第一章 呼吸窘迫綜合征課件

反應(yīng)工程(化學(xué)反應(yīng)工程)

ReactionEngineering(ChemicalReactionEngineering)第一章呼吸窘迫綜合征教材：李紹芬主編普通高等教育“九五”國家級(jí)重點(diǎn)教材參考教材：陳甘棠.化學(xué)反應(yīng)工程.（第二版）.化學(xué)工業(yè)出版社朱炳辰.化學(xué)反應(yīng)工程.（第三版）.化學(xué)工業(yè)出版社（教材出版中心）第一章呼吸窘迫綜合征課程性質(zhì)：專業(yè)選修課主講：袁紅聯(lián)系方式：yhyxw_c教學(xué)要求：課堂筆記，認(rèn)真完成作業(yè)成績評定（暫定）：平時(shí)占40%（作業(yè)25+考勤15），期末考試占60%課程的難易：中偏上第一章呼吸窘迫綜合征凡是采用化學(xué)方法將原料加工成產(chǎn)品的過程，例如化學(xué)工業(yè)、冶金、石油煉制和能源加工等工業(yè)過程。生產(chǎn)過程包括如下三個(gè)組成部分圖1.1典型的化學(xué)加工過程①和③兩部分屬于單元操作，②部分是反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心。第一章呼吸窘迫綜合征礦石金屬金屬化合物一定性能的金屬材料火冶金濕冶金電冶金原油輕質(zhì)油重質(zhì)油渣油輕質(zhì)油烴類氣體蒸餾熱裂化催化裂化加氫裂化冶金石油煉制降低分子量、粘度、密度第一章呼吸窘迫綜合征制取半水煤氣物理吸收、化學(xué)吸收脫除CO脫除硫化物原料氣制備與凈化氨的凈化：冷凝法、水吸法例:核心第一章呼吸窘迫綜合征化學(xué)反應(yīng)過程的主體，研究什么內(nèi)容，研究目標(biāo)是什么，研究方法？第一章呼吸窘迫綜合征第一章緒論第一章呼吸窘迫綜合征本章內(nèi)容第一節(jié)反應(yīng)工程第二節(jié)反應(yīng)進(jìn)度、轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的類型及操作方式第四節(jié)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程第五節(jié)工業(yè)反應(yīng)器的放大第一章呼吸窘迫綜合征教學(xué)要求1．了解本課程的任務(wù)和內(nèi)容；2．掌握反應(yīng)進(jìn)度，轉(zhuǎn)化率，收率與選擇性的定義及計(jì)算；3．了解各類化學(xué)反應(yīng)器的特征及操作方式。第一章呼吸窘迫綜合征數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行反應(yīng)器的放大現(xiàn)有反應(yīng)操作條件進(jìn)行優(yōu)化反應(yīng)速率反應(yīng)器一、反應(yīng)工程的任務(wù)任務(wù)內(nèi)容經(jīng)驗(yàn)放大知其然而不知其所以然相似放大對物理過程有效數(shù)學(xué)模擬放大目前比較科學(xué)的方法化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是使化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一門技術(shù)科學(xué)第一節(jié)反應(yīng)工程第一章呼吸窘迫綜合征二、反應(yīng)工程的研究內(nèi)容反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)速率方程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：研究化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的機(jī)理與速率例:反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析反應(yīng)速率動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)第一章呼吸窘迫綜合征反應(yīng)速率：*反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究它們之間的定量關(guān)系：反應(yīng)系統(tǒng)中某一組分的反應(yīng)速率：濃度矢量：系統(tǒng)總壓：系統(tǒng)溫度第一章呼吸窘迫綜合征反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析主要內(nèi)容：選擇合適反應(yīng)器

*確定反應(yīng)器的尺寸確定操作方式和優(yōu)化操作條件反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動(dòng)狀態(tài)、混合狀態(tài)、濃度與溫度分布、質(zhì)量和能量傳遞性能等影響反應(yīng)速率反應(yīng)器的最佳型式、大小、操作方式、操作條件等最大經(jīng)濟(jì)效益動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析由點(diǎn)及面反應(yīng)本身的規(guī)律反應(yīng)器內(nèi)部狀況第一章呼吸窘迫綜合征三、反應(yīng)工程與其它學(xué)科關(guān)系第一章呼吸窘迫綜合征與主要相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系：化學(xué)熱力學(xué)：確定物系的各種物性常數(shù)，反應(yīng)的可行性及可能達(dá)到的程度。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：反應(yīng)器的選型、設(shè)計(jì)及操作方式選擇都依賴于對反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。傳遞工程：流動(dòng)與混合直接影響溫度與濃度分布，最終影響離開裝置物料的組成。裝置中的“三傳”（傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞）是極其復(fù)雜的，裝置放大時(shí)的“三傳”也隨之發(fā)生變化，即出現(xiàn)“放大效應(yīng)”，因此要解決好裝置的放大效應(yīng)，就必須對反應(yīng)器內(nèi)流體的三傳有一個(gè)十分清晰的認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)工程：反應(yīng)裝置最優(yōu)化不一定整個(gè)系統(tǒng)是最優(yōu)化，這時(shí)反應(yīng)裝置也就只能服從系統(tǒng)最優(yōu)化目標(biāo)。第一章呼吸窘迫綜合征

四反應(yīng)工程的研究方法化學(xué)反應(yīng)工程研究方法：數(shù)學(xué)模型：用數(shù)學(xué)語言來表達(dá)過程中各種變量之間的關(guān)系。

化學(xué)反應(yīng)工程中的數(shù)學(xué)模型：◆動(dòng)力學(xué)方程式◆物料衡算式◆熱量衡算式◆動(dòng)量衡算式◆參數(shù)計(jì)算式聯(lián)立求解物料衡算式熱量衡算式動(dòng)量衡算式動(dòng)力學(xué)方程反應(yīng)裝置濃度分布溫度分布r=f(C,T,P…)第一章呼吸窘迫綜合征五、反應(yīng)工程的發(fā)展簡述第一章呼吸窘迫綜合征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算（確定反應(yīng)器的尺寸）；確定操作方式和優(yōu)化操作條件本課程我們學(xué)習(xí)了什么？第一章呼吸窘迫綜合征第二節(jié)轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性一、規(guī)范的化學(xué)計(jì)量方程例:1計(jì)量方程中反應(yīng)物計(jì)量系數(shù)為負(fù)值，產(chǎn)物為正值2計(jì)量方程僅表示由于反應(yīng)引起參與反應(yīng)的物質(zhì)之間量的變化關(guān)系，與反應(yīng)實(shí)際歷程無關(guān)3計(jì)量方程的計(jì)量系數(shù)間不含有除1以外的公因子注意:反應(yīng)機(jī)理第一章呼吸窘迫綜合征反應(yīng)混合物中，某一組分起始物質(zhì)的量為ni0,反應(yīng)后該組分的物質(zhì)的量為ni,定義反應(yīng)進(jìn)度為ξ：1

恒為正值2僅與反應(yīng)有關(guān)，與所用組分無關(guān),已知ξ即可知各反應(yīng)組分的反應(yīng)量例:定義：注意:注意:二、反應(yīng)進(jìn)度（針對復(fù)合反應(yīng)）第一章呼吸窘迫綜合征3

復(fù)合反應(yīng)，各反應(yīng)有自己的反應(yīng)進(jìn)度，設(shè)為

任意組分i的反應(yīng)量等于各反應(yīng)所作貢獻(xiàn)的代數(shù)和

.........例:第一章呼吸窘迫綜合征t=0ni0t=tni三、轉(zhuǎn)化率（針對反應(yīng)物）定義：間歇反應(yīng)：連續(xù)反應(yīng)：Z=0Fi0Z=ZFi第一章呼吸窘迫綜合征循環(huán)反應(yīng)——有物料循環(huán)反應(yīng)的過程單程轉(zhuǎn)化率---新鮮原料通過反應(yīng)器一次所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率---新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)起到離開系統(tǒng)達(dá)到的轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率單程轉(zhuǎn)化率？第一章呼吸窘迫綜合征1、不同的反應(yīng)物，X

值不同（原料配比若符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系，則X的數(shù)值相同）

注意：2、關(guān)鍵組分(著眼組分）為不過量、貴重的組分，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率最大可達(dá)100%。3、反應(yīng)物起始量的選擇連續(xù)反應(yīng)器---進(jìn)口原料狀態(tài)間歇反應(yīng)器---反應(yīng)開始狀態(tài)多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)---進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器例1.1第一章呼吸窘迫綜合征收率---針對產(chǎn)物四、收率與選擇性對于單一反應(yīng)Y=X(關(guān)鍵組分)(無論用哪種產(chǎn)物計(jì)算結(jié)果均是如此)對于復(fù)雜反應(yīng)Y≠X收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)）

注意：正值

R:產(chǎn)物A:關(guān)鍵組分第一章呼吸窘迫綜合征選擇性——針對復(fù)合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率X只能說明總的結(jié)果，Y說明轉(zhuǎn)化了的反應(yīng)物變成產(chǎn)物的比例，選擇性S說明轉(zhuǎn)化了的反應(yīng)物變成目的產(chǎn)物的比例；---X關(guān)鍵組分，Y、S是同一產(chǎn)物無論是收率、選擇性、轉(zhuǎn)化率還是反應(yīng)進(jìn)度,數(shù)值結(jié)果不一樣，但說明同樣的問題

。

例1.2小結(jié)第一章呼吸窘迫綜合征第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的操作方式及結(jié)構(gòu)類型●操作方式：★分批（或間歇）式操作：一次性投料卸料，反應(yīng)物系濃度或組成等隨時(shí)間變化。用于實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)量小、一個(gè)反應(yīng)器生產(chǎn)多個(gè)產(chǎn)品，具有生產(chǎn)彈性大，操作靈活的特點(diǎn)。★連續(xù)式操作：原料不斷加入，反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時(shí)間變化，隨物料所處位置變化。用于產(chǎn)品品種單一而產(chǎn)量大的情況?！锇敕峙ɑ虬脒B續(xù)）式操作：兼有以上兩種過程特點(diǎn)，較復(fù)雜第一章呼吸窘迫綜合征●按反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)分類：分為：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等類型反應(yīng)器的種類反應(yīng)類型設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)特性均相氣相液相燃燒、裂解中和、硫化、水解管式釜式無相界面，反應(yīng)速率只與溫度或濃度有關(guān)非均相氣-液相液-液相氣-固相液-固相固-固相氣-液-固相氧化、氯化、加氫磺化、硝化、烷基化燃燒、還原、固相催化還原、離子交換水泥制造加氫裂解、加氫硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回轉(zhuǎn)筒式固定床、流化床在相界面，實(shí)際反應(yīng)速率與相界面大小及相間擴(kuò)散速率有關(guān)●按反應(yīng)相態(tài)分類：★均相：氣相、液相；★非均相：氣液、液液、氣固、液固、固固、氣液固第一章呼吸窘迫綜合征(a)管式反應(yīng)器(b)移動(dòng)床反應(yīng)器(c)機(jī)械攪拌漿態(tài)床反應(yīng)器(d)循環(huán)式漿態(tài)反應(yīng)器(e)半連續(xù)漿態(tài)床反應(yīng)器(f)固定床鼓泡床反應(yīng)器(g)涓流床反應(yīng)器(h)規(guī)整填料塔反應(yīng)器(i)噴霧塔式反應(yīng)器(j)板式塔反應(yīng)器(k)鼓泡塔反應(yīng)器(l)氣液攪拌釜式反應(yīng)器第一章呼吸窘迫綜合征管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器是工業(yè)生產(chǎn)中常用反應(yīng)器類型之一，大多采用長徑比很大的圓形空管構(gòu)成，常用于均相（氣相、液相）反應(yīng)。第一章呼吸窘迫綜合征移動(dòng)床反應(yīng)器：在反應(yīng)器頂部連續(xù)加入固體反應(yīng)物或催化劑，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固體物料逐漸下移，自底部連續(xù)卸出，流體自下而上（或自上而下）通過固體床層。與固定床反應(yīng)器及流化床反應(yīng)器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是固體和流體的停留時(shí)間可以在較大范圍內(nèi)改變。第一章呼吸窘迫綜合征漿態(tài)床反應(yīng)器：三相鼓泡塔，氣體以鼓泡形式通過懸浮有固體細(xì)粒的漿液層，漿態(tài)床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)比列管式固定床反應(yīng)器更簡單，易于安裝，放大更容易。第一章呼吸窘迫綜合征釜式攪拌反應(yīng)器釜式攪拌反應(yīng)器是一類應(yīng)用廣泛的反應(yīng)器。其形狀特征是長徑遠(yuǎn)小于管式反應(yīng)器，成“釜”狀或“鍋”狀。釜式反應(yīng)器內(nèi)一定型式的攪拌槳葉可使釜內(nèi)的物料混合均勻。多用于液相反應(yīng)。第一章呼吸窘迫綜合征固定床反應(yīng)器

固定床反應(yīng)器多用于氣固催化反應(yīng)的設(shè)備。反應(yīng)器中，催化劑顆料保持靜止?fàn)顟B(tài)，稱為固定床反應(yīng)器。

第一章呼吸窘迫綜合征塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器主要用于兩相流體反應(yīng)體系第一章呼吸窘迫綜合征第四節(jié)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程物料衡算方程式以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，計(jì)算反應(yīng)器體積的基本方程熱量衡算方程式以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)，通過熱量衡算可以計(jì)算反應(yīng)器中溫度的變化動(dòng)量衡算方程式以動(dòng)量守恒為基礎(chǔ)，可以計(jì)算反應(yīng)器中壓力的變化動(dòng)力學(xué)方程式反應(yīng)速率與物質(zhì)濃度、反應(yīng)體系溫度、壓力的關(guān)系衡算方程形式：*輸入量＝輸出量+因反應(yīng)而改變的量+累積量第一章呼吸窘迫綜合征第五節(jié)工業(yè)反應(yīng)器的放大化學(xué)反應(yīng)器放大的方法逐級(jí)經(jīng)驗(yàn)放大法費(fèi)時(shí)費(fèi)錢，難做到高倍數(shù)放大數(shù)學(xué)模型法基礎(chǔ)是化學(xué)反應(yīng)工程，手段是計(jì)算，如果缺乏對過程的深刻認(rèn)識(shí)會(huì)導(dǎo)致失敗第一章呼吸窘迫綜合征反應(yīng)過程的開發(fā)方法反應(yīng)過程反應(yīng)熱力學(xué)計(jì)算小型熱模大型冷模催化劑

操作條件

本征動(dòng)力學(xué)宏觀動(dòng)力學(xué)反應(yīng)器型式數(shù)學(xué)模型中試工業(yè)示范裝置工程參數(shù)第一章呼吸窘迫綜合征本章重點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的概念和應(yīng)用作業(yè)：

1.1

補(bǔ)充題第一章呼吸窘迫綜合征例題1.1

合成聚氯乙烯所用的單體氯乙烯,多是由乙炔和氯化氫以氯化汞為催化劑合成得到,反應(yīng)式如下

由于乙炔價(jià)格高于氯化氫,使用的原料混合氣中氯化氫是過量的,設(shè)其過量10%。若反應(yīng)器出口氣體中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為90%，試分別計(jì)算乙炔的轉(zhuǎn)化率和氯化氫的轉(zhuǎn)化率。

解：計(jì)算基準(zhǔn):設(shè)進(jìn)入反應(yīng)器的乙炔為1mol。乙炔的轉(zhuǎn)化量為X，由題目知氯化氫與乙炔的化學(xué)計(jì)量系數(shù)比為1，由于氯化氫過量10%,因此原料氣中氯化氫為1.1mol第一章呼吸窘迫綜合征題給反應(yīng)器出口氣體中氯乙烯摩爾分?jǐn)?shù)為90%,故

解之得：

第一章呼吸窘迫綜合征可見按不同反應(yīng)物計(jì)算的轉(zhuǎn)化率數(shù)值上是不相同的，若氯化氫不過量則兩者相同例題1.2在銀催化劑上進(jìn)行乙烯氧化反應(yīng)以生產(chǎn)環(huán)氧乙烷，進(jìn)入催化反應(yīng)器的氣體中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)分別為C2H415%,

O27%,

CO210%,Ar12%,其余為N2。反應(yīng)器出口氣體中含C2H4和O2的摩爾分?jǐn)?shù)分別為13.1%,4.8%。試計(jì)算乙烯的轉(zhuǎn)化率、環(huán)氧乙烷收率和反應(yīng)選擇性。

氯化氫的反應(yīng)量與乙炔相同,故氯化氫的轉(zhuǎn)化率

第一章呼吸窘迫綜合征解：以100mol進(jìn)料為計(jì)算基準(zhǔn)，并設(shè)x和y分別表示環(huán)氧乙烷和水的生成量,根據(jù)題給的進(jìn)料組成和該反應(yīng)系統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量式〈1.9〉和式〈1.10〉,可列出下表

第一章呼吸窘迫綜合征由于反應(yīng)器出口氣體中乙烯和氧的摩爾分?jǐn)?shù)已知,所以可列出下面兩個(gè)方程:

解之得：x=1.504moly=0.989mol乙烯的轉(zhuǎn)化量為1.504+0.989/2=1.999mol所以,乙烯的轉(zhuǎn)化率等于X=1.999/15=0.1333或13.33%環(huán)氧乙烷的收率Y=

1.504/15=0.1003或10.03%第一章呼吸窘迫綜合征將乙烯轉(zhuǎn)化率及環(huán)氧乙燒收率代入式〈1.12〉,得反應(yīng)選擇性為

S=0.1003/0.1333=0.7524或75.24%第一章呼吸窘迫綜合征習(xí)題：1.1在銀催化劑上進(jìn)行CH3OH氧化為HCHO的反應(yīng)其中，CH3OH：空氣：H2O(g)=2：4：1.3(mol)，反應(yīng)后CH3OH的轉(zhuǎn)化率達(dá)72%，HCHO的收率為69.2%，試計(jì)算（1）反應(yīng)的選擇性（2）反應(yīng)器出口氣體的組成解：（1）由收率、選擇性、轉(zhuǎn)化率關(guān)系得：第一章呼吸窘迫綜合征進(jìn)口出口CH3OH27.427.4（1-XA）空氣O2N211.5143.2811.51-1/（2*21.4*Yp）-3/2（1/（27.4*（XA-Yp））H2O（g）17.8143.28CO2027.4*（XA-Yp）HCHO027.4*Yp由題目知XA=0.72，Yp=0.692…….（2）設(shè)計(jì)算基準(zhǔn)為100mol進(jìn)料，設(shè)CH3OH的轉(zhuǎn)化率為XA，甲醛的收率為Yp第一章呼吸窘