔式塔式 (填料塔板式塔填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等 用于多相反应过程 固定床固定床 底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物

4、用于多相反应系统 流化床流化床 反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动 多相反应体系，可以提高传热速率 移动床移动床 固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触 用于多相体系，催化剂可以连续再生 滴流床滴流床 是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种 用于使用固体催化剂的气液反应过程 第二章第二章 均相反应动力学均相反应动力学 n2.1化学反应速率及动力学方程式n2.1.1化学反应速度 n2.1.2动力学方程n2.1.3动力学方程的建立 n2.2 可逆反应 n2.3 自催化反应 n2.4 复合反应 n2.5 变分子气相反应建立动力学方程的方法：n1、积分法 半衰期法n2、微分法n3

5、、初速度法 n化学反应动力学-化学反应速率反应速率和反应机反应机理理n微观动力学或本征动力学：微观动力学或本征动力学：排除了一切物理传递过程的影响 2.1化学反应速率及动力学方程式 2.1.1化学反应速度 n均相反应速率的定义：单位时间，单位体积混合物中着眼于某一反应组分的物质的量的变化率。n aA+bBpP+sS VdtdnrVdtdnrPPAA)()/(1)(3msmoldtdnVrAA)/(1)(kgsmoldtdnWrAA)/(1)(2 msmoldtdnSrAA)/(1)(3 msmoldtdnVrAPA)/(1)(3 msmoldtdnVrARA（5）转化率？X-针对反应物而言00

6、AAAAnnnxdtdxCdtdxVnrCCCxdxndnAAAAAAAAAAAA00000)(,若恒容 （1）反应速率恒为正值，反应物组分速率的“-”（2）不同组分计算的反应速率之间的换算关系：（3）当混合物的体积（即密度）一定时，n对于理想气体，（*等温恒容）n dtdCdtdVVCdtdCdtVCdVrAAAAA)(1)(，RTpCAAdtdyRTPRTdtdPrAAA)(图 1.2 循环系统转化率的计算 反应时间t NH3/mol O2/mol 0812t1 47t2 02例题：计算转化率例题：计算转化率 OHNOONH2236454 2.1.2动力学方程（化学反应速率方程式）影响反应

7、速率的因素有：组成（浓度）、温度、压力、催化剂的种类及性质。对于均相反应，通常ri=f(T,C)化学反应速率方程式的形式 aA+bBpP+sSaA+bBpP+sS幂函数型：BAAACkCdtdnVr1)(1.1.动力学参数动力学参数 级数-基元反应与非基元反应n对各组分的级数、，反应的总级数n=+速率常数k-与温度、催化剂有关n量纲-浓度1-n时间-1,可以根据量纲判断反应的级数。n如，一级反应，量纲为时间-1n对于气相反应，nkp量纲：浓度压强-n 时间-1nkp与k的换算：BApAAppkdtdnVr1)(npRTkk)(nArrhenius方程：RTEekk0)11(ln2112TTRE

8、kk2.1.3动力学方程的建立 n单一反应：用一个化学计量方程即能表达各反应物间量的关系的反应；n复合反应：用两个或两个以上的化学计量方程才能表达各反应物间量的关系的反应；n不可逆反应：反应向一个方向进行；n可逆反应：反应同时向正、逆两个方向进行的反应，歧化/对峙反应。一、建立动力学方程的方法 1、积分法n在等温恒容条件下，为常数kkCdtdCrnAAA,)(ktAktAAAAAexeCCktxCC1,11lnln00或tkCnxktnCCnAnAnAnA101101)1(1)1()1(11或 例：有一反应，在一间歇反应器中进行，例：有一反应，在一间歇反应器中进行，经过经过8 8minmin后

9、，反应物转化掉后，反应物转化掉80%80%，经过，经过1818minmin后，转化掉后，转化掉90%90%，求表达此反应的，求表达此反应的动力学方程式。动力学方程式。解：已知t1=8min时，x1=80%t2=18min时，x2=90%设为零级反应，1889.08.0,)(20102100而则AAAAAAAAAAxCxCttxCCCktkdtdCr设为一级反应，1881.0ln2.0ln)1ln()1ln()1ln()(2121AAAAAAxxttxktkCdtdCr（0.6990.444）设为二级反应，188949.01.02.08.01111)(22112102AAAAAAAAAAxxxx

10、ttxxCktkCdtdCr故此反应为二级不可逆反应。且0010121)8.01(88.0)1(AAAAACCxtCxkn半衰期法：)1()12(),1(2ln,1012121nkCtnnktnAn级反应一级反应0121lg)1()1()12(lglgAnCnnkt2、微分法n单一不可逆反应，nABAAAkCCkCdtdnVr1)(二、最小二乘法n适用于可线性化的方程。例如，xaayCnkrkCdtdCrAAnAAA10lglglg()(令）2122021102lg)(iiiiiiiiiiiiiiiimiiixxxmyxxymanxxxmxyxxyakyxaa最小 例例题题 PBA2，BACC

11、，求求动动力力学学方方程程 实实验验数数据据：CA mol/L 0.2250 0.9000 0.6750 0.4500)(Ar 10-3mol/(Lmin)1.76 10.9 8.19 4.465 CA mol/L)(Ar mol/(L min)xi=lg CA yi=lg)(Ar xi2 xi yi 0.2250 1.7610-3-0.6478 -2.754 0.4197 1.7844 0.9000 10.910-3-0.0458 -1.963 0.0021 0.0898 0.6750 8.1910-3-0.1707 -2.087 0.0291 0.3562 0.4500 4.46510-3

12、-0.3468 -2.350 0.1203 0.8150 -1.2111 -9.154 0.5712 3.045 337.1)2111.1(5712.04)154.9()2111.1(045.34)(884.1)2111.1(5712.04)045.32111.1(5712.0)154.9()(lg222212222220 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiixxmyxyxmxxxmyxxymanxxmyxxxyxxxmxyxxyak 2.2 2.2可逆反应可逆反应n一级可逆反应：已知：t=0时，CA=CA0，CR=CR0。动力学方程的积分形式n ARk1k2AeAAeAC

13、CCCkkt021ln1初速度法ARk1k2RAAACkCkdtdnVr211)(CR0=0下，改变CA0，测定（-rA）0 ，确定动力学参数和k1。CA0=0下，改变CR0，测定（-rA）0 确定动力学参数和k2。010)(AtACkr020)(RtACkr2.3自催化反应 n定义：反应的某一产物对反应有催化作用。n如：设对各反应组分均为一级。在t=0时，CA=CA0，CP=CP0和CR0=0动力学方程的积分形式。）000000()(ln)()(AAAAAAPAAACCCCCCktCCCkCCkCdtdCr（-rA）C0/220,CCoptA000000020maxln1ln14)(PAAA

14、optACCkCCCCkCtCkrCA02.4复合反应 n平行反应：n连串反应：2.4.1表征产物分布的术语1.收率（得失之比）n瞬时收率n总收率P parrpadCdCApAP)(pannnnAAPPP00AACCAPdCC02.得率XP 得率XP=收率转化率xA3.选择性pannnxAPpP00psxxpsCCSpsdCdCSSPSPOSPP总选择性：瞬时选择性：2.4.2平行反应 n等温恒容下一级平行反应的浓度分布：初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CS=0 SAPAKK21AAAASSAPPCkkdtdCrCkdtdCrCkdtdCr)()(2121)exp1)exp121

15、2102212212101211)(021tkkkkCkCkkkdCdCtkkkkCkCkkkdCdCeCCASASAPAPtkkAA（图2.4-1 平行反应组成随时间的变化关系210212211kkSSxkkkxxkkkxPASAP21kkCCSP2.4.3连串反应)()(0,0021010000221112121APAStktkAPtkAASPAAPSPAPAAkkCCCCeekkCkCeCCCCCCtCkdtdCCkCkdtdCCkdtdCSPA121221max,ln122kkkktkkxoptkkkP121221max,ln122kkkktkkxoptkkkP图2.4-2 连串反应组

16、成随时间的变化关系2.5变分子气相反应 n等温气相反应n变分子恒压变容n变分子恒容变压 2.5.1术语1.膨胀因子物理意义：abaspsSpPbBaAA)()()1(00AAAttxynn2.膨胀率001AAAxxxAVVVdtdxxyCdtdnVrAAAAAAA0011)(n级反应dtdCrxCCAAAAA)(),1(00AAAyAxkt11lnAxnAnAAnAdxxxktCA0110)1()1(注意：一级反应，2.5.3等温等容变压过程n总压法测定气相反应的速度常数 00AAttApppp2.5.2等温等压变容过程AAAAAAAAAAAAAAAAAPPAAAAABBAAAAAAAAAxy

17、xyyxyxppxyxCapCCxyxCabCCxyxCCxyVV000000000000001)1(1)1(111)1()1(第三章 均相等温反应器 3.1概述 3.2简单反应器 3.2.1 间歇反应器（BR）3.2.2 平推流反应器 3.2.3全混流反应器（CSTR）3.3 组合反应器3.3.1多个全混釜串联3.3.2平推流反应器的串、并联 3.3.3循环反应器 3.3.4半连续反应器（半间歇反应器）3.4反应器的选型与操作方式 3.1.1反应器中的流动问题 n返混：停留时间不同的流体质点（微元）之间的混合。n平推流与全混流 n平推流的特点：所有物料质点在反应器中的停留时间相同，不存在返混

18、，也无流速分布。n全混流的特点：返混达到最大。3.1.2生产操作中的常用术语 1.反应时间与停留时间n反应时间n停留时间n停留时间的分布平均停留时间 2.空时与空速n空时：空速：vVt 0vV0001AACFvSV3.2简单反应器n反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式+热量衡算式+流动方程式n等温恒容过程 反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式物料衡算通式：3.2.1 间歇反应器（BR）一、基础设计方程式 恒容时，AxAAAVrdxnt00)(AAACCAAxAAArdCrdxCt0)()(00二、设计式的应用：1.反应时间的计算：（1）一级反应 等温恒容下：（2）二级反应 等温

19、恒容下：AAkCr)(Axkt11ln12)(AAkCrAAAxxkCt1102.反应器体积的计算：实际的反应器体积为：对于沸腾或易发泡液体物料，对于一般流体 )(0tvVRRVV 85.04.06.04.085.07.0例3-1 某厂用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下进行缩聚反应生产醇酸树脂。反应在70间歇釜中进行。已知（-rA)=kCA2 kmol (Lmin)，k=1.97L(kmol min)，CA0=0.004 kmol L，求xA=0.5、xA=0.6、xA=0.8、xA=0.9所需反应时间若每天处理2400kg已二酸，转化率为80%，每天操作的非生产时间为1h，计算反应器体

20、积为多少？设装料系数为0.75。3.2.2 平推流反应器一、基础设计方程简化：（1）t任取 （2）V取dV （3）积累量=0AxAAAArdxCFV000)(更一般的通式：21)(00AAxxAAAArdxCFVn恒容时，二、设计方程的应用1.解析法：n以一级反应 为例2.图解法：图3.2-53.数值法：（Simpson）(奇数点、偶数段)AAACCAAxAAArdCrdxC0)()(00mPAAAkpr)(11ln)1(1000AAAAAARxyxykpFV1 mA)(2)(43)(242153100NNNxxIIIIIIIIIxdxxfn3.2.3全混流反应器（CSTR）一、基础设计方程式

21、简化：（1）t、V任取（2）（3）积累量=0常数outAinArr)()(2120000)(:)(AAAAAAAAArxxCFVrxCFV普遍通式)()(00AAAAAArCCrxC恒容时，1.应用一级反应：一级平行反应：kCCAA10ASAPAACkdtdCCkdtdCCkkdtdC2121)()(1)(1)(121202110210kkkCCkkkCCkkCCASAPAAn一级连串反应：APSk1k2PSPAPAACkdtdCCkCkdtdCCkdtdC2211)1(1()1(1(1212210211010kkkkCCkkkCCkCCASAPAA）2122/1120max,1 1)/(kk

22、tkkCCoptAP 3.3组合反应器3.3.1多个全混釜串联iAAiiAiiAiAAiAiAirxCrxxCFV)()(1,1,001.设计式2.应用解析法：n一级反应，若各釜的温度和容积均相等，则第n个釜的出口浓度为：n二级反应，p44图3.4-4n 参变量，无因次数群n一级反应 kn二级反应 kCA000,)1(11)1(NvVkxkCCiNiNNiANA图解法：)(),()(1),(1,01,iAiAiAiAiAiAiiAxxVFrCCr3.3.2平推流反应器的串、并联1.PFR的串联对第一个PFR作物料衡算：对第二个PFR作物料衡算：对第n个PFR作物料衡算：10101)(AxAAA

23、rdxFV21202)(AAxxAAArdxFVNANAxxNAAAnrdxFV1,)(0AxAAAiArdxFVFV000)(总2.PFR的并联 202101xFFxFFxAAA3.3.3循环反应器23vv离开反应器的体积流量循环物料的体积流量22100)()1(xxAAAArdxCFV最佳循环比 3.3.4半连续反应器（半间歇反应器）0000)(00AAAAAAvtCnnvtCnAtAtx的物质的量时间内加入反应器的的物质的量时间内反应掉ttxtfxtfxtfxxtxfvtCnxvCtfxtfdtdxAnnAnnAnnAnnAAAAAAAA2),(,),(:),()(),(11,00012

24、改进欧拉法方程的求解 3.4反应器的选型与操作方式 3.4.1单一反应：反应器大小的比较 结论：完成同一生产任务（相同），3.4.2复合反应：产物量的多少 AfxPFRRCSTRnRCSTRRVVV,PFRRBRRVV,n不同类型反应器P出口浓度的计算PFR：CSTR：0AACCAPdCCAfAPCCC0)(0AfAPCCC例3-2 同例3-1的条件，若转化率xA=0.8，试计算：单个CSTR的体积；2-CSTR的体积；4-CSTR的总体积以及xA1，xA2和 xA3；PFR的体积nk=1.97L(kmol min)=118.2L(kmol h)nCA0=0.004 kmol Lnv0=171.25 L h例：苯醌（A）和环戊二烯（B）在298K下进行液相加成反应，反应方程式为A+BP，动力学方程为（-rA)=kCACB。如果反应在两个等体积串联的全混釜进行，其反应速度常数为k=9.9210-3m3(kmols)，已知CA0=0.08 kmol m3，CB0=0.1 kmol m3，求xA=0.95时，两釜总的反应时间。