化学反应工程第四章课件
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Chapter 4 Introduction to Reactor Design 化学反应工程 教学课件
When we can predict the response of the reacting system to changes in operating conditions (how rates and equilibrium conversion change with temperature and pressure), when we are able to compare yields for alternative designs (adiabatic versus isothermal operations, single versus multiple reactor units, flow versus batch system), and when we can estimate the economics of these various alternatives, then and only then will we feel sure that we can arrive at the design well fitted for the purpose at hand.
ofvolumeofvolume ofvolume
ofvolum e
Where the composition within the reactor is uniform (independent of position), the accounting may be made over the whole reactor.
化学反应工程
Special Case 1. Constant Density Batch and Flow Systems. This includes most liquid reactions and also those gas reactions run at constant temperature and density. Here CA and XA are related as follows:
ofvolumeofvolume ofvolume
ofvolum e
Where the composition within the reactor is uniform (independent of position), the accounting may be made over the whole reactor.
化学反应工程
Special Case 1. Constant Density Batch and Flow Systems. This includes most liquid reactions and also those gas reactions run at constant temperature and density. Here CA and XA are related as follows:
化学反应工程 课件-PPT课件
a A b B r R s S
21
化学反应计量式
• 化学反应计量式（化学反应计量方程）
a A b B r R s S
• 是一个方程式，允许按方程式的运算规 则进行运算，如将各相移至等号的同一 侧。
a A b B r R s S 0
× 1 0 2 /k m o l.m -3
• 试求反应的速率方程。
48
• 解：由于题目中给的数据均是醋酸转化 率较低时的数据，可以忽略逆反应的影 响，而丁醇又大大过量，反应过程中丁 醇浓度可视为不变。所以反应速率方程 为：
rAdd ctAkB m ccA nkcA n
49
• 将实验数据分别按0、1和2级处理并得到 t-f(cA)的关系
26
组分A的选取原则
• A必须是反应物，它在原料中的量按照化 学计量方程计算应当可以完全反应掉 （与化学平衡无关），即转化率的最大 值应当可以达到100%，如果体系中有多 于一个组份满足上述要求，通常选取重 点关注的、经济价值相对高的组分定义 转化率。
27
• 转化率与反应程度的关系，结合
xA
nA 0 nA nA0
23
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。
• 对 于 a 任A 一 化 学 b 反B 应 r R s S 0
• 定义反应程度
nI nI0 I
• 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I 的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时24 刻组分I的摩尔数。
8
• 三、按反应器型式来分类，分为 • 1． 管式反应器，一般长径比大于30 • 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 • 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之
21
化学反应计量式
• 化学反应计量式（化学反应计量方程）
a A b B r R s S
• 是一个方程式，允许按方程式的运算规 则进行运算，如将各相移至等号的同一 侧。
a A b B r R s S 0
× 1 0 2 /k m o l.m -3
• 试求反应的速率方程。
48
• 解：由于题目中给的数据均是醋酸转化 率较低时的数据，可以忽略逆反应的影 响，而丁醇又大大过量，反应过程中丁 醇浓度可视为不变。所以反应速率方程 为：
rAdd ctAkB m ccA nkcA n
49
• 将实验数据分别按0、1和2级处理并得到 t-f(cA)的关系
26
组分A的选取原则
• A必须是反应物，它在原料中的量按照化 学计量方程计算应当可以完全反应掉 （与化学平衡无关），即转化率的最大 值应当可以达到100%，如果体系中有多 于一个组份满足上述要求，通常选取重 点关注的、经济价值相对高的组分定义 转化率。
27
• 转化率与反应程度的关系，结合
xA
nA 0 nA nA0
23
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。
• 对 于 a 任A 一 化 学 b 反B 应 r R s S 0
• 定义反应程度
nI nI0 I
• 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I 的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时24 刻组分I的摩尔数。
8
• 三、按反应器型式来分类，分为 • 1． 管式反应器，一般长径比大于30 • 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 • 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之
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床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介 尺度的宏观动力学。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
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Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
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Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
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固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
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一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
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气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
化学反应工程 第四章 非理想流动
今用分散模型关联，求
数。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
解：
换算为无量纲时标，
则得下表数据。
将实验数据标绘成曲线，然后读取
等间隔时的诸E值
见下表。
化学反应工程
4.2.1 常见的几反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
③化学反应的计算 定态情况下平推流管式反应器的物料衡算式为：
流， ；对一般实际流况， 。
；对平推
所以，用
来评价分布的分散程度比较方便。
化学反应工程
4.1.4 用对比时间θ表示的概率函数
例4-1 今有某一均相反应器中测定的下列一组数据（见 ，示踪加入 下表第一栏和第二栏），实验采用
量Q=4.95g，实验完毕时测得反应器内存料量V=1785mL，求 解：
（详见教材P92）
对定态系统的非理想流动，同样可作微元段的物料衡算而得：
若用无量纲参数表示并注意到：
这样式（4-32）便变为：
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
对一级反应可得解析解：
对于二级反应，用数值法求得的结果，表示在图（4-17）
和图（4-18）中。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
（４）组合模型
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
在一个稳定的连续流动系统中，当在某一瞬间同时进 入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留 时间后依次自系统中流出。如果把函数 用曲线表示，
则图4-2（a）中所示阴影部分的面积值也就是停留时间介 于t和t＋dt之间的流体分率。
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
化学反应工程
化学反应工程第4章 反应器中的混合及对反应的影响
第四章 反应器中的混合对反应的影响 第一节 连续反应器中物料混合状态分析 一、 混合现象的分类 二、 连续反应过程的考察方法
不同的凝聚态，宜采用不同的考察方法 一、以反应器为对象的考察方法 二、以反应物料为对象的考察方法
第四章 反应器中的混合对反应的影响 第二节 停留时间分布的测定及其性质 一、停留时间分布 二、停留时间分布的实验测定 三、停留时间分布数字特征 四、理想流型反应器的停留时间分布 五、停留时间分布曲线的应用
柯尔莫哥洛夫(А.Η.Колмогоров)
Kolmogonov,1903-1987
苏联数学家。他对开创现代数 学的一系列重要分支作出了 重大贡献。柯尔莫哥洛夫建 立了在测度论基础上的概率 论公理系统，奠定了近代概 率论的基础，他也是随机过 程论的奠基人之一，1980年 由于他在调和分析、概率论、 遍历理论及动力系统方面出 色的工作获沃尔夫奖。此外 他在信息论、数理逻辑算法 论、解析集合论、湍流力学、 测度论、拓扑学等领域都有 重大贡献。
t< 0 t 吵0
Cin (t - ) =
0 C0
2.脉冲法(pulse input)
主流体V 注入
反应器VR
C(t)
C0 示踪剂
检测器
2.脉冲法
c(∞)
C0
c(t)
C(t)
C(t)
0
t=0 输入曲线
t
0
t
t 响应曲线
2.脉冲法
停留时间介于t ~ t + t的粒子分率 E (t ) = lim t ® 0 t
第五节 非理想流动反应器的计算
第四章 反应器中的混合对反应的影响
第一节 连续反应器中物料混合状态分析 第二节 停留时间分布的测定及其性质 第三节 非理想流动模型
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
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
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
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.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
化学反应工程 课件 619页PPT
34
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 把化学反应定义式和化学反应动力学方 程相结合，可以得到：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 把化学反应定义式和化学反应动力学方 程相结合，可以得到：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
工业化学反应过程.ppt
第四章 工业化学反应过程 及反应器
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
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(rA ) k k CA0 CA
k CA0 xA
(rA ) kCA
k ln C A0
CA
k ln 1
1 xA
(rA ) kCA2
k 1 1
CA CA0
k
xA
C A0 (1 xA )
相同点：其他反应均与间歇反应器相同，t与对应。 不同点：PFR无辅助时间，VR=v0；间歇： VR=v0(+t0)
恒容
p
V
V0CA0
xAf 0
dxA (rA )
p V
V0
CA0
xAf 0
dxA (rA )
p / CA0
Chemical Reaction Engineering
与间歇反应器一样：
p
CAf dCA CA0 (rA )
p
CA0
dx xAf
A
xA0 (rA )
积分关系：（恒容时，以n=0，1，2级为例）
变分子反应的计算：
积分式
VR
FA0
xAf 0
dxA (rA )
P
VR V0
VR FA0 / cA0
(rA )
k CAn
k
CAn0
( 1
1
xA Ax
A
)n
k
CAn0
( 1
1
A
xA yA0
x
A
)n
例如 n 1
VR FA0
1 k CA0
[(1
A
)
ln(1
xA
)
AxA
]
p VR
V0
CA0
xAf 0
⑶ 膨胀率与膨胀因子的关系
膨胀率法 V V0 (1 AxA )
膨胀因子法 nt nt0 AnA0 xA
V
RT p
nt
RT p
(nt 0
AnA0xA )
RT p
nt0 (1 A yA0 xA ) V0 (1 A yA0 xA )
A yA0 A
Chemical Reaction Engineering
s) (a b) a
p
(p
s) (a b) p
>0 增大 <0 减小 =0 不变
nt nt0 AnA0 xA
例1：裂解反应 C2H6 C2H4 H2
A 1 nt nt0 nA0 xA
例2. 合成氨
1 3
N2
H2
2 3
NH 3
B
2 3
nt
nt 0
2 3
nB0 xB
Chemical Reaction Engineering
典型反应器：乙烯裂解炉
反应结果唯一地 由化学反应动力 学所确定。
Chemical Reaction Engineering
二、 理想管式反应器基本方程式
dV=Sdl
CA0,v0
取微元 dV Sdl
对微元作物料衡算：
FA l=0
FA+dFA l=L
CAf,v0
dl
流入量 ＝ 流出量 ＋ 反应量 ＋ 累积量
CA0
xAf
dxA
0 (rA )(1 AxA )
当分子数变大， A 0 ，则 t 当分子数变小， A 0 ，则 t
当分子数不变， A 0 ，则 t
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
第四章 理想管式反应器（Ideal Tubular Reactor）
一、理想管式反应器特点 plug flow reactor（PFR）
⑴连续定态操作，在反应器 的各个径向截面上，物料浓 度不随时间而变化；
⑵反应速率随空间位置而变 化；
⑶反应速率随空间位置的变 化将只限于轴向。
浓度与转化率关系 V V0 (1 A yA0 xA ) V0 (1 AxA )
nA nA0 (1 xA )
CA
nA V
nA0 (1 xA )
V0 (1 A xA )
C
A0
1
1
xA AxA
或
CA
CA0
1 xA
1 A yA0xA
所以变容时 CA CA0 (1 xA )
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering 三、 空时、空速和停留时间
空时 Space-time
VR v0
反应器体积 进料体积流率
空速 Space-velocity SV 1 v0
VR
停留时间 residence -time
t
VR dVR 0v
反应器体积 反应器中物料的体积流 率
Chemical Reaction Engineering
四、 反应前后分子数变化的反应
例1 裂解反应
t 0 nA0
C2H6 C2H4 H2 A B C
nt nt0 nA0 xA
nB0 nC0 nt0 nA0 nB0 nC0
t t nA0 (1 xA ) nB0 nA0 xA nC0 nA0 xA
例：A→3P
A
31 1
2
a.纯原料，则 yA0 1 A A 2
nt nt0 (1 A yA0 xA )
nt0 (1 2xA )
b.原料中含 50%A和 50%惰性气体，则
yA0 0.5 A 0.5 2 1
nt nt0 (1 xA ) nt0 (1 xA )
Chemical Reaction Engineering
FA F A0(1 xA ) FA0dxA (rA )dV
Chemical Reaction Engineering
PFR基本方程：
FA0dxA (rA )dV
适用等温、变温、等容、变容等
积分式
V
FA0
xAf 0
dxA (rA )
FA0 v0CA0
p
CAf CA0
dCA (rA )
例2. 合成氨 对B：
1 3
N2
H2
3
NH3
A B C
t t
nA0
1 3
nB0 xB
nB0 (1 xB )
nC 0
2 3
nB0 xB
nt
nt 0
2 3
nB0
xB
Chemical Reaction Engineering ⑴膨胀因子法—每消耗1molA时，系统总mol数的变化
对A： 对P：
A
(p
⑵ 膨胀率法—假定物料体积与转化率的变化为线性关系
V V0 (1 AxA )
含义：
A
VxA 1 VxA 0 VxA 0
例：A→3P
a.纯原料，则
A
31 1
2
b.原料中含 50%A和 50%惰性气体，则
A
(3 1) (11) (1 1)
1
Chemical Reaction Engineering
dxA (rA )
t VR dVR 0V
Chemical Reaction Engineering
空时与停留时间区别
停留时间： FA0dx A (rA )dVR
P CA0
xAf 0
dxA (rA )
t VR dVR 0V
V0
V
xAf 0
FA0dxA
(rA )v0 (1 AxA )