应用化学反响动力学与反响器设计基础

《应用化学反响动力学与反响器设计基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应用化学反响动力学与反响器设计基础（95页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1章 应用化学反应动力学及 反应器设计基础 1 1 化学反应和工业反应器的分类 1 2 化学计量学 1 3 加压下气相反应的反应焓和化学平衡常数 1 4 化学反应速率及动力学方程 1 5 温度对反应速率的影响及最佳反应温度 1 6 反应器设计基础及基本设计方程 1 7 讨论与分析 主要内容 1 1 化学反应和工业反应器的分类 按反应物系 相态分 均相反应非均相反应 气相 液 相 固相 气固 气液 液液 液固 固固 气液固 按是否使用 催化剂 催化反应非催化反应 按操作条件 等温反应 变温反应 等压反应 加压反应 减压反应 按操作方式间歇 连续 半间歇 1 化学反应的分类 1 1 化学反应和工

2、业反应器的分类 2 工业反应器的分类 n间歇 连续 半连续 按操作方式 1 1 化学反应和工业反应器的分类 气固催化反应器型式 根据反应体系特点分 按固体 状态 按换热 方式 固定床 流化床 连续换 热 间歇换 热 根据反应体系的特 点 运用反应工程 的知识 来确定 1 1 化学反应和工业反应器的分类 平推流 全混流反应器 按流动模型分 理想平推流反应器是指通过反应器的物料 沿同一方向以相同速度向前流动 像活塞 一样在反应器中向前平推 故又称为活塞 流反应器 英文名称为Plug Piston Flow Reactor 简称PFR 1 1 化学反应和工业反应器的分类 由于流体沿同一方向 以相同速

3、度向前推进 在反应器内没有物料的返混 所有物料在反 应器中的停留时间都是相同的 在垂直于流动方向上的同一截面 不同径向 位置的流体特性 组成 温度等 是一致的 在定常态下操作 反应器内状态只随轴向位 置改变 不随时间改变 实际生产中对于管径 较小 长度较长 流速较大的管式反应器 列 管固定床反应器等 常可按平推流反应器处理 1 1 化学反应和工业反应器的分类 连续操作的充分搅拌槽型反应器简称全混 流反应器 在这类反应器中物料返混达最 大值 全混流反应器 1 1 化学反应和工业反应器的分类 全混流反应器又称全混 釜或连续流动充分搅拌 槽式反应器 简称CSTR 流入反应器的物料 在瞬间与反应器内的

4、物 料混合均匀 即在反应 器中各处物料的温度 浓度都是相同的 1 1 化学反应和工业反应器的分类 物料在反应器内充分返混 反应器内各处物料参数均一 反应器的出口组成与器内物料组成相同 连续 稳定流动 是一定态过程 全混流反应器的特性 各种反应器在工业中的应用 H2SO4 的生产 乙烯用来生产应用量广泛的塑料聚 乙烯 目前世界上最大的新建裂解装置 是道化学公司 诺瓦化工品公司在 加拿大的127万吨 年装置 C2H6 C2H4 H2 各种反应器在工业中的应用 乙烯的生产 高温管式反应器 各种反应器在工业中的应用 低密度聚乙烯的生产 高压釜式反器 流化床反应器 各种反应器在工业中的应用 线性低密度聚

5、乙烯的生产 1 2 化学计量学 1 反应进度 转化率及化学膨胀因子 n化学计量学是研究化学反应系统中反应物和产物 组成相互关系变化的数学表达式 化学计量式是 化学计量学的基础 n 化学计量式表示参加反应的各组分的数量关系 等式左边的组分为反应物 等式右边的组分为产 物 化学计量式的通式为 1 2 化学计量学 n如果反应系统中有m个反应 则第j个反应的化学 计量式的通式为 n所有反应可以用矩阵表示成 1 2 化学计量学 反应进度 对于间歇反应中的单反应进行物料衡算 反应初始量 nA0nB0nR0 反应终态量 nAnBnR 按化学计量关系有 反应进度 1 2 化学计量学 转化率 n反应物A的反应量

6、与其初始量之比称为A的转 化率 n工业反应过程中的原料中各组分之间往往不 符合化学计量关系 通常选择不过量的反应 物计算转化率 这样的组分称为关键组分 A 2B C D 1mol 2 5mol A物质为关键组分 1 2 化学计量学 化学膨胀因子 n在恒温恒压的连续系统中发生反应 n对于液相反应 反应前后物料的体积流量变化 不大 一般作为恒容过程 对于气相反应 反 应前后物料的体积流量变化较大 n定义每转化1mol的A时反应混合物增加或减少 的量为化学膨胀因子 即 1 2 化学计量学 对于间歇系统 1 2 化学计量学 组分A的瞬时浓度可表示为 1 13 1 2 化学计量学 对于连续系统 则 组分

7、A的摩尔流量 kmol s 反应混合物的体积流量 m3 s 1 2 化学计量学 例1 1 计算下列反应的化学膨胀因子 1 A B P S 2 A P S 3 A 3B 2P 4 2A P 2S 解 1 A 1 1 1 1 1 0 2 A 1 1 1 1 1 3 A 2 1 3 1 2 4 A 1 2 2 2 1 2 1 2 化学计量学 2 多重反应的选择性和收率 1 单一反应和多重反应 单一反应 一组特定的反应物反应生成一组特 定的产物 反应物的转化率即为产物的生成率 复杂反应 一组特定的反应物同时进行n个不 同的单反应 生成m组不同的产物 称为复杂 反应 主要包括 同时反应 平行反应 连串反

8、应和 平行 连串反应 1 2 化学计量学 同时反应 连串反应 平行反应 平行 连串反应 对于复杂反应 反应产物中有目的产物和副产 物 目前一般采用转化率和目的产物的收率和 选择性来评价反应程度和产物分布 1 2 化学计量学 2 目的产物收率Y 3 目的产物选择性 4 转化率 收率和选择率的关系 可见 三者之间有关系式 1 2 化学计量学 n例1 2 实验室采用反应精馏法生产乙酸乙酯 进料为等 体积的乙醇和乙酸组成混合物 体积流量为 300L h 塔顶出料为乙醇 水和乙酸乙酯组成的 三元共沸物 流量为200L h 其中乙醇浓度为 2mol L 乙酯浓度为5mol L 塔釜出料流量为 100L h

9、 其中乙醇浓度为1mol L 乙酯浓度为 0 5mol L 乙酸浓度为0 5mol L 求 乙醇 和乙酸的转化率 乙酯的收率 反 应的选择率 乙醇密度 790g L 乙酸密度 1050g L 1 2 化学计量学 1 2 化学计量学 习题1 1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应 2CH3OH O2 2HCHO 2H2O 2CH3OH 2O2 2CO 4H2O 进入反应器的原料中 甲醇 空气 水蒸气 2 4 1 3 摩尔比 反应后甲醇的转化率达72 甲醛的 收率为69 2 试计算 1 反应的选择性 2 反应器出口气体组成 提示 自己设定进料流量 计算反应器出口处各组分的摩尔 流量 再计算出口组

10、成 1 2 化学计量学 解 1 反应的选择性 2 以进料中甲醇的摩尔流量为2mol h为基准 则进料中空气4mol h 水蒸汽1 3mol h 出口处 甲醇 2 1 0 72 0 56 mol h 甲醛 2 0 692 1 384 mol h N2 4 0 79 3 16 mol h O2 4 0 21 0 5 2 0 692 0 72 0 692 2 0 092 mol h 1 2 化学计量学 H2O 1 3 2 0 692 4 0 72 0 692 2 769 mol h CO 2 0 72 0 692 0 056 mol h ni 8 048 mol h 出口处气体组成为 y甲醇 6 9

11、6 y甲醛 17 20 yH2O 34 74 yO2 1 14 yN2 39 26 yCO 0 70 1 4 化学反应速率及动力学方程 n化学反应速率定义 单位时间内单位反应混合物 体积中反应物的反应量或产物的生成量 以A为关键组分 反应速率可表示为 1 反应速率定义及表示方式 1 4 化学反应速率及动力学方程 n在间歇系统中 随反应的进行 反应物不断减少 产物不断增加 所以不同的瞬间反应速率是不 同的 n在大部分连续系统中 随反应器中空间位置的不 同 各物料浓度也不相同 所以处于反应器不同 位置处的微元反应速率也不同 化学反应速率的表示方式与操作方式有关 1 4 化学反应速率及动力学方程 n

12、间歇反应器中速率的表示 间歇反应器的特点 1 生产分批进行 2 反应器内物料参数 组成 温度和压力等 在每一瞬间均匀 3 反应器内物料参数随时间变化 时间 是独立变量 1 4 化学反应速率及动力学方程 在间歇系统中 化学反应速率可表示为单位反应时 间内 单位反应混合物体积中反应物A的反应量 即 式中 V为釜式反应器的反应体积 液相反应 液相在反应器中所占的体积 气液或气液固三相反应 不含气相的液相或液 固相所占的体积 1 4 化学反应速率及动力学方程 均相反应等容过程 按照物料的相态 上式有相应的表示方式 1 4 化学反应速率及动力学方程 对于反应 有 或 1 4 化学反应速率及动力学方程 多

13、相系统 1 气 固相催化反应 式中 S W分别为固体催化剂内表面积和催化 剂质量 1 4 化学反应速率及动力学方程 2 液 固相非催化反应 式中 S W分别为固体反应物外表面积和固体反 应物的质量 3 气 液反应 式中 S为气液接触面积 1 4 化学反应速率及动力学方程 n连续反应器中速率的表示 连续反应器特点 1 生产连续进行 2 物料参数某一位置处的值 不随时间变化 3 物料参数随不同位置而变化 x x x x 0Z Z 2 Z Z 2 CA O CA out CA x 1 4 化学反应速率及动力学方程 连续系统情况下 化学反应速率可表为单位反应 体积中 或单位反应表面积上 或单位质量固体

14、和 催化剂上 某一反应物或产物的摩尔流量的变化 即 1 4 化学反应速率及动力学方程 对于均相反应 VR为反应混合物在反应器中占据的 体积 对于气固相催化反应 VR为催化剂床层的体积 它包括颗粒的体积和颗粒空隙的体积 反应体积 固相质量与反应表面积之间关系为 例1 3 右图为圆柱状火箭发动机 采用液氢为燃料 与符合化学计量关系的液氧混合后充分燃 烧 每秒产生108kg废气 分别求以氢和氧 表示的反应速率 整个反应器内反应速率 一致 1 4 化学反应速率及动力学方程 解 连续系统中 因整个反应器内 速率一致 因此 R 1 4 化学反应速率及动力学方程 水的生成摩尔流量 108 18 6kmol

15、s 因此 氢的消耗摩尔流量为6kmol s 氧的消耗摩尔流量为3kmol s 1 4 化学反应速率及动力学方程 三 连续系统中常用的两个重要概念 1 空间速度 空速 单位反应体积所能处理的反 应混合物的体积流量 以VSP表示 液空速 反应混合物是液体 以25 液体体积流 量计算出的空速 湿空速 反应混合物中含有水蒸气 把水蒸气的 体积流量也计算在内得到的空速 干空速 反应混合物中含有水蒸气 不把水蒸气 的体积流量计算在内得到的空速 质量空速 按单位质量催化剂计算得到的空速 以WSP表示 1 4 化学反应速率及动力学方程 在反应器的不同位置处 气体混合物的体积流 量随操作状态 压力 温度而变化

16、某些反应 由于反应前后总摩尔数的变化也可能引起体积 流量的变化 因此 工业上常采用不含产物的 反应混合物初态组成和标准状况来计算体积流 量 以VS0表示 2 接触时间 空间速度的倒数 1 4 化学反应速率及动力学方程 对于连续系统 反应物A的转化率可以用下式定义 则有则有 1 4 化学反应速率及动力学方程 在连续系统中 A组分的反应速率表示为 则则 所以所以 1 4 化学反应速率及动力学方程 1 4 化学反应速率及动力学方程 化学反应速率与反应物系的性质 压力 温度 及各反应组分的浓度等因素有关 对于气固 相催化反应 还与催化剂的性质有关 特定反 应的反应物系的性质是相同的 因此反应速率 可用函数关系表示 2 动力学方程的确定 1 4 化学反应速率及动力学方程 在一定的压力条件下 化学反应速率为各反应 组分浓度和温度的函数 这种函数关系称为动 力学方程式或者速率方程 在多数情况下浓度和温度可以进行变量分离 及反应速率可表示为 1 4 化学反应速率及动力学方程 基元反应 直接按质量作用定律写出 非基元反应 机理推导 实验确定参数 建立经验公式 数据拟合公式中参数 动力学 方程 能够一步完