呼吸窘迫综合征.ppt

反应工程(化学反应工程),Reaction Engineering(Chemical Reaction Engineering),教材：李绍芬主编 普通高等教育“九五”国家级重点教材参考教材：陈甘棠.化学反应工程.（第二版）.化学工业出版社 朱炳辰.化学反应工程.（第三版）.化学工业出版社（教材出版中心）,课程性质：专业选修课主讲：袁红联系方式：教学要求：课堂笔记，认真完成作业成绩评定（暂定）：平时占40%（作业25+考勤15），期末考试占60%课程的难易：中偏上,凡是采用化学方法将原料加工成产品的过程，例如化学工业、冶金、石油炼制和能源加工等工业过程。生产过程包括如下三个组成部分,图1.1典型的化学加工过程,和两部分属于单元操作，部分是反应工程的研究对象，是生产过程的核心。,矿石,金属 金属化合物,一定性能的金属材料,火冶金湿冶金电冶金,原油,轻质油重质油渣油,轻质油 烃类气体,蒸馏,热裂化 催化裂化加氢裂化,冶金,石油炼制,降低分子量、粘度、密度,制取半水煤气,脱除硫化物,原料气制备与净化,氨的净化：冷凝法、水吸法,例:,核心,化学反应过程的主体，研究什么内容，研究目标是什么，研究方法,？,第一章 绪论,本章内容,第一节 反应工程,第二节 反应进度、转化率、收率和选择性,第三节 化学反应器的类型及操作方式,第四节 反应器设计的基本方程,第五节 工业反应器的放大,教学要求,1了解本课程的任务和内容；2掌握反应进度，转化率，收率与选择性的定义及计算；3了解各类化学反应器的特征及操作方式。,数学模型方法进行反应器的放大,现有反应操作条件进行优化,反应速率,反应器,一、反应工程的任务,任务,内容,经验放大 知其然而不知其所以然相似放大 对物理过程有效数学模拟放大 目前比较科学的方法,化学反应工程学是使化学反应实现工业化的一门技术科学,第一节 反应工程,二、反应工程的研究内容,反应机理,反应速率方程,反应动力学：研究化学反应进行的机理与速率,例:,反应动力学、反应器设计与分析,反应速率,动力学实验,反应速率：,*反应动力学研究它们之间的定量关系,反应器设计与分析,反应器设计分析主要内容：选择合适反应器*确定反应器的尺寸 确定操作方式和优化操作条件,反应器内反应物的流动状态、混合状态、浓度与温度分布、质量和能量传递性能等影响反应速率,最大经济效益,动力学,反应器设计与分析,由点及面,反应本身的规律,反应器内部状况,三、反应工程与其它学科关系,与主要相关学科的联系：化学热力学：确定物系的各种物性常数，反应的可行性及可能达到的程度。反应动力学：反应器的选型、设计及操作方式选择都依赖于对反应动力学特性的认识。传递工程：流动与混合直接影响温度与浓度分布，最终影响离开装置物料的组成。装置中的“三传”（传热、传质、动量传递）是极其复杂的，装置放大时的“三传”也随之发生变化，即出现“放大效应”，因此要解决好装置的放大效应，就必须对反应器内流体的三传有一个十分清晰的认识。系统工程：反应装置最优化不一定整个系统是最优化，这时反应装置也就只能服从系统最优化目标。,四 反应工程的研究方法化学反应工程研究方法：数学模型：用数学语言来表达过程中各种变量之间的关系。化学反应工程中的数学模型：动力学方程式 物料衡算式 热量衡算式 动量衡算式 参数计算式,联立求解,物料衡算式热量衡算式动量衡算式动力学方程,反应装置浓度分布温度分布,r=f(C,T,P),五、反应工程的发展简述,反应动力学反应器的设计计算（确定反应器的尺寸）；确定操作方式和优化操作条件,本课程我们学习了什么？,第二节 转化率、收率和选择性,一、规范的化学计量方程,例:,1 计量方程中反应物计量系数为负值，产物为正值,2 计量方程仅表示由于反应引起参与反应的物质之间量的变化关系，与反应实际历程无关,3 计量方程的计量系数间不含有除1以外的公因子,注意:,反应机理,反应混合物中，某一组分起始物质的量为ni0,反应后该组分的物质的量为ni,定义反应进度为：,例:,定义：,注意:,注意:,二、反应进度（针对复合反应）,3 复合反应，各反应有自己的反应进度，设为,任意组分i的反应量等于各反应所作贡献的代数和,三、转化率（针对反应物）,定义：,间歇反应：,连续反应：,Z=0,Fi0,Z=Z,Fi,循环反应有物料循环反应的过程,单程转化率-新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率,单程转化率,全程转化率-新鲜原料进入反应系统起到离开系统达到的转化率,全程转化率,单程转化率,全程转化率,全程 转化率,单程 转化率,？,1、不同的反应物，X 值不同（原料配比若符合化学计量关系，则X的数值相同）,注意：,2、关键组分(着眼组分）为不过量、贵重的组分，关键组分的转化率最大可达100%。,3、反应物起始量的选择,连续反应器-进口原料状态,间歇反应器-反应开始状态,多个反应器串联-进入第一个反应器,例1.1,收率-针对产物,四、收率与选择性,对于单一反应 Y=X(关键组分)(无论用哪种产物计算结果均是如此)对于复杂反应 YX,收率也有单程和全程之分（循环物料系统）,注意：,正值,R:产物 A:关键组分,选择性针对复合反应,转化率X只能说明总的结果，Y说明 转化了的反应物变成 产物的比例，选择性S说明转化了的反应物变成 目的产物的比例；,-X关键组分，Y、S是同一产物,无论是收率、选择性、转化率还是反应进度,数值结果不一样，但说明同样的问题。,例1.2,小结,第三节化学反应器的操作方式及结构类型,操作方式：分批（或间歇）式操作：一次性投料卸料，反应物系浓度或组成等随时间变化。用于实验室、产量小、一个反应器生产多个产品，具有生产弹性大，操作灵活的特点。连续式操作：原料不断加入，反应器内物系参数均不随时间变化，随物料所处位置变化。用于产品品种单一而产量大的情况。半分批（或半连续）式操作：兼有以上两种过程特点，较复杂,按反应装置的结构分类：分为：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等类型,按反应相态分类：均相：气相、液相；非均相：气液、液液、气固、液固、固固、气液固,管式反应器,管式反应器是工业生产中常用反应器类型之一，大多采用长径比很大的圆形空管构成，常用于均相（气相、液相）反应。,移动床反应器：在反应器顶部连续加入固体反应物或催化剂，随着反应的进行，固体物料逐渐下移，自底部连续卸出，流体自下而上（或自上而下）通过固体床层。与固定床反应器及流化床反应器相比，其主要优点是固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变。,浆态床反应器：三相鼓泡塔，气体以鼓泡形式通过悬浮有固体细粒的浆液层，浆态床反应器结构比列管式固定床反应器更简单，易于安装，放大更容易。,釜式搅拌反应器,釜式搅拌反应器是一类应用广泛的反应器。其形状特征是长径远小于管式反应器，成“釜”状或“锅”状。釜式反应器内一定型式的搅拌桨叶可使釜内的物料混合均匀。多用于液相反应。,固定床反应器,固定床反应器多用于气固催化反应的设备。反应器中，催化剂颗料保持静止状态，称为固定床反应器。,塔式反应器,塔式反应器主要用于两相流体反应体系,第四节反应器设计的基本方程,反应器设计的基本方程物料衡算方程式以质量守恒定律为基础，计算反应器体积的基本方程热量衡算方程式以能量守恒与转化定律为基础，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化动量衡算方程式以动量守恒为基础，可以计算反应器中压力的变化动力学方程式反应速率与物质浓度、反应体系温度、压力的关系衡算方程形式：*输入量输出量+因反应而改变的量+累积量,第五节工业反应器的放大,化学反应器放大的方法,逐级经验放大法,费时费钱，难做到高倍数放大,数学模型法,基础是化学反应工程，手段是计算，如果缺乏对过程的深刻认识会导致失败,反应过程的开发方法,反应过程,反应热力学计算,小型热模,大型冷模,催 化 剂,操作条件,本征动力学,宏观动力学,反 应 器 型 式,数学模型,中 试,工业示范装置,工程参数,本章重点,化学反应转化率、选择性和收率的概念和应用,作业：1.1 补充题,例题 1.1 合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯,多是由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到,反应式如下,由于乙炔价格高于氯化氢,使用的原料混合气中氯化氢是过量的,设其过量10%。若反应器出口气体中氯乙烯摩尔分数为90%，试分别计算乙炔的转化率和氯化氢的转化率。,解：计算基准:设进入反应器的乙炔为1mol。乙炔的转化量为X，由题目知氯化氢与乙炔的化学计量系数比为1，由于氯化氢过量10%,因此原料气中氯化氢为1.1mol,题给反应器出口气体中氯乙烯摩尔分数为90%,故,解之得：,可见按不同反应物计算的转化率数值上是不相同的，若氯化氢不过量则两者相同,例题1.2,在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进入催化反应器的气体中各组分的摩尔分数分别为C2H415%,O27%,CO210%,Ar12%,其余为N2。反应器出口气体中含C2H4和O2的摩尔分数分别为13.1%,4.8%。试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率和反应选择性。,氯化氢的反应量与乙炔相同,故氯化氢的转化率,解：以100mol进料为计算基准，并设x和y分别表示环氧乙烷和水的生成量,根据题给的进料组成和该反应系统的化学计量式1.9和式1.10,可列出下表,由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知,所以可列出下面两个方程:,解之得：x=1.504mol y=0.989mol,乙烯的转化量为 1.504+0.989/2=1.999mol,所以,乙烯的转化率等于X=1.999/15=0.1333或13.33%,环氧乙烷的收率Y=1.504/15=0.1003或10.03%,将乙烯转化率及环氧乙烧收率代入式1.12,得反应选择性为 S=0.1003/0.1333=0.7524或75.24%,解：（1）由收率、选择性、转化率关系得：,由题目知 XA=0.72，Yp=0.692.,（2）设计算基准为100mol进料，设CH3OH的转化率为XA，甲醛的收率为Yp,解：设进入反应器的C2H2为1mol，反应的量为Zmol,按题意：反应器出口气体中氯乙烯含量为0.85，则,则乙炔反应的量Z=乙炔的转化率 氯化氢的转化率,补充习题2：反应器内进行气相反应,反应温度下，Kp1=2.667，Kp2=3.200，反应时总压为1.0133MPa，进料组成为A=2mol，B=1mol，反应达平衡时，计算反应器出口物料组成。,解：已知,设反应1中A转化的量为n1 mol，反应2中A转化的量为n2 mol。达平衡时，各组分的物料量为：,联解上式得到n1，n2的值，继而求得平衡时反应器出口物料的组成请各班学委于本周四收齐作业，放到实验楼四楼李力老师处,