化学反应工程基础课件.ppt
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1、-,1,第一节 化学反应和反应器分类,1、 化学反应的分类2、 反应器的分类3、 连续流动反应器内流体流动的两种理想形态,-,2,1、 化学反应的分类,(1) 按化学反应的特性分类(2) 按反应物料的相态分类(3) 按反应过程进行的条件分类,-,3,(1) 按化学反应的特性分类,-,4,(2) 按反应物料的相态分类,-,5,(3) 按反应过程进行的条件分类,-,6,2、反应器的分类,(1) 按物料相态分类的反应器种类(2) 按反应器的结构型式分类(3) 按操作方式分类,-,7,(1) 按物料相态分类的反应器种类,-,8,(2) 按反应器的结构型式分类,-,9,反应釜,-,10,夹套式蒸汽加热反
2、应釜,-,11,内外盘管式加热不锈钢反应釜 管式反应器,-,12,鼓泡塔反应器,-,13,固定床反应器,-,14,固定床反应器,-,15,厌氧流化床反应器,-,16,(3) 按操作方式分类,间歇反应器,连续反应器,半连续反应器,-,17,间歇反应器特点:1、反应物料一次加入,产物一次取出。2、非稳态操作,反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。3、同一瞬时,反应器内各点温度相同、浓度相同。,间歇反应器,-,18,连续反应器,反应物A,反应物B,生成物R,连续反应器特点:1、反应物料连续加入,反应产物连续引出。2、稳态操作,反应器内任一点的组成不随时间改变。,-,19,半连续反应器,半连续反应器特
3、点:1、某些反应物料一次加入,其余物料连续加入,或者将某种产物连续取出。2、非稳态操作。,-,20,3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态,平推流反应器,理想混合流反应器,-,21,平推流反应器,反应物A,反应物B,活塞流反应器,生成物R,平推流反应器特点:1、在稳态操作时,在反应器的每个截面上,物料浓度不随时间变化。2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变,故反应速率随空间位置改变,即反应速率的变化只限于反应器的轴向。,-,22,理想混合流反应器,反应物A,反应物B,生成物R,理想混合流反应器特点:1. 物料连续以恒定的流速流入、流出反应器,稳态操
4、作。2. 反应器内各空间位置温度、浓度均一。3. 反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。,-,23,第二节 均相反应动力学,均相反应是指在均一的液相或气相中进行的反应均相反应动力学内容:研究化学反应本身的速度规律,即物料的浓度,温度,催化剂等因素对化学反应速度的影响。 即Rp(C,T,Cats)均相反应动力学没有考虑到物理因素的影响,仅研究化学反应内在规律,-,24,1、 反应速率,定义:对均相反应而言,反应速率可定义为单位时间,单位反应体积中所生成(消失)的某组分的摩尔数。 即,:表示i组分的生成速率:表示i 组分的消失速率,-,25,对反应: aA + Bb lL + mM各组分的反应
5、速率:,-,26,它们之间:,幂函数形式:,k: 反应速率常数 1,2:实验测定常数 总级数 n=1+2,对基元反应:1=a2=b,复杂反应:n需实验测定,-,27,k = A0e-E/RT lnk =lnA0 E/RTdlnk/dT = E/RT2,(1) 反应对T敏感,所以,T对K的影响在低温下更敏感,k遵循Arrehnies方程:,(2) (低温),-,28,-,29,-,30,单一反应是指用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应。,2、等温、恒容、单一反应动力学方程式,不可逆反应一级不可逆反应二级不可逆反应可逆反应一级可逆反应二级可逆反应,为简化起见,只研究、等温、恒容、单一反
6、应动力学,-,31,2.1 一级不可逆方程,A,S,对于等温系统,k为常数,初始条件: t=0 CA=CA0,-,32,一级不可逆反应Ct关系,-,33,2.2 二级不可逆方程,因为A,B等摩尔消耗,所以CA0 xA = CB0 xB,令MCB0/CA0,可按一级不可逆反应的情况作类似的处理,有如下反应:,-,34,(1)M1 即 CA0=CB0 CA=CB,(2)M1 即 CA0CB0 CACB,-,35,不可逆二级反应的Ct关系左:;右:,-,36,-,37,2.3 一级可逆方程,若t=0,CR0=0,则CA + CR = CA0,-,38,当反应达到平衡时: dCA/dt CAe = k
7、2CA0/( k1+k2 ).,-,39,可逆一级反应Ct图,-,40,-,41,3、复合反应,复合反应是几个反应同时进行的,常见的复合反应有平行反应,连锁反应,平行连锁反应等。,平行反应连串反应,-,42,rR = dCR/dt = k1CA,rS = dCS/dt = k2CA,3.1 平行反应,-,43,积分: t = 0 CR0=CS0=0,-,44,一级平行反应C-t图,-,45,3.2 连串反应,rA=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CR,积分: t=0 CA=CA0 CR0=CS0=0,积分公式,-,46,积分公式,公式形式,
8、积分结果,-,47,令 dCR/dt =0 得:,-,48,CA,各组分浓度变化:,-,49,-,50,4、等温变容过程,对于定容或变容体系,组分I的变化速率为:对恒容:对变容:ri的变化不仅有dCi/dt变化,而且体系V变化,Ci/V,dV/dt都变化。 我们通常用膨胀率来表征变容的程度,dV/dt=0 ri=dCi/dt,-,51,4.1 膨胀率,定义:当物系体积随转化率 x 线性变化时,反应物 A 全部转化后系统体积的变化率。,-,52,反应开始时,只有A 结束时,只有P nV A=(2-1)/1=1,例:有一等温气相反应,计算A,-,53, 若开始时,除A以外,还有50的惰性气体,A?
9、反应开始时,A 1mol 惰性气体 1mol,共2mol;结束后,P 2mol 惰性气体 1mol,共3mol A=(3-2)/2=0.5 注意:计算A时,不仅要考虑反应的计量关系, 还要考虑系统中是否存在惰性气体,A的运用前提:系统V随x呈线性变化,-,54,4.2 动力学方程及积分表达式,-,55,表2-9 等温变容过程的速度式及积分式(膨胀法),-,56,例:在700及3kg/cm2恒压下发生下列反应 反应开始时,系统中含C4H10为116kg,当反应完成50时,丁烷分压以2.4kg/cm2.s速率发生变化,求下列项次的变化速率:乙烯分压 H2的摩尔数 丁烷的摩尔分率,-,57,解: A
10、=(31)/1=2 反应开始时:y C4H10=1 pA=yAp x=0.5 y C4H10=1/4 pA=(1/4)p y C2H4=1/4 pA=(2/4)p y H2=1/4 pA=(1/4)p,-,58,-,59,-,60,5、均相反应动力学的建立,5.1 微分法5.2 积分法(试差法),-,61,微分法(图解法),a.先假定一个反应机理,并从它求出动力学方程式,其型式为:,b.实验数据CA(xA) 、t作图,得一光滑曲线,在相应浓度位置求取曲线的斜率,此斜率 就代表该组成下的反应速率,如下图a.c.将上一步骤所得的dCA/dt各对f(CA)作图,若得一通过原点的直线,表明假定机理与实
11、验数据相复合。否则需重新假定一动力学方程加以检验,此步骤如下图b所示。,-,62,图 微分法检测动力学方程图解程序(a)斜率为dCA/dt的曲线; (b)斜率为k的曲线,(a),(b),斜率k,-,63,A+B P,动力学方程,使CA0=CB0, 则,取对数,以lgrAlgCA作图得一直线,斜率为n,截距为lgk,改变CA0CB0,测初始反应速率,作图可得,而,如,-,64,微分法(最小二乘法),A+B P,-,65,积分法(试差法),a.写出反应速率方程的积分式:,b.求积分式的解,c.做f(C)t图,直线斜率则为k值,-,66,例:,假定速率方程为:,将上式积分:,实验数据CA(xA) 、
12、t作图,得一条直线。如果将实验数据标绘上去能与直线满意拟合,则推测的动力学方程可取,否则应采用另一动力学方程并加以检验。,-,67,积分法检验速率方程图解程序,-,68,第三节 理想反应器的设计,设计中主要解决的问题:(a)提高反应物料进行反应所需要的容积,保证设备有一定的生产能力。(b)具有足够的传热面积,保证反应过程中热量的传递,使反应指控在最适合的温度下进行。(c)保证参加反应的物料均匀混合。,-,69,物料衡算,物料衡算的理论基础是质量守恒定律,即反应前后的物料质量应该相等。,上式是普遍的物料衡算式,无论对流动系统或间歇系统均可适用。,流入量-,流出量,-反应消失量,-累积量=0,间歇
13、式反应器:流入量=0,流出量=0;稳态操作连续流动反应器:累积量=0;非稳,连续,半连续:都不为零。,-,70,热量衡算,热量衡算的依据是能量守恒定律,对于流动系统和间歇系统可列出均可适用的普遍的热量衡算式:,Q物料流入+Q反应过程的热效应,-Q物料流出,-Q反应系统与外界交换,-Q累积=0,间歇:Q物料流入=0,Q物料流出=0;稳态操作连续流动反应器: Q累积=0。,-,71,热力学第一定律:在一个封闭系统中,能量和物质是不能产生或消灭的。即能量和物质不能凭空产生也不能凭空消亡 。(能量守恒)能量守恒的意义1.能的转化与守恒是分析解决问题的一个极为重要的方法,它比机械能守恒定律更普遍。例如物
14、体在空中下落受到阻力时,物体的机械能不守恒,但包括内能在内的总能量守恒。 2.能量守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一,也庄重宣告了第一类永动机幻想的彻底破灭。 3.能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器,这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来。,第一类永动机(不可能制成)不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器。 其不可能存在,因为违背的能量守恒定律,-,72,热力学第二定律:“熵在增加”。根据这一定律,从一种能向另一种能的任何转换都不是完全有效的,能的消费是不可逆的过程。(单向流动)热力学第二定律的表述主要有两种; (1)克劳修斯说法:“热量不能自动从低温物体流向高温物体”。
15、(2)开尔文说法:“不可能从单一热源吸热使之完全变为功,而无其它变化”。 关系热力学第二定律的两种表述(前2种)看上去似乎没什么关系,然而实际上他们是等效的,即由其中一个,可以推导出另一个。,意义,热力学第二定律的每一种表述,揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性,使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。,一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。,第二类永动机(不可能制成),只从单一热源吸收热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机。,-,73,第二类永动机效率为100%,虽然它不违法能量守恒定律,但大量事实证明,在任何情况下,热机都不可能只有一个热源,热
16、机要不断地把吸取的热量变成有用的功,就不可避免地将一部分热量传给低温物体,因此效率不会达到100%。第二类永动机违反了热力学第二定律。,实际上热力学第二定律可以从统计物理学的角度说明。 众所周知,温度是物体内部分子热运动剧烈程度的度量,温度越高的物体,内部的分子热运动就越剧烈,所以当高温物体与低温物体接触,它们内部的分子就会碰撞和发生分子间作用力,热运动剧烈的分子会通过碰撞和分子间作用力等途径把能量传递给热运动剧烈程度低的物体,最终使两种物体分子的热运动剧烈程度趋于一致。 当然分子的热运动剧烈程度不可能真的一致,这是一个统计学的概念,就是说分子热运动剧烈程度本来差异很大,而最后热运动剧烈程度在
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