化学反应工程课件-8
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化学反应工程(第三版)陈甘棠主编第八章气液两相反应器PPT课件
（8-14）
定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即
NA(rA )d SA n dtD LA ddA czz0
将A的浓度分布对z求导后代入上式得
式中，
N A( rA )D L LA cA 1 i b D L L D c B c B A AL i kLc A Ai
k LA
DLA L
，称为液膜传质系数。
（8-16）
1 DLBcBL bDLAcAi
，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气
液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率 kLAcAi 之比。 13
式（8-15）中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将 其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，
N AkG(A p Ap A)i( rA )kLc A A 1 ib D L L D c c B B A A L i
第八章 气液两相反应器
1
整体概况
概况一
点击此处输入 相关文本内容
01
概况二
点击此处输入 相关文本内容
02
概况三
点击此处输入 相关文本内容
03
2
8.1 概述
气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型： （1）化学吸收： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品
a.
b.
c.
（淤浆床）
A ( g b) l) B P(( r A ) k A c B c
定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，对组分
A作物料衡算：
D Ld A dAc z( rA )d z D Ld A d c zAd dAc d z z
整理得
DLAdd2cz2A kcAcB 0
化学反应工程课件-8讲解
15
习题1.1
第一章习题答案
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
➢ 循环操作的平推流反应器 ➢ 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA dxA
0 rA
xA rA
V
v0cA0
xA 0
dxA rA
V
v0cA0
xA rA
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:
k 1.391014 exp( 37700) RgT
c c α1α 2 bβ1> β2, A、B维持高 水平
α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终产品分别：
s
1 xA
• x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min·kg
17
习题1.1
第一章习题答案
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
➢ 循环操作的平推流反应器 ➢ 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA dxA
0 rA
xA rA
V
v0cA0
xA 0
dxA rA
V
v0cA0
xA rA
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:
k 1.391014 exp( 37700) RgT
c c α1α 2 bβ1> β2, A、B维持高 水平
α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终产品分别：
s
1 xA
• x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min·kg
17
化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
化学反应工程 第八章
第八章流-固相非催化反应概述流–固相非催化反应简称流–固相反应,是一类重要的化学反应,这类反应中有流体–气体或液体,有固体,可表示为:A(流体)+B(固体)→C(流体)+D(固体) 这是一个普遍式,实际反应按A、B、C、D物相组合方式具有多种类型，但其中的固体不是催化剂，而是反应物或者产物。
本章主要内容如下：1．流–固相反应的分类及特点；2．收缩未反应芯模型及总体速率；3．流–固相反应器及计算。
第一节流–固相非催化反应的分类及特点8-1 流–固相非催化反应的分类流–固相反应可以分为气-固相反应和液–固相反应两大类。
一、气–固相非催化反应气–固相反应可以分成五类。
1．A（固）→B（固）+C（气）固体分解反应，是工业上制备金属氧化物的主要反应。
CaCO3（S）= CaO（S）+CO2（g）2NaHCO3（S）= Na2CO3（S）+H2O（g）+CO2（g）2．A（固）+B（气）→C（固）金属的氧化、低价氧化物的氧化以及特殊固相产品的制备。
4Fe（S）+O2（g）= 2Fe2O3（S）CaC2（S）+N2（g）= CaCN2（S）+ C（S）电石石灰氮3．A（固）+B（气）→C（气）固体气化反应，在化工生产中广泛应用，例如煤的燃烧和气化反应。
C（S）+ O2（g）= CO2（g）C（S）+ H2O（g）= CO（g）+ H2（g）2C（S）+ O2（g）= 2CO（g）4．A（固）+B（气）→C（固）+D（气）这类反应在气–固相反应中最为普遍，广泛的涉及各个工业领域。
在冶金工业中，金属硫化物有矿石的氧化焙烧反应：4FeS2（S）+11O2（g）=2Fe2O3（S）+8SO2（g）2ZnS（S）+3O2（g）=2ZnO（S）+2SO2（g）氧化锌脱硫反应：ZnO（S）+H2S（g）=ZnS（S）+H2O（g）5．A（气）+B（气）=C（固）+D（气）这类反应是制备超细材料的一种重要方法，例如：TiCl4（g）+O2（g）= TiO2（S）+2Cl2（g）TiCl4（g）+CH4（g）= TiC（S）+4HCl（g）TiC为高温陶瓷粉末。
化学反应工程英文课件Chapter 8
化学反应工程
Chapter 8 Potpourri of Multiple Reactions
Chapter 7 considered reactions in parallel. These
are reactions where the product does not react further. This chapter considers all sorts of reactions where the product formed may react further. Here are some examples:
化学反应工程
In the al‟ternative (二中择一的) way (shown in Fig. 8.2) of treating A, a small fraction of the beaker‟s contents is continuously removed, ir„radiated, and returned to the beaker. Although the total absorption rate is the same in the two cases, the intensity of radiation received by the removed fluid is greater, and it could well be, if the flow rate is not too high, that the fluid being irradiated reacts e‟ssentially to completion. In this case, then, A is removed and S is returned to the beaker. So, as time passes the concentration of A slowly decreases in the beaker, S rises, while R is absent (缺 席的). This progressive change is shown in Fig.8.2.
Chapter 8 Potpourri of Multiple Reactions
Chapter 7 considered reactions in parallel. These
are reactions where the product does not react further. This chapter considers all sorts of reactions where the product formed may react further. Here are some examples:
化学反应工程
In the al‟ternative (二中择一的) way (shown in Fig. 8.2) of treating A, a small fraction of the beaker‟s contents is continuously removed, ir„radiated, and returned to the beaker. Although the total absorption rate is the same in the two cases, the intensity of radiation received by the removed fluid is greater, and it could well be, if the flow rate is not too high, that the fluid being irradiated reacts e‟ssentially to completion. In this case, then, A is removed and S is returned to the beaker. So, as time passes the concentration of A slowly decreases in the beaker, S rises, while R is absent (缺 席的). This progressive change is shown in Fig.8.2.
《化学反应工程》课件
《化学反应工程》PPT课 件
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
在这个章节中，我们将简要介绍《化学反应工程》课程的目标和内容。
化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
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化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
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37700 37700 4.18 ) 1.39 1014 exp( ) 0.00126 RgT RT
rA kC A 0.0063( mol /( m 3 s )) rp 0.5kC A 0.00314(mol /(m3 s))
• 知识点: 反应速率: • Arrhenius law:
22
习题课
习题2.4
工业上以氮氧化物生产硝酸,氮氧化物由氨和空气 气相氧化得到 4NH3+5O2→4NO+6H2O 如果进气中含氨15%,进气状态为8.2atm,227℃.试求: (1)进气总浓度和氨浓度; (2)恒压间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci, 和体积V的函数; (3)恒容间歇反应器中,分别写出反应转化率对pi,Ci, 和总压P的函数;
21
习题课
什么是基元反应？
反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应.
通常对基元反应而言,可以说:单分子反应、双分子 反应、三分子反应 Guldberg and Waage[J. Prckt. Chem. 19, 71(1879)]指 出：化学反应的速率与反应物的有效质量成正比 只有基元反应在反应物浓度不太大的情况下才符 合质量作用定律 不正确。
• K0=1641236.4 (1/h)
知识点:活化能、指前因子、Arrhenius方程
α1 , α2 均大于 0，D和U相对选择系数 s DU sDU
α1> α2 浓度增加, sDU增大，平推流或间歇反应器 α1< α2 全混流反应器
6
流动模型与反应选择性
根据瞬时选择性定义， rD 1 s α2 α1 rA 1 (kU / k D )c A
两组分参与的平行反应 ：
k1 A B D (目的产物） k2 A B U (副产物） 速率方程为： α1 β1 rD k1c A cB α2 β2 rU k 2 c A cB
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终 产品分别： 1 s xA
xA
s DU 1 sdxA dxA x A 0 1 sDU 0
xA
平行反应中，若反应中的浓度级数不同，可通过控
制反应的浓度来改变反应物的分布。
反应物浓度高有利于级数高的反应，浓度低有利于级
数低的低的反应
9
习题课
习题2.5
NO和O2氧化为NO2的反应是一个三级反 应,2NO+O2=2NO2,在30℃及1kg/cm2下测得其反应速率 常数为kc=2.65×104 L2/(mol2· s).如果将速率方程表示 为分压的函数:rA=kppNO2pO2,请问反应速率常数的kp值和 单位是什么?
26
习题课
• 恒容反应: P=P0(1+0.0375x) • 恒压反应: P=P0 V V0 (1 0.0375 x) • 膨胀率:当反应物A全部反应后,系统体积的变化率:
VxA1 VxA0 A VxA0
nt 0 A A nA 0
• 以膨胀率表征变容程度时,不但要考虑反应的计量关系,还 要考虑系统内是否含有惰性气体,而以膨胀因子表达时,与 惰性物料是否存在无关 . 25
C NO
PNO RT
CO 2
PO2 RT
rA kcCNO 2CO 2
2 P kc NO PO2 2 kc P P 3 NO O2 RT RT RT
• 反应速率常数的kp值:
kP
RT
kc
3
1.66 10
12
mol 3 3 m s Pa
15
第一章习题答案 习题1.1
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物 为葡萄糖,其反应方程式为: C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空 气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上 升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代 谢所消耗的空气的速率。
16
答案
• C6H12O6+6O2+inert=6CO2+6H2O+inert • mol 20.96 79 0.04 0 79 t=0
• mol
20.96(1-x) 79 0.04+20.96x 20.96x 79 t=t
• 则反应后总摩尔数为y,则有 • 20.96 (1-x)/y=16.1% • (0.04+20.96x)/y=4.1% • x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min· kg
24
习题课
nt=n0+δAnA0x
nA0 (1 x) nA0 (1 x) 0.15(1 x) p A Py A p P P nt n0 A nA0 x 1 0.0375 x
CA
n (1 x) p n (1 x) P pA P 0.15(1 x) y A A0 A0 C RT RT nt RT n0 A n A0 x RT 1 0.0375 x
17
答案
• 如果该题目改为:人对反应的水份不产生影响.且 不给出CO2的出口浓度,则:
20.96(1 x) 100% 16.1% 20.96(1 x) 79 0.04 20.96 x 20.96 x
• 重要知识点:
关键组分的转化率
xA
n A,0 n A n A,0
• 知识点:化学反应速率常数
27
习题课
习题2.6
有一反应,已知下列速率常数:
58.1 0.117 77.9 0.296
温度/℃ k/(1/h)
• 求该反应的活化能和指前因子
28
习题课
k2 ln k1 E 45321.5( J / mol ) 1 1 RT1 RT2
循环操作的平推流反应器 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差 化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA
0
dxA rA
xA rA
V v0c A0
xA
0
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
dxA rA
V v0c A0
23
习题课
进气总浓度:
P C 197.26(mol / m 3 ) RT
• 氨浓度: CA=15%C=29.59 (mol/m3)
• 4NH3 + 5O2 + inert → 4NO + 6H2O + inert • nA0 nB0 ni0 nP0 nS0 ni0 t=0 • nA nB ni0 nP nS ni0 t=t • nA=nA0(1-x) nB=nB0-(b/a)nA0x • nP=nP0+(p/a)nA0x ns=ns0+(s/a)nA0x • 膨胀因子: 当每消耗(或生成) ( p s ) ( a b) 1mol反应物A(或产物P)时,整 A a 个物系总摩尔数的变化值.
7
流动模型与反应选择性
sDU rD k D α1α 2 b1b 2 cA cB rU kU
若α1> α2，β1> β2, A、B维持高 水平 α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
19
答案
C2 H 5ONO NO 0.5CH 3CHO 0.5C2 H 5OH • t (1-x) x 0.5x 0.5x
• 反应总压力: P=1+x=1.8 (at)
(1 x) PA P 0.2(at ) 1 x
k 1.39 1014 exp(
PA CA 4.98(mol / m3 ) RT
k1τc A0 cB (1 k1τ )(1 k 2 τ ) 最大需要的反应停留时 间 τ opt ，直接令 dcB / dτ 0, τ opt (k1k 2 ) 1/ 2
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流动模型与反应选择性
反应速率常数的相对大小对反应的选择性起决定性的作用。 同样转化率下，平推流反应器对于目标产物的选择性高。 k1/k2较大时，反应转化率可适当高些；k1/k2较小时，尽 量降低反应器内的反应转化率
流动模型与反应选择性
串联反应 (重点）
A B(目的产物） C
k1 k2
反应时间对串联反应选 择性有重要影响，返混 影响选择性
平推流反应器
dFA = rA dV dFB = rB dV dFC = rc dV 过程恒容， Fi = v0 ci , dV = v0 dτ - dcA / dτ = k1c A dcB / dτ = k1c A - k 2 cB dcc / dτ = k 2 cB
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流动模型与反应选择性
反应物 A的浓度变化： c A c A0 exp(k1τ ) 产物 B的生成浓度为一阶微分 方程： dcB / dτ k 2 cB c A0 exp(k1τ ) 初始条件： τ 0，c B 0 k1 cB c A 0 (e k1τ e k2 τ ) k 2 k1 目的产物的出口浓度最 大需要的反应时间 τ opt ，直接令 dcB / dτ 0, τ opt cB ,opt