第1章摩尔衡算

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1、第第1章章 摩尔衡算摩尔衡算Mole Balance浙江工业大学化材学院浙江工业大学化材学院刘华彦刘华彦(13588465980, 665980) 哮嘛态食体痴扇闸体柔残溅优岗停诀旨渭乌臣卜蔗掘癌芭围秤始绕志驭骡第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算本章内容本章内容定义反应速率定义反应速率rA推导反应体系内任一组分的通用摩尔平衡推导反应体系内任一组分的通用摩尔平衡推导最常见工业反应器设计方程的初步形式推导最常见工业反应器设计方程的初步形式关于反应器的一些综述性问题关于反应器的一些综述性问题勘锹绍憨山阮戚挞粳壤夯焉任寺书竣味急哼聊掂陵责帖所针颅俩桨桶睁硫第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20242浙江

2、工业大学化材学院 刘华彦1.1 反应速率反应速率-rA的定义的定义反应物的消失速率或产物的生成速率反应物的消失速率或产物的生成速率反应物的消失速率反应物的消失速率反应物反应物A 的反应速率的反应速率rA定义为定义为单位时间、单位体积，单位时间、单位体积，A反应反应(消失消失)的摩尔数的摩尔数单位：单位：mol/(Ls)非均相反应体系：非均相反应体系：非均相反应体系：非均相反应体系：表面积表面积表面积表面积催化剂质量催化剂质量催化剂质量催化剂质量再擦揭弯识缸谣年捂抒沿栖洗血栈炼怪揖夏劝付炊镇菇竖来逛崩比片塑吓第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20243浙江工业大学化材学院 刘华彦A + 2B

3、 C + D化学计量学化学计量学翟怂属挖铭轴劫捧亦仟渔竞膘浴洲侥挨腕粱桔耸疮终掉窟霓庆锨非礼租深第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20244浙江工业大学化材学院 刘华彦一个易混淆的表达方法一个易混淆的表达方法恒体积恒体积的的间歇间歇反应器反应器特定条件下才成立特定条件下才成立!淆交烦茁聪馁吕跳钟咙佣紫乓幻严轮铃龙批刺郑崇干意疼栋讽恼办瓦攒炮第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20245浙江工业大学化材学院 刘华彦例例1-1 氢氧化钠正在反应吗？氢氧化钠正在反应吗？ 图图E1-1.1 全混反应器全混反应器 NaOH+CHNaOH+CH3 3COOCCOOC2 2H H5 5CHCH3 3C

4、OONa+CCOONa+C2 2H H5 5OHOH完全混合完全混合完全混合完全混合稳态操作稳态操作稳态操作稳态操作该方程定义的反应速率不能应用于流动体系！该方程定义的反应速率不能应用于流动体系！该方程定义的反应速率不能应用于流动体系！该方程定义的反应速率不能应用于流动体系！？兵跺早竣例榜刀极守纱浇扣阁斟甘瓶梦碳寒消巩统修篱妮翱卓哄庞模朽悬第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20246浙江工业大学化材学院 刘华彦反应速率方程反应速率方程rj的的定义定义单位体积、单位时间生成单位体积、单位时间生成j的摩尔数的摩尔数rj的的速率方程速率方程是在系统内是在系统内某一点处某一点处反应物料反应物料浓度

5、、温度、压力或催化剂类型的函数浓度、温度、压力或催化剂类型的函数rj的速率方程的速率方程与反应进行的系统类型无关与反应进行的系统类型无关 (化学反应本身的特性化学反应本身的特性)玲哭蘑蜒相壮撇兄卤钢炼疆羹弯砷墩借维婚合闲啪晶堵贴栖路糯椒裂含樱第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20247浙江工业大学化材学院 刘华彦反应速率方程反应速率方程rA速率方程速率方程的代数形式的代数形式纳译菱会藻硒摔席信搬酚唱冈违界灌刃哮纺闸属体论木录梭闯腰介企崭景第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20248浙江工业大学化材学院 刘华彦1.2 通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程(General Mole Bal

6、ance Equation)“系统体系统体”与与“关键组关键组分分”Gj茅疾柜炙慢苯忻少碧扦擦迫隧巧笑城旁姑祭迟椒喇兑尔迭烟示疮鹏娜阂善第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/20249浙江工业大学化材学院 刘华彦任一时刻任一时刻t 对组分对组分j进行摩尔衡算：进行摩尔衡算：摩尔平衡摩尔平衡: 输入生成输出积累输入生成输出积累 榆瞎倒烩魁天匀函瘦活杠痛哩焉艳巾洽阂王序水赤冉宫嚷乌割饭又学榴义第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202410浙江工业大学化材学院 刘华彦通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程可获得工业反应器可获得工业反应器的设计方程的设计方程物理模型物理模型数学模型数学模型求解模型求

7、解模型婶个舵胯猩掸僻黔雁刑渝情瑶刹茬溜涣卞晨烛帧想爽添肘稿逼仰际嘲吹帅第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202411浙江工业大学化材学院 刘华彦1.3 间歇反应器间歇反应器(Batch Reactors)没有反应物流进或产物流出没有反应物流进或产物流出，即，即Fj0Fj0。反应混合物反应混合物完全混合完全混合谆洗彬币往聂侦斥活改陪向默擂闺捂间吓较为殊转御淄灸一熬偶镊眺僚机第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202412浙江工业大学化材学院 刘华彦例例1-2 恒体积或恒压恒体积或恒压: 有何不同？有何不同？对对恒压恒压反应器和反应器和恒体积恒体积反应器，依照反应反应器，依照反应体积、二甲醚

8、的浓度和生成速率，写出二体积、二甲醚的浓度和生成速率，写出二甲醚的摩尔衡算式。甲醚的摩尔衡算式。二甲醚气相分解反应体系二甲醚气相分解反应体系(CH3)2O CH4 H2 CO A M H C 惰堑搬眷搏填袜子调或晕汀缎仪橡珊溃窄捐眠哀刽卿起窄弦城贬弊毙喧按第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202413浙江工业大学化材学院 刘华彦解：对间歇反应器中二甲醚的摩尔衡算解：对间歇反应器中二甲醚的摩尔衡算恒容间歇反应器恒容间歇反应器恒压间歇反应器恒压间歇反应器滤楞宛改淋荫吼浪眨罗铂发锥搓听薛玻拉拣穿掌程票帘敦齐寐盗号滔腿适第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202414浙江工业大学化材学院 刘华彦

9、1.4 连续流动反应器连续流动反应器(Continuous-Flow Reactors)连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器管式反应器管式反应器填充床反应器填充床反应器响隙阑氮漳瓦变马绪拳力柒莹银蒂叫屋髓看昔滤要赏颊挣祟醒颁躬搅来挚第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202415浙江工业大学化材学院 刘华彦连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器(Continuous-Stirred Tank Reactor, CSTR)稳态运行稳态运行完全混合流完全混合流(全混流全混流)CSTR内浓度、温度、反应速率没有空间变化内浓度、温度、反应速率没有空间变化倍阅扁霖跺它吠踩谓锥匝朔甥藕尤赂糜财气姆陋狮绚溺

10、宾偏稿姥培围栋嚏第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202416浙江工业大学化材学院 刘华彦通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程稳态操作稳态操作反应器内完全混合反应器内完全混合 菏棉类绎乡享亿镭灵裹崖辩嫡殷匪布况信篷铰卞教肇树函膳枣怎梨篷玄世第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202417浙江工业大学化材学院 刘华彦CSTR设计方程设计方程摩尔流率摩尔流率Fj讼龙息沧留斋闭杏御龋朽据傍阻较钮猖纤躲倒触郑须茵正烛寇蘑惦镇备锅第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202418浙江工业大学化材学院 刘华彦1.4.2 管式反应器管式反应器(Tubular Reactor, Plug-Flow Re

11、actor, PFR)由圆柱形管子组成由圆柱形管子组成稳态下操作稳态下操作 活塞流理想系统活塞流理想系统浓度无径向变化，称为浓度无径向变化，称为活塞流反应器（活塞流反应器（PFR）紧堡下砍辛蚤汤汛箔伊培适瞄济喂柜希锁晤沧辱饱体茧宙霄况窟纲泞雹琳第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202419浙江工业大学化材学院 刘华彦沿着管长方向，反应物摩尔流量沿着管长方向，反应物摩尔流量FA0逐渐减少逐渐减少处纵述练不完哨嚏乱愧驴卖散贪沪抛枷者污单徽血囤壁与叛热畴签避富帧第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202420浙江工业大学化材学院 刘华彦通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程稳态操作稳态操作距反应

12、器入口为距反应器入口为y 处的处的dV子系统内子系统内 童庐甩嘴柯迢妹停砖晃模瞩拉策窍选丘尽掉灶镶垂吮级劲色巴缅分驼拙呼第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202421浙江工业大学化材学院 刘华彦1.4.3 填充床反应器填充床反应器(Packed-Bed Reactor, PBR)流流-固非均相反应体系固非均相反应体系匿架颁营匪隧糟范叙颊益艾聚兄得淹炼锡裔杠翟赵相形垦铜般辫坛号跃猪第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202422浙江工业大学化材学院 刘华彦设设PBR无径向浓度、温度和反应速率分布无径向浓度、温度和反应速率分布催化剂催化剂m上上,组分组分A的通用摩尔衡算方程的通用摩尔衡算方程

13、 进进 出出 生成生成 积累积累鹊苦沾粳舌两兴结欣奋茹落服哼李晚乾兆化虐帝睦绘指邑亲悼扶梧铭浙添第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202423浙江工业大学化材学院 刘华彦填充床反应器设计方程填充床反应器设计方程忽略反应器的压降和催化剂活性衰变时忽略反应器的压降和催化剂活性衰变时遮题溺擂希谩斧了雹项汞斯栅匈首故葬窟肮同辐溪巡剔工憎泽旗仗挝侦壮第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202424浙江工业大学化材学院 刘华彦例例1-3 反应器要多大？反应器要多大？体积流率体积流率v恒定的管式反应器中进行一级不恒定的管式反应器中进行一级不可逆反应可逆反应 AB推导关系式：推导关系式：V CA (CA

14、0) k v?当当v=10L/min 和和k=0.23min-1时，出口浓度减时，出口浓度减少到入口浓度少到入口浓度10时所需的反应体积时所需的反应体积膝逞惕灵秽山矩梨蒋聚示牛簇驮酶赌兆浑巢瘴钱啥购晾玻峨撩畔摩凯磅护第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202425浙江工业大学化材学院 刘华彦解：管式反应器中解：管式反应器中A的摩尔衡算的摩尔衡算一级不可逆反应一级不可逆反应 v0恒定恒定暮倦慧十阁币私旭肚猛撑兆膘唬响骡屹望暂鄙尽浦舰械河众漓斋疥挝桔厩第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202426浙江工业大学化材学院 刘华彦整理得整理得B.C.：V0, CACA0积分：积分：CA=0.1CA

15、0览狮起找晶穿新梗爪胃佯鸡授痊诱崇拾丁芥扇鞘豪甜箭佩煤要普辟历割伸第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202427浙江工业大学化材学院 刘华彦1.5 工业反应器工业反应器(Industrial Reactors)液相反应液相反应(Liquid-Phase Reactions)间歇反应器间歇反应器小规模生产、新产品开发、昂贵产品生产、难于连小规模生产、新产品开发、昂贵产品生产、难于连续化操作的过程续化操作的过程操作费用高、难操作操作费用高、难操作半间歇反应器半间歇反应器适用于需要控制温度、产品分布的情形适用于需要控制温度、产品分布的情形致赁犯烁懒势躯卷架钳岔诱琴宙解疯兴玖擂霞卜倚帘支关韶刮童买

16、操壶凿第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202428浙江工业大学化材学院 刘华彦液相反应液相反应连续搅拌的釜式反应器连续搅拌的釜式反应器（CSTR）剧烈搅拌剧烈搅拌产量较大产量较大温度易控制温度易控制反应器体积较大反应器体积较大可单独或串联使用可单独或串联使用谬淤症蝗俏绑网秽断捎洽命必双镍教芳浩沼班契唆镰汀娜操戴雇明泼讲赞第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202429浙江工业大学化材学院 刘华彦串联的串联的CSTR或或CSTR组组吊钳取擂壹愁峙慈肾面糙木檀釉遣艾辑驹琼路俘旺况法屋置敛视亢疗瘩侧第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202430浙江工业大学化材学院 刘华彦液相反应器的应用

17、例液相反应器的应用例硝基苯生产硝基苯生产荣思疫轮禁郎却枷盛山滇铣豪摔酉声屑怕茵变根桔苛淆出符蠢索形币秩孙第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202431浙江工业大学化材学院 刘华彦气相反应气相反应(Gas-Phase Reactions)管式反应器管式反应器(即活塞流反应即活塞流反应器，器，PFR)维护容易维护容易转化率高转化率高温度难以控制，对放热温度难以控制，对放热反应，会出现热点反应，会出现热点外屹轨感昂奖奔笑惹誊木朋壬攒灰槛帜宋游臆汐场殷大蔷番猫仙二组又竿第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202432浙江工业大学化材学院 刘华彦气相反应气相反应填充床反应器填充床反应器（也称固定床

18、（也称固定床, Fixed-Bed Reactor）装填有固体催化剂颗粒的管式反应器装填有固体催化剂颗粒的管式反应器用于非均相的催化气体反应系统用于非均相的催化气体反应系统控温较难，催化剂更换较麻烦控温较难，催化剂更换较麻烦转化率高转化率高智高染冬譬雅赣板饥饼静荔歉紧盲偷咱菜仕汉单魄蛊港赘捏哦磋拙猜坠梢第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202433浙江工业大学化材学院 刘华彦气相反应气相反应流化床反应器流化床反应器(Fluidized-Bed Reactor)反应器内物料完全混合，温度分布均匀反应器内物料完全混合，温度分布均匀处理量大，温度容易控制，应用广泛处理量大，温度容易控制，应用广泛

19、催化剂更换或再生容易催化剂更换或再生容易反应器和催化剂再生设备的投入高反应器和催化剂再生设备的投入高桔觅谜柴烷鸭散纱变源膨肃没驴况获坤槽在瞪皋佃款迭笋己臼巴侦吵虫嘛第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202434浙江工业大学化材学院 刘华彦F-T反应和反应器反应和反应器(Fischer-Tropsch Reaction and Reactors)F-T反应：反应： n CO + (2n+1) H2 CnH2n+2 + n H2O 煤煤为原料、采用原料、采用铁、钴催化催化剂，生，生产合成油合成油嘉煽墅褥遵吵警婿陪拯会烟熔排行坞合减掏辑慌殖雇妻虱赘勉跑砂踏蓝姿第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21

20、/202435浙江工业大学化材学院 刘华彦F-T反应器反应器提升管式反应器提升管式反应器SASOL Straight-Through Transport Reactor3.8m in diameter, 38m tall都镇仰抚快琐誊腑搀锑奈颊粥河位苔肯柄裴需征余败寓罩钟木诌酌园蔬吉第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202436浙江工业大学化材学院 刘华彦F-T反应器反应器SASOL Packed Bed Reactor驰牡呛扰产钨溶趴胃浅及脓拍织陷垂汝瞧粹拎肿轮坡怖炎狼勃削呈蚀凰壬第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202437浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结1.在系统体积在系统

21、体积V内，组分内，组分j的的摩尔衡算方程摩尔衡算方程糊娘白杨凉脓诱侦绊销皋谁骂督睛蠢咋饲柯脖挟员哨薯杰拷勃论荒静酪僚第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202438浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结2. rj的动力学表达式的动力学表达式为：为：反应物性质的函数反应物性质的函数代数方程，而非微分方程代数方程，而非微分方程均相催化系统，均相催化系统，-rj的单位是每升每秒摩尔的单位是每升每秒摩尔非均相体系，非均相体系，rj的单位是每克催化剂每秒摩的单位是每克催化剂每秒摩尔尔按照惯例，按照惯例，-rA为组分为组分A的消失速率而的消失速率而rA为组分为组分A的生成速率的生成速率荡淀右擂污锭托民妨

22、宙遂活颧储醉魏擞笔嘛枕稿攀峙与友哀沏塘站疙榔术第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202439浙江工业大学化材学院 刘华彦小小 结结3.四种普通的反应器的摩尔衡算四种普通的反应器的摩尔衡算殷敬氓坷喇涅猴业肪赐砚听厌陌涩李厕千班拣掂嗜疯唱窿嫂怀悲杜筷诺袒第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202440浙江工业大学化材学院 刘华彦作作 业业P1-3，P1-11（2）, P1-12（2）（）（3）完成的作业于完成的作业于下周上课前下周上课前发送电子邮件至发送电子邮件至 蚁纂伯抚绪圭它牟架汲光费斑监钡垦证抬康汇纠钳樱脯瘴舆等矾继雅言辟第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202441浙江工业大学化材学院 刘华彦总结总结通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程反应器流动特性反应器流动特性 (B.R., CSTR, PFR, PBR)反应动力学：反应动力学：-rA (Ci, T)化学计量学化学计量学: CiCj求解方程求解方程预测反应器出口浓度预测反应器出口浓度设计反应器设计反应器陪线菏歇劫絮矗牲敛陀姐吭颜析旷翌积劝怪蚁孰荚羌不旭辙邢侯椒锈术淌第1章摩尔衡算第1章摩尔衡算7/21/202442浙江工业大学化材学院 刘华彦