第3講 初等反應工程 Ch1 摩爾衡算

高等反應工程

第三講初等反應工程

Ch1

摩爾衡算福建師范大學化學與化工學院郭菊花第三講初等反應工程Ch1摩爾衡算Ch2轉化率和反應器尺寸Ch3速率方程和化學計量學Ch4等溫反應器設計Ch5化學反應速率數據收集與分析Ch6復合反應Ch7生化反應（略講，看時間）Ch8穩(wěn)態(tài)費等文反應器設計Ch9停留時間分布Ch10非理想反應器2復習3RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工過程(Typicalchemicalprocess)預處理后處理核心復習4化學工藝反應器中流體流動、混合傳熱和傳質化學催化劑優(yōu)化工程控制反應過程分析工藝路線流程與設備化學熱力學與反應動力學反應過程動態(tài)特性與反應系統(tǒng)測量和控制傳遞工程引言工業(yè)反應過程的開發(fā)和反應器的設計、操作及控制均是以正確把握研究的反應體系的基本特征為基礎的。一個反應體系的主要特征至少包括以下三個方面：1.化學計量學——研究反應過程中各組分變化量之間的相互關系；2.化學熱力學——研究反應過程中的能量轉化和反應體系的平衡性質；3.化學動力學——研究反應速率和反應物系組成、溫度之間的關系。5簡單反應or復雜反應，串聯(lián)or并聯(lián)能量轉化(熱效應、電化學)，平衡(化學、相)復雜體系獨立反應數的確定方法化學計量系數矩陣法實質：矩陣求秩，系數矩陣的秩就是獨立反應數適用場合：已知所有可能存在的化學反應式原子矩陣法理論基礎：原子數目守恒實質：矩陣求秩，獨立反應數=組分數-原子矩陣的秩適用場合：已知組分數，不知反應式數6獨立反應數概念的應用I.利用較易測定組分的反應量計算難測定組分的反應量在確定了和獨立反應數相等的關鍵組分的反應量后，反應體系中其余組分的反應量均可由獨立反應數概念的應用學計量關系確定。可以選擇苦干種反應量比較容易測定的組分為關鍵組分，由它們的反應量去計算較難測定組分的反應量。7獨立反應數概念的應用II.復雜反應體系的物料衡算和能量衡算的簡化計算step1.確定反應體系的獨立反應數；step2.選定一組合適的獨立組分和獨立反應；step3.實驗測定或動力學計算獨立組分的反應量；step4.利用化學計量方程或原子矩陣計算非關鍵組分的反應量和反應的熱效應。注意：未選作獨立反應的反應也是存在的當考察反應速率時，要考慮到所有反應8第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應器1.4連續(xù)流動反應器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

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

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

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

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

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

二者絕對值相等，符號不同反應速率-rA15單位時間，單位體積內，A反應（消失）的物質量(mol/dm3·s)如

負號:反應物消失正號：產物形成（產生）多相反應16反應速率：單位時間內單位質量催化劑上，A物質反應的量(mol/s·gcatalyst)反應速率的實驗確定反應速率的單位：mol/dm3·s粗略計算平均反應速率瞬時速率？想象一個間歇反應釜如果是連續(xù)流動的反應器，上式還成立嗎？17例:氫氧化鈉在反應嗎?18NaOH+CH3COOC2H5

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

的確定19單位體積內組分j的生成速率rj

的速率方程是代數方程，它只是反應物質性質以及體系反應條件的函數

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

錯誤的定義!!!僅對體積恒定的間歇釜系統(tǒng)適用慎用速率方程應該如何寫？20Aproducts速率方程是代數方程冪函數型、雙曲線型

習慣上: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反應速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應器1.4連續(xù)流動反應器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

1.4.3填充床反應器1.5工業(yè)反應器1.6小結211.2通用的摩爾衡算方程22進入系統(tǒng)的j組分的流率(摩爾數/時間)離開系統(tǒng)的j組分的流率(摩爾數/時間)體系內由化學反應產生的j組分速率(摩爾數/時間)系統(tǒng)內組分j的積累速率(摩爾數/時間)+-=摩爾衡算進出生成積累-+=rj1rj2V1V2V反應速率隨著位置而發(fā)生變化假設：在系統(tǒng)內，所有系統(tǒng)變量在空間分布都是均勻的組分j的生成速率化學反應工程的基本方程設計方程第三講Ch1摩爾衡算1.0概述1.1反應速率-rA的定義1.2通用的摩爾衡算方程1.3間歇反應器1.4連續(xù)流動反應器

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

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

用于測試新過程

用于高價值產品生產

用于

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

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

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

通用的摩爾衡算方程CSTRfeatures:(1)(2)CSTR的設計方程1.4.2管式反應器（PFR）35ReactantsProducts活塞流:速度,濃度,溫度,或反應速率在徑向上沒有差異通用的摩爾衡算方程Fj0產物VV+VVFjFjGj微分體積V對于組分

A:進–

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

(反應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填充床反應器（PBR）39非均相反應

反應在催化劑表面發(fā)生=反應掉A摩爾數/秒·克催化劑FA0WW+WWFA(W)FA(W+W)GjFA摩爾衡算進出生成-+=微分形式積分形式積累Example1-3在一個體積流率恒定的管式反應器內進行一級不可逆液相反應，AB

(1)推導一個將反應器體積與A組分進出口濃度、反應速率常數k和體積流率關聯(lián)的方程。

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

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

1.4.3填充床反應器1.5工業(yè)反應器（自學）1.6小結43[1]液相反應半間歇反應器

通過調節(jié)進料速率控制溫度;

通過保持一種反應物的低濃度，可以最小化副反應的發(fā)生CSTRs

強攪拌;

易于控溫;

單位反應器體積內反應物轉化率最小44[2]氣相反應46PFR:單位反應器體積，轉化率最高難于控制反應器內溫度,反應放熱時會出現(xiàn)熱點大多數均相的液相流動體系反應器是CSTR；大多數均相的氣相流動體系反應器是管式的。

PBR:填充固體催化劑顆粒的管式反應器流化床例:Fischer-Tropsch反應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直鏈高分子量石蠟FB–Slurrybed:Sasol,Shell強放熱反應槳態(tài)床反應器的熱力學模型Krishna,R.(Univ.Amsterdam)FT操作模式:理由：費用;冷卻;壓降;催化劑等球形反應器球形超精煉單元[Amoco]

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

1.4.1連續(xù)攪拌釜式反應器 1.4.2管式反應器

1.4.3填充床反應器1.5工業(yè)反應器1.6小結521.對組分

j的摩爾衡算，在一個體積為V的系統(tǒng)中進入，離開，反應和積累的量為進入離開產生積累-+=小結

2.

四種常見反應器內組分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形式積分形式3.反應速率