环境工程原理PPT第13章 均相化学反应器
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均相化学反应器
t c A0
xA 0
(12.2.1)
(12.2.2)
(12.2.3) (12.2.4)（恒容反应）
dxA rA
t
cA
c A0
dcA rA
(12.2.6)（恒容反应）
第一节 间歇与半间歇反应器
间歇反应器的图解设计法
t c A0
xA
0
dxA rA
(12.2.4)
t
A的流入量
qn A0 qVcA0
反应量 -rAV
浓度cA 体积V
qvcA0=(－rA)V+ cAqv+V(dcA/dt)
(13.1.3)
第一节 间歇与半间歇反应器
例题13.1.2
对于由反应 (a) 和 (b) 构成的反应系统，试定性说明在下 述半间歇操作时的反应系统中各组分的浓度变化。 (1)先向反应器中加入A，之后连续加入B。 (2)先向反应器中加入B，之后连续加入A。 A+B→P，r1＝k1cAcB A+P→Q，r2＝k2cAcP (a) (b)
1 n
[(1 x A )1n 1]
(n 1)
Vm c A rA Km cA
t
1 [c A0 x A K m ln(1 x A )] Vm
c A0 c B c B0 c A ln c B0 B c A0 x A c B0 (1 x A )
A BB P
nA＝(nA0＋qnA0t)(1－xA)
第一节 间歇与半间歇反应器
2. 半间歇反应器的设计方程
单位时间内A的加入量：qnA0＝qvcA0 单位时间内A的排出量：0 反应量：(－rA)V 积累量：dnA/dt＝d(cAV)/dt＝cA(dV/dt)+V(dcA/dt) 物料衡算式： qvcA0=(－rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) (13.1.2)
xA 0
(12.2.1)
(12.2.2)
(12.2.3) (12.2.4)（恒容反应）
dxA rA
t
cA
c A0
dcA rA
(12.2.6)（恒容反应）
第一节 间歇与半间歇反应器
间歇反应器的图解设计法
t c A0
xA
0
dxA rA
(12.2.4)
t
A的流入量
qn A0 qVcA0
反应量 -rAV
浓度cA 体积V
qvcA0=(－rA)V+ cAqv+V(dcA/dt)
(13.1.3)
第一节 间歇与半间歇反应器
例题13.1.2
对于由反应 (a) 和 (b) 构成的反应系统，试定性说明在下 述半间歇操作时的反应系统中各组分的浓度变化。 (1)先向反应器中加入A，之后连续加入B。 (2)先向反应器中加入B，之后连续加入A。 A+B→P，r1＝k1cAcB A+P→Q，r2＝k2cAcP (a) (b)
1 n
[(1 x A )1n 1]
(n 1)
Vm c A rA Km cA
t
1 [c A0 x A K m ln(1 x A )] Vm
c A0 c B c B0 c A ln c B0 B c A0 x A c B0 (1 x A )
A BB P
nA＝(nA0＋qnA0t)(1－xA)
第一节 间歇与半间歇反应器
2. 半间歇反应器的设计方程
单位时间内A的加入量：qnA0＝qvcA0 单位时间内A的排出量：0 反应量：(－rA)V 积累量：dnA/dt＝d(cAV)/dt＝cA(dV/dt)+V(dcA/dt) 物料衡算式： qvcA0=(－rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) (13.1.2)
《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》ppt
B
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工
第13章 非均相化反应器(环境工程原理)2
第十六页，编辑于星期五：十五点 八分。
第一节 固相催化反应器
1.反应物吸附过程控制
rA v A kap Av ka' A
Ks
P A
P KPpPv
表面反应和产物的脱附达到平衡
rA
ka
pAKK SKPA pP (1/KS)KPpPKPpP1
(13.1.31)
第十七页，编辑于星期五：十五点 八分。
第十页，编辑于星期五：十五点 八分。
第一节 固相催化反应器
固相催化反应的特点 ①多步骤串联过程
②固相反应速率与反应本身和反应组分的扩散有关
③反应速率取决于慢步骤，该步骤称为控制步骤(rate controlling step) 扩散控制(传质控制)、动力学控制
④反应达到定常态时，各步骤的速率相等
第十一页，编辑于星期五：十五点 八分。
3.球形催化剂内的宏观速率方程
RAV1P
VP 0
(rA)dVP
VP
4 3
πr 3
dVP4πr2dr
rA kVcA
（1级反应）
cA
cAssinh3(sz) z sinh3(s)
RA1s[ta1 n3h s) (31 s]kVcAs(13.1.62)
第三十三页，编辑于星期五：十五点 八分。
第一节 固相催化反应器
【例题13.1.1】利用直径为0.3cm的球形硅铝催化 剂进行粗柴油的催化分解反应，该反应可以认为 一级反应，且在630℃时的本征动力学方程为－ rA= 7.99×10-7pA mol/(s•cm3)。已知粗柴油的有 效扩散系De=7.82×10-4 cm2/s，试计算该催化反应 的催化剂的有效系数。
第一节 固相催化反应器
二、固相催化反应过程
第一节 固相催化反应器
1.反应物吸附过程控制
rA v A kap Av ka' A
Ks
P A
P KPpPv
表面反应和产物的脱附达到平衡
rA
ka
pAKK SKPA pP (1/KS)KPpPKPpP1
(13.1.31)
第十七页，编辑于星期五：十五点 八分。
第十页，编辑于星期五：十五点 八分。
第一节 固相催化反应器
固相催化反应的特点 ①多步骤串联过程
②固相反应速率与反应本身和反应组分的扩散有关
③反应速率取决于慢步骤，该步骤称为控制步骤(rate controlling step) 扩散控制(传质控制)、动力学控制
④反应达到定常态时，各步骤的速率相等
第十一页，编辑于星期五：十五点 八分。
3.球形催化剂内的宏观速率方程
RAV1P
VP 0
(rA)dVP
VP
4 3
πr 3
dVP4πr2dr
rA kVcA
（1级反应）
cA
cAssinh3(sz) z sinh3(s)
RA1s[ta1 n3h s) (31 s]kVcAs(13.1.62)
第三十三页，编辑于星期五：十五点 八分。
第一节 固相催化反应器
【例题13.1.1】利用直径为0.3cm的球形硅铝催化 剂进行粗柴油的催化分解反应，该反应可以认为 一级反应，且在630℃时的本征动力学方程为－ rA= 7.99×10-7pA mol/(s•cm3)。已知粗柴油的有 效扩散系De=7.82×10-4 cm2/s，试计算该催化反应 的催化剂的有效系数。
第一节 固相催化反应器
二、固相催化反应过程
1-均相反应动力学和理想反应器.ppt
• 单程转化率和全程转化率 • 物料循环的必要性
例如：合成氨、合成甲醇等。
• 单程转化率：原料通过反应器一次达到的转化率
（以反应器进口物料为基准）；
•全程转化率：
•新鲜原料进入反应系统到离开系统所达到的转化率
（以新鲜原料为基准）
•全程转化率=12-15%
✓转化率和反应进度之间的关系：
xA
A
n A0
压、离子强度、溶剂等对的影响比温度对其影响要小得多， 故假设仅为温度的函数。用Arrhenius方程来描述，即：
E
• 活化能的物理意义：
E
k k0e RT
d dT k R E2T k (d k)k/d (T)TR ET
k k0e RT
• 活化能反应了温度对反应速率常数的影响程度。
• 活化能：将反应分子激发到可进行反应的“活化状态”
转化率、目的产物的收率和选择率来评价反应程度和产物分布。
收率： 选择率：
生成目的产物；所消 关耗 键的 组分量
Y
关键组分的起始量
生成目的产物所消 关耗 键的 组分量
S
已转化的关键组分量
注意:
1、对于单一反应 ：Y=xA (关键组分) 对于复杂反应： Y≠xA
2、收率也有单程和全程之分（循环物料系统）
时间是变化的，所以反应速率是指某一瞬间状态下的“瞬时反应速率”。
五、反应动力学方程
描述反应速率与影响反应速率的因素之间的函数关系式，也称为速率方程。
rf(p,T,C)
均相反应：
rfT(T)fC(C) （温度效应*浓度效应）
对于不可逆反应过程： a A b Br R sS
E
rkccA mcB n k0eRT cA mcB n
均相催化过程【优质】PPT文档
有机金属配合物催化
▪ 有机金属配合物是均相催化剂的主体。有机金属 化学的迅速发展，很大程度 上就是由于这些配合 物作为催化剂在某些重要的工业生产上得到了广 泛的应用， 对不稳定的、催化上活泼的有机金属 配合物 的结构和反应性能有很大影晌。随着对这 领域认识的加深，人们在尝试研制一种 对特定反 应有恰好合适结构的催化剂方面已取得可喜进展。
过渡金属络合物的一些重要性质和催化作用 (1)过渡金属d电子组态与络合物配位数的关系
▪ 缺点： 反应后一般难以分离，而且易受 3）异裂加成活化：实为取代。
配位不饱和的几种情况： 配位不饱和的几种情况： C2H4 R3P和CO等能与过渡金属形成 络合物(也称 络合物),通过 键，电子可从金属反馈给配位体，因而就有利于亲核配位体Y
外来杂质的影响，寿命较短，热稳定性较 取代X(见下图).
电子组态从d0到d10的中心金属离子或原子有较多的轨道 可用来形成化学键; 中心金属离子的配位数和价态容易改变; 中心金属离子的前沿d轨道具有合适的对称性和能级， 可通过反馈电子到反应基团的相应反健轨道，以活化其 键或键; 通过电子效应(如对位效应)、空间效应，或不参加催化 反应的配位体的对映体选择性诱导效应，提供了调节甚至 精细调节催化活性和选样性的更多可能性．
六十年代末，研制出了许多重要的高效负载型过渡金属 络合物催化剂．
从那时以来的其它重要发展趋向是：过渡金属原子簇络 合物催化剂的研究，用量子化学计算方法检验活性中心模 型和反应途径的合理性，金属酶的化学模拟、研究、设计 用于电催化和光助催化的过渡金属络合物催化剂等等．
为什么起配位络合催化作用的催化剂主要 是过渡金属络合物呢？
▪ 优点： 均一性、专一性、高效性 过渡金属化合物对基质分子如一氧化碳、烯炔烃等具有强的亲合力，易与之形成络合物而使其活化．为将这些物质引入反应，络合物
环境工程原理课件 第13章均相化学反应器
Vi c A(i 1) c Ai cA(i 1) c Ai i 2 qV rAi kcAi
c Ai
1 1 4k i c A(i 1) 2k i
第二节 全混流反应器
例题13.2.2
乙酸的水解反应，可以近似地看作一级反应，该反应在 300K时的速率方程为：-rA=2.77×10-3CAmol/(m3s)。将乙 酸浓度为600mol/m3的液体以0.050m3/min的速度送入一完
c A0 600 3 c A1 164 . 0 mol / m 1 k 1 2.77 10 3 960
c A0 c A1 600 164 x A1 72.7% c A0 600
第二节 全混流反应器
(2)0.40m3的反应器，二个串联使用时
每个槽的平均空间时间
反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。之后
再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。 2、间歇反应器的设计计算 设计计算的目的
(1)确定达到一定的反应率时需要的反应时间
(2)根据反应时间确定转化率或反应后的各组分浓度
第一节 间歇与半间歇反应器
间歇反应器设计的基本方程及设计方法
dnA rAV dt dx A n A0 rAV dt x A dx A t n A0 0 r V A
面积
（恒容反应） t
cA0
xA
面积 t
0
cA
1 rA
0
cA0
1 rA
面积
1 rA
c A0
面积
0
xA
0
cA
c A0
第二节 全混流反应器
二、多级串联反应器 （一）多级串联全混流反应器的基本方程 c0 c1 c2
环工原理
第02章质量衡算与能量衡算第二节质量衡算1、什么是稳态系统和非稳态系统?2、以物料的全部组分为衡算系统时，其衡算方程如何表述？3、以某种组分为衡算系统时，其衡算方程如何表述？4、什么是转化速率？如何确定其正负？第三节能量衡算1系统内部能量的变化与环境的关系如何？2什么是封闭系统和开放系统？3简述热量衡算方程的涵义。
4对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？热量衡算方程？5对于不对外做功的开放系统，系统能量变化率可如何表示？热量衡算方程？第03章流体流动第一节管道系统的衡算方程1用圆管道输送水，流量增加1倍，若流速不变或管径不变，则管径或流速如何变化？2当布水孔板的开孔率为30％时，流过布水孔的流速增加多少？3拓展的伯努利方程表明管路中各种机械能变化和外界能量之间的关系，试简述这种关系，并说明该方程的适用条件。
4在管流系统中，机械能的损耗转变为什么形式的能量？其宏观的表现形式是什么？5对于实际流体，流动过程中若无外功加入，则流体将向哪个方向流动？6如何确定流体输送管路系统所需要的输送机械的功率？第二节流体流动的内摩擦力1简述层流和湍流的流态特征。
2流体流动时产生阻力的根本原因是什么？3什么情况下可用牛顿黏性定律计算剪切应力？牛顿型流体有哪些？4简述温度和压力对液体和气体黏度的影响。
第四节流体流动的阻力损失1写出圆直管中阻力损失通式。
2试推导层流流动的速度分布和阻力损失公式。
（课后练习)3圆管内，层流流动的摩擦系数如何确定？4不可压缩流体在水平直管中稳态层流流动，试分析以下情况下，管内压力差如何变化：a.管径增加一倍；b.流量增加一倍；c.管长增加一倍。
5试分析圆管湍流流动的雷诺数和管道相对粗糙度对摩擦系数的影响。
第五节管路计算1管路设计中选择流速通常需要考虑哪些因素?2简单管路具有哪些特点？3分支管路具有哪些特点？4并联管路具有哪些特点？5分析管路系统中某一局部阻力变化时，其上下游流量和压力的变化。
第三章-均相理想反应器(1)PPT课件
5
•4.空间时间（空时）τ－－反应器有效体积
VR和反应流体入口条件下体积流率V0之比。
VR
V0
•5.空间速度（空速）Sv[时间－1]－－单位时 间内投入到反应器中的物料的体积流量与反
应器有效容积之比。
Sv
VO VR
标准空速
Sv
V ON VR
6
•6 空时与反应时间和平均停留时间的区别 •（1）空时与反应时间： •空时用于连续流动反应器，反映生产强 度的大小； •反应时间用于间歇反应器，反映化学反 应进行快慢的量度，并不反映反应器的生 产强度。
14
• 按物料在反应器内返混情况作为反应器 分类的依据将能更好的反映出其本质上 的差异。
• 按返混情况不同反应器被分为以下四种 类型
15
间歇反应器
• 间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称 间歇反应器）。在反应器中物料被充分 混合，但由于所有物料均为同一时间进 入的，物料之间的混合过程属于简单混 合，不存在返混。
16
平推流反应器
• 理想置换反应器（又称平推流反应器或 活塞流反应器）。在连续流动的反应器 内物料允许作径向混合（属于简单混合 ）但不存在轴向混合（即无返混）。典 型例子是物料在管内流速较快的管式反 应器。
17
全混流反应器
• 连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称 全混流反应器）。在这类反应器中物料 返混达最大值。
• 例1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己 二 醇 以 等 摩 尔 比 在 70℃ 用 间 歇 釜 并 以 H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的， 实验测得反应动力学方程为：
(rA )
kc
2 A
k 1.97 103
kmol m 3min1
反应器PPT课件
此类反应器需有投料和卸料的时间，通 常用于实验室实验或少量水处理中。
精品课件
10
物料衡算式为：
dCi dt
r(Ci )
t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：
t
ccoi
dCi r (Ci )
设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则
t
ccoi
dCi kCi
1 C0 k lnCi
精品课件
11
理想反应 器分类
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
完全混合，间歇操作，封闭系统
完全混合连续式反应器（CSTR型,continous flow stirred tank reactor） 完全混合，连续操作，不封闭系统
推流式反应器（PF型，plug flow reactor）
推流式，连续操作，不封闭系统
精品课件
9
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
• 投入反应物，均匀混合，并发生反应， 达到预期反应程度后，排出反应物
特征： 1.反应过程中为封闭系统，无物质输入输 出。 2.反应器中反应物浓度随时间是变化的， 但任一时刻t，反应器中浓度认为是均 匀的。
精品课件
12
完全混合连续式反应器（CSTR型，continous flow stirred tank reactor ）
反应物连续输入，一进入反应器即与 反应器内的物料快速混合均匀（瞬间 ）。反应器内物料连续流出，且出水 中反应物浓度与反应器内各点处反应 物浓度相同。
• 特征： • 1.连续流入，连续流出； • 2.反应器内各点反应物浓度相同，且
Cn 0.01,n 2,k 0.92 C0
釜式及均相管式反应器PPT
对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR，
则单位操作时间的产品产量PR为
PR
VRcR t t0
对反应时间求导，
dPR
VR [( t
t0
) dcR dt
cR
]
dt
( t t0 )2
并可由 dPR 0 ，得
dt
dCR CR dt t t0
3. 配料比
对反应 A B P S ，如动力学方程为 ( rA )V kcAcB 在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 m cBo / cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 cB cB0 (cA0 cA ) cA (m 1)cA0 代入动力学方程
面积为反应时间。
图3-1 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-2等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应， 反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反 应的本征速率方程代入
c Af
nAf VR
nA0 ( 1 xAf VR
❖ 桨式搅拌器 ❖ 锚式和框式搅拌器 ❖ 螺带式搅拌器
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(1) 桨式搅拌器
旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用 转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5ms-1。
(a) 平桨式
(b) 斜桨式
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
二、间歇釜式反应器的数学模型