反应工程总复习

化学反应工程ChemicalReactionEngineering周继亮[e-mail]本章内容:1.1化学反应工程1.2化学反应器的类型1.3化学反应器的操作方式1.4反应器设计的基本方程1.5工业反应器的放大1.6化学反应的转化率、收率和选择性第一章绪论1.1化学反应工程1.1.1典型化工过程化学反应工程是研究化学反应过程中的工程问题的一门学科。反应动力学反应模式速率方程活化能反应器设计与分析各因素(T，P，c)的变化规律最佳工况反应器的型式、尺寸与操作方式1.1.2化学反应工程研究内容1.2化学反应器的类型釜式反应器特点：其高度与直径相等或稍高，约为直径的2~3倍，内设搅拌装置和档板。均相、多相反应过程均可使用。管式反应器特点：长度远大于管径，内部没有任何构件。多用于均相反应。1.3化学反应器的操作方式间歇操作：一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度或组成等)随时间变化。间歇反应过程为一非定态过程，适用于反应慢的化学反应，以及产量小的化学品生产过程。连续操作：原料连续地输入反应器，产物不断引出，反应器内任何部位的物系参数均不随时间变化，但随反应器内的位置而变。它属于定态过程，具有产品质量稳定，劳动生产率高等优点。半连续操作原料与产物中的一种为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作。其兼有连续操作和间歇操作的某些特点，半连续反应器的物系组成既随时间而变，也随反应器内的位置而变。选择合适的反应器型式确定最佳的操作条件根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸1.4反应器设计的基本方程式1.4.1反应器设计的基本内容:物料衡算式--连续性方程(关键组分i的输入速率)=(i的输出速率)+(i的转化速率)+(i的累积速率)能量衡算式输入的热量=输出的热量+反应热+累积的热量动量衡算式输入的动量=输出的动量+消耗的动量+累积的动量输入=输出+消耗+累积1.4.2反应器设计的基本方程如何确定变量物料衡算中，用关键组分的浓度作为因变量，也可以用转化率X或产率Ｙ以及分压等；能量或动量衡算，分别用温度T或压力Ｐ作为因变量。自变量有时间和空间自变量两类，非定态过程这两种自变量均需考虑;而定态过程,由于因变量不随时间变化，只需考虑空间自变量,通常以反应器的轴向距离为空间自变量。控制体的选择(根据具体情况而定)控制体是指建立衡算式的空间范围;原则上，以能把反应速率视作定值的最大空间范围作为控制体积。1.6化学反应的转化率、收率和选择性MjjijiiiiivnnvnnvnnvvvnnnnnnvnnvnnRRRBBBAAARBARRBBAA100::)(:)(:)(::000000对多个反应普遍化即RvBvAvRBA反应进度1.6.1反应物的化学计量系数取负值，而反应产物取正值。1.6.2转化率X-指某一反应物转化的百分率或分率。000iiiiinvnnnX该反应物的起始量某一反应物的转化量如果反应物不只一种，针对不同反应物计算出来的X可能不一样关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言）针对关键组分计算，可使X最大到100%单程转化率和全程转化率的区别适用于有循环物料的反应系统。单程转化率：新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率，计算时以反应器进口物料（新鲜原料和循环物料之和）为基准。全程转化率：新鲜原料进入反应系统到离开系统止所达到的转化率。计算时以新鲜原料为基准。反应器新鲜气分离器产物循环气PQMNRvBvAvRBA如反应的量新鲜气中组分的转化量组分间计算全程转化率的量新鲜气和循环气中组分的转化量组分间计算单程转化率AAXMQAAXNPAA)()(1.6.3收率Y与选择性S00ARRRAnnnvvY关键组分的起始量关键组分量生成反应产物所消耗的选择性S是指在复合反应中，生成目的产物所消耗的关键组分量与已转化的关键组分量的比值。XSYS已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的对于单一反应Y=X（关键组分），S=1对于复杂反应Y≠X，S＜1，有X＞Y收率也有单程收率和全程收率之分（循环物料系统）注意2.4复合反应2.4.2平行反应AQAaAPckrQAvckrpA21,,浓度一定时,温度对瞬时选择性的影响,与主副反应活化能有关。aAAcvRTEEAAS)exp(112112aAAcvkkS1211E主=E副,S与温度无关E主＞E副,随T增加,S增加E主＜E副,随T增加,S减小2.4复合反应2.4.3连串反应连串反应:一个反应的产物同时又是其它反应的反应物。QPAkk21特点:(1)中间产物P存在最大浓度(2)无论目的产物是P还是Q,提高A的转化率总有利(3)若Q为目的产物,加速两个反应都有利,若P为目的产物,则要抑制第二个反应.能够深入理解与应用Mjjijirv1注意,S总为正数.MjjAjMjjPjPAAPPArvrvS112.5反应速率方程的变换和积分2.5.1单一反应PvBvAvpBABaAAckcr)1(0AAAXnnAAABBBXnvvnn00)1()1(00AAAAAXcVXnc)0000AAABBAAABBBXcvvcVXnvvnc)()1(000AAABBaAaAAXcvvcXkcrdtdXcdtdXVndtXdnVrAAAAAAA000)1(1)()1(0000AAABBaAaAAAXcvvcXkcdtdXc恒容过程AXAAABBaAtaAdXXcvvcXdtkcA000010)()1(1通过分离变量、积分等步骤，得到恒容下此单一反应的速率方程的积分形式2.5反应速率方程的变换和积分2.5.1单一反应PvBvAvpBABaAAckcr变容过程0AnAAAXnn000BnAAABBXnvvn00AAAPXnvv0000BAtnnnAAAttXnnn00反应前转化率为XA时0组分ABP总计AiAvv膨胀因子膨胀因子是指转化1molA时,反应混合物总摩尔数的变化.其值有可能取正数、负数及0。PvBvAvpBABaAAckcr单一反应变容过程00000tAAAtttnXnnnnVV)1(00AAAXyVVAAAAAAAAAAAXyXcXyVXnc000001)1()1()1(AAAAAABBAAAAAABBBXyXcvvcXyVXnvvnc00000001)1(aAAAAAABBaAaAAXyXcvvcXckr)1()()1(0000dtdXXycdtXnndXyVrAAAAAAAAAAAA0000001)()1(1aAAAAAABBaAaAAAAAAXyXcvvcXckdtdXXyc)1()()1(1000000AAAAAAiiiXyXcvvcc0001AAAAAAiiiXyXyvvyy0001AAAAAAiiiXyXpvvpp0001对上式通过整理分离变量、积分等步骤，可得到变容下单一反应的速率方程的积分形式。单一反应的物系组成表示方法复合反应设气相反应系统中含有N个反应组分,它们之间进行M个化学反应:NiiijMjAv1,2,1,0Mjjijiivnn10组分i的总反应量为:NiMjjijNiiivnn1110整个系统的总摩尔数变化:NiMjjijttvnn110即有mjjijiivnn10一定压力及温度下,)11()(11000110000NiMjjijttNiMjjijtttvnVnvnVnnVVmjjijiivnn10)11(110010NiMjjijtMjjijiiivnVvnVnc)(1100MjjijiivnVc恒容下,第三章釜式反应器3.1釜式反应器的物料衡算通式假设:反应器内物料温度均一,反应器内浓度均一.取整个反应体积作控制体积.在整个dt时间内对整个反应器作关键组分i的物料衡算.iriiidndtVdtQcdtcQ00Mjjijirv1dtdnVQccQiriii00釜式反应器的分类按操作方式:间歇、连续、半间歇间歇操作：(batchreactor,BR)连续操作：(continuousstirredtankreactor,CSTR)3.2等温间歇釜式反应器(batchreactor,BR)的计算)(00ttQVr1、反应体积其中的Q0为单位时间内处理的反应物料体积；而t为反应时间，t0为辅助时间，两者之和为操作时间。2、反应器体积fVVr其中的f为装填系数，由经验确定，一般为0.4~0.85。3、反应时间的计算间歇操作，Q0=Q=0，则物料衡算通式变为：0dtdnViriRBA对反应有00dtdXnVAArAAfXArAAVdXnt00)(AfXAAAdXct00恒容反应有对于单一反应有AfAfXaAAaAXAAAXdXkcrdXct01000)1(1一级反应，:非一级反应:AfXkt11ln1101)1(1)1(aAaAfkcaXtt与cA0无关t与cA0有关对于反应AR,其间歇反应的最优化反应时间由下式决定.0ttcdtdcRR对复合反应中的平行反应AQAPckrQAckrpA21,,对各组分作物料衡算(恒容条件)下,有000)(2121dtdcckdtdcckdtdcckkQAPAAA系统中只进行两个独立反应,因此,此三式中仅两式是独立的.]})(exp[1{]})(exp[1{])(exp[212102212101210tkkkkckctkkkkckctkkccAQAPAA21kkccQP任意时刻两个反应产物浓度之比等于反应速率之比AAcckkt021ln1将上述结果推广到M个一级反应的平行反应系统,有)]exp(1[)exp(11010MiiMiiAiiMiiAAktkckcktcc反应物A的浓度为反应产物的浓度为等温BR的计算QPAkk21复合反应—连串反应0dtdnViri假设均为一级反应,由物料衡算式:对A组分有:对P组分有:tkAAecc10设t=0时,cA=cA0,cp=0,cQ=0PtkAPAPPckeckckckdtdc201211AAAAckrdtdc1)(122101tktkAPeekkckc]1[2112021kkekekcctktkAQtkAPPeckckdtdc1012解一阶线性微分方程时21kk21kk时目的产物为P所对应的最优化时间为2121)/ln(kkkktopttkAPteckc101)1(1110tktkAQtekecc目的产物为P所对应的最优化时间为2111kktopt3、4等温连续釜式反应器1、连续釜式反应器的特点：基本在定态下操作，有进有出。反应器内的参数不随时间变化。不存在时间自变量，也没有空间自变量。多用于液相反应，恒容操作。出口处的C，T等于反应器内的C，T,。可按出口物料组成计算。2、等温连续釜式反应器CSTR的计算0dtdni对稳态操作有:riiiVQccQ00其物料衡算通式为iioirccQV)(0假定Q0=Q，其反应体积为单一反应,反应物A为关键组分,有)()(0000AfAAfAAAArXXcQccQV3、空时与空速的概念进料体积流量反应体积0QVr空时(因次:时间)空时