反应工程(1-3)-北京化工大学

1化学反应工程教材：《化学反应工程》郭锴唐小恒周绪美编（化工出版社）学时：48教师：郭锴教授北京化工大学2参考书I•反应器分析与设计G.F.Froment化工出版社（中译本）•化学反应工程陈甘棠化工出版社•化学反应工程简明教程姜信真西北大学出版社3参考书II•化学与催化反应工程李绍芬化工出版社•化学反应工程（第二版，第三版）朱丙辰化工出版社•基本有机化工反应工程邹仁鋆化工出版社•ChemicalReactionEngineering3thEditionByO.Levenspiel4作业与考试•作业每周收一次，迟交和缺交作业的次数应少于总次数的20%。•提倡并鼓励同学之间讨论作业，但最终应独立完成作业。•期末考试，120分钟闭卷，成绩占总成绩的80%，平时作业占20%。5第一章绪论•化学反应工程：•处理工业规模的化学反应问题•解决涉及化学反应的工程问题•把已经在实验室中实现的化学反应在工业中实现6重要性•化工过程的两大方面：反应和分离•化学反应是化工过程的核心•炼油：催化裂化、铂重整、加氢······•有机化工：•医药、染料、塑料、橡胶、化纤•无机化工：•酸碱盐生产7•一个化学反应能够在实验室实现，并不等于能够在工业上实现，只有将其在工业规模上实现，才能创造价值。我们的任务•改进和强化现有反应技术和设备•开发新的反应技术和设备•解决反应器放大问题•实现反应过程的最优化•完善反应工程学的理论与方法8本课程的内容•1化学反应动力学特性的研究•2流动、传递过程对反应的影响•3反应器设计计算、过程分析和最优化9本课程与化学工程其它学科的关系•与以下课程有密切的联系：•化工热力学•化工工艺学•传递过程（动量、热量、质量传递）•化学反应动力学•化学反应工程是一门综合的学科，是把基础科学的成果应用到工业实践的科学。10化学反应及反应器的分类•按相态分：均相、非均相•按操作方式分：连续操作、间歇操作、半连续操作•按反应器类型分：管式反应器、釜式反应器、塔式反应器•按传热条件分：等温反应器、绝热反应器、非等温非绝热反应器•按流体流动状态分：理想流动反应器、非理想流动反应器11化学反应工程的研究方法•逐级经验放大法•解析法•数学模型法（重点内容）12例：所表示的是一个椭球面，球面上的每一个点都可通过不同的XYZ值表示。ZYX1222222cZbYaX13例：（续）如果有一力压向此球，球会发生变形。知道了力的大小，方向，球材质的弹性模量等值，就可以通过计算得到变形后球的形状而不必用真球实验。模型越复杂，能描述的现象就越多。ZYXF14第二章均相反应动力学•相：体系中物理、化学性质完全相同的部分称为一相。•均相：反应物与产物都在同一相中。更确切地说，参与反应的各个化学组份处于同一相中。•反应动力学：研究反应体系温度、浓度（压力）与反应速率的关系。15化学反应式•表示A与B等可以发生生成R，S等的反应，也表示反应进行的方向。•左侧为反应物，右侧为产物。sSrRbBaA16化学计量方程sSrRbBaA＝表示化学反应过程中各个组份间量的变化关系。亦可以写成其它若干形式：17•特点：•1只反映组份间量的关系•2乘以非零常数，计量关系不变•3不得含有除1之外的其它公因子0SaRaBaAaSRBA0sSrRBbAa－0IaI18例：上各式均属正确，但下式不符合习惯：322322322232221NHHNSOOSOSOOSO3223231NHHN19反应程度•反应初始时各物质的量（摩尔数）：•nA0,nB0,nR0,nS0•反应进行到某一时刻变为：•nA,nB,nR,nS•由反应计量式，必有：SRBAS0SR0RB0BA0A:::)n-(n:)n-(n:)n-(n:)n-(naaaa20•因此上式可以写做：•即：任何反应组份的反应量与其化学计量系数之比相同。•这一比值可以用来描述反应进行的程度，引入一个新的量：•ξ[ksai:]:反应程度•相应地，反应进行到某一时刻：SRBAaaaa)n-(n)n-(n)n-(n)n-(nS0SR0RB0BA0AIIIann0IIIann021性质：•1时间的函数，随反应的进行而不同。•2积累量，恒大于0。•3广度量•4与反应式的写法有关。（广度量：描述体系的广度性质，具有加和性，如：功）（强度量：描述体系的强度性质，不具加和性，如：功率）22转化率•使用关键组分A的转化率来表示反应进行的程度•关键组分：•体系中按化学计量方程计算能够完全反应掉的某一反应物组分。组分量起始的组分量转化了的AAxA23•若起始时A组分的量为nA0，t时刻A组分的量为nA，则转化率xA表示为：00AAAAnnnx24性质：•1随起始态的不同选择而不同。•2与计量系数无关（与反应式的写法无关）。•3广度量•4最大值为1。25例：•随起始态的不同选择而不同•2与计量系数无关（与反应式的写法无关）R1R2x0x1x23223222221SOOSOSOOSO26•充其量A组分全部反应掉，nA=0，此时：100000AAAAAAnnnnnx27转化率与反应程度的关系•结合二者定义式，简单推导可得：•任意组分t时刻的摩尔数：0AAAnaxAAAIIIxnaann0028反应程度与转化率对照：反应程度转化率对于任何一种反应物或产物反应程度相同转化率不一定相同对能够达到的最大值表示不够明确表示明确因次有无29化学反应速度•以反应程度表示：smkmoldtdVrskgkmoldtdWrsmkmoldtdVrcatcatcatcat33111或30•亦可以采用摩尔数、转化率及某组分的浓度等表示：•摩尔数：为生成物IsmkmoldtdnVrII31为反应物IsmkmoldtdnVrII3131•转化率：•浓度：一般式－smkmoldtdxVnrAAA30恒容－－一般式－－smkmoldtdCrsmkmoldtdVVCdtdCrAAAAA3332注意：•一个化学反应只有一个反应速率，就是以反应程度表示的反应速率。而rA，rB等都是以各反应物或生成物表示的该物质的消耗或生成速率。这些速率可能在数值上等于该反应的反应速率，但具有不同的意义。33反应动力学方程•动力学方程：用以表示温度、浓度等和反应速率的关系。•定义：定量描述反应速率和影响反应速率的因素之间关系的关系式称为反应动力学方程。34动力学方程的一般表示•对于不可逆反应A＋B＝······，其动力学方程一般可表示为：常数以浓度表示的反应速率式中，RTEcnBmAcekksmkmolCCkr0335•与一个反应只有一个反应速率，而存在以其它反应物（或产物）表示的反应速率一样，反应动力学方程也可表示反应物浓度与某一反应物的速率间的关系。•因此就有以-rA，-rB，rS等等表示的动力学方程，彼此之间存在换算关系。•对于气相反应，以分压代替浓度，有：•之间存在换算关系smkmolppkrnBmAP3PCkk与36反应速率常数•k决定了温度对反应速率影响的大小•活化能越大，温度对反应速率的影响越大；•温度越低，温度对反应速率的影响越大。RTEcekk037例：（教材例2－2）•（1）现有某反应活化能为100kj/mol，试估算（a）温度由300K上升10K，（b）温度由400K上升10K速率常数k各增大几倍。•（2）若反应活化能为150kj/mol，再比较300K和400K各增加10K时，速率常数k增大倍数。38结果：E(kj/mol)温度（K）速率常数增大倍数100300-3103.64100400-4102.08150300-3106.96150400-4103.0039活化能的求取•由于反应活化能决定了温度对反应速率的影响，自然，活化能就一定要通过不同温度下的反应速率来求取。lnk对1/T作图，为一直线lnk1/T40化学反应的分类连串反应平行反应自催化反应可逆反应CBACAPAPPPAPASRBA41间歇反应器中单一反应动力学•在反应系统中只发生一个不可逆反应时，称该反应系统为单一反应过程，或简单反应过程。•在等温条件下讨论：•1、恒容过程（反应体积不随反应而变）•简单级数反应动力学表达•动力学方程的建立•2、变容过程•变容过程的特点和表达42简单级数反应的动力学表达•反应：•动力学方程：•对等温恒容过程速率方程的微分式可以表示为：（由式2.1－19）nAAkcrPAnAAkcdtdc43)()(么影响表示化学反应速率受什化学反应动力学方程式率表示什么是化学反应速化学反应速率定义式恒容条件nAAAAAAkcrdtdcrdtdnV1r44nAAAAnAAPnAPPPPPkcrdtdnV1r2kcrrkcrdtdcrdtdnV1r1而与浓度相关联。数随时间的变化率，反应速率定义的是摩尔：注意动力学式定义式反应物相关联。的反应速率也是与对简单级数反应，产物：注意恒容条件)(][][45由n的不同取值有不同结果。•一级反应，n=1:AAAAAxnAAnAAAAAccnAAccnAAxdxktcxccxcdcktkcdct01001)1(00得：表示，由如果以等温下：AAAxcckt11lnln0积分：46•特点：反应时间t仅与转化率x有关，与初始浓度cA0无关；•且与时间t呈线性关系。•即对t作图为一直线，斜率为k。•半衰期：转化率50％所需时间仅与速率常数有关。AAAxcc11lnln0或AAAxcc11lnln0或47•非一级反应，n≠1•特例：n=2•特点：初始浓度越高，达到相同转化率的时间越短。111111110101nAnAnAnAxnktcccnkt或：AAAAxccckt111110048小结•只有一级反应，其速率与初始浓度无关。•反应级数0时，转化率越高，反应速率越低。•反应级数n≥1时，反应的转化率不可能达到100％。49等温变容过程•反应前后摩尔数不同的恒压气相反应，反应过程中将存在体积的变化。•体积变化会引起反应物浓度发生变化，从而影响反应速度。•体积变化的影响，通过膨胀因子δA表征。•例如：N2(g)＋3H2(g)＝2NH3(g)50膨胀因子δAt0t0000SRBAInnnnnttnnnnn0t0SaRaBaAaIasSrRbBaASRBASRBA总：时：总：时：计量方程反应将t时刻的总摩尔数用转化率表示：利用式（2.1-10）AAAIIIxnaann0051•则有：•定义：为组分A的膨胀因子•物理意义：关键组分A转化1mol时，引起整个体系mol数的变化量。AAAtoAIAAttAAAIIItxnnaaxnnnxnaannn00000AIAaa52•δA=0等分子反应•δA0增分子反应•δA0减分子反应•不同组分的膨胀因子可能不同；•反应式中如出现固态或液态，不计在内；•前面合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)=2NH3(g)2)1(2312N53膨胀率•膨胀因子只表示了由反应计量关系确定的反应前后的摩尔数变化关系，尚未涉及到体系体积的变化。•体积变化需要另外引进一个参数εA表征。•物理意义：反应物A全部转化造成物系体积变化的分率。0x0x1xAAAAVVV－＝定义：54•如果体系体积的变化与转化率呈线性关系，则：V=V0(1+εAxA)•在等