第一章应用化学反应动力学及反应器设计基础分析.ppt

本章授课内容 化学反应器和工业反应器的分类 化学计量学 加压下气相反应的反应焓和化学平衡常数 化学反应速率及动力学方程 温度对反应速率的影响及最佳反应温度 反应器设计基础及基本设计方程 第一节 化学反应器和工业反应器的分类 化学反应的分类 （1）按反应的化学特性分类 （2）按化学反应单元的分类 按反应过程进行的条件分类 工业反应器的分类 按操作方法分类 间歇反应器 管式及釜式连续流动反应器 半间歇反应器 按流动模型分类 停留时间分布（RTD） 流体的质点或粒子 代表一堆分子所组成的流体，它的体积比反应器的体积小到可以忽略，但其中所包含的分子足够多，具有确切的统计平均性质，如组成、温度、压力、流速； 由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停留时间分布（RTD）。 ？RTD与返混 理想流动模型 平推流模型——反应物料以稳定流量流入反应器，沿着流料的流动方向，物料的流速、浓度、温度、压力等参数都相同，所有材料质点具有相同的停留时间，不存在返混；举例——长径比很大，流速较高的管式反应器。 全混流模型——返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，有的很短；举例——强烈搅拌的连续釜式反应器。 按反应器结构类型分类 第二节 化学计量学 反应进度(extent of reaction) 对于单一反应 ξ称为“反应进度” 转化率(conversion) 工业反应过程的原料中各反应组分之间往往不符合化学计量数关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分(key component)。 化学膨胀因子(chemical expansion factor) 多重反应的收率及选择率 目的产物的收率(yield) 选择率(selectivity) ：表示已反应的关键组分有多少生成目的产物 气相反应的物料衡算 气相反应混合物的组成常用各组分在混合物中的摩尔分数表示。当化学反应式显示反应过程中气体物质时，反应前后各组分的组成（或摩尔分数）的变化必须根据化学计量式所显示的物料衡算关系式确定。 氨合成反应的物料衡算为例： 如果反应过程中物料衡算有误，则动力学方程的实验研究和反应器的数学模拟都相应而错； 对于流动系统中气相或气-固相催化反应，由于大多数反应都具有反应过程中摩尔流量的变化，建议采用单一及多重反应的物料衡算关系计算，即按过程中各反应组分和产物的消耗和生成的量（mol）来计算。这种算法很直观地表达了反应过程中各反应物和产物在气相中摩尔分数的变化，便于动力学研究和反应器中的气相组成状态。显然，化学膨胀因子法只适用于单一反应，并且反应物A的转化率要经过换算，而不便运算。对于多重反应，由于组分在各个有关反应中都有各自的反应进度，即其转化率的计算涉及各有关反应，而不便于计算。 气相及气-固相催化反应的物料衡算并不局限于上述一种方法，可根据不同反应的特点而采用别的计算方法； 化学计量学所表达的只是反映反应过程中各反应物和产物的量，mol之间的定量关系。但并不能反映反应过程中确定反应速率的各反应物和产物的浓度，mol/L，之间的变化关系，这与过程处于等温、等容还是等压状态下有关。 第三节 加压下气相反应的反应焓和 化学平衡常数 理想气体和实际气体的状态方程 气体的摩尔定压热容和气相反应的摩尔反应焓 单组分纯气体 混合气体 实际气体的化学平衡常数 ？操作条件对产物平衡组成的影响 第四节 化学反应速率及动力学方程 化学反应速率 间歇系统 间歇釜式反应器中液相反应物所占体积变化可以略去，即等容反应 连续系统 或 或 空间速度与接触时间 空间速度 接触时间 停留时间分布是在流体不存在温度、组成等变化的等容情况下测定的，此时平均停留时间tm 即使对于 的反应，连续流动反应器内物料的实际体积流量V随反应进度、温度和压力而变，因此不能用VR/V0来计算平均停留时间。但可采用接触时间?，因为V0是按进口温度、压力及初态组成计算的，其值不变。 国外有的反应工程教材，定义?=VR/VS为空间时间（space time）,国内有的教材称它为“空时”。 连续系统 反应物的消耗速率与产物的