化学反应工程课件-第五章-1
合集下载
化学反应工程课件
解:甲苯和氢气的摩尔比1:1,原料处理量为 甲苯和氢气的摩尔比1 2kmol/h FT0 = FH0 = 1kmol/h = 2.78 × 10 -4 kmol / s 故 0.5 1.5 反应任一时刻有 r = 1.5C T C H = 1.5C T
C T = C H = C T0 1 X) (
=0, 当xA0=0,T0为进口温度
T T0 = ∧x )
式3-27关联了绝热反应条件下,每一瞬间的反应 27关联了绝热反应条件下, 关联了绝热反应条件下 温度T与转化率x 之间的关系. 温度T与转化率xA之间的关系.
例:在直径为0.6m,长16m的管式反应器内,以溴化 在直径为0.6m, 16m的管式反应器内, 0.6m 的管式反应器内 四乙胺为催化剂,由环氧丙烷(PO) CO2合成碳酸 四乙胺为催化剂,由环氧丙烷(PO)和CO2合成碳酸 丙烯酯(PC).新鲜的环氧丙烷(PO),CO2进入 ).新鲜的环氧丙烷 ),CO2 丙烯酯(PC).新鲜的环氧丙烷(PO),CO2进入 管式反应器,碳酸丙烯酯(PC)则部分循环, 管式反应器,碳酸丙烯酯(PC)则部分循环,反应压 7MPa,进口温度411K CO2全部溶于PC-PO混合物 411K. 全部溶于PC 混合物, 力7MPa,进口温度411K.CO2全部溶于PC-PO混合物, 过程为均相平推流绝热反应 过程为均相平推流绝热反应
∑ Fi c p i dT K(T - Ta )dF rA ( r H)dVR = 0
1)等温过程 热量衡算方程简化为
K (T Ta )dF = ( r H )rA (dVR )
(3 18)
K (T Ta )dF = ( r H )rA (dVR )
(3 18)
V0C A0 dxA = rA dVR
《化学反应工程》PPT课件
编辑ppt
16
CR1[k10exp(R E T 1)C A k02k01e 0x ep x(p ( R E R T 2 E T 1 ) )k30exp(R E T 3)]
对上式求导并令其为零：
d d C T R 0 E 1 k 1 [ 1 ( k 1 k 2 k 3 )] k 1 ( k 1 E 1 k 2 E 2 k 3 E 3 ) 0
编辑ppt
14
解答： 图1
图2
（1）可逆反应
可逆反应
（2）放热反应
吸热反应
(3)M点速率最大，A点速率最小 M点速率最大，A点速率最小
(4)O点速率最大，B点速率最小 H点速率最大，B点速率最小
编辑ppt
15
【例题】在一定空时(空时=体积/流量)的全混釜中进行如 下反应，求R产量最大时的反应温度(注意和活化能联系起来)。
编辑ppt
11
【例题】在液体中，反应物A按下式生成R和S：
k1 R 一级反应 A k2 S 二级反应
原料（CA0=1、CR0=CS0=0）进入两个串联的全混流釜式反应器中 （τ1=2.5min，τ2=5min ），已知第一个反应器中的组成 （CA1=0.4,CR1=0.4,CS1=0.2）试求第二个反应器出口的组成。
编辑ppt
9
解：对于该气相均相反应A→R+S：
A21 11 , yA01
首先求解pA~xA的关系： 由 p v FR , p T A v F A R 可得T 到：
p A F A F A 0 (1 x A ) y A 0 (1 x A ) 1 x A
p FF 0 (1 y A 0A x A ) 1 y A 0A x A 1 x A
CCAR00==01.0 CS0=0
第五章 停留时间分布及反应器的流动模型
非理想流动模型和非理想反应器的计算
1. 离析流模型（停留时间分布模型） 离析流模型（
离析流模型的特点 特点 每个流体微团之间不发生任何形式的物质交换，互不干扰。 每个流体微团相当于一个小间歇反应器，其反应时间等于该 流体微团在反应器内的停留时间，其反应程度取决于该微团 在反应器内的停留时间。 反应器出口的总的转化率等于各流体微团对转化率的贡献。
层流反应器
E (θ ) = 0,θ < 0.5
E (θ ) = 1 2θ
2
,θ ≥ 0.5
14
非理想流动模型和非理想反应器的计算
不是所有的反应器都是理想状态， 不是所有的反应器都是理想状态，需要建立非理想流动模型 1 建模的要求： 建模的要求： 等效性（ 等效性（能够正确反映模拟 对象的物理实质）； 对象的物理实质）； 合理简化便于数学处理（ 合理简化便于数学处理（模 型参数不应超过两个） 型参数不应超过两个） 3 建模的依据： 建模的依据： 反应器内停留时间分布 2 常用技巧： 常用技巧： 对理想模型进行修正， 对理想模型进行修正， 或将理想流动模型与滞 流区、 流区、短路和沟流等作 不同组合 4 常用的非理想流动模型： 常用的非理想流动模型： 离析流模型 多釜串联模型 15 轴向扩散模型
3
进口
系统
出口
停留时间分布
2.停留时间分布的定量描述 停留时间分布的定量描述
E(t) = 0 t <0 E(t)≥ 0 t≥0
归
∞
一 化 条 件
∫ E (t )dt = 1
0
停留时间分布密度函数E 停留时间分布密度函数 (t)
4
停留时间分布
2.停留时间分布的定量描述 停留时间分布的定量描述
化学反应工程课件
3、简化模型的要求：
（1）不失真； （2）能满足应用的要求；
（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值； （4）能适应现有计算机的能力；
4 、基础数学模型
1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速
率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的 研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于 表达三者的数学关系，而直接加以应用。
（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产 品质量好。 设计最佳化——反应器体积最小，投资少。 操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。
（4）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大； 新产品研发：小试——中试——扩大试验；
反应过程开发放大方法
• 逐级经验放大法
• 相似放大法
1 、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
• 化学工程学科体系的基本内容：
化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动 量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了 以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工 热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）
过程工程
• 过程工程（process engineering)的概念是对“化学工程” 概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域 渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学 加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业” （process industry），包括石油炼制、化学工业、能源 工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物 技术、医药、食品、造纸等工业部门。
2 、化学反应器
在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物 料的化学性质。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化 工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器 中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设 备。
化学反应工程
化学反应工程的范畴和任务
• 学反应工程学是一门研究化学反应的工程 问题的科学。既以化学反应作为 对象，就 必然要事握这些化学反应的特性；它又以 工程问题为其对象，-那就必须熟悉装置的 特性，并把这两者结合起来形成学科体系。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应工程 反应动力学 化学工艺 催化剂 工程控制 传递过程
• ②中型实验
数学模型验证
大设备的设计
• ③数学模型的应用
• 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、 Nu、Pe、Sc等)
•
综上所述，可见目前化学反应工程处理 问题的方法是实验研究和理论分析并举。 在解决新过程的开发问题时，可先建立 动力学和传递过程模型，然后再综合成 整个过程的初步的数学模型，根据数学 模型所作的估计来制定试验，特别是中 间试验方案，然后用试验结果来修正和 验证模型。
二级反应的速率方程式
如果有两反应物，而且初始浓度相等，并在反应过程 消耗的物质的量也相等． rA=kcA２或rA=kcA,0２(1-xA)２
1 dnA rA V dt
kcA２＝
dc A rA dt
dc A dt
双分子二级反应
分离变量： Kdt= －dcA/cA２ 初始条件t=0, cB,0=cA,0,进行积分
反应过程和传递过程
实验只能测得NH3的主体浓度c0,当NH3浓度很小时: r0=k0c0 r=k0c0=kscs, k0c0=ks c0/ (ks/kga+1) k0=ks / (ks/kga+1) k0=1 / (1/kga+1/ks ) …………….……..p17:7-50式 此式表明实验测得的表面反应速率常数k0是化学反应 过程1/ks和扩散过程1/kga共同作用的结果.
化学反应工程陈甘棠第五章第二节
二、催化剂颗粒中的扩散
1、孔扩散
1）催化剂中气体扩散的形式
分子扩散 λ/2ra≤10-2，分子间的碰撞
扩散
努森扩散 λ/2ra≥ 10-2，分子与孔壁的碰撞 构型扩散 孔半径(0.5-1.0nm)的微孔
表面扩散 内表面上分子向表面浓度降低的方向移动
2024年10月20日星期日
2)分子扩散
对于反向的一维扩散，根据费克定律：
散模数φL
L L
kV
c
m1 S
De
式中：
颗粒体积 L 颗粒的扩散表面积
=
2024年10月20日星期日
片状，δ为催化剂厚度
2
R 圆柱状，R为圆柱的半径 2
R 球形颗粒 3
2 L
代表了表面反应速率与内扩散速率之比
对片、柱、球状催化剂等温物料衡算
1 ln
d dl
l n
dc rc
dl De
边界条件为：r 0 dc 0
dr
r R c cS
2024年10月20日星期日
定义： 无因次内扩散模数φs（希尔模数）
S R
kV cSm1 De
——表征内扩散影响的重要参数
物理意义：
S2
kV cSm1R2 De
kV
cSm
R
2
4 3
R
De
cS
4 3
R
2024年10月20日星期日
3
输入
De
dc dr
4r
2
r r
输出
De
dc dr
4r
2
r
反应掉的量 rA 4r 2 r
kV C m 4r 2r
输入 - 输出-反应掉的量 0
1、孔扩散
1）催化剂中气体扩散的形式
分子扩散 λ/2ra≤10-2，分子间的碰撞
扩散
努森扩散 λ/2ra≥ 10-2，分子与孔壁的碰撞 构型扩散 孔半径(0.5-1.0nm)的微孔
表面扩散 内表面上分子向表面浓度降低的方向移动
2024年10月20日星期日
2)分子扩散
对于反向的一维扩散，根据费克定律：
散模数φL
L L
kV
c
m1 S
De
式中：
颗粒体积 L 颗粒的扩散表面积
=
2024年10月20日星期日
片状，δ为催化剂厚度
2
R 圆柱状，R为圆柱的半径 2
R 球形颗粒 3
2 L
代表了表面反应速率与内扩散速率之比
对片、柱、球状催化剂等温物料衡算
1 ln
d dl
l n
dc rc
dl De
边界条件为：r 0 dc 0
dr
r R c cS
2024年10月20日星期日
定义： 无因次内扩散模数φs（希尔模数）
S R
kV cSm1 De
——表征内扩散影响的重要参数
物理意义：
S2
kV cSm1R2 De
kV
cSm
R
2
4 3
R
De
cS
4 3
R
2024年10月20日星期日
3
输入
De
dc dr
4r
2
r r
输出
De
dc dr
4r
2
r
反应掉的量 rA 4r 2 r
kV C m 4r 2r
输入 - 输出-反应掉的量 0
化学反应工程
5停留时间分布和反应器的流动模型
5.8流动反应器中流体的混合
混合尺度：存在着两种极端的混合状态，一种是不存在微观混合，即完全离析，这种流体成为宏观流体；另一种是不存在离析，即完全微观混合，相应的流体叫做微观流体。
介乎两者之间则称为部分离析或部分微观混合，即两者并存。
微观混合:
宏观混合:
及
时，；
时，；
时，；
时，。
完全宏观混合=完全离析
完全宏观混合的流体=离析流=宏观流体
完全微观混合的流体=均相流=微观流体
流体混合对反应速率的影响：
图5.25活塞流反应器和全混流反应器的串联
活塞流系统与全混流系统串联时的停留时间分布
例5.9如图5.25所示的两个串联反应器系统中，在相同的温度及空时下进行同样的发应。
若相串联的全混流反应器和活塞流反应器的空时均等于1min，进口流体中CA0=1kmol/m3,试分别计算这两种串联情况所达到的转化率。
假设所进行的反应为（1）一级反应；（2）二级反应，反应温度下两者的反应速率常数分别为1（min-1）及1×10-3m3/(mol.min)。
解（1）一级反应
晚混合
活塞流反应器的计算式为
（A）
将有关数据代入得图5.25（A）情况下活塞流反应器出口流体中A的浓度为
（B）
早混合
(2)二级反应
晚混合
早混合。
化学反应工程课件
反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪
论
50 年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对
反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化 学反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着 "三 传"现象，必须将化学反应与 "三传"同时结合起来加以考 虑和分析。 另外，又提出了一些重要的基本概念。如"返混"，"反应 器稳定性"，"微观混合 "，"伴有化学反应的传质 "等。推
建立化学反应过程的动力学模型和传质模型；
选择反应器型式以满足不同类型的反应特点和传
质要求；
计算反应器大小，以满足一定的产量和转化率的
要求； 确定反应器的最佳操作条件，提高反应过程的经 济效益； 研究反应器的动态特点，保证操作稳定和开、停
车的顺利。
1.3 化学反应过程的分类
第一章 绪
论
1.3.1 按操作方式分类
Chapter4 Non-Ideal Flow Chapter5 Reaction Catalyzed by Solids
Chapter6 The Packed Bed Catalytic Reactor Chapter7 Fluid-Fluid Reactors
The object of the course
70年代中期，《反应工程》向深度和广度发展，出现了关于 g-l、g-l-s反应器、生化反应工程等方面的专著。 1979 年，我国派代表参加了国际化学反应工程会议（以张 有衡为团长）。 80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。随 着高技术的发展与应用，如微电子器件的加工、光导纤维的 生产、新材料与生物技术等，向我们提出了新的研究课题。
《化学反应工程》课件-第五章-4
CSTR
5.6.3 轴向扩散模型
1 Pe
2 2
初始条件 边界条件
0, 1, 0 1
0
,0
1
Pe
0
1
0
5.6.3 轴向扩散模型
F ( ) 1 ePe / 2
8wn
n 1
sin
wn
exp Pe2
(Pe2 4wn 4Pe 4wn2
)
/(4Pe)
• 5.8 流动反应器中流体的混合
混合早晚的影响小结
反应类型
反应
一级反应 非一级反应
混合早晚的影响 无 有
通常微观混合混合程度对转化率的影响不大， 对慢反应可以不于考虑，对快反应则必须考虑。
5.8 流动反应器中流体的混合
反应动力学
反应器设计中 须考虑
反应器的流动模型
RTD
反应物的混合尺度+混合早晚
5.8 流动反应器中流体的混合
3) 混合早晚对化学反应的影响
cA0
PFR
c A1
cA2
CSTR
cA0
c
' A1
CSTR
PFR
c
' A2
5.8 流动反应器中流体的混合
混合早晚
E(t)
tp
0.5t
t
t
0, (t p )
E(t)
1
s
t p
e s
, (t
p
)
?
CA2 C'A2
见例题5.10
rA
kC
A
(CA1 CA2 ) / 2
cA1
cA2
微观流体Biblioteka 宏观流体r' A
5.6.3 轴向扩散模型
1 Pe
2 2
初始条件 边界条件
0, 1, 0 1
0
,0
1
Pe
0
1
0
5.6.3 轴向扩散模型
F ( ) 1 ePe / 2
8wn
n 1
sin
wn
exp Pe2
(Pe2 4wn 4Pe 4wn2
)
/(4Pe)
• 5.8 流动反应器中流体的混合
混合早晚的影响小结
反应类型
反应
一级反应 非一级反应
混合早晚的影响 无 有
通常微观混合混合程度对转化率的影响不大， 对慢反应可以不于考虑，对快反应则必须考虑。
5.8 流动反应器中流体的混合
反应动力学
反应器设计中 须考虑
反应器的流动模型
RTD
反应物的混合尺度+混合早晚
5.8 流动反应器中流体的混合
3) 混合早晚对化学反应的影响
cA0
PFR
c A1
cA2
CSTR
cA0
c
' A1
CSTR
PFR
c
' A2
5.8 流动反应器中流体的混合
混合早晚
E(t)
tp
0.5t
t
t
0, (t p )
E(t)
1
s
t p
e s
, (t
p
)
?
CA2 C'A2
见例题5.10
rA
kC
A
(CA1 CA2 ) / 2
cA1
cA2
微观流体Biblioteka 宏观流体r' A
第五章 连续流动釜式反应器
由式
C Ai 1 C Ai 1 1 k i
i 1 i2
C A1 1 C A0 1 k 1 C A2 1 C A1 1 k 2
....... C Am 1 1 i m 1 C Am 2 1 k m 1 im C Am 1 C Am 1 1 k m
2016/10/9
1） VRp～VR 2） VRp～VRM 作
1 ~ xA rA
X Af
VRp = VR
1 rAf
C
xAf (rA ) f
B
dxA rA
曲线AB
VRp V0C A0 VRM V0C A0
0
dxA V0C A0 [OABD] rA xAf V0C A0 [OCBD]
rA
A2
A1
rA=kf(C
A)
-1/1
A3 -1/2
O
-1/3
CAm CA3 CA2 CA1 30
CA0 CA
化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering
2016/10/9
多级全混流反应器的串联优化
在设计反应器时，物料处理量VO、进料组成及最终转
2016/10/9
第五章 连续流动釜式反应器
上海工程技术大学 化学化工学院 化学工程与工艺系
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
1
2016/10/9
5.1 CSTR中的均相反应 5.2 返混原因及限制返混措施
2
化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering
化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering