第3讲 初等反应工程 Ch1 摩尔衡算

高等反应工程

第三讲初等反应工程

Ch1

摩尔衡算福建师范大学化学与化工学院郭菊花第三讲初等反应工程Ch1摩尔衡算Ch2转化率和反应器尺寸Ch3速率方程和化学计量学Ch4等温反应器设计Ch5化学反应速率数据收集与分析Ch6复合反应Ch7生化反应（略讲，看时间）Ch8稳态费等文反应器设计Ch9停留时间分布Ch10非理想反应器2复习3RecycleProductsRawmaterialsPhysicalTreatmentstepsPhysicalTreatmentstepsChemicalTreatmentsteps典型化工过程(Typicalchemicalprocess)预处理后处理核心复习4化学工艺反应器中流体流动、混合传热和传质化学催化剂优化工程控制反应过程分析工艺路线流程与设备化学热力学与反应动力学反应过程动态特性与反应系统测量和控制传递工程引言工业反应过程的开发和反应器的设计、操作及控制均是以正确把握研究的反应体系的基本特征为基础的。一个反应体系的主要特征至少包括以下三个方面：1.化学计量学——研究反应过程中各组分变化量之间的相互关系；2.化学热力学——研究反应过程中的能量转化和反应体系的平衡性质；3.化学动力学——研究反应速率和反应物系组成、温度之间的关系。5简单反应or复杂反应，串联or并联能量转化(热效应、电化学)，平衡(化学、相)复杂体系独立反应数的确定方法化学计量系数矩阵法实质：矩阵求秩，系数矩阵的秩就是独立反应数适用场合：已知所有可能存在的化学反应式原子矩阵法理论基础：原子数目守恒实质：矩阵求秩，独立反应数=组分数-原子矩阵的秩适用场合：已知组分数，不知反应式数6独立反应数概念的应用I.利用较易测定组分的反应量计算难测定组分的反应量在确定了和独立反应数相等的关键组分的反应量后，反应体系中其余组分的反应量均可由独立反应数概念的应用学计量关系确定。可以选择苦干种反应量比较容易测定的组分为关键组分，由它们的反应量去计算较难测定组分的反应量。7独立反应数概念的应用II.复杂反应体系的物料衡算和能量衡算的简化计算step1.确定反应体系的独立反应数；step2.选定一组合适的独立组分和独立反应；step3.实验测定或动力学计算独立组分的反应量；step4.利用化学计量方程或原子矩阵计算非关键组分的反应量和反应的热效应。注意：未选作独立反应的反应也是存在的当考察反应速率时，要考虑到所有反应8第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器1.6小结91.0概述摩尔衡算是化学反应工程的第一块基石

推导进入、离开，或停留在反应体系的任一化学组分的通用衡算式。能力要求:描述和定义反应速率推导通用摩尔衡算方程将通用摩尔衡算方程应用于四种最常见的工业反应器101.0概述11四种最常见的反应器间歇反应器（BR）Batch

Reactor连续搅拌釜式反应器（CSTR）ContinuousStirredTankReactor管式反应器（活塞流反应器，PFR）PlugFlowReactor填充床反应器（PBR）PackedBedReactorBRCSTRPBRPFR第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器1.6小结131.1反应速率的定义14反应速率一定量的某种化学组分被消耗而生成另一种化学组分的速度可以是生成速率，也可以是消耗速率

二者绝对值相等，符号不同反应速率-rA15单位时间，单位体积内，A反应（消失）的物质量(mol/dm3·s)如

负号:反应物消失正号：产物形成（产生）多相反应16反应速率：单位时间内单位质量催化剂上，A物质反应的量(mol/s·gcatalyst)反应速率的实验确定反应速率的单位：mol/dm3·s粗略计算平均反应速率瞬时速率？想象一个间歇反应釜如果是连续流动的反应器，上式还成立吗？17例:氢氧化钠在反应吗?18NaOH+CH3COOC2H5

CH3COONa+C2H5OH稳态完全混合?反应!!!Xrj

的确定19单位体积内组分j的生成速率rj

的速率方程是代数方程，它只是反应物质性质以及体系反应条件的函数

（如，组分浓度，温度，压力，催化剂种类，等）速率方程与反应在何种类型反应器内发生无关(如,间歇釜式或者连续流反应器)

错误的定义!!!仅对体积恒定的间歇釜系统适用慎用速率方程应该如何写？20Aproducts速率方程是代数方程幂函数型、双曲线型

习惯上:rA

：A生成的速率-rA

：A消失的速率第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器1.6小结211.2通用的摩尔衡算方程22进入系统的j组分的流率(摩尔数/时间)离开系统的j组分的流率(摩尔数/时间)体系内由化学反应产生的j组分速率(摩尔数/时间)系统内组分j的积累速率(摩尔数/时间)+-=摩尔衡算进出生成积累-+=rj1rj2V1V2V反应速率随着位置而发生变化假设：在系统内，所有系统变量在空间分布都是均匀的组分j的生成速率化学反应工程的基本方程设计方程第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器1.6小结251.3间歇釜式反应器26小规模操作

用于测试新过程

用于高价值产品生产

用于

难于连续操作的过程单批次劳动成本高不同批次间产品变化大难于大规模生产间歇釜搅拌装置理想混合：间歇釜反应器:没有物质的流入与流出组分j的通用摩尔衡算方程：例:组分A的异构化反应NA0NANA10t1tNB10t1tNBABP恒体积间歇釜恒压间歇釜可移动塞书例1-2第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器1.6小结311.4.1连续搅拌釜式反应器(CSTR)32(或称全混釜,或返混釜)液相反应稳态理想混合反应器内的温度，浓度，或反应速率不依赖于时间及内部空间位置CSTR中任一变量在空间各点的值是均一的各处的温度、浓度都相同变量值:出口=内部CSTR的剖视图

通用的摩尔衡算方程CSTRfeatures:(1)(2)CSTR的设计方程1.4.2管式反应器（PFR）35ReactantsProducts活塞流:速度,浓度,温度,或反应速率在径向上没有差异通用的摩尔衡算方程Fj0产物VV+VVFjFjGj微分体积V对于组分

A:进–

出+生成=积累稳态摩尔衡算的微分形式变径反应器FA(V)VFA(V+V)控制体积:V

(反应速率在该空间无变化)高压聚乙烯：1000~2000atm，低密度，10万吨/年1.4.3填充床反应器（PBR）39非均相反应

反应在催化剂表面发生=反应掉A摩尔数/秒·克催化剂FA0WW+WWFA(W)FA(W+W)GjFA摩尔衡算进出生成-+=微分形式积分形式积累Example1-3在一个体积流率恒定的管式反应器内进行一级不可逆液相反应，AB

(1)推导一个将反应器体积与A组分进出口浓度、反应速率常数k和体积流率关联的方程。

(2)当＝10L/min和反应速率常数k＝0.23min-1时，将出口浓度减少到入口浓度10％时所需的反应器体积。第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器（自学）1.6小结43[1]液相反应半间歇反应器

通过调节进料速率控制温度;

通过保持一种反应物的低浓度，可以最小化副反应的发生CSTRs

强搅拌;

易于控温;

单位反应器体积内反应物转化率最小44[2]气相反应46PFR:单位反应器体积，转化率最高难于控制反应器内温度,反应放热时会出现热点大多数均相的液相流动体系反应器是CSTR；大多数均相的气相流动体系反应器是管式的。

PBR:填充固体催化剂颗粒的管式反应器流化床例:Fischer-Tropsch反应F-T合成(1923)SlurrybedTricklebedCFBFB参考Davis(2002),Dry(2002)高温工艺(300-350C)铁基催化剂用于生产汽油和直链低分子量石蜡FBCFBFB:Sasol

低温工艺(200-240C)铁或钴基催化剂用于生产直链高分子量石蜡FB–Slurrybed:Sasol,Shell强放热反应桨态床反应器的热力学模型Krishna,R.(Univ.Amsterdam)FT操作模式:理由：费用;冷却;压降;催化剂等球形反应器球形超精炼单元[Amoco]

第三讲Ch1摩尔衡算1.0概述1.1反应速率-rA的定义1.2通用的摩尔衡算方程1.3间歇反应器1.4连续流动反应器

1.4.1连续搅拌釜式反应器 1.4.2管式反应器

1.4.3填充床反应器1.5工业反应器1.6小结521.对组分

j的摩尔衡算，在一个体积为V的系统中进入，离开，反应和积累的量为进入离开产生积累-+=小结

2.

四种常见反应器内组分A的摩尔衡算BatchCSTRPFRPBR无空间差异无空间差异,稳态稳态稳态摩尔衡算微分形式代数形式积分形式3.反应速率