化学反应工程总复习回顾

吴华东[e-mail]总复习2015.10《化学反应工程》ChemicalReactionEngineeringChapter1OverviewofCRE绪论Chapter2KineticsofHomogeneousReaction均相反应动力学Chapter3BatchReactorandNon-idealFlowReactor间歇反应器及理想流动反应器Chapter4Non-idealFlowandDesignforNon-idealFlowReactor非理想流动及其反应器设计Chapter5Gas-solidCatalysisReactor气-固催化反应器Chapter6Gas-liquidReactor气-液相反应器Chapter9NovelReactor新型反应器课程简介本书目录主要内容1.1化学反应工程的发展、研究内容与方法1.2化学反应器的工程分类1.3基本概念（转化率、选择性、收率）第1章绪论原料预处理（物理、化学处理）核心化学加工过程（物质转化）反应产物分离、提纯（物理过程）原料产物副产物未反应原料循环三传一反化工单元操作（化工原理)化学反应工程（反应工程）1.1.1学科地位及历史核心及心脏第1章绪论—1.1学科地位及研究内容反应器的开发设计放大优化操作目的化学石油化学生物化学医药冶金轻工应用大庆炼化厂区鸟瞰图(1)学科地位第1章绪论—1.1学科地位及研究内容反应工程（本征）反应动力学：研究浓度和温度对反应速度的影响反应传质与传热：质量传递，能量传递反应器的设计：反应器规模，尺寸，结构的设计、优化1.1.2研究内容第1章绪论—1.1学科地位及研究内容动力学方程反应器类型热量横算方程动量横算方程反应器体积操作条件化学反应工程均相反应非均相反应动力学方程物料衡算热量衡算动量横算1.1.2研究内容第1章绪论—1.1学科地位及研究内容化学反应的类型（1）按反应选择性分类（简单反应、复合反应）（2）按反应的可逆性分类（可逆反应、不可逆反应）（3）按反应过程的传递特性分类（均相反应、多相反应）（4）按反应的热特性分类（吸热反应、放热反应）（5）按化学动力学级数分类（零级、一级、二级…，分数级）（6）按是否需要催化剂分类（催化反应、非催化反应）第1章绪论—1.2化学反应器的分类1.2.化学反应器的工程分类（1）按结构原理的特点分类（管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床）（2）按反应器内反应物的相态分类（均相反应器、非均相反应器）（3）按操作方式分类（间歇反应器、半间歇或半连续反应器、连续反应器）（4）按物流的流动状况分类（理想反应器、非理想反应器）（5）按反应物系温度变化特征分类（等温反应器、绝热反应器、变温反应器）第1章绪论—1.2化学反应器的分类种类特点应用范围管式反应器长度远大于管径内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板均相、多相反应过程均可塔式(填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程1.2.化学反应器的工程分类1.2.1反应装置的类型第1章绪论—1.2化学反应器的分类相态反应器型式均相单相气相管式反应器液相管式、釜式、塔式反应器非均相二相气固固定床反应器流化床反应器移动床反应器气液鼓泡塔鼓泡搅拌釜液相釜式、塔式反应器三相气液固滴流床反应器浆态床反应器1.2.2按反应物相所涉及的相态分类第1章绪论—1.2化学反应器的分类1.3基本概念1.3.1反应进度1.3.2转化率1.3.3收率1.3.4选择性第1章绪论—1.3基本概念0～t时间内各组分反应变化量的关系：1.3.1反应进度SvPvBvAvSPBASPBASSPPBBAAvvvvnnnnnnnn:::)(:)(:)(:)(0000SSSPPPBBBAAAvnnvnnvnnvnn0000反应进度将上式推广到任一反应，可表示成iiivnn0反应物的化学计量系数一律取负值，而反应产物则取正值。第1章绪论—1.3基本概念1.3.2转化率定义：关键组分A反应掉的物质的量-△nA与其初态的物质的量nA0之比，用xA表示。AAAAnnxn00021103ttt22332HNNHxA100%66.7%注：若原始物料中各组分含量比不同于其计量系数之比，各组分转化率是不相同的。当反应过程恒容时：AAAAAACCCxCC0001例：第1章绪论—1.3基本概念单程转化率和全程转化率一些反应系统由于化学平衡的限制或其他原因，原料通过反应器后的转化率甚低，为了提高原料利用率以降低产品成本，往往将反应器出口物料中的反应产物分离出来，余下的物料再送回反应器入口处，与新鲜原料一起进入反应器再反应，然后再分离、再循环等等。这样的系统属于有循环物料的反应系统。第1章绪论—1.3基本概念①单程转化率。以进口物料为基准所计算的转化率；②全程转化率。以新鲜原料为基准所计算的转化率。因为循环提高了反应物料的转化率，所以全程转化率大于单程转化率。带有循环流的反应器的转化率（全程转化率或总转化率）新鲜原料反应器循环物料产品第1章绪论—1.3基本概念RR0AA0n-nnARRRvYv生成反应产物所消耗的关键组分量反应产物的生成量关键组分的起始量关键组分的起始量已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的SSXY收率：选择性相互关系注意：（1）转化率对反应物而言，收率和选择性对产物而言；（2）单一反应YP=XA（关键组分）；对于复合反应XAYP；（3）单一反应选择性为1，复合反应选择性小于1；（4）单程转化率全程转化率，第1章绪论—1.3基本概念主要内容2.1基本概念和术语2.2等温恒容过程2.3等温变容过程2.4温度对反应速率的影响第2章均相反应动力学第2章均相反应动力学教学目的与要求：通过本章的学习，正确掌握化学反应速率方程的基本表示方式，反应速率方程的变换与应用。教学重点与难点：（1）反应速率常数与浓度、温度的关系；（2）反应速率方程的变换与积分；（3）简单反应与复合反应的动力学特征；（4）等温恒容过程、等温变容过程的速率方程；（5）温度对反应速率的影响。本章知识网络第2章均相反应动力学均相反应动力学单一反应复合反应不可逆反应可逆反应平行反应连串反应平行-连串反应温度对反应速率的影响：最优温度线的意义及其表达式等温恒容过程等温变容过程：膨胀因子的定义、膨胀率等温过程2.1基本概念和术语参予反应的各物质均在同一相内进行的化学反应。如：烃类的高温气相裂解反应，一般的酯化、皂化反应，氢气燃烧、酸碱反应等。均相反应：反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。第2章均相反应动力学—2.1基本概念和术语2.1.2化学反应速率第2章均相反应动力学—2.1基本概念和术语反应速率的定义，是以在单位空间（体积）、单位时间内物料（反应物或产物）数量的变化来表示的，用数学形式表示即为：1=iidnrVdt反应物（或产物）减少（或增加）的量(体积)(时间)注意：(1)对反应物dn/dt0,对产物dn/dt0;(2)按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的;dtdcrAA第2章均相反应动力学—2.1基本概念和术语对于不可逆反应：SvPvBvAvSPBA其动力学方程一般都可用下式表达：AABrkcc对于可逆反应：ABPSvAvBvPvS'sAABPSrkcckcc其动力学方程式为：2.1.4反应级数α、β2.1.3化学动力学方程（反应速率方程）第2章均相反应动力学—2.1基本概念和术语2.1.5速率常数k所有反应组分的浓度均为1时的反应速率。意义:量纲：[时间]-1·[浓度]1-nn为总反应级数根据k的单位判断反应级数，例如：某反应，已知k=0.15s-1,判断该反应为几级反应？反应速率常数与温度、压力、催化剂及其浓度、溶剂等有关，在催化剂、溶剂等影响因素固定时，k=f(T)。即：式中:A——指前因子或频率因子，反应了反应中分子碰撞几率大小，与分子热运动有关。E——活化能，物理意义：把反应分子激发到可进行反应的活化状态时所需要的能量。活化能E越大，所需的反应温度就越高。)/exp(RTEAk第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程等温恒容过程反应前后物料密度变化不大的液相反应反应前后摩尔数相等的气相反应2.2等温恒容过程测定动力学数据的实验室反应器，可采用间歇操作的，或连续操作，然后利用化学分析和物理化学的方法，得到不同反应时间的各组分的浓度数据，对这些数据进行适当的数学处理就得到动力学方程式。实验数据的处理方法，有微分法与积分法。2.2.1动力学方程建立的方法第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程2.2.2.1不可逆反应对不可逆反应:AP()nAAAdcrkcdt反应动力学方程为:将上式分离变量积分，得:0AAcAncAdctkc式中t为组分A浓度达到cA时所需要的反应时间，故只要知道反应动力学方程，就能进行反应时间的计算。2.2.2单一反应动力学方程是指：用一个化学反应式和一个动力学方程便能表示的反应。分为不可逆反应与可逆反应。rA第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程典型的可逆反应动力学方程解析结果如下：2.2.2.2可逆反应第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程2.2.3复合反应动力学方程复合反应：在同一反应物系中同时进行若干个化学反应,化学反应的数目与独立的计量方程数相同。(1)如果几个反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同时地发生反应，称为平行反应。ABPRABS(2)如果几个反应是依次发生，反应产物能进一步反应生成其它副产物的过程，称为连串反应。ABPRS2.2.3.1平行反应第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程OHCOOHCHOHCOOHCH224224423Ak1k2RS例如：R是目的产物。反应力学方程为：AAAAAckkckckdtdcr)(2121ARRckdtdcr1ASSckdtdcr2另一方面，由物料衡算：000RRSSAAcccccc第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程12()0kktAAcce)(02110AARRcckkkcc)(02120AASScckkkcc各组分浓度—时间曲线：)/exp()/exp()/exp('221111RTEARTEARTEASSRR仅对平行的一级反应成立第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程为了达到可能高的选择性，应尽可能采用高的反应温度；低温有利于提高反应选择性当E1＜E2时，合理的方案是：开始时采用低温，使大部分A反应生成R；当A的浓度降低到一定程度后采用高温提高反应速度，以达到较高的转化率。这样做实质上是在反应后期以较小的选择性损失换取较大的转化率收益。Ak1k2RS第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程2.2.3.2连串反应tkAAecc1012kkARS第2章均相反应动力学—2.2等温恒容过程若要使得最大：RC积分和瞬时选择性：tktktkReeekkkS1121211]1[')(1221121tkkRekkkkkS可见该连串反应总的选择性与瞬时选择性不相等，R'RSS显然，值越大，越有利于目的产物的收率。（1）当E1＞E2,高温有利于提高反应生成的选择性，同时也可在有限时间内达到较高的转化率，从而可以达到较高的收率。（2）当E1＜E1，低温有利于提高选择性，但会导致转化率较低，从而的收率不高。为了提高收率，可在反应前期采用高温，后期降低温度。在反应前期，浓度比很大，即使在高