工业化学反应过程及反应器省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

化学反应工程化学反应工程化学反应工程化学反应工程第1页6.1 工业化学反应过程及反应器工业化学反应过程及反应器教学目标：了解化学反应工程要处理主要问题 了解化学反应器主要类型、结构 掌握化学反应器操作方式和特点 掌握化学反应速率、转化率、选择性和收率概念和应用 重点难点：化学反应器主要类型、结构和操作特点 化学反应速率、转化率、选择性和收率概念和应用 参考文件：梁斌等编，化学反应工程，科学出版社。朱炳辰主编，化学反应工程，化学工业出版社。郭锴等编，化学反应工程，化学工业出版社。张濂等编，化学反应工程原理，华东理工大学出版社。第2页化学反应工程是一门研究在生产装置(反应器)中进行化学反应工程学科，它把反应化学特征和反应器传递特征结合起来，形成了化学工程学科一个主要分支。一、化学反应工程概述一、化学反应工程概述研究内容研究内容包含两个方面内容，即反应动力学和反应器设计分析。图1经典化学加工过程化学反应工程研究对象研究对象，是生产过程关键关键-工业反应过程工业反应过程。第3页工业生产实践和试验室研究均表明，化学反应结果不但取决工业生产实践和试验室研究均表明，化学反应结果不但取决于于化学反应本身规律化学反应本身规律，而且在很大程度上还取决于工业反应，而且在很大程度上还取决于工业反应器中物料混合与流动、传质与传热等一系列带有共性工程技器中物料混合与流动、传质与传热等一系列带有共性工程技术问题，这被称为反应器术问题，这被称为反应器传递特征。传递特征。1、反应动力学、反应动力学-研究化学反应速率和反应机理，研究化学反应速率和反应机理，以取得工业反应器设计与操作所需动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等。2、反应器设计分析、反应器设计分析-研究反应器内上述原因改变规律，找出最优工况和适宜反应器型式和尺寸。宏观动力学方程宏观动力学方程：未排除传递过程影响直接测得动力学方程。：未排除传递过程影响直接测得动力学方程。本征动力学方程本征动力学方程：排除传递过程影响而得到动力学方程。：排除传递过程影响而得到动力学方程。在化学反应工程研究中，要求能把反应过程本身规律和物理原因在化学反应工程研究中，要求能把反应过程本身规律和物理原因影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应本征动力学方程影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应本征动力学方程是必要条件。是必要条件。注意：在试验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传注意：在试验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传递过程（主要是传热和传质）影响。递过程（主要是传热和传质）影响。第4页种种类类特点特点应应用范用范围围管式反应器长度远大于管径,内部没有任何构件多用于均相反应过程釜式反应器高度与直径比约为2-3内设搅拌装置均相、多相反应过程均可塔式(填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提升相互接触面积用于多相反应过程固定床底层内部装有不动固体颗粒，固体颗粒能够是催化剂或是反应物用于多相反应系统流化床反应过程中反应器内部有固体颗粒悬浮和循环运动，提升反应器内液体混合性能多相反应体系，能够提升传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂能够连续再生滴流床是固定反应器一个，但反应物还包含气液两种属于固定床一个，用于使用固体催化剂气液反应过程二、化学反应器类型二、化学反应器类型第5页（a）管式反应器；（管式反应器；（b）釜式反应器；（）釜式反应器；（c）板式塔；（）板式塔；（d）填料塔；）填料塔；（e）鼓泡塔；（）鼓泡塔；（f）喷雾塔；（）喷雾塔；（g）固定床反应器；（）固定床反应器；（h）流化床反应器；）流化床反应器；（i）移动床反应器；（）移动床反应器；（j）滴流床反应器）滴流床反应器第6页三、化学反应分类三、化学反应分类第7页均相反应与非均相反应：均相反应与非均相反应：均相反应均相反应：反应仅在单一相内发生。均相反应速率：反应仅在单一相内发生。均相反应速率取决于取决于反应物温度和浓度。反应物温度和浓度。非均相反应非均相反应：最少需要两个相存在，反应在两个相界面上发：最少需要两个相存在，反应在两个相界面上发生。非均相体系化学反应速率生。非均相体系化学反应速率与两相之间接触情况相关。与两相之间接触情况相关。第8页反应器操作方式：反应器操作方式：间歇操作：间歇操作：一次性投料，卸料。反应物系参数（浓一次性投料，卸料。反应物系参数（浓度或组成等）随时间改变。度或组成等）随时间改变。连续操作：连续操作：原料不停加入，产物不停引出，反应器原料不停加入，产物不停引出，反应器内物系参数均不随时间改变。内物系参数均不随时间改变。半连续（或半间歇）：半连续（或半间歇）：兼有以上两种过程特点，情况兼有以上两种过程特点，情况比较复杂。比较复杂。第9页四、化学反应速率概念四、化学反应速率概念 化学反应速率化学反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物反应量或产物生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中进行而不一样。1.1.间歇系统间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定反应时间到达所要求转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行。若搅拌系统效果良好，则反应物系组成，温度，压力等参数在每一瞬间都是一致，但随反应进行，其值随时间而变，故独立变独立变量量为时间时间。在间歇系统中在间歇系统中，反应速率能够表示为单位反应时间内单位反应时间内单位反单位反应混合物体积应混合物体积中反应物反应量或产物生成量。即：第10页转化率：转化率：组分组分A反应掉物质量与其开始时物质量反应掉物质量与其开始时物质量nA，0之比。之比。当反应体积不变时：当反应体积不变时：用转化率表示反应速率：用转化率表示反应速率：一个化学反应如有两种或两种以上反应物，不一样反应物一个化学反应如有两种或两种以上反应物，不一样反应物转化率是不等。转化率是不等。普通常选取限制组分（着眼组分）转化率进行计算。普通常选取限制组分（着眼组分）转化率进行计算。第11页化学反应速率2.2.连续系统连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态，系统到达定态后，物料在反应器内没有积累，系统中浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而改变，但在反应器中不一样位置这些参数是不一样。所以，对连续系统，物系中各参数是空间位置空间位置函数。连续系统连续系统中反应速率能够表示为单位反应体积中某一反应物中反应速率能够表示为单位反应体积中某一反应物或产物摩尔流量改变。即：或产物摩尔流量改变。即：对于对于均相反应均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据体积；对，反应体积指反应混合物在反应器中所占据体积；对于于气气-固相催化反应固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层体积。，反应体积指反应器中催化剂床层体积。第12页影响化学反应速率原因很多，温度、浓度和催化剂等是最主影响化学反应速率原因很多，温度、浓度和催化剂等是最主要影响原因。反应速率方程式（或称动力学方程式）定量地要影响原因。反应速率方程式（或称动力学方程式）定量地描述了反应速率与温度及浓度等影响原因关系。描述了反应速率与温度及浓度等影响原因关系。因为因为温度温度和和浓度浓度对反应速率影响最直接，常将反应速率表示为对反应速率影响最直接，常将反应速率表示为温度和浓度函数：温度和浓度函数：当前主要使用当前主要使用试验试验方法来确定化学反应速率方程式。方法来确定化学反应速率方程式。四、四、反应速率（反应速率（动力学）动力学）方程式方程式第13页反应速率方程式反应速率方程式A A：指前因子或频率因子，其单位与反应速率常数相同；指前因子或频率因子，其单位与反应速率常数相同；E E：化学反应活化能，化学反应活化能，J/molJ/mol；R R：气体常数，气体常数，8.3148.314J/(molJ/(mol.K)K)温度效应温度效应f（T）常表示为反应速率常数k：ArrheniusArrhenius经验方程经验方程经验方程经验方程浓度效应浓度效应可用幂级数形式表示：注意：注意：反应级数高低不能独立预示反应速率大小，但反应了反应级数高低不能独立预示反应速率大小，但反应了反应速率对浓度敏感程度。反应速率对浓度敏感程度。对于对于基元反应基元反应，化学方程式中计量系数就是反应速率式中各，化学方程式中计量系数就是反应速率式中各浓度项指数。浓度项指数。第14页 简单反应和复杂反应简单反应和复杂反应简单反应：简单反应：反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率方程表示化学反应。方程表示化学反应。复杂反应：复杂反应：反应速率需要用两个或两个以上速率方程式来表反应速率需要用两个或两个以上速率方程式来表示。如平行反应、连串反应等。示。如平行反应、连串反应等。第15页简单反应速率方程式简单反应速率方程式第16页1、一级反应、一级反应一级反应是工业上常见一个反应。许多有机化合物热分一级反应是工业上常见一个反应。许多有机化合物热分解和分子重排反应都属于一级反应。解和分子重排反应都属于一级反应。一级反应动力学方程：一级反应动力学方程：依据化学反应速率定义：依据化学反应速率定义：对于反应前后体积基本不变反应对于反应前后体积基本不变反应第17页2、二级反应、二级反应工业上常见二级反应：乙烯、丙烯二聚反应，烯烃加成反应工业上常见二级反应：乙烯、丙烯二聚反应，烯烃加成反应等，反应速率与反应物浓度乘积成正比等，反应速率与反应物浓度乘积成正比当当cA0=cB0，并在反应过程中，并在反应过程中A，B消耗物质量也相等，则消耗物质量也相等，则对于间歇操作，反应开始时，对于间歇操作，反应开始时，t=0，cA0=cB0：对于二级反应：对于二级反应：第18页2、二级反应、二级反应对于二级反应：对于二级反应：分离变量并积分得分离变量并积分得:第19页三、可逆反应三、可逆反应可逆反应：可逆反应：是指正方向和逆方向同时以显著速率进行化学反应。是指正方向和逆方向同时以显著速率进行化学反应。一级可逆反应：一级可逆反应：APk1k2当反应到达平衡时：当反应到达平衡时：第20页 简单反应和复杂反应简单反应和复杂反应简单反应：简单反应：反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率反应过程只需用一个化学计量方程式和一个速率方程表示化学反应。方程表示化学反应。复杂反应：复杂反应：反应速率需要用两个或两个以上速率方程式来表反应速率需要用两个或两个以上速率方程式来表示。如平行反应、连串反应等。示。如平行反应、连串反应等。第21页二、复杂反应速率方程式二、复杂反应速率方程式1 1 1 1、平行反应：、平行反应：、平行反应：、平行反应：反应物完全相同，但产物不相同或不完全相同反应物完全相同，但产物不相同或不完全相同一类反应。一类反应。A+BPSA+Bk1k2平行反应速率之比：平行反应速率之比：第22页2、连串反应、连串反应APSk1k2（P为目产物）假设每一步都是一级反应：假设每一步都是一级反应：第23页1 1 1 1、选择性：、选择性：、选择性：、选择性：是指转化掉反应物量与转化成目标产物反应物量是指转化掉反应物量与转化成目标产物反应物量之比。之比。选择性会伴随反应条件，如温度、压力、反应物组成、选择性会伴随反应条件，如温度、压力、反应物组成、转化程度等原因改变而改变。转化程度等原因改变而改变。选择性与收率选择性与收率第24页2 2 2 2、收率：、收率：、收率：、收率：也称产率或得率（也称产率或得率（yieldyield）。）。收率表示了原料有效利用程度。收率表示了原料有效利用程度。第25页反应速率控制步骤反应速率控制步骤当一个过程由若干连续步骤串联而成时，不论这些步骤是化学当一个过程由若干连续步骤串联而成时，不论这些步骤是化学反应还是扩散，其中速率最慢步骤将控制整个过程速率，这一反应还是扩散，其中速率最慢步骤将控制整个过程速率，这一步骤就称为总过程反应速率步骤就称为总过程反应速率控制步骤控制步骤控制步骤控制步骤。注：注：并不是每一个由若干子步骤组成总过程都必定存在反应速率控并不是每一个由若干子步骤组成总过程都必定存在反应速率控制步骤。有时会有两个或几个速率控制步骤。制步骤。有时会有两个或几个速率控制步骤。反应速率控制步骤也不是一成不变，因为反应条件改变，使控反应速率控制步骤也不是一成不变，因为反应条件改变，使控制步骤也发生改变。制步骤也发生改变。第26页理想反应器及其理想反应器及其理想反应器及其理想反应器及其设计计算设计计算设计计算设计计算第27页理想流动和理想反应器理想流动和理想反应器在连续操作反应器中，流体流动两种极端情况：在连续操作反应器中，流体流动两种极端情况：理想排挤：理想排挤：理想排挤：理想排挤：当物料在反应器内流动经过时，沿着物料当物料在反应器内流动经过时，沿着物料流动方向（轴向），因为发生了化学反应，物料浓度，流动方向（轴向），因为发生了化学反应，物料浓度，流速流速,转化率等都伴随轴向距离延伸不停地发生改变，转化率等都伴随轴向距离延伸不停地发生改变，但在不一样截面上并没有任何物料混合；而在与流动但在不一样截面上并没有任何物料混合；而在与流动方向垂直截面上（径向），各质点流速完全相同、温方向垂直截面上（径向），各质点流速完全相同、温度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向混合均匀。也度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向混合均匀。也叫做叫做平推流平推流平推流平推流或或活塞流活塞流活塞流活塞流。理想混合：理想混合：理想混合：理想混合：在一连续操作反应器中，因为有良好搅拌，在一连续操作反应器中，因为有良好搅拌，致使进入反应器物料马上与反应器内物料充分混合，致使进入反应器物料马上与反应器内物料充分混合，反应器内各点处处均匀，而且出口物料浓度与器内浓反应器内各点处处均匀，而且出口物料浓度与器内浓度也完全一样。度也完全一样。第28页 间歇釜式反应器间歇釜式反应器一、理想间歇操作釜式反应器（一、理想间歇操作釜式反应器（BSTR）特点：）特点：理想间歇操作釜式反应器中反应结果，唯一地理想间歇操作釜式反应器中反应结果，唯一地由化学反应本由化学反应本征动力学所确定征动力学所确定。因为釜式反应器是间歇操作，因为釜式反应器是间歇操作，釜内物料组成和反应进程均随时釜内物料组成和反应进程均随时间而变间而变。假如没有严格操作规程可能使不一样批次反应产物质。假如没有严格操作规程可能使不一样批次反应产物质量不一。量不一。因为猛烈搅拌，均相反应物可到达分子尺度上因为猛烈搅拌，均相反应物可到达分子尺度上均匀。因而排除了物质传递过程对化学反应影均匀。因而排除了物质传递过程对化学反应影响。响。当反应器含有足够快传热速率时，可使反应当反应器含有足够快传热速率时，可使反应器内温度均匀一致，因而也排除温度对化学器内温度均匀一致，因而也排除温度对化学反应影响。反应影响。第29页二、反应器容积计算二、反应器容积计算对间歇操作釜式反应器进行对间歇操作釜式反应器进行物料衡算物料衡算：对于着眼组分对于着眼组分A A：单位时间内因为反应而消耗单位时间内因为反应而消耗A物料量物料量=单位时间内单位时间内A物料积累量物料积累量输入物料量输入物料量=输出物料量输出物料量+反应掉物料量反应掉物料量+物料积累量物料积累量第30页对于对于定容过程定容过程：0tcAcA00txAxA=10t(-rA)0cA01/(-rA)cA面积面积=t0 xA1/(-rA)面积面积=t/cA0间歇反应器间歇反应器基本方程式基本方程式第31页反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级理想间歇操作釜式反应器理想间歇操作釜式反应器中简单级数反应表示式中简单级数反应表示式第32页间歇操作，除间歇操作，除反应所需时间反应所需时间t，还有加料、出料和清洗等，还有加料、出料和清洗等操作步骤所需操作步骤所需辅助时间辅助时间t每小时处理物料体积为每小时处理物料体积为v，反应器有效容积为，反应器有效容积为VR：装料系数为装料系数为：它是反应器有效容积占总容积比值，通常依据经：它是反应器有效容积占总容积比值，通常依据经验选定。对不发生泡沫不沸腾液体，验选定。对不发生泡沫不沸腾液体，采取采取0.70.85，反之，反之，只可采取只可采取0.40.6。第33页 理想管式反应器理想管式反应器一、理想管式反应器（一、理想管式反应器（PFR）特点）特点:理想管式反应器也称作理想管式反应器也称作平推流反应器平推流反应器平推流反应器平推流反应器(plug flow reactor,PFR)：在反应器轴向不一样位置上，物料浓度、反应速率、转化率在反应器轴向不一样位置上，物料浓度、反应速率、转化率等均不相等；等均不相等；在轴向每一个截面上，物料浓度、反应速率、转化率均相等，在轴向每一个截面上，物料浓度、反应速率、转化率均相等，且不随时间而改变；且不随时间而改变；在径向不存在浓度差。在径向不存在浓度差。第34页二、反应器容积计算二、反应器容积计算在等温定态条件下，对反应物在等温定态条件下，对反应物A A进行物料衡算进行物料衡算:单位时间内单位时间内A输入量输入量=单位时间内单位时间内A输出量输出量+单位时间内反应掉单位时间内反应掉A量量第35页对整个反应器，其边界条件为：对整个反应器，其边界条件为：若反应过程中流体体积流量不发生改变若反应过程中流体体积流量不发生改变空间时间空间时间：反应器有效容积与进口处体积流量之比。：反应器有效容积与进口处体积流量之比。平推流反应器平推流反应器基本方程式基本方程式第36页0cAcA00 xAxA=10(-rA)0cA01/(-rA)cA面积面积=VR/qV，00 xA1/(-rA)面积面积=/cA0=VR/qn，A0第37页反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级理想管式反应器中简单级数反应表示式理想管式反应器中简单级数反应表示式理想管式反应器反应结果与理想间歇反应器反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中，是空间时间，而间歇反应器中，t t为反应时间。为何在两种结构和操作情况都不相同反应器中，它们表示式却是一致呢？在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们变迁史是相同，反应推歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们变迁史是相同，反应推进力也是一致。进力也是一致。第38页 全混流反应器全混流反应器00进料进料出料出料全混流（理想混合）反应器全混流（理想混合）反应器（Continuous Stirred Tank Reactior，CSTR）特点：）特点：（1）物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。）物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。（2）因为充分搅拌，反应釜内物料浓度、温度处处相等）因为充分搅拌，反应釜内物料浓度、温度处处相等而且等于而且等于反应器出口物料浓度和温度反应器出口物料浓度和温度。0 0第39页在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：进行物料衡算：设反应过程中，物料体积不变设反应过程中，物料体积不变进入量进入量=引出量引出量+反应量反应量+累积量累积量qn,A0=qn,A0(1-xA)+(-rA)VRqV0cA0=qV0cA0(1-xA)+(-rA)VRVRqV0=cA0 xA-rA=cA0-cA-rA全混流反应器全混流反应器基本方程式基本方程式第40页0cA01/(-rA)cA面积面积=VR/qV00 xA1/(-rA)面积面积=/cA0=VR/qn，A0物料出口物料出口时情况时情况间歇釜式反应器和平推流反应器计算方程式都是微分形式；而间歇釜式反应器和平推流反应器计算方程式都是微分形式；而全混流反应器计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应全混流反应器计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物温度、浓度、转化率均不随时间而变器内，反应物温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程定态过程)也不随空间位置而变也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀整个反应器内是均匀)。与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成一样反应任务与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成一样反应任务(即流量相等，反应物转化率相等即流量相等，反应物转化率相等)全混流反应器所需空间时间全混流反应器所需空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应时间。远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应时间。第41页反应级数反应速率式反应物浓度式转化率式零级一级二级全混流反应器中简单级数反应表示式全混流反应器中简单级数反应表示式一样是连续流动，为何全混流反应器与平推流一样是连续流动，为何全混流反应器与平推流反应器结果会不一样呢反应器结果会不一样呢?第42页某液相反应某液相反应 A+B R+SA+B R+S，其反应动力学表示式为，其反应动力学表示式为(-(-rA)=k1CACBk2CRCS，式中，式中k1=7m3.kmol-1.min-1，k2=3m3.kmol-1.min-1。今要完成一生产任务，采取有效体积。今要完成一生产任务，采取有效体积为为 0.12m0.12m3 3全混流反应器，物料全混流反应器，物料A A、B B两股物流等体积加入，两股物流等体积加入，进料浓度为进料浓度为CA0=2.8 kmol.m-3，CB0=1.6 kmol.m-3，要求，要求B B转转化率到达化率到达75%75%，试求反应物，试求反应物A A、B B进料流量。进料流量。qvA、cA0qvB、cB0（qvA=qvB=0.004 m3 min-1）(-rA)=k1CACBk2CRCS=0.04（kmol.m-3.min-1）CA=1.4-0.8*0.75=0.8（kmol.m-3）CB=0.8-0.8*0.75=0.2（kmol.m-3）CR=0.8*0.75=0.6（kmol.m-3）CS=0.8*0.75=0.6（kmol.m-3）VRqVA=cA0 xA-rA=cB0 xB-rA第43页多釜串联反应器多釜串联反应器1、多釜串联反应器中每一个釜都是一个连续操作全混流反、多釜串联反应器中每一个釜都是一个连续操作全混流反应器。应器。2、反应器之间流体不相互混合。、反应器之间流体不相互混合。第44页忽略釜间物料流动所需时间，可按全混流反应器处理：忽略釜间物料流动所需时间，可按全混流反应器处理：假定多釜串联反应器是由假定多釜串联反应器是由N个容积相等全混流釜组成个容积相等全混流釜组成对其中一个釜中对其中一个釜中A组分进行物料衡算：组分进行物料衡算：对于等温定态过程，上式除以对于等温定态过程，上式除以qV0，多釜串联反应器多釜串联反应器计算方程式计算方程式第45页对于一级反应：对于一级反应：第46页若为等温定容反应过程，且反应器各釜容积相等，则：若为等温定容反应过程，且反应器各釜容积相等，则：0用图解法求最终转化率是轻易。用图解法求最终转化率是轻易。假如各个釜容积不等，则斜率也不等，各操作线亦不平行。假如各个釜容积不等，则斜率也不等，各操作线亦不平行。此法优点：既可用于已知动力学方程式反应，也能够用于动力此法优点：既可用于已知动力学方程式反应，也能够用于动力学方程式形式复杂而必须直接利用试验数据作图场所。学方程式形式复杂而必须直接利用试验数据作图场所。不足：只有当反应速率能用单一组分浓度来表示时才能画出不足：只有当反应速率能用单一组分浓度来表示时才能画出xA对对rA曲线。对于平行、联串等复杂反应，图解法不适用。曲线。对于平行、联串等复杂反应，图解法不适用。第47页