化工第五章教案PPT讲稿.ppt
《化工第五章教案PPT讲稿.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工第五章教案PPT讲稿.ppt(80页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、化工第五章教案第1页,共80页,编辑于2022年,星期五化学反应动力学基础化学反应动力学基础*典型反应器典型反应器*第2页,共80页,编辑于2022年,星期五第一节概述第一节概述一、化学反应工程学:一、化学反应工程学:1.化学反应工程发展概况:化学反应工程发展概况:远远在在古古代代,人人们们就就开开始始利利用用化化学学反反应应,如如陶陶器器的的制制作作、酒酒与与醋醋的的酿酿造造、金金属属的的冶冶炼炼以以及及炼炼丹丹、造造纸纸等等等等,然然而而,这这些些生生产产过过程程直直到到上上世世纪纪五五十十年年代代还还未未形形成成一一门门独独立立的的学学科科,其其原原因因是是由由于于人人类类还还没没有有能
2、能够够从从种种类类繁繁多多、看看起起来来似似乎乎毫毫不不相相干而又变化多端的反应过程中,认清它们的共同规律。干而又变化多端的反应过程中,认清它们的共同规律。科科学学技技术术的的发发展展,特特别别是是二二战战后后石石油油化化工工的的发发展展,对对化化学学反反应应器器的的设设计计产产生生了了迫迫切切要要求求,而而化化学学动动力力学学研研究究的的进进展展和和化化工工单单元元操操作作方方面面的的理理论论和和实实践践经经验验的的日日趋趋成成熟熟,才才使使这这类类问问题题的的系统解决有了可能。系统解决有了可能。第3页,共80页,编辑于2022年,星期五化学反应工程学的发展化学反应工程学的发展萌芽阶段:萌芽
3、阶段:20 20 世纪世纪 30 30 年代,丹克莱尔(年代,丹克莱尔(Damhhler Damhhler)在当时实验数据十分)在当时实验数据十分贫乏的情况下,较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响,贫乏的情况下,较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响,为化学反应工程奠定了基础。为化学反应工程奠定了基础。20 20 世纪世纪 40 40 年代末年代末 ,-,-霍根霍根 (Hougen)(Hougen)和华生和华生 (Waston),(Waston),讲述了动力讲述了动力学与催化过程。学与催化过程。初步形成:初步形成:1957 1957 年,欧洲几个国家从事反应工程这
4、一领域研究工作的年,欧洲几个国家从事反应工程这一领域研究工作的学者在荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工学者在荷兰的阿姆斯特丹召开的一次学术会议上首次使用化学反应工程一词,这标志着该学科的初步形成。程一词,这标志着该学科的初步形成。第4页,共80页,编辑于2022年,星期五化学反应工程学的发展化学反应工程学的发展成熟阶段:成熟阶段:60 60 年代石油化工的大发展,生产的日趋大型化和单机化,以及原料加年代石油化工的大发展,生产的日趋大型化和单机化,以及原料加工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日趋成熟。工的不断发展加速了反应工程学科的发展使其进入黄金时代并日
5、趋成熟。我国在我国在7070年代开展化学反应工程的专题研究,开展化学反应工程的教学。年代开展化学反应工程的专题研究,开展化学反应工程的教学。80 80 年代以后,随着高技术的发展和应用,如微电子器件的加工、光导年代以后,随着高技术的发展和应用,如微电子器件的加工、光导纤维生产、新材料以及生物技术等,向化学反应工程工作者提出了新纤维生产、新材料以及生物技术等,向化学反应工程工作者提出了新的研究课题,使化学反应工程形成新的分支,如生化反应工程、聚合的研究课题,使化学反应工程形成新的分支,如生化反应工程、聚合反应工程反应工程 ,电化学反应工程电化学反应工程 等,扩大了化学反映工程的研究领域,从而使等
6、,扩大了化学反映工程的研究领域,从而使化学反应工程的研究进入了一个新的阶段。化学反应工程的研究进入了一个新的阶段。第5页,共80页,编辑于2022年,星期五2.化学反应工程化学反应工程(CRE)研究的对象和内容:研究的对象和内容:化学动力学化学动力学 研究反应机理研究反应机理 研究反应速率与外界因素关系研究反应速率与外界因素关系 研究传递过程对反应速率影响研究传递过程对反应速率影响 反应器设计与分析反应器设计与分析 不同反应器能提供不同的三传环境不同反应器能提供不同的三传环境宏观动力学宏观动力学本征动力学本征动力学第6页,共80页,编辑于2022年,星期五CRE研研究究的的是是工工业业规规模模
7、的的化化学学反反应应过过程程及及其其设设备备的的共共同同规规律律。工工业业规规模模的的化化学学反反应应,与与实实验验室室研研究究中中的的化化学学反反应应存存在在不不可可忽忽视视的的、有有时时甚甚至至是是非非常常大大的的差差别别。主主要要是是因因为为在在大大规规模模生生产产条条件件下下,除除化化学学反反应应过过程程外外,系系统统中中的的流流体体的的流流动动状状况况,传传热热、传传质质等等物物理理因因素素起起了了显显著著的的作作用用。工工业业规规模模的的化化学学反反应应,必必须须与与传传递递规规律律结结合合起起来来研研究,因而才显得复杂而困难。究,因而才显得复杂而困难。CRE的研究内容:的研究内容
8、:(1)研究化学反应器的基本理论;)研究化学反应器的基本理论;(2)反应器的设计、放大、控制;)反应器的设计、放大、控制;(3)反应器设计、操作的优化。)反应器设计、操作的优化。3.CRE的研究方法:的研究方法:化工生产过程中的物理变化的规律,即单元操作,是用因次分析法或经验归纳法的手段去研究化工生产过程中的物理变化的规律,即单元操作,是用因次分析法或经验归纳法的手段去研究的。但对于化学反应工程,这样的方法是不行的的。但对于化学反应工程,这样的方法是不行的。因为在反应器中,既有物理过程,又有化。因为在反应器中,既有物理过程,又有化学过程,学过程,相似的物理过程,不一定能导致相似的化学过程。因此
9、,在化学反应工程的研究中,相似的物理过程,不一定能导致相似的化学过程。因此,在化学反应工程的研究中,必须采取另外的研究方法,也就是数学模拟法或称为数学模型法。必须采取另外的研究方法,也就是数学模拟法或称为数学模型法。在化学动力学基础上结合传质、传热和流体力学的原理来研究反应过程速率理论,在化学动力学基础上结合传质、传热和流体力学的原理来研究反应过程速率理论,即宏观动力学。应用宏观动力学的理论来研究工业规模进行的化学反应过程即为化即宏观动力学。应用宏观动力学的理论来研究工业规模进行的化学反应过程即为化学反应工程。学反应工程。第7页,共80页,编辑于2022年,星期五数学模拟放大法示意图数学模拟放
10、大法示意图明确明确任务任务 建立建立数数学模型学模型 解算解算数数学模型学模型 检验检验数数学模型学模型实际实际应用应用修改模型修改模型计算机计算机计算机计算机第8页,共80页,编辑于2022年,星期五二、化学反应器的分类:二、化学反应器的分类:1.按反应器的结构型式分类:按反应器的结构型式分类:这种分类的实质是按传递特性分类,反映出不同这种分类的实质是按传递特性分类,反映出不同的反应器中最基本的传递过程的差别。按反应器的反应器中最基本的传递过程的差别。按反应器的结构特征,常见的工业反应器可分为釜式、管的结构特征,常见的工业反应器可分为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式和移动床式。式、塔式。
11、固定床式、流化床式和移动床式。书书141页图页图第9页,共80页,编辑于2022年,星期五2.按操作方法分类:按操作方法分类:可分为间歇、半间歇、连续式三种。可分为间歇、半间歇、连续式三种。生产特征:反应程度和反应物的性质均随时间而变化。生产特征:反应程度和反应物的性质均随时间而变化。操作特点:原料一次加入,经过一定时间后,反应产物一次卸出。操作特点:原料一次加入,经过一定时间后,反应产物一次卸出。间歇反应间歇反应器器半间歇反应器半间歇反应器生产特征:反应程度和反应物的性质均随时间而变化。生产特征:反应程度和反应物的性质均随时间而变化。操作特点:一种原料一次加入,另外的反应物以一定的操作特点:
12、一种原料一次加入,另外的反应物以一定的速度连速度连续地加入,反应后将产物全部卸出。续地加入,反应后将产物全部卸出。连续操作反连续操作反应器应器操作特点:反应物和产物都是连续稳定地加入和引出。操作特点:反应物和产物都是连续稳定地加入和引出。生产特征:反应进行的程度可能随反应器的位置而变化,但不随着生产特征:反应进行的程度可能随反应器的位置而变化,但不随着时间而变。时间而变。书书142图图第10页,共80页,编辑于2022年,星期五3.按反应物系的相态分类按反应物系的相态分类这种分类的实质是按动力学特性分类。不同聚集状态的物质,其反这种分类的实质是按动力学特性分类。不同聚集状态的物质,其反应有不同
13、的动力学规律。按物料的聚集状态,可分为均相反应器和应有不同的动力学规律。按物料的聚集状态,可分为均相反应器和非均相反应器两大类。非均相反应器两大类。w 均相反应器中又可以分为气相反应器、单一液相反应器,非均相反应器中又可以分为气相反应器、单一液相反应器,非均相反应器分为气均相反应器分为气-液相、气液相、气-固相、液固相、液-液相、液液相、液-固相、气固相、气-液液-固相反应器等等。固相反应器等等。w均相反应器中,因为反应过程不受扩散状况的影响,因此它的结构均相反应器中,因为反应过程不受扩散状况的影响,因此它的结构就比较简单,一般就采用管式、釜式反应器。就比较简单,一般就采用管式、釜式反应器。w
14、非均相反应器中,两相接触状况对反应有极大的影响,因此,反应非均相反应器中,两相接触状况对反应有极大的影响,因此,反应器设计时就要考虑改善接触状态的因素。所以它的结构就要复杂一器设计时就要考虑改善接触状态的因素。所以它的结构就要复杂一些。些。第11页,共80页,编辑于2022年,星期五4.按温度条件分类:按温度条件分类:可分为等温、不等温、绝热反应器等三种。可分为等温、不等温、绝热反应器等三种。在以上的诸多分类中,我们本章将要学习的是在以上的诸多分类中,我们本章将要学习的是基本反应器基本反应器,它包括,它包括间歇操作反应釜、间歇操作反应釜、管式反应器、连续操作反应釜。管式反应器、连续操作反应釜。
15、第12页,共80页,编辑于2022年,星期五三、流体在反应器内的流动模型:三、流体在反应器内的流动模型:(1)(1)理想置换流动理想置换流动(活塞流或理想排挤活塞流或理想排挤):流体在管内高速流动:流体在管内高速流动是指物料以稳定的流量由反应器的一端流入反应器后,各物料微元沿流动方向齐头是指物料以稳定的流量由反应器的一端流入反应器后,各物料微元沿流动方向齐头并进,完全没有轴向混合与扩散,即没有返混,就好像活塞在气缸里向前平推一样。并进,完全没有轴向混合与扩散,即没有返混,就好像活塞在气缸里向前平推一样。所以又称为所以又称为“活塞流活塞流”。活塞流模型的特点是:(活塞流模型的特点是:(1 1)在
16、与流动方向垂直的任意截面上各点,物料的流速、浓度、)在与流动方向垂直的任意截面上各点,物料的流速、浓度、温度及停留时间等完全一样;(温度及停留时间等完全一样;(2 2)物料的浓度、温度等各参数沿流动方向递变;()物料的浓度、温度等各参数沿流动方向递变;(3 3)在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。细长型的连续流动管式反应器内物料的流况就近似这种流动模型。在长径细长型的连续流动管式反应器内物料的流况就近似这种流动模型。在长径比较大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内,当气相流速达到比较大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内,当气相流速达到一
17、定值后,其气相流动情况一般亦可以认为是活塞流。一定值后,其气相流动情况一般亦可以认为是活塞流。凡器内物料呈理想置换流动的反应器就称为理想置换反应器。其典型代表是连续操作活凡器内物料呈理想置换流动的反应器就称为理想置换反应器。其典型代表是连续操作活塞流管式反应器,也称为平推流反应器,以塞流管式反应器,也称为平推流反应器,以PFRPFR表示。表示。1.1.两种理想流动状态:(连续操作方式)两种理想流动状态:(连续操作方式)第13页,共80页,编辑于2022年,星期五(2)2)理想混合流动(完全混合流动):高效搅拌釜内流体流动理想混合流动(完全混合流动):高效搅拌釜内流体流动是指物料以稳定的流量进入
18、反应器后,瞬间就在整个反应器内分散均是指物料以稳定的流量进入反应器后,瞬间就在整个反应器内分散均匀并与器内原存留的物料完全混合。匀并与器内原存留的物料完全混合。理想混合流动的特点是:(理想混合流动的特点是:(1 1)整个反应器内以及出口物料的组成和温度等)整个反应器内以及出口物料的组成和温度等参数均匀一致,且不随时间、空间而变化;(参数均匀一致,且不随时间、空间而变化;(2 2)各物料微元在器内的停留)各物料微元在器内的停留时间不尽相同,存在停留时间分布。时间不尽相同,存在停留时间分布。凡是器内物料呈理想混合流动的反应器,就称凡是器内物料呈理想混合流动的反应器,就称为理想混合反应器。通常用连续
19、搅拌釜式反应为理想混合反应器。通常用连续搅拌釜式反应器代表理想混合反应器,也称为全混釜,以器代表理想混合反应器,也称为全混釜,以CSTRCSTR表示。表示。第14页,共80页,编辑于2022年,星期五在实际反应器中,带强烈搅拌的连续釜式反应器内物料的流况就近似于这种流动在实际反应器中,带强烈搅拌的连续釜式反应器内物料的流况就近似于这种流动模型。此外,沸腾床中的固相颗粒运动,长径比比较大的鼓泡塔中的液相流动,模型。此外,沸腾床中的固相颗粒运动,长径比比较大的鼓泡塔中的液相流动,大循环量的连续反应器的流体流动等等,也都趋近于这种流动模型。大循环量的连续反应器的流体流动等等,也都趋近于这种流动模型。
20、上述理想流动,是理想流动模型的两种极端情况。实际反应器中物料的流况上述理想流动,是理想流动模型的两种极端情况。实际反应器中物料的流况总是或多或少地偏离理想状态,而是介于理想混合和理想置换两种流动模型总是或多或少地偏离理想状态,而是介于理想混合和理想置换两种流动模型之间,这种流动统称为非理想流动。造成这种偏离的原因主要是反应器型式、之间,这种流动统称为非理想流动。造成这种偏离的原因主要是反应器型式、操作条件和物料性质。操作条件和物料性质。2.2.流体在反应器内的停留时间:流体在反应器内的停留时间:反应物料从进入反应器时算起到离开反应器时反应物料从进入反应器时算起到离开反应器时为止所经历的时间。为
21、止所经历的时间。(1 1).理想置换流动的停留时间:理想置换流动的停留时间:由于没有返混,所有的质点在反应器内的停留时间都相等,设流体在通过反应器时,体由于没有返混,所有的质点在反应器内的停留时间都相等,设流体在通过反应器时,体积不发生变化。积不发生变化。返混是不同时刻进入反应器的物料相互之间的混合。返混是不同时刻进入反应器的物料相互之间的混合。第15页,共80页,编辑于2022年,星期五-流体在反应器内的停留时间,流体在反应器内的停留时间,VR-反应器的体积,反应器的体积,qv-流体的体积流量,流体的体积流量,F-流体的摩尔流量,流体的摩尔流量,C-流体的浓度,则流体的浓度,则(2).理想混
22、合流动的停留时间:理想混合流动的停留时间:理想混合流动中,物料在反应器内的停留时间分布在理想混合流动中,物料在反应器内的停留时间分布在0和无穷之间,一般就和无穷之间,一般就用平均停留时间来表示。用平均停留时间来表示。四四、反应器的物料衡算:反应器的物料衡算:某组分的引入速率某组分的引入速率=某组分引出速率某组分引出速率+由反应而引起的由反应而引起的+某组分的积累速率某组分的积累速率某组分消耗速率某组分消耗速率(1)(2)(3)(4)对于不同操作的反应器,可作如下简化。对于不同操作的反应器,可作如下简化。间歇反应器:(间歇反应器:(3)+(4)=0连续稳定反应器:(连续稳定反应器:(1)=(2)
23、+(3)半连续反应器:(半连续反应器:(1)=(2)+(3)+(4)=VR/qv qv=F/C=VR/qv第16页,共80页,编辑于2022年,星期五第二节第二节间歇操作反应器间歇操作反应器一、间歇釜式反应器的特点:一、间歇釜式反应器的特点:1、由于强烈的搅拌,反应器内物料可达到分子尺度上的均匀,且反应、由于强烈的搅拌,反应器内物料可达到分子尺度上的均匀,且反应器内浓度处处相等,因而排除了物质传递对化学反应的影响。器内浓度处处相等,因而排除了物质传递对化学反应的影响。2、由于反应器配有换热器,可使反应器内物料温度处处相、由于反应器配有换热器,可使反应器内物料温度处处相等,等,因而排除了热量传递
24、对化学反应的影响。因而排除了热量传递对化学反应的影响。反应结果唯一由反应结果唯一由化学反应动力学化学反应动力学所确定。所确定。第17页,共80页,编辑于2022年,星期五间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器(BSTR)第18页,共80页,编辑于2022年,星期五 间歇操作间歇操作 指物料一次投入反应器,待反应完成后,物料一次卸出的操作过程。最常用最常用釜式反釜式反应器应器,主要结构由,主要结构由筒体、搅拌装置、筒体、搅拌装置、夹套组成。器内还夹套组成。器内还可以根据需要设置可以根据需要设置盘管。盘管。间歇反应器间歇反应器间歇反应器间歇反应器第19页,共80页
25、,编辑于2022年,星期五间歇搅拌釜式反应器的特征间歇搅拌釜式反应器的特征特点特点:(1)1)由于剧烈搅拌,反应器内浓度、温度不随位置发生改由于剧烈搅拌,反应器内浓度、温度不随位置发生改变,仅随时间发生改变。变,仅随时间发生改变。(2)(2)物料同时加入并同时停止反应,所有物料具有相同的反物料同时加入并同时停止反应,所有物料具有相同的反应应 时间。时间。(3)(3)存在加料、卸料、清洗等辅助时间。存在加料、卸料、清洗等辅助时间。优点:优点:操作灵活,适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品操作灵活,适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产生产(精细化工、制药、染料、涂料精细化工、制药、染料
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 第五 教案 PPT 讲稿
限制150内