第3講 初等反應(yīng)工程 Ch1 摩爾衡算

高等反應(yīng)工程

第三講初等反應(yīng)工程

Ch1

摩爾衡算福建師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院郭菊花第三講初等反應(yīng)工程Ch1摩爾衡算Ch2轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸Ch3速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué)Ch4等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)Ch5化學(xué)反應(yīng)速率數(shù)據(jù)收集與分析Ch6復(fù)合反應(yīng)Ch7生化反應(yīng)（略講，看時(shí)間）Ch8穩(wěn)態(tài)費(fèi)等文反應(yīng)器設(shè)計(jì)Ch9停留時(shí)間分布Ch10非理想反應(yīng)器2復(fù)習(xí)3RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工過程(Typicalchemicalprocess)預(yù)處理后處理核心復(fù)習(xí)4化學(xué)工藝反應(yīng)器中流體流動(dòng)、混合傳熱和傳質(zhì)化學(xué)催化劑優(yōu)化工程控制反應(yīng)過程分析工藝路線流程與設(shè)備化學(xué)熱力學(xué)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)過程動(dòng)態(tài)特性與反應(yīng)系統(tǒng)測(cè)量和控制傳遞工程引言工業(yè)反應(yīng)過程的開發(fā)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、操作及控制均是以正確把握研究的反應(yīng)體系的基本特征為基礎(chǔ)的。一個(gè)反應(yīng)體系的主要特征至少包括以下三個(gè)方面：1.化學(xué)計(jì)量學(xué)——研究反應(yīng)過程中各組分變化量之間的相互關(guān)系；2.化學(xué)熱力學(xué)——研究反應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化和反應(yīng)體系的平衡性質(zhì)；3.化學(xué)動(dòng)力學(xué)——研究反應(yīng)速率和反應(yīng)物系組成、溫度之間的關(guān)系。5簡單反應(yīng)or復(fù)雜反應(yīng)，串聯(lián)or并聯(lián)能量轉(zhuǎn)化(熱效應(yīng)、電化學(xué))，平衡(化學(xué)、相)復(fù)雜體系獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定方法化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣法實(shí)質(zhì)：矩陣求秩，系數(shù)矩陣的秩就是獨(dú)立反應(yīng)數(shù)適用場(chǎng)合：已知所有可能存在的化學(xué)反應(yīng)式原子矩陣法理論基礎(chǔ)：原子數(shù)目守恒實(shí)質(zhì)：矩陣求秩，獨(dú)立反應(yīng)數(shù)=組分?jǐn)?shù)-原子矩陣的秩適用場(chǎng)合：已知組分?jǐn)?shù)，不知反應(yīng)式數(shù)6獨(dú)立反應(yīng)數(shù)概念的應(yīng)用I.利用較易測(cè)定組分的反應(yīng)量計(jì)算難測(cè)定組分的反應(yīng)量在確定了和獨(dú)立反應(yīng)數(shù)相等的關(guān)鍵組分的反應(yīng)量后，反應(yīng)體系中其余組分的反應(yīng)量均可由獨(dú)立反應(yīng)數(shù)概念的應(yīng)用學(xué)計(jì)量關(guān)系確定?？梢赃x擇苦干種反應(yīng)量比較容易測(cè)定的組分為關(guān)鍵組分，由它們的反應(yīng)量去計(jì)算較難測(cè)定組分的反應(yīng)量。7獨(dú)立反應(yīng)數(shù)概念的應(yīng)用II.復(fù)雜反應(yīng)體系的物料衡算和能量衡算的簡化計(jì)算step1.確定反應(yīng)體系的獨(dú)立反應(yīng)數(shù)；step2.選定一組合適的獨(dú)立組分和獨(dú)立反應(yīng)；step3.實(shí)驗(yàn)測(cè)定或動(dòng)力學(xué)計(jì)算獨(dú)立組分的反應(yīng)量；step4.利用化學(xué)計(jì)量方程或原子矩陣計(jì)算非關(guān)鍵組分的反應(yīng)量和反應(yīng)的熱效應(yīng)。注意：未選作獨(dú)立反應(yīng)的反應(yīng)也是存在的當(dāng)考察反應(yīng)速率時(shí)，要考慮到所有反應(yīng)8第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器1.6小結(jié)91.0概述摩爾衡算是化學(xué)反應(yīng)工程的第一塊基石

推導(dǎo)進(jìn)入、離開，或停留在反應(yīng)體系的任一化學(xué)組分的通用衡算式。能力要求:描述和定義反應(yīng)速率推導(dǎo)通用摩爾衡算方程將通用摩爾衡算方程應(yīng)用于四種最常見的工業(yè)反應(yīng)器101.0概述11四種最常見的反應(yīng)器間歇反應(yīng)器（BR）Batch

Reactor連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）ContinuousStirredTankReactor管式反應(yīng)器（活塞流反應(yīng)器，PFR）PlugFlowReactor填充床反應(yīng)器（PBR）PackedBedReactorBRCSTRPBRPFR第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器1.6小結(jié)131.1反應(yīng)速率的定義14反應(yīng)速率一定量的某種化學(xué)組分被消耗而生成另一種化學(xué)組分的速度可以是生成速率，也可以是消耗速率

二者絕對(duì)值相等，符號(hào)不同反應(yīng)速率-rA15單位時(shí)間，單位體積內(nèi)，A反應(yīng)（消失）的物質(zhì)量(mol/dm3·s)如

負(fù)號(hào):反應(yīng)物消失正號(hào)：產(chǎn)物形成（產(chǎn)生）多相反應(yīng)16反應(yīng)速率：單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量催化劑上，A物質(zhì)反應(yīng)的量(mol/s·gcatalyst)反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)確定反應(yīng)速率的單位：mol/dm3·s粗略計(jì)算平均反應(yīng)速率瞬時(shí)速率？想象一個(gè)間歇反應(yīng)釜如果是連續(xù)流動(dòng)的反應(yīng)器，上式還成立嗎？17例:氫氧化鈉在反應(yīng)嗎?18NaOH+CH3COOC2H5

CH3COONa+C2H5OH穩(wěn)態(tài)完全混合?反應(yīng)!!!Xrj

的確定19單位體積內(nèi)組分j的生成速率rj

的速率方程是代數(shù)方程，它只是反應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)以及體系反應(yīng)條件的函數(shù)

（如，組分濃度，溫度，壓力，催化劑種類，等）速率方程與反應(yīng)在何種類型反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生無關(guān)(如,間歇釜式或者連續(xù)流反應(yīng)器)

錯(cuò)誤的定義!!!僅對(duì)體積恒定的間歇釜系統(tǒng)適用慎用速率方程應(yīng)該如何寫？20Aproducts速率方程是代數(shù)方程冪函數(shù)型、雙曲線型

習(xí)慣上:rA

：A生成的速率-rA

：A消失的速率第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器1.6小結(jié)211.2通用的摩爾衡算方程22進(jìn)入系統(tǒng)的j組分的流率(摩爾數(shù)/時(shí)間)離開系統(tǒng)的j組分的流率(摩爾數(shù)/時(shí)間)體系內(nèi)由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的j組分速率(摩爾數(shù)/時(shí)間)系統(tǒng)內(nèi)組分j的積累速率(摩爾數(shù)/時(shí)間)+-=摩爾衡算進(jìn)出生成積累-+=rj1rj2V1V2V反應(yīng)速率隨著位置而發(fā)生變化假設(shè)：在系統(tǒng)內(nèi)，所有系統(tǒng)變量在空間分布都是均勻的組分j的生成速率化學(xué)反應(yīng)工程的基本方程設(shè)計(jì)方程第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器1.6小結(jié)251.3間歇釜式反應(yīng)器26小規(guī)模操作

用于測(cè)試新過程

用于高價(jià)值產(chǎn)品生產(chǎn)

用于

難于連續(xù)操作的過程單批次勞動(dòng)成本高不同批次間產(chǎn)品變化大難于大規(guī)模生產(chǎn)間歇釜攪拌裝置理想混合：間歇釜反應(yīng)器:沒有物質(zhì)的流入與流出組分j的通用摩爾衡算方程：例:組分A的異構(gòu)化反應(yīng)NA0NANA10t1tNB10t1tNBABP恒體積間歇釜恒壓間歇釜可移動(dòng)塞書例1-2第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器1.6小結(jié)311.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器(CSTR)32(或稱全混釜,或返混釜)液相反應(yīng)穩(wěn)態(tài)理想混合反應(yīng)器內(nèi)的溫度，濃度，或反應(yīng)速率不依賴于時(shí)間及內(nèi)部空間位置CSTR中任一變量在空間各點(diǎn)的值是均一的各處的溫度、濃度都相同變量值:出口=內(nèi)部CSTR的剖視圖

通用的摩爾衡算方程CSTRfeatures:(1)(2)CSTR的設(shè)計(jì)方程1.4.2管式反應(yīng)器（PFR）35ReactantsProducts活塞流:速度,濃度,溫度,或反應(yīng)速率在徑向上沒有差異通用的摩爾衡算方程Fj0產(chǎn)物VV+VVFjFjGj微分體積V對(duì)于組分

A:進(jìn)–

出+生成=積累穩(wěn)態(tài)摩爾衡算的微分形式變徑反應(yīng)器FA(V)VFA(V+V)控制體積:V

(反應(yīng)速率在該空間無變化)高壓聚乙烯：1000~2000atm，低密度，10萬噸/年1.4.3填充床反應(yīng)器（PBR）39非均相反應(yīng)

反應(yīng)在催化劑表面發(fā)生=反應(yīng)掉A摩爾數(shù)/秒·克催化劑FA0WW+WWFA(W)FA(W+W)GjFA摩爾衡算進(jìn)出生成-+=微分形式積分形式積累Example1-3在一個(gè)體積流率恒定的管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一級(jí)不可逆液相反應(yīng)，AB

(1)推導(dǎo)一個(gè)將反應(yīng)器體積與A組分進(jìn)出口濃度、反應(yīng)速率常數(shù)k和體積流率關(guān)聯(lián)的方程。

(2)當(dāng)＝10L/min和反應(yīng)速率常數(shù)k＝0.23min-1時(shí)，將出口濃度減少到入口濃度10％時(shí)所需的反應(yīng)器體積。第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器（自學(xué)）1.6小結(jié)43[1]液相反應(yīng)半間歇反應(yīng)器

通過調(diào)節(jié)進(jìn)料速率控制溫度;

通過保持一種反應(yīng)物的低濃度，可以最小化副反應(yīng)的發(fā)生CSTRs

強(qiáng)攪拌;

易于控溫;

單位反應(yīng)器體積內(nèi)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率最小44[2]氣相反應(yīng)46PFR:單位反應(yīng)器體積，轉(zhuǎn)化率最高難于控制反應(yīng)器內(nèi)溫度,反應(yīng)放熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)大多數(shù)均相的液相流動(dòng)體系反應(yīng)器是CSTR；大多數(shù)均相的氣相流動(dòng)體系反應(yīng)器是管式的。

PBR:填充固體催化劑顆粒的管式反應(yīng)器流化床例:Fischer-Tropsch反應(yīng)F-T合成(1923)SlurrybedTricklebedCFBFB參考Davis(2002),Dry(2002)高溫工藝(300-350C)鐵基催化劑用于生產(chǎn)汽油和直鏈低分子量石蠟FBCFBFB:Sasol

低溫工藝(200-240C)鐵或鈷基催化劑用于生產(chǎn)直鏈高分子量石蠟FB–Slurrybed:Sasol,Shell強(qiáng)放熱反應(yīng)槳態(tài)床反應(yīng)器的熱力學(xué)模型Krishna,R.(Univ.Amsterdam)FT操作模式:理由：費(fèi)用;冷卻;壓降;催化劑等球形反應(yīng)器球形超精煉單元[Amoco]

第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應(yīng)速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應(yīng)器1.4連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 1.4.2管式反應(yīng)器

1.4.3填充床反應(yīng)器1.5工業(yè)反應(yīng)器1.6小結(jié)521.對(duì)組分

j的摩爾衡算，在一個(gè)體積為V的系統(tǒng)中進(jìn)入，離開，反應(yīng)和積累的量為進(jìn)入離開產(chǎn)生積累-+=小結(jié)

2.

四種常見反應(yīng)器內(nèi)組分A的摩爾衡算BatchCSTRPFRPBR無空間差異無空間差異,穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)摩爾衡算微分形式代數(shù)形式積分形式3.反應(yīng)速率