《化学反应工程》全册配套完整教学课件.pptx

《化学反应工程》全册配套完整教学课件;化学反应工程;参考书和课件;主要授课内容;绪 论;一、化学反应工程学的研究范畴;二、化学反应工程学的发展历史;三、化学反应工程与多尺度及多学科的联系; 气-固相催化反应有三个不同尺度的模型 ; 化学反应工程与多学科间的关系 以甲醇合成为例，涉及： 生产方法的选择——木材干馏法、氯甲烷法水解法、碳氧化物(CO、CO2)与氢合成法——化学基础及过程分析 甲醇合成的热力学及催化剂 反应平衡组成与气体组成、压力、温度的关系——(化工热力学) 催化剂：锌-铬催化剂，30 MPa，350-420℃；铜-锌催化剂，5 MPa，220-280 ℃ 催化剂开发反应过程分析 催化剂的中毒与热失活 ;原料气制备、甲醇合成及循环——甲醇合成工艺 粗原料气的制备——天然气蒸汽转化；高温气流床粉煤汽化 粗原料气的净化 甲醇合成及循环——合成反应器出口气体组成确定，甲醇冷却分离，未反应气体循环;甲醇合成反应器——化学反应工程 反应器的选型——多段绝热、管式连续换热 反应器中的“三传一反” 催化剂的本征反应动力学 催化剂颗粒内的反应-传质-传热 催化剂与气相间的传质、传热 催化剂颗粒的宏观反应动力学 催化剂床层的压降、颗粒粒度及形状的选择 反应器内轴向及径向传热、传质 绝热反应器段数，床层直径及高度设计 管式反应器管数、管径及长度设计 管式反应器管外冷却剂的选择;金属材料与机械制造 反应器的材质选择 大型反应器的机械设计 化学工艺技术经济分析与系统优化 合成气的压缩及循环装置 全系统的流程设置 操作条件的优化 全系统的能量分析和技术经济分析 工程控制 全系统的工程控制 ;四、化学反应工程学的研究方法; 数学模型的简化;五、化学反应工程对工程放大及优化的作用;第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础;第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础;化学反应的分类 按反应的化学特性分类 ;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?? 按流动模型分类 连续流动反应器 理想流动模型：平推流反应器，PFR；全混流反应器，MFR或CSTR 非理想流动模型 ;按反应器结构类型分类 ;气流床;第二节 化学计量学;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);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 ;多重反应系统中独立反应数的确定 m个同时发生的反应相互独立的一般判别准则可以叙述如下： 若不可能找到一组不同时为零的λj，使得： 则这些反应被称为是相互独立的。 在一个反应系统中，相互独立的反应的最大个数称为该反应系统的独立反应数。;化学计量系数矩阵法 适用于能够根据化学知识写出化学组分之间的化学计量关系，即化学计量矩阵已知的情况。 若令矩阵中第个j个行向量为vj，则上式可以写为： ;例1 氨氧化过程中可以发生以下反应： 请用化学计量系数矩阵法确定该反应体系的独立反应数，并写出一组独立反应。;解：写出上述反应体系的化学计量矩阵，然后进行线性变换，确定其秩 ;可见，化学计量矩阵的秩为3，即独立反应数为3，一组独立反应为： ;原子矩阵法 适用于反应中存在哪些反应以及这些反应的化学计量方程均未知，只是已知反应体系中存在那些组分的体系。 原理是各元素原子反应前后不变。 设反应体系中含有n个反应组分A1、A2、…、An，它们包含l种元素。 令βki为组分Ai中元素k的原子数，Ni0为反应前组分Ai的摩尔数，则反应前元素的原子摩尔数bk0为： ;Ni为反应后组分Ai的摩尔数，则反应后元素的原子摩尔数bk为： 因为bk0＝bk，所以上两式相减，得到： 写成矩阵形式为：;矩阵β称为原子矩阵。如果原子矩阵的秩为Rβ，则上面的方程组有Rβ个线性独立的方程，因此独立变量的数目为n－Rβ个，即反应体系中个n－Rβ个组分的ΔN被确定后，其余的都可以确定。 将上式的独立变量数称为关键组分。因为每个独立反应均可以选定一个关键组分，所以关键组分数和独立反应数相等，均为n－Rβ个。 需要注意的是，在选择关键组分时应使得非关键组分所把包含的元素不少于Rβ个，否则将造成上式有无穷多解。 ;例2 以甲烷为原料通过变换反应制造合成气时，反应体系中包含以下组分：CO2、H2O、H2、CO、CH4、