緒論均相反應動力學均相反應器課件

化學反應工程基礎江蘇工業(yè)學院

張衛(wèi)紅2006.2化學反應工程基礎江蘇工業(yè)學院1第一章

緒論1.1概述一、反應工程的研究內容二、反應工程與其他學科的關系三、化學反應工程的學科發(fā)展1.2化學反應器

一、化學反應的分類二、化學反應器的類型三、反應器的操作方式1.3化學反應工程的研究方法第一章緒論2圖1.1典型的化學加工過程圖1.1典型的化學加工過程3化學反應工程主要包括兩個方面的內容，即反應動力學和反應器設計分析。

化學反應工程主要包括兩個方面的內容，即反應動力學和反應器設計4

5時間標志性成果代表人物20世紀30年代（萌芽階段）對擴散、流體流動和傳熱對反應過程的影響丹克來爾(Damh?hler)

梯爾（Thiele）

史爾多維奇20世紀40年代

（系統(tǒng)化）《化學過程原理》和《化學動力學中的擴散與傳熱》對學科形成奠定了基礎霍根（Hougen）

華生（Waston）20世紀50年代

（學科確立）學科第一次國際性的學術會議在歐洲召開，第一次使用了化學反應工程這一術語丹克沃茨

（Dankwerts)

泰勒（Taylor）

烈文斯彼爾

(Levenspiel)20世紀60年代

(學科發(fā)展壯大)石油化工的發(fā)展要求生產的大進化，產品的多樣化和深加工促進了實驗研究和生產實際的結果，產品研發(fā)周期縮短

20世紀80年代到90年代中期(學科交叉和新技術運用)計算機和微電子技術普遍應用實現(xiàn)了反應器的精確控制問題；通過與其它學科的交叉形成了一系列新的學科；反應與分離過程的結合出現(xiàn)了多功能反應器

20世紀90年代環(huán)境保護對化學反應工程學科提出了新的要求。新的環(huán)境友好、原子經(jīng)濟的綠色反應工藝的出現(xiàn)，對能源開發(fā)和存放利用的貢獻

時間標志性成果代表人物20世紀30年代（萌芽階段）對擴6緒論均相反應動力學均相反應器課件7緒論均相反應動力學均相反應器課件8緒論均相反應動力學均相反應器課件9第二章均相反應動力學

2.1化學反應速率及動力學方程式2.1.1化學反應速度

2.1.2動力學方程2.1.3動力學方程的建立2.2可逆反應

2.3自催化反應

2.4復合反應

2.5變分子氣相反應第二章均相反應動力學2.1化學反應速率及動力學方程式10建立動力學方程的方法：1、積分法半衰期法2、微分法3、初速度法建立動力學方程的方法：11化學反應動力學-化學反應速率和反應機理微觀動力學或本征動力學：排除了一切物理傳遞過程的影響2.1化學反應速率及動力學方程式2.1.1化學反應速度化學反應動力學-化學反應速率和反應機理12均相反應速率的定義：單位時間，單位體積混合物中著眼于某一反應組分的物質的量的變化率。

aA+bB→pP+sS均相反應速率的定義：單位時間，單位體積混合物中著眼于某一反應13緒論均相反應動力學均相反應器課件14（5）轉化率？X--針對反應物而言

（5）轉化率？X--針對反應物而言15（1）反應速率恒為正值，反應物組分速率的“-”（2）不同組分計算的反應速率之間的換算關系：（3）當混合物的體積（即密度）一定時，對于理想氣體，（*等溫恒容）

，

（1）反應速率恒為正值，反應物組分速率的“-”，16緒論均相反應動力學均相反應器課件17反應時間tNH3/molO2/mol0812t1

47t2

02反應時間tNH3O20812t147t202182.1.2動力學方程（化學反應速率方程式）

影響反應速率的因素有：組成（濃度）、溫度、壓力、催化劑的種類及性質。對于均相反應，通常ri=f(T,C)

化學反應速率方程式的形式

aA+bB→pP+sS冪函數(shù)型：2.1.2動力學方程（化學反應速率方程式）191.動力學參數(shù)①級數(shù)-基元反應與非基元反應對各組分的級數(shù)、，反應的總級數(shù)n=+②速率常數(shù)k-與溫度、催化劑有關量綱-[濃度]1-n[時間]-1,∴可以根據(jù)量綱判斷反應的級數(shù)。如，一級反應，量綱為[時間]-11.動力學參數(shù)20對于氣相反應，

kp量綱：[濃度][壓強]-n[時間]-1kp與k的換算：對于氣相反應，21Arrhenius方程：

Arrhenius方程：222.1.3動力學方程的建立

單一反應：用一個化學計量方程即能表達各反應物間量的關系的反應；復合反應：用兩個或兩個以上的化學計量方程才能表達各反應物間量的關系的反應；不可逆反應：反應向一個方向進行；可逆反應：反應同時向正、逆兩個方向進行的反應，歧化/對峙反應。

2.1.3動力學方程的建立單一反應：用一個化學計量方程即能23一、建立動力學方程的方法

1、積分法在等溫恒容條件下，

一、建立動力學方程的方法1、積分法24例：有一反應，在一間歇反應器中進行，經(jīng)過8min后，反應物轉化掉80%，經(jīng)過18min后，轉化掉90%，求表達此反應的動力學方程式。例：有一反應，在一間歇反應器中進行，經(jīng)過8min后，反應物25解：已知t1=8min時，x1=80%t2=18min時，x2=90%設為零級反應，解：已知t1=8min時，x1=80%26設為一級反應，（0.699≠0.444）設為一級反應，（0.699≠0.4427設為二級反應，設為二級反應，28故此反應為二級不可逆反應。且故此反應為二級不可逆反應。且29半衰期法：

半衰期法：302、微分法單一不可逆反應，2、微分法單一不可逆反應，31二、最小二乘法適用于可線性化的方程。例如，二、最小二乘法適用于可線性化的方程。例如，32緒論均相反應動力學均相反應器課件33緒論均相反應動力學均相反應器課件34緒論均相反應動力學均相反應器課件35緒論均相反應動力學均相反應器課件362.2可逆反應一級可逆反應：已知：t=0時，CA=CA0，CR=CR0。動力學方程的積分形式

2.2可逆反應一級可逆反應：37初速度法①CR0=0下，改變CA0，測定（-rA）0，確定動力學參數(shù)和k1。

②CA0=0下，改變CR0，測定（-rA）0確定動力學參數(shù)和k2。

初速度法①CR0=0下，改變CA0，測定（-rA）0382.3自催化反應

定義：反應的某一產物對反應有催化作用。

如：設對各反應組分均為一級。在t=0時，CA=CA0，CP=CP0和CR0=0動力學方程的積分形式。

2.3自催化反應定義：反應的某一產物對反應有催化作用。39（-rA）C0/2CA0（-rA）C0/2CA0402.4復合反應

平行反應：

連串反應：

2.4.1表征產物分布的術語1.收率（得失之比）瞬時收率φ總收率φP

2.4復合反應平行反應：412.得率XP

得率XP=收率×轉化率xA

3.選擇性2.得率XP422.4.2平行反應

等溫恒容下一級平行反應的濃度分布：

初值條件為：t=0時，CA=CAO，CP=0，CS=0

2.4.2平行反應等溫恒容下一級平行反應的濃度分布：

43圖2.4-1平行反應組成隨時間的變化關系圖2.4-1平行反應組成隨時間的變化關系44緒論均相反應動力學均相反應器課件452.4.3連串反應

2.4.3連串反應46圖2.4-2連串反應組成隨時間的變化關系圖2.4-2連串反應組成隨時間的變化關系472.5變分子氣相反應

等溫氣相反應變分子恒壓——變容變分子恒容——變壓2.5.1術語1.膨脹因子物理意義：

2.5變分子氣相反應等溫氣相反應482.膨脹率2.膨脹率49n級反應注意：一級反應，n級反應注意：一級反應，502.5.3等溫等容變壓過程總壓法測定氣相反應的速度常數(shù)

2.5.3等溫等容變壓過程總壓法測定氣相反應的速度常數(shù)512.5.2等溫等壓變容過程2.5.2等溫等壓變容過程52第三章均相等溫反應器

3.1概述

3.2簡單反應器3.2.1間歇反應器（BR）3.2.2平推流反應器3.2.3全混流反應器（CSTR）3.3組合反應器3.3.1多個全混釜串聯(lián)3.3.2平推流反應器的串、并聯(lián)

第三章均相等溫反應器3.1概述533.3.3循環(huán)反應器

3.3.4半連續(xù)反應器（半間歇反應器）

3.4反應器的選型與操作方式

3.3.3循環(huán)反應器543.1.1反應器中的流動問題

返混：停留時間不同的流體質點（微元）之間的混合。平推流與全混流

平推流的特點：所有物料質點在反應器中的停留時間相同，不存在返混，也無流速分布。全混流的特點：返混達到最大。

3.1.1反應器中的流動問題553.1.2生產操作中的常用術語

1.反應時間與停留時間反應時間停留時間停留時間的分布——平均停留時間

2.空時與空速空時：空速：

3.1.2生產操作中的常用術語1.反應時間與停留時間563.2簡單反應器反應器的設計方程式=動力學方程式+物料衡算式+熱量衡算式+流動方程式等溫恒容過程反應器的設計方程式=動力學方程式+物料衡算式物料衡算通式：

3.2簡單反應器反應器的設計方程式=動力學方程式+物料衡算式573.2.1間歇反應器（BR）

一、基礎設計方程式恒容時，

3.2.1間歇反應器（BR）58二、設計式的應用：1.反應時間的計算：（1）一級反應

等溫恒容下：（2）二級反應等溫恒容下：

二、設計式的應用：592.反應器體積的計算：實際的反應器體積為：對于沸騰或易發(fā)泡液體物料，對于一般流體

2.反應器體積的計算：

60例3-1某廠用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下進行縮聚反應生產醇酸樹脂。反應在70℃間歇釜中進行。已知（-rA)=kCA2kmol／(L·min)，k=1.97L／(kmol·min)，CA0=0.004kmol／L

，求⑴xA=0.5、xA=0.6、xA=0.8、xA=0.9所需反應時間⑵若每天處理2400kg已二酸，轉化率為80%，每天操作的非生產時間為1h，計算反應器體積為多少？設裝料系數(shù)為0.75。例3-1某廠用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下進行縮613.2.2平推流反應器一、基礎設計方程簡化：（1）⊿t任?。?）⊿V取dV

（3）積累量=0更一般的通式：

3.2.2平推流反應器更一般的通式：62恒容時，二、設計方程的應用1.解析法：以一級反應為例2.圖解法：圖3.2-53.數(shù)值法：（Simpson）(奇數(shù)點、偶數(shù)段)

恒容時，633.2.3全混流反應器（CSTR）一、基礎設計方程式簡化：（1）⊿t、⊿V任?。?）

（3）積累量=0恒容時，

3.2.3全混流反應器（CSTR）恒容時，641.應用一級反應：一級平行反應：

1.應用65一級連串反應：一級連串反應：66

3.3組合反應器3.3.1多個全混釜串聯(lián)1.設計式3.3組合反應器1.設計式672.應用①解析法：一級反應，若各釜的溫度和容積均相等，則第n個釜的出口濃度為：

二級反應，p44圖3.4-4

參變量，無因次數(shù)群一級反應k二級反應kCA02.應用68②圖解法：

②圖解法：693.3.2平推流反應器的串、并聯(lián)1.

PFR的串聯(lián)對第一個PFR作物料衡算：

對第二個PFR作物料衡算：對第n個PFR作物料衡算：

3.3.2平推流反應器的串、并聯(lián)702.PFR的并聯(lián)

2.PFR的并聯(lián)713.3.3循環(huán)反應器最佳循環(huán)比

3.3.3循環(huán)反應器最佳循環(huán)比723.3.4半連續(xù)反應器（半間歇反應器）

3.3.4半連續(xù)反應器（半間歇反應器）733.4反應器的選型與操作方式

3.4.1單一反應：反應器大小的比較

結論：完成同一生產任務（相同），

，3.4.2復合反應：產物量的多少

3.4反應器的選型與操作方式74不同類型反應器P出口濃度的計算PFR：CSTR：

不同類型反應器P出口濃度的計算75例3-2同例3-1的條件，若轉化率xA=0.8，試計算：⑴單個CSTR的體積；⑵2-CSTR的體積；⑶4-CSTR的總體積以及xA1，xA2和

xA3；⑷PFR的體積例3-2同例3-1的條件，76k=1.97L／(kmol·min)=118.2L／(kmol·h)CA0=0.004kmol／Lv0=171.25L／hk=1.97L／(kmol·min)=118.2L／(k77例：苯醌（A）和環(huán)戊二烯（B）在298K下進行液相加成反應，反應方程式為A+B→P，動力學方程為（-rA)=kCACB。如果反應在兩個等體積串聯(lián)的全混釜進行，其反應速度常數(shù)為k=9.92×10-3m3／(kmol·s)，已知CA0=0.08kmol／m3

，CB0=0.1kmol／m3

，求xA=0.95時，兩釜總的反應時間。例：苯醌（A）和環(huán)戊二烯（B）在298K下進行液相加成反應，78化學反應工程基礎江蘇工業(yè)學院

張衛(wèi)紅2006.2化學反應工程基礎江蘇工業(yè)學院79第一章

緒論1.1概述一、反應工程的研究內容二、反應工程與其他學科的關系三、化學反應工程的學科發(fā)展1.2化學反應器

一、化學反應的分類二、化學反應器的類型三、反應器的操作方式1.3化學反應工程的研究方法第一章緒論80圖1.1典型的化學加工過程圖1.1典型的化學加工過程81化學反應工程主要包括兩個方面的內容，即反應動力學和反應器設計分析。

化學反應工程主要包括兩個方面的內容，即反應動力學和反應器設計82

83時間標志性成果代表人物20世紀30年代（萌芽階段）對擴散、流體流動和傳熱對反應過程的影響丹克來爾(Damh?hler)

梯爾（Thiele）

史爾多維奇20世紀40年代

（系統(tǒng)化）《化學過程原理》和《化學動力學中的擴散與傳熱》對學科形成奠定了基礎霍根（Hougen）

華生（Waston）20世紀50年代

（學科確立）學科第一次國際性的學術會議在歐洲召開，第一次使用了化學反應工程這一術語丹克沃茨

（Dankwerts)

泰勒（Taylor）

烈文斯彼爾

(Levenspiel)20世紀60年代

(學科發(fā)展壯大)石油化工的發(fā)展要求生產的大進化，產品的多樣化和深加工促進了實驗研究和生產實際的結果，產品研發(fā)周期縮短

20世紀80年代到90年代中期(學科交叉和新技術運用)計算機和微電子技術普遍應用實現(xiàn)了反應器的精確控制問題；通過與其它學科的交叉形成了一系列新的學科；反應與分離過程的結合出現(xiàn)了多功能反應器

20世紀90年代環(huán)境保護對化學反應工程學科提出了新的要求。新的環(huán)境友好、原子經(jīng)濟的綠色反應工藝的出現(xiàn)，對能源開發(fā)和存放利用的貢獻

時間標志性成果代表人物20世紀30年代（萌芽階段）對擴84緒論均相反應動力學均相反應器課件85緒論均相反應動力學均相反應器課件86緒論均相反應動力學均相反應器課件87第二章均相反應動力學

2.1化學反應速率及動力學方程式2.1.1化學反應速度

2.1.2動力學方程2.1.3動力學方程的建立2.2可逆反應

2.3自催化反應

2.4復合反應

2.5變分子氣相反應第二章均相反應動力學2.1化學反應速率及動力學方程式88建立動力學方程的方法：1、積分法半衰期法2、微分法3、初速度法建立動力學方程的方法：89化學反應動力學-化學反應速率和反應機理微觀動力學或本征動力學：排除了一切物理傳遞過程的影響2.1化學反應速率及動力學方程式2.1.1化學反應速度化學反應動力學-化學反應速率和反應機理90均相反應速率的定義：單位時間，單位體積混合物中著眼于某一反應組分的物質的量的變化率。

aA+bB→pP+sS均相反應速率的定義：單位時間，單位體積混合物中著眼于某一反應91緒論均相反應動力學均相反應器課件92（5）轉化率？X--針對反應物而言

（5）轉化率？X--針對反應物而言93（1）反應速率恒為正值，反應物組分速率的“-”（2）不同組分計算的反應速率之間的換算關系：（3）當混合物的體積（即密度）一定時，對于理想氣體，（*等溫恒容）

，

（1）反應速率恒為正值，反應物組分速率的“-”，94緒論均相反應動力學均相反應器課件95反應時間tNH3/molO2/mol0812t1

47t2

02反應時間tNH3O20812t147t202962.1.2動力學方程（化學反應速率方程式）

影響反應速率的因素有：組成（濃度）、溫度、壓力、催化劑的種類及性質。對于均相反應，通常ri=f(T,C)

化學反應速率方程式的形式

aA+bB→pP+sS冪函數(shù)型：2.1.2動力學方程（化學反應速率方程式）971.動力學參數(shù)①級數(shù)-基元反應與非基元反應對各組分的級數(shù)、，反應的總級數(shù)n=+②速率常數(shù)k-與溫度、催化劑有關量綱-[濃度]1-n[時間]-1,∴可以根據(jù)量綱判斷反應的級數(shù)。如，一級反應，量綱為[時間]-11.動力學參數(shù)98對于氣相反應，

kp量綱：[濃度][壓強]-n[時間]-1kp與k的換算：對于氣相反應，99Arrhenius方程：

Arrhenius方程：1002.1.3動力學方程的建立

單一反應：用一個化學計量方程即能表達各反應物間量的關系的反應；復合反應：用兩個或兩個以上的化學計量方程才能表達各反應物間量的關系的反應；不可逆反應：反應向一個方向進行；可逆反應：反應同時向正、逆兩個方向進行的反應，歧化/對峙反應。

2.1.3動力學方程的建立單一反應：用一個化學計量方程即能101一、建立動力學方程的方法

1、積分法在等溫恒容條件下，

一、建立動力學方程的方法1、積分法102例：有一反應，在一間歇反應器中進行，經(jīng)過8min后，反應物轉化掉80%，經(jīng)過18min后，轉化掉90%，求表達此反應的動力學方程式。例：有一反應，在一間歇反應器中進行，經(jīng)過8min后，反應物103解：已知t1=8min時，x1=80%t2=18min時，x2=90%設為零級反應，解：已知t1=8min時，x1=80%104設為一級反應，（0.699≠0.444）設為一級反應，（0.699≠0.44105設為二級反應，設為二級反應，106故此反應為二級不可逆反應。且故此反應為二級不可逆反應。且107半衰期法：

半衰期法：1082、微分法單一不可逆反應，2、微分法單一不可逆反應，109二、最小二乘法適用于可線性化的方程。例如，二、最小二乘法適用于可線性化的方程。例如，110緒論均相反應動力學均相反應器課件111緒論均相反應動力學均相反應器課件112緒論均相反應動力學均相反應器課件113緒論均相反應動力學均相反應器課件1142.2可逆反應一級可逆反應：已知：t=0時，CA=CA0，CR=CR0。動力學方程的積分形式

2.2可逆反應一級可逆反應：115初速度法①CR0=0下，改變CA0，測定（-rA）0，確定動力學參數(shù)和k1。

②CA0=0下，改變CR0，測定（-rA）0確定動力學參數(shù)和k2。

初速度法①CR0=0下，改變CA0，測定（-rA）01162.3自催化反應

定義：反應的某一產物對反應有催化作用。

如：設對各反應組分均為一級。在t=0時，CA=CA0，CP=CP0和CR0=0動力學方程的積分形式。

2.3自催化反應定義：反應的某一產物對反應有催化作用。117（-rA）C0/2CA0（-rA）C0/2CA01182.4復合反應

平行反應：

連串反應：

2.4.1表征產物分布的術語1.收率（得失之比）瞬時收率φ總收率φP

2.4復合反應平行反應：1192.得率XP

得率XP=收率×轉化率xA

3.選擇性2.得率XP1202.4.2平行反應

等溫恒容下一級平行反應的濃度分布：

初值條件為：t=0時，CA=CAO，CP=0，CS=0

2.4.2平行反應等溫恒容下一級平行反應的濃度分布：

121圖2.4-1平行反應組成隨時間的變化關系圖2.4-1平行反應組成隨時間的變化關系122緒論均相反應動力學均相反應器課件1232.4.3連串反應

2.4.3連串反應124圖2.4-2連串反應組成隨時間的變化關系圖2.4-2連串反應組成隨時間的變化關系1252.5變分子氣相反應

等溫氣相反應變分子恒壓——變容變分子恒容——變壓2.5.1術語1.膨脹因子物理意義：

2.5變分子氣相反應等溫氣相反應1262.膨脹率2.膨脹率127n級反應注意：一級反應，n級反應注意：一級反應，1282.5.3等溫等容變壓過程總壓法測定氣相反應的速度常數(shù)

2.5.3等溫等容變壓過程總壓法測定氣相反應的速度常數(shù)1292.5.2等溫等壓變容過程2.5.2等溫等壓變容過程130第三章均相等溫反應器

3.1概述

3.2簡單反應器3.2.1間歇反應器（BR）3.2.2平推流反應器3.2.3全混流反應器（CSTR）3.3組合反應器3.3.1多個全混釜串聯(lián)3.3.2平推流反應器的串、并聯(lián)

第三章均相等溫反應器3.1概述1313.3.3循環(huán)反應器

3.3.4半連續(xù)反應器（半間歇反應器）

3.4反應器的選型與操作方式

3.3.3循環(huán)反應器1323.1.1反應器中的流動問題

返混：停留時間不同的流體質點（微元）之間的混合。平推流與全混流

平推流的特點：所有物料質點在反應器中的停留時間相同，不存在返混，也無流速分布。全混流的特點：返混達到最大。

3.1.1反應器中的流動問題1333.1.2生產操作中的常用術語

1.反應時間與停留時間反應時間停留時間停留時間的分布——平均停留時間

2.空時與空速空時：空速：

3.1.2生產操作中的常用術語1.反應時間與停留時間1343.2簡單反應器反應器的設計方程式=動力學方程式+物料衡算式+熱量衡算式+流動方程式等溫恒容過程反應器的設計方程式=動力學方程式+物料衡算式物料衡算通式：

3.2簡單反應器反應器的設計方程式=動力學方程式+物料衡算式1353.2.1間歇反應器（BR）

一、基礎設計方程式恒容時，

3.2.1間歇反應器（BR）136二、設計式的應用：1.反應時間的計算：（1）一級反應

等溫恒容下：（2）二級反應等溫恒容下：

二、設計式的應用：1372.反應器體積的計算：實際的反應器體積為：對于沸騰或易發(fā)泡液體物料，對于一般流體

2.反應器體積的計算：

138例3-1某廠用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下進行縮聚反應生產醇酸樹脂。反應在70℃間歇釜中進行。已知（-rA)=kCA2kmol／(L·min)，k=1.97L／(kmol·min)，CA0=0.004kmol／L

，求⑴xA=0.5、xA=0.6、xA=0.8、xA=0.9所需反應時間⑵若每天處理2400kg已二酸，轉化率為80%，每天操作的非生產時間為1h，計算反應器體積為多少？設裝料系數(shù)為0.75。例3-1某廠用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下進行縮1393.2.2平推流反應器一、基礎設計方程簡化：（1）⊿t任?。?）⊿V取dV

（3）積累量=0更一般的通式：

3.2.2平推流反應器更一般的通式：140恒容時，二、設計方程的應用1.解析法：以一級反應為例