化学反应工程课件-5

气固催化反应动力学Gas/SolidCatalysisreactionKinetics1催化剂结构和制备化学吸附催化反应动力学复习理想表面吸附（必须掌握）双分子吸附2单分子吸附分子解离吸附多分子吸附（惰性组分参加）非理想表面吸附（了解）表面催化反应速率（必须掌握）指数模型和对数模型多分子层吸附近似稳态和速度控制步骤速率方程推导3复习若第一步为控制步骤，试推导其动力学方程1.设有反应，其反应步骤如下：DBAσBσBDσBσAσAσA)3()2()1(补充作业52.一氧化碳变换反应：)()()()(222DHCCOBOHACO在较低温度下，其动力学方程可表示为：CCAABApKpKpkpr1试拟定该反应的合适的反应步骤第二章反应器内的流体流动与混合Chapter2FluidFlow&MixtureinReactor几种理想反应器不同反应器及反应器的组合停留时间对转化率选择性的影响6停留时间分布测定停留时间分布与流动模型化学反应器7反应器？工业反应器：均匀性均相反应与非均相反应返混：是反应器内发生的具有不同停留时间的流体的混合理想反应器8在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。从本质上讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。简单混合与返混9若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。10按物料在反应器内返混情况作为反应器分类的依据将能更好的反映出其本质上的差异。按返混情况不同反应器被分为以下四种类型：间歇反应器平推流反应器全混流反应器非理想反应器反应器间歇反应器11间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。cA=cA0exp(-kt)反应器：AProductrA=kcA平推流反应器12理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。连续流动置换反应器t=L/ucA=cA0exp(-kt)反应器：AProductrA=kcA全混流反应器13连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。连续流动理想混合反应器cA=cA0/(1+kt)非理想流反应器14非理想流反应器。物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。化学反应器设计基础15物料衡算方程物料衡算所针对的具体体系称体积元。体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。16用符号表示：对于体积元内的任何物料，进入、排出、反应、积累量的代数和为0。不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的积累元中物料单位时间内体积量物料元中反应消失的单位时间内体积量体积元的物料单位时间排出量体积元的物料单位时间进入broutinFFFF化学反应器设计基础时间概念17(1)反应持续时间tr简称为反应时间，用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。(2)停留时间t和平均停留时间停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。t18(3)空间时间τ其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率0之比值。即空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间。空间时间不是停留时间0vVτR时间概念19(4)空间速度SV有空速和标准空速之分。空速的一般定义为在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。即：标准空速定义为：1RVhVvS01RN0VhVvS时间概念间歇反应器20反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。间歇反应器特点21由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；出料组成与反应器内物料的最终组成相同；为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。反应过程中没有进料和出料的反应器22间歇反应器问题：浓度cA与反应时间t的关系反应速率的定义：rA=-dcA/dt间歇反应器设计方程23反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积VR作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入AAAARRRRVVVV1ARAsmolddtnVr0024整理得当进口转化率为0时，分离变量并积分得为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。1AARsmolddtxnVrA0ArRAA0rddxAtVrxntt00间歇反应器设计方程25在恒容条件下，上式可简化为：间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。A0AA1xccAA0AAAAAA0rddccxrcrxct0间歇反应器设计方程间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。26间歇反应器设计方程反应时间与浓度反应速率方程：rA=kcAcA=cA0exp(-kt)27)ln(100AAccAAAAcckkcdctkcdtdcAA一级不可逆反应二级反应28反应速率方程：rA=kcA2cA=[cA0-1+kt]-1)cc(kkcdctkcdtdcAAccAAAAAA0221110反应时间与浓度29反应速率方程：rA=kcAcA=[cA0-1+kt]-(-1))11(11010AAccAAAAcckkcdctkcdtdcAA反应时间与浓度30反应时间与浓度间歇反应器31反应器的设计原则质量衡算、能量衡算、动量衡算质量衡算：积累速率=输入速率－输出速率－反应消耗速率＋反应生成速率反应:Aproduct-dNA=VrAdtdt=dNA/VrA(NA)dt=-dcA/rA(cA)反应速率：rA反应体积：V总质量：N反应物浓度：cA反应器体积计算32反应Aproduct-dNA=VrAdtNA=NA0(1-xA)NA0dxA/dt=VrAdt=cA0dxA/rA体积不变！！！间歇反应器33反应Aproduct-dNA=VrAdtNA=NA0(1-xA)NA0dxA/dt=VrAdt=cA0dxA/rA???体积变化？？NA0/VcA0V=V0(N/N0)=V0(1+xA)cA0=NA0/V0dt=cA0dxA/rA(1+xA)间歇反应器间歇反应器体积计算34反应器体积=生产强度*批次生产所需时间生产强度：单位时间处理物料量，m3/h,m3/min,…批次生产时间：反应时间+辅助时间35反应Aproduct辅助时间t0反应器体积=生产强度*(t+t0)AfAxxAAAVrdxNt00AfAccAArdct0间歇反应器体积计算36反应器体积=生产强度*t生产强度＝NA0/cA0cA是确定的！间歇反应器体积计算37对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品要求xAf及辅助生产时间t’、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反应器的体积。间歇反应器设计计算过程38①由式计算反应时间tr；②计算一批料所需时间tt；tt=tr+tt为辅助生产时间③计算每批投放物料总量FA；FA=Fatt④计算反应器有效容积VR；A0AAA0rdxrxctttVVCFVr0RA0AR或间歇反应器设计计算过程39⑤计算反应器总体积VR。反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常有效容积占总体积分率为60％~85％，该分率称为反应器装填系数φ，由生产实际决定。RRVV间歇反应器设计计算过程间歇反应器的体积计算反应器体积=生产强度×批次生产所需时间生产强度：单位时间处理物料量，m3/h,m3/min由式计算反应时间tr；计算一批料所需时间tt；tt=tr+t’t’为辅助生产时间计算生成强度计算反应器有效容积V‘R；考虑装填因子ΦA0AAA0rdxrxct40小结41某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70℃用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：cA0=4kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097.1k例题42若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：(1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少?(2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?例题43解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：xA=0.5xA=0.6tr=3.18hxA=0.8tr=8.5hxA=0.9tr=19.0hAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10.26015.015.041097.113rt例题答案44(2)反应器体积的计算xA=0.8时：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有：处理体积为：实际反应器体积VR：10Ahkmol684.0146242400F130A0A0hm171.04684.0cFV例题答案45反应器有效容积V’R：实际反应器体积VR：当xA=0.9时：tt=19+1=20hV’R=0.171×20=3.42m3VR=3.42／0.75=4.56m33t0Rm63.15.9171.0tVV3RRm17.275.063.1VV例题答案