应用化学反应动力学及反应器设计基础.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础,第一节 化学反应和工业反应器分类,第二节 化学计量学,第三节 加压下气相反应反应焓和化学平衡常数,第四节 化学反应速率及动力学方程,第五节 温度对反应速率影响及最正确反应温度,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,第七节 讨论与分析,1/139,第一节 化学反应和工业反应器分类,一、化学反应分类,二、工业反应器分类,1.,按操作方法分类,2.,按流动模型分类,3.,按结构型式分类,2/139,一、化学反应分类,按反应特征分类：,机理，可逆性，分子数，级数，热效应,按反应过程条件分类：,均相；非均相（催化非催化），如：,气固相催化反应，气液相反应。,温度，压力，操作方式,化学反应按功效共性归类，称为化学反应单元,3/139,4/139,一、化学反应分类,5/139,第一节 化学反应和工业反应器分类,一、化学反应分类,二、工业反应器分类,1.,按操作方法分类,2.,按流动模型分类,3.,按结构型式分类,6/139,二、工业反应器分类,当代大型化工厂外貌特征：厂房毗连，设备庞大，高塔林立，管道纵横。设备和管道交织复杂。其中，化学反应器是化工厂关键设备。,用来实现化学改变设备反应器,按反应物料相态进行分类，可有均相反应器和非均相反应器两大类。,按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。,7/139,1,、按反应相态，可分为,均相,和,非均相,反应 器。,常见均相反应器是气相均相反应器和液相均相反应器；,常见非均相反应器有气固相、气液相、液固相和气液固相反应器。,2,、按反应器与外界换热方式，可分为等温、换热和绝热反应器。,3,、按流动状态，可分为理想流动和非理想反应器。,4,、按加料方式，可分为间歇、半间歇和连续流动反应器。,5,、按反应器结构，可分为釜式、管式和塔式。,8/139,1.,按操作方法,间歇，连续，半连续,9/139,A,B,T,Z,间歇反应器物料浓度与时间相关,连续反应器物料浓度与位置相关,10/139,3.,按流动模型分类,停留时间：流体从进入反应器系统到离开反应器系统总共经历时间，即流体从系统进口到出口所花费时间。,反应物料在反应器内停留时间越长，反应进行得越完全。,对于间歇反应器，在任何时刻下反应器内全部物料在其中停留时间都是一样，不存在停留时间分布问题。,对于流动系统，因为流动是连续，而流体分子运动是无序，全部分子都遵照统一路径向前移动是不可能，所以存在停留时间分布,.,不一样质点在反应器中停留时间不一样，形成停留时间,分布,RTD(residence time distribution),。,两个概念,11/139,12/139,寿命,反应物料质点从进入到离开反应器时停留时间，是对已经,离开反应器物料质点而言。,年纪,依然停留在反应器中质点停留时间。是对仍留在反应器,中物料质点而言。,相互联络：寿命是指反应器出口流出流体年纪。,！停留时间分布普通指寿命分布,13/139,寿命,反应物料质点从进入到离开反应器时停留时间，是对已经,离开反应器物料质点而言。,年纪,依然停留在反应器中质点停留时间。是对仍留在反应器,中物料质点而言。,相互联络：寿命是指反应器出口流出流体年纪。,！停留时间分布普通指寿命分布,返混,不一样年纪质点或粒子之间混合，称为返混（,Back Mixing,）,返混是时间概念上混合,。,14/139,3.,按流动模型分类,流动模型是,连续流动,反应器中流体流经反应器,流动,和,返混,模型。,理想流动模型,平推流反应器（完全没有返混）,Plug flow reactor,（,PFR,）,全混流反应器（返混为极大值）,Mixed flow reactor,（,MFR,）,Continuous Stirred Tank Reactor(CSTR),15/139,假设：,反应物以稳定流量流入反应器，在反应器中平行像气缸活塞一样向前移动,沿着物料流动方向，温度、浓度不停改变,垂直于物料流动方向截面上物料参数相同,全部物料质点在反应器中含有相同停留时间（寿命）,反应器中不存在返混（年纪不一样质点不混合）,特点：,16/139,17/139,假设：,反应物流以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入新鲜物料与存留在反应器中物料瞬间到达完全混合。,反应器中全部空间位置物料参数一致，等于反应器出口处,物料性质,返混为极大值（年纪不一样质点完全混合），物料质点在反应器中形成停留时间分布（寿命）,特点：,18/139,宏观停留时间,19/139,20/139,4.,按,反应器类型分类,管式反应器,釜式反应器,塔式反应器,板式塔,填料塔,气,-,液,21/139,固定床反应器,流化床反应器,床式反应器,气,-,固,22/139,移动床反应器,滴流床反应器,浆态床反应器,气,-,液,-,固,23/139,反应器图片,24/139,本节内容回顾,一,、化学反应分类,1.,按反应化学特征分类,2.,按反应过程分类,二、工业反应器分类,1.,按反应物料相态分类,2.,按操作方法分类,3.,按流动模型分类,4.,按结构型式分类,25/139,2.,按流动模型分类,停留时间分布,RTD (,residence time distribution,),返混,Back Mixing,Life Distribution,Age Distribution,26/139,2.,按流动模型分类,理想流动模型和非理想流动模型,活塞流反应器,Plug flow reactor,（,PFR,）,全混流反应器,Mixed flow reactor,（,MFR,）,Continuous Stirred Tank Reactor(CSTR),27/139,按结构型式分类,3.,28/139,化工厂图,29/139,30/139,化工设备,31/139,常见反应器,用来实现化学改变设备,过程工业中关键装置，其性能对生产过程影响举足轻重。,裂解炉,搅拌釜式反应器,多釜串联反应器,气液相塔式反应器,固定床反应器,流化床反应器,气液固三相反应器,32/139,33/139,第二节化学计量学,化学计量学,(stoichiometry),是以化学反应式形式表示质量守恒定律，用于计算某一时刻化学组成和各组分数量改变。,(not chemometrics),对化学反应过程各参数进行计量,34/139,-metry,measure,meter-metre,-o-,用来组成带有,-cracy,-logy,-meter,等希腊系词尾派生词,现亦可用来组成拉丁及其它语系词尾派生词,如,:,technocracy,technology,speedometer,，,democracy,stoichi,o,metry,chem,o,metrics,Topology,biology,Meteorology,Geology,Hydrology,Physiology,Virology,Ecology,Zoology,Physiology,35/139,一、化学计量式,(,stoichiometric equation),表示反应组分间数量关系,（有别于,chemical equation,，拉瓦锡首创）,反应物取负值，生成物取正值。,N,2,3H,2,2NH,3,=0,SO,2,0.5O,2,1.5SO,3,0,36/139,一、化学计量式,(stoichiometric equation),假如有,m,个反应同时进行，则第,j,个反应和总反应化学计量式可分别表示为：,反应物取负值，生成物取正值,37/139,二、,反应程度、转化率及化学膨胀因子,1,反应程度,extent of reaction,反应物取负值，生成物取正值。,38/139,二、,反应程度、转化率及化学膨胀因子,2,转化率,conversion,39/139,二、反应程度、转化率及,化学膨胀因子,extent of reaction,conversion,chemical expansion factor,2SO,2,O,2,2SO,3,已知进料,SO,2,为,3mol,，,O,2,为,2mol,（）当,SO,2,反应,1mol,时，计算体系物质总量改变；,（）当,SO,2,反应,3mol,时，计算体系物质总量改变；,（）当,SO,2,转化率到达,0.6,时，计算体系物质总量改变。,40/139,二、反应程度、转化率及,化学膨胀因子,extent of reaction,conversion,chemical expansion factor,3,化学膨胀因子,chemical expansion factor,每转化掉,1mol,反应物,A,时，反应混合物物质量改变，用符号 表示,。,对于反应：,41/139,3,化学膨胀因子,chemical expansion factor,在恒温恒压下进行,注意：当系统中含有惰性成份,i,时,42/139,3,化学膨胀因子,chemical expansion factor,Expansion ratio,膨胀率,盖,吕萨克定律：,43/139,3,化学膨胀因子,chemical expansion factor,膨胀,率,意义：当转化率,xA,改变到,1,时，引发体系物质量（体积）改变率。,不但考虑了反应计量关系，而且考虑了是否存在惰性物料。,44/139,3,化学膨胀因子,chemical expansion factor,45/139,标准情况下，,100L,进入,SO,2,氧化器气体组成（摩尔分数）为,SO,2,:3.07%;SO,3,:4.6%;,O,2,:8.44%;N,2,:83.89%,反应器出料中,SO,2,含量为,1.5%,，试计算反应进度和,SO,2,转化率。,例题,46/139,标准情况下，,100L,进入,SO,2,氧化器气体组成（摩尔分数）为,SO,2,:3.07%;SO,3,:4.6%;,O,2,:8.44%;N,2,:83.89%,反应器出料中,SO,2,含量为,1.5%,，试计算反应进度和,SO,2,转化率。,解：,SO,2,0.5O,2,SO,3,0,例题,47/139,标准情况下,(,等温等压），,100L,进入,SO,2,氧化器气体组成（摩尔分数）为,SO,2,:3.07%;SO,3,:4.6%;,O,2,:8.44%;N,2,:83.89%,离开反应器气体中,SO,2,含量为,1.5%,，试计算反应进度和,SO,2,转化率。,解：,SO,2,+0.5O,2,SO,3,例题,48/139,三、多重反应系统中独立反应数确实定,Simple and complex reaction system,单一反应,(single reaction),简单反应体系一个参数即可决定组成,多重反应,(multiple reactions),复杂反应体系需要多个参数,所需参数个数,=,独立反应数。,49/139,所需参数个数,=,独立反应数。,独立反应,组,中任一反应，均,不能由其它反应线性组合而得到。,例（非独立反应组）：,CH,4,+H,2,O,CO+3H,2,CH,4,+2H,2,O,CO,2,+4H,2,CO+H,2,O,CO,2,+H,2,三、多重反应系统中独立反应数确实定,50/139,CH,4,H,2,O,CO,CO,2,H,2,1,1,1,0,3,CH,4,H,2,O,CO+3H,2,0,1,2,0,1,4,CH,4,2H,2,O,+CO,2,+4H,2,0,0,1,1,1,1,H,2,O,CO +CO,2,+H,2,0,独立反应组线性无关组,用向量表示化学反应,三、多重反应系统中独立反应数确实定,51/139,求反应体系中独立反应普通方法有,:,观察法。适合用于反应数较少体系,计量系数矩阵法,原子矩阵法,三、多重反应系统中独立反应数确实定,52/139,例,：,CH,4,+H,2,O,CO+3H,2,CH,4,+2H,2,O,CO,2,+4H,2,CO+H,2,O,CO,2,+H,2,能够看出,，（,1,）（,3,）（,2,）,三、多重反应系统中独立反应数确实定,53/139,计量系数矩阵法,写成矩阵,秩,k,=2,有两个独立反应：,CH,4,H,2,O+CO+3H,2,=0,H,2,O CO+CO,2,+H,2,=0,CH,4,+H,2,O,CO+3H,2,CH,4,+2H,2,O,CO,2,+4H,2,CO+H,2,O,CO,2,+H,2,矩阵,中不为零子式最大阶数，叫做,A,秩,54/139,原子矩阵法,体系含有,CO,H,2,O,H,2,CH,4,CO,2,等,5,个组分,其原子矩阵为：,独立反应数组分数原子矩阵秩,55/139,56,矩阵秩,设,，,有,r,阶子式不为,0,，,任何,r,+1,阶,记作,R,(,A,),或秩,(,A,),。,子式,(,假如存在,话,),全为,0,定义：,称,r,为矩阵,A,秩，,矩阵行向量组秩,=,矩阵列向量组秩,=,矩阵秩,三秩相等：,56/139,57,子式判别法,(,定义,),。,例,1,设,为阶梯形矩阵，,求,R,(,B,),。,解,，,因为,存在一个二阶子式不为,0,，而,任何三阶子式全为,0,，,则,R,(,B,)=2,.,结论：,阶梯形矩阵秩,=,台阶数,。,57/139,原子矩阵法,体系含有,CO,H,2,O,H,2,CH,4,CO,2,等,5,个组分,其原子矩阵为,CO,2,H,2,O,H,2,CH,4,CO,0,2,2,4,0,H,1,0,0,1,1,C,2,1,0,01,O,H,2,CO,2,H,2,O,CH,4,CO,2,0,2,4,0,H,0,1,0,1,1,C,0,2,1,0,1,O,H,2,CO,2,H,2,O,CH,4,CO,1,0,1,2,0,H,0,1,0,1,1,C,0,2,1,0,1,O,行初等变换：,H,2,CO,2,H,2,O,CH,4,CO,1,0,0,4,1,H,0,1,0,1,1,C,0,0,1,-2,-1,O,58/139,原子矩阵法,H,2,CO,2,H,2,O,CH,4,CO,1,0,0,4,1,H,0,1,0,1,1,C,0,0,1,2,1,O,CH,4,=,（,4,）,H,2,+,（,1,）,CO,2,+,（,2,）H,2,O,CO=,（,1,）,H,2,+,（,1,）,CO,2,+,（,1,）,H,2,O,CH,4,+2H,2,O=4H,2,+CO,2,CO+H,2,O=H,2,+CO,2,59/139,原子矩阵法,体系含有,CO,H,2,O,H,2,CH,4,CO,2,N,2,等,6,个组分,其原子矩阵为,行初等变换后：,于是取得：,CH,4,=4H,2,+CO,2,-2H,2,O,CO=,H,2,+CO,2,-H,2,O,60/139,四、多重反应收率及选择率,Yield Selectivity,多重反应是指有多个反应同时进行体系,同时反应：,Simultaneous,reactions,连串反应Consecutive reactions,平行反应：,Parallel reactions,复合反应（平行连串反应）,Combination reactions,61/139,62/139,多重反应举例,氧与氨,苯氧化制顺酐,CO,加氢,乙烯氧化,63/139,氨氧化,64/139,氨氧化,Friedrich Wilhelm,Ostwald,(2 September 1853 4 April 1932),Nobel Prize,1909,65/139,苯氧化制顺酐,孟山都企业,66/139,CO,加氢、乙烯氧化,67/139,选择率和收率定义,关键组分,key component,A,LM,A,Y,S,X,68/139,选择率和收率定义,对于单一反应，收率等于转化率，而选择率等于,1,转化率是针对反应物，而收率选择率则是针对目标产物,。,69/139,选择率和收率定义,关键组分,key component,70/139,例：,乙烯氧化生成环氧乙烷，进料：乙烯,15mol,，氧气,7mol,出料中乙烯为,13 mol,氧气为,4.76mol,试计算乙烯转化率，,环氧乙烷收率及选择率。,解：,C,2,H,4,0.5O,2,C,2,H,4,O,C,2,H,4,3O,2,2CO,2,2H,2,O,x,A,=(15mol,13mol)/15mol=0.133,第一个反应所消耗乙烯转化乙烯,S,第二个反应所消耗乙烯转化乙烯,（,1,S,）,故有：,2mol S 0.5+2mol(1,S)3=7mol,4.76mol,知：,S=0.752,Y=,第一个反应所消耗乙烯,加入乙烯总量（,15mol,）,故,Y,(2 0.752)15=0.100,或,Y,x,A,S=0.100,71/139,第四节 化学反应速率及动力学方程,速率（度）：快慢程度,强度量,、广延量,单位反应体积内（单位反应区域内）速率。,?,72/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,！上式右端负号是针对反应物；对于生成物，则不加此负号。,（,1,38,）,1.,反应速率表示方式,平均速率表示式瞬时速率表示式73/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,当反应是在相界面上（如固体催化剂表面上）进行时：,74/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,间歇系统,BATCH SYSTEMS,通常可作等容处理：,物别强调上式表示反应速率前提：等容过程。,对于变容过程，上式就不能表示反应速率。,75/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,76/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,对连续系统,FLOW SYSTEMS,，反应速率可表示为,单位空间上某一反应物工产物摩尔流量改变,摩尔流量,摩尔数,77/139,N,I,N,I,+dN,I,dV,R,N,i,作为生成物则,N,i,作为反应物则,78/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,反应体积 固相质量 反应表面积 三者关系,inner,79/139,空间速度,接触时间（空时）和空速,空时,Space Time,空速,Space Velocity(SV),接触时间和空间速度,处理一个,V,R,体积物料所需要时间,空时倒数。即单位反应体积所能处理物料量,空速能表示反应器生产强度大小,80/139,空时,Space Time,空速,Space Velocity(SV),接触时间和空间速度,处理一个,V,R,体积物料所需要时间,空时倒数。即单位反应体积所能处理物料量,空速能表示反应器生产强度大小,L,v,o,=uA,u,81/139,一、间歇系统及连续系统化学反应速率,用转化率作变量表示速率,作业：,P44,，习题,1,1,82/139,二、动力学方程,特定反应体系,通常能够将温度与浓度施行变量分离：,83/139,二、动力学方程,基元反应，能够依据质量作用定律得出,一些非基元反应，也能够经过其反应机理而分析推理得出。,普通情况下非基元反应，可由试验确定。,常见动力学方程有幂函数型及双曲型,84/139,Law of mass action,Claude Louis Berthollets(1801),van t Hoff (1877),C.M.Guldberg and P.Waage(1864),质量作用定律,贝托雷,or,贝索勒,85/139,二、动力学方程,常见动力学方程有幂函数型及双曲型,上式中各个幂次不是独立。因为当反应到达平衡时，反应速度为零，即：,同时，由热力学知：,86/139,三、温度对反应速率常数影响,温度对反应速率（总包速率）影响可分为以下几个类型,纵坐标：反应速率,横坐标：温度,87/139,Svante August,Arrhenius,(19 February 1859 2 October 1927),Nobel Prize,1903,Jacobus Henricus,van t Hoff,Jr.,(30 August 1852 1 March 1911),Nobel Prize,1901,Friedrich Wilhelm,Ostwald,(2 September 1853 4 April 1932),Nobel Prize,1909,物理化学三剑客,the three musketeers of physical chemistry,88/139,Jacobus van t Hoff(left)and Wilhelm Ostwald,89/139,三、温度对反应速率常数影响,Van,t Hoff,规则：温度升高,10,度，速率增加,24,倍,Arrhenius,公式,频率因子和指数因子，,活化能,activation energy,90/139,三、,温度对反应速率常数影响,1/T,lnk,截距指前因子、斜率活化能,log-linear model,91/139,k,B,Boltzmann constant,Ludwig Edward Boltzmann,，,1844,年,2,月,20,日,-1906,年,9,月,5,日,波尔兹曼能量分布律,In the CODATA accepted value was,：,1.38064852(79)10,23,JK,1,92/139,93/139,94/139,k,B,=1.38064852(79)10,-23,J/K,能量大于等于粒子所占分数：,能量介于之间粒子分率：,95/139,Boltzmann Distribution,分子能量最可几分布,大于某个能级粒子所占百分数：,k,B,=1.3806505(24)10,-23,J/K,96/139,最可几分布,左家和右家,各持几张红心？,3,2,：,67.8%,4,1,：,28.3%,5,0,：,3.9%,3,2,分布,为最可几分布,Contract Bridge,97/139,速率常数与活化能及温度关系,98/139,其中微分式阿累尼乌斯公式与化学热力学中,Van,t Hoff,方程极为相同，这不是偶然。,Van,t Hoff,方程描述可逆反应化学反应平衡常数与温度关系：,Van,t Hoff,方程,Arrhenius,公式,99/139,吉布斯亥姆霍霍兹方程,100/139,对于反应,反应速率：,两边取对数并对温度求导,其机理：,为与温度无关常数,Van,t Hoff,方程,其中：,101/139,对于可逆反应,两边对温度求导数，,上式左端代入,Arrhenius,公式，右端代入,Van,t Hoff,公式，则能够得到正、逆反应活化能与化学反应热效应关系式,或,:,即可逆反应逆反应活化能与正反应活化能之差等于反应热效应。,102/139,由阿累尼乌斯方程可总结出温度与反应速率常之间有以下关系。,第一、反应速率对反应温度改变极为敏感，温度提升则反应速率显著加紧。在一定温度范围内，温度每升高,10,，反应速率约增大,2,4,倍。,第二依据式，之间系呈线性关系，这是试验上测定活化能及频率因子理论依据。,第三、活化能越高，反应速率常数越小，化学反应就越迟缓。普通化学反应活化能约为,410,4,410,5,J/mol,，多数在,610,4,2.410,5,J/mol,之间，小于此范围化学反应，往往快到不易测定，大于此范围化学反应极为迟缓，普通必须经过添加催化剂，降低反应活化能才能取得有实践意义反应速率。,103/139,第四、关于反应速率随温度改变灵敏性，有两个结论：（）温度越低，则灵敏性越高；,（）活化能越高，灵敏性越高。,关于这一结论，说明以下。,由,Arrhenius,公式微分形式：,104/139,三、反应速率常数影响异常现象（,1,）,lnk,1/T,传质作用影响：,表观活化能随温度升高而降低,105/139,三、反应速率常数影响,异常现象（,2,）,生产硝酸过程：,4NH,3,+5O,2,4NO+6H,2,O,2NO+O,2,=2NO,2,3NO,2,+H,2,O=2HNO,3,+NO,温度升高后，“反应速率常数,k,1,”下降？,反应机理影响：,106/139,三、反应速率常数影响异常现象,2NO+O,2,=2NO,2,2NO =(NO),2,(NO),2,+O,2,=2NO,2,很快,控制步骤,平衡近似法：,107/139,催化剂性能发生改变,三、反应速率常数影响,异常现象（,3,）,2SO,2,O,2,=2SO,3,108/139,第五节温度对反应速率影响及最正确反应温度,一、温度对单一反应速率影响及最正确温度曲线,1.,温度对不一样类型单一反应速率影响,（,1,）不可逆反应,（,2,）可逆吸热反应,（,3,）可逆放热反应,2.,可逆放热反应最正确温度曲线,二、温度对平行反应和连串反应速率影响,1.,平行反应,2.,连串反应,109/139,第五节温度对反应速率影响及最正确反应温度,一、温度对单一反应速率影响及最正确温度曲线,1.,温度对不一样类型单一反应速率影响,（,1,）不可逆反应,尽可能高温度下反应，以提升反应速率。,受限：催化剂，高温材料，供热，付反应等,110/139,随温度升高，,k,1,升高，升高，也升高总结果，随温度升高，总反应速率提升。所以，对于可逆吸热反应，也应尽可能在较高温度下进行，这么现有利于提升平衡转化率，又可提升反应速率。,一样，也应考虑一些原因限制。,（,2,）可逆吸热反应,111/139,比如，天然气蒸汽转化反应,是可逆吸热反应，提升温度有利于提升反应速率并提升甲烷平衡转化率，但考虑到设备材质等条件限制，普通一段转化炉内温度小于,800-850,。,112/139,（,3,）可逆放热反应,reversible exothermic reaction,随温度升高，,k,1,升高，降低，也降低。,总结果，反应速率受两种相互矛盾原因影响。,113/139,温度较低时，因为 数值较大，,1,，此时，温度对反应速率常数影响要大于对 影响，总结果，温度升高，反应速率提升。,伴随温度升高，影响越来越显著，也就是说，伴随温度升高，反应速率随温度增加量越来越小，当温度增加到一定程度后，温度对反应速率常数和平衡常数影响相互抵消，反应速率随温度增加量变为零。,伴随温度增加，因为温度对平衡常数影响发展成为矛盾主要方面，所以，反应速率随温度增加而降低。,114/139,reversible exothermic reaction,0.0,0.20,0.40,0.60,0.80,x,r(x,T),115/139,最正确温度曲线,Optimal temperature profile:,转化率,最正确温度,最正确温度,转化率,116/139,117/139,118/139,119/139,二、可逆放热反应最正确温度曲线,最正确温度曲线求解：,120/139,二、可逆放热反应最正确温度曲线,121/139,最正确温度曲线,Optimal temperature profile:,最正确温度,转化率,最正确温度曲线,平衡温度曲线,122/139,二、温度对平行和连串反应速率影响,1,、平行反应,当反应组分,A,2,大大过量,能够求得：,123/139,二、温度对平行和连串反应速率影响,2,、连串反应,124/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,一、反应器设计基础,1,、化学基础,、生产工艺及反应器设计参数,、安全生产技术,125/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,一、反应器设计基础,1,、化学基础,反应网络、催化剂，转化率及选择率收率,热力学数据和物性数据,反应动力学（微观或本征动力学、颗粒级宏观动力学）,流动情况（床层级宏观动力学）,实际操作中非正常情况,126/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,一、反应器设计基础,1,、化学基础,、生产工艺及反应器设计参数,127/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,一、反应器设计基础,1,、化学基础,2,、生产工艺及反应器设计参数,3,、安全生产技术,高温高压、易燃易爆、有毒有害、腐蚀污染；,操作连续性强，自动化程度高,128/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,配氧安全生产技术,非爆区,爆炸区,氧体积分数,乙烯体积分数,129/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,配氧安全生产技术,爆炸极限,可燃物质,(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定浓度范围内均匀混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或爆炸浓度极限。,130/139,可燃气体,爆炸界限，,可燃气体,爆炸界限，,H,2,4-74,CO,12.5-74,NH,3,16-27,CH,4,5.3-14,CS,2,1.25-44,C,2H,6,3.2-12.5,C,2,H,4,3.0-29,C,6,H,6,1.4-6.7,C,2,H,2,2.5-80,CH,3,OH,7.3-36,C,3,H,8,2.4-9.5,C,2,H,5,OH,4.3-19,C,4,H,10,1.9-8.4,(C,2,H,5,),2,O,1.9-48,C,5,H,12,1.6-7.8,CH,3,COOC,2,H,5,2.1-8.5,若干可燃气体在空气中爆炸极限,131/139,132/139,第六节 反应器设计基础及基本设计方程,选择适当反应器型式,反应动力学特征,+,反应器流动特征,+,传递特征,确定最正确工艺条件,最大反应效果,+,反应器操作稳定性,进口物料配比、流量、反应温度、压力和最终转化率,计算所需反应器体积,要求任务,+,反应器结构和尺寸优化,一、反应器设计基础,133/139,二、反应器设计基本方程,the kinetic equation,the mass balance equation,the energy balance equation,the momentum balance equation,基础关系式,计算反应体积,计算温度改变,计算压力改变,134/139,衡算“三要素”,组分,时间,空间,135/139,物料衡算方程。针对任一反应单元，在任一时间段内：,某组分累积量,=,某组分流入量某组分流出量某组分反应消耗量,反应消耗,累积,流入,流出,反应单元,反应器,反应单元,流入量,流出量,反应量,累积量,间歇式,整个反应器,0,0,平推流,(,稳态,),微元长度,0,全混釜,(,稳态,),整个反应器,0,非稳态,136/139,137/139,带入热焓,=,带出热焓,+,反应热,+,热量累积,+,传给环境热量,反应热,累积,带入,带出,反应单元,反应器,反应单元,带入量,带出量,反应热,累积量,间歇式,整个反应器,0,0,平推流,(,稳态,),微元长度,0,全混釜,(,稳态,),整个反应器,0,非稳态,传给环境,能量衡算方程：针对任一反应单元，在任一时间段内,138/139,动量衡算方程（流体力学方程）,气相流动反应器压降大时，需要考虑压降对反应影响，需进行动量衡算,。,139/139,