呼吸窘迫综合征

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,反应工程,(,化学反应工程,),Reaction Engineering,(Chemical Reaction Engineering),教材：李绍芬主编,普通高等教育,“,九五,”,国家级重点教材,参考教材：,陈甘棠,.,化学反应工程,.,（第二版）,.,化学工业出版社,朱炳辰,.,化学反应工程,.,（第三版）,.,化学工业出版社（教材出版中心）,课程性质：专业选修课,主讲：袁红,联系方式：,教学要求：课堂笔记，认真完成作业,成绩评定（暂定）：,平时占,40%,（作业,25+,考勤,15,），期末考试占,60%,课程的难易：中偏上,凡是采用化学方法将原料加工成产品的过程，例如化学工业、冶金、石油炼制和能源加工等工业过程。生产过程包括如下三个组成部分,图1.1典型的化学加工过程,和两部分属于单元操作，,部分是反应工程的研究对象,，是生产过程的核心。,矿石,金属 金属化合物,一定性能的金属材料,火冶金湿冶金电冶金,原油,轻质油,重质油渣油,轻质油 烃类气体,蒸馏,热裂化 催化裂化加氢裂化,冶金,石油炼制,降低分子量、粘度、密度,制取半水煤气,物理吸收、化学吸收,脱除,CO,脱除硫化物,原料气制备与净化,氨的净化：冷凝法、水吸法,例,:,核心,化学反应过程的主体，研究什么内容，研究目标是什么，研究方法,第一章 绪论,本章内容,第一节 反应工程,第二节 反应进度、转化率、收率和选择性,第三节 化学反应器的类型及操作方式,第四节 反应器设计的基本方程,第五节 工业反应器的放大,教学要求,1,了解本课程的任务和内容；,2,掌握反应进度，转化率，收率与选择性的定义及计算；,3,了解各类化学反应器的特征及操作方式。,数学模型方法进行反应器的,放大,现有反应操作条件进行优化,反应速率,反应器,一、反应工程的任务,任务,内容,经验放大 知其然而不知其所以然,相似放大 对物理过程有效,数学模拟放大 目前比较科学的方法,化学反应工程学是使化学反应实现工业化的一门技术科学,第一节 反应工程,二、反应工程的研究内容,反应机理,反应速率方程,反应,动力学：研究化学反应进行的机理与,速率,例,:,反应动力学、反应器设计与分析,反应速率,动力学实验,反应速率：,*,反应动力学研究它们之间的,定量,关系,：反应系统中某一组分的反应速率,：浓度矢量,：系统总压,：系统温度,反应器设计与分析,反应器设计分析主要内容：,选择合适反应器,*,确定反应器的尺寸,确定操作方式和,优化操作条件,反应器内反应物的,流动状态、混合状态、浓度与温度分布、质量和能量传递性能等,影响反应速率,反应器的,最佳型式、大小、操作方式、操作条件等,最大经济效益,动力学,反应器设计与分析,由点及面,反应本身的规律,反应器内部状况,三、反应工程与其它学科关系,与主要相关学科的联系：,化学热力学：,确定物系的各种物性常数，反应的可行性及可能达到的程度,。,反应动力学：,反应器的选型、设计及操作方式选择都依赖于对反应动力学特性的认识。,传递工程：,流动与混合直接影响温度与浓度分布，最终影响离开装置物料的组成。装置中的“三传” （传热、传质、动量传递）是极其复杂的，装置放大时的“三传” 也随之发生变化，即出现,“放大效应”,，,因此要解决好装置的放大效应，就必须对反应器内流体的三传有一个十分清晰的认识。,系统工程：,反应装置最优化不一定整个系统是最优化，这时反应装置也就只能服从系统最优化目标。,四 反应工程的研究方法,化学反应工程研究方法：,数学模型：用数学语言来表达过程中各种变量之间的关系。,化学反应工程中的数学模型：,动力学方程式,物料衡算式,热量衡算式,动量衡算式,参数计算式,联立求解,物料衡算式热量衡算式动量衡算式动力学方程,反应装置浓度分布温度分布,r=f (C, T, P),五、反应工程的发展简述,反应动力学,反应器的设计计算（确定反应器的尺寸）；,确定操作方式和优化操作条件,本课程我们学习了什么？,第二节 转化率、收率和选择性,一、规范的化学计量方程,例,:,1 计量方程中反应物计量系数为负值，产物为正值,2 计量方程仅表示由于反应引起参与反应的物质之间量的变化关系，与反应实际历程无关,3 计量方程的计量系数间不含有除,1,以外的公因子,注意:,反应机理,反应混合物中，某一组分起始物质的量为,n,i0,反应后该组分的物质的量为,n,i,定义反应进度为,：,1,恒为正值,2,仅与反应有关，与所用组分无关,已知,即可知各反应组分的反应量,例,:,定义：,注意,:,注意,:,二、反应进度（针对复合反应）,3,复合反应，各反应有自己的反应进度，设为,任意组分,i,的反应量等于各反应所作贡献的代数和,. . .,. . .,. . .,例,:,t=0,n,i0,t=t,n,i,三、转化率（针对反应物）,定义：,间歇反应：,连续反应：,Z=0,F,i0,Z=Z,F,i,循环反应,有物料循环反应的过程,单程转化率-新鲜原料通过反应器一次所达到的转化率,单程转化率,全程转化率-新鲜原料进入反应系统起到离开系统达到的转化率,全程转化率,单程转化率,全程转化率,全程 转化率,单程 转化率,1、不同的反应物，,X,值不同（原料配比若符合化学计量关系，则,X,的数值相同）,注意：,2、,关键组分,(,着眼组分）为不过量、贵重的组分，关键组分的转化率最大可达100%。,3、反应物起始量的选择,连续反应器-进口原料状态,间歇反应器-反应开始状态,多个反应器串联-进入第一个反应器,例,1.1,收率-针对产物,四、收率与选择性,对于单一反应,Y=X,(,关键组分,)(,无论用哪种产物计算结果均是如此,),对于复杂反应,YX,收率也有单程和全程之分（循环物料系统）,注意：,正值,R:,产物,A:,关键组分,选择性,针对复合反应,转化率,X,只能说明总的结果，,Y,说明 转化了的反应物变成 产物的比例，选择性,S,说明转化了的反应物变成 目的产物的比例；,-,X,关键组分，,Y,、,S,是同一产物,无论是收率、选择性、转化率还是反应进度,数值结果不一样，但说明同样的问题,。,例,1.2,小结,第三节化学反应器的操作方式及结构类型,操作方式：,分批（或间歇）式操作：,一次性投料卸料，反应物系浓度或组成等随时间变化。用于实验室、产量小、一个反应器生产多个产品，具有生产弹性大，操作灵活的特点。,连续式操作：,原料不断加入，反应器内物系参数均不随时间变化，随物料所处位置变化。用于产品品种单一而产量大的情况。,半分批（或半连续）式操作：兼有以上两种过程特点，较复杂,按反应装置的结构分类：,分为：管式、塔式、釜式、固定床、流化床等类型,反应器的种类,反应类型,设备的结构形式,反应特性,均相,气相,液相,燃烧、裂解,中和、硫化、水解,管式,釜式,无相界面，反应速率只与温度或浓度有关,非,均,相,气,-,液相,液,-,液相,气,-,固相,液,-,固相,固,-,固相,气,-,液,-,固相,氧化、氯化、加氢,磺化、硝化、烷基化,燃烧、还原、固相催化,还原、离子交换,水泥制造,加氢裂解、加氢硫化,釜式、塔式,釜式、塔式,固定床、流化床,釜式、塔式,回转筒式,固定床、流化床,在相界面，实际反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关,按反应相态分类：,均相：气相、液相；,非均相：气液、液液、气固、液固、固固、气液固,(a),管式反应器,(b),移动床反应器,(c),机械搅拌浆态床反应器,(d),循环式浆态反应器,(e),半连续浆态床反应器,(f),固定床鼓泡床反应器,(g),涓流床反应器,(h),规整填料塔反应器,(i),喷雾塔式反应器,(j),板式塔反应器,(k),鼓泡塔反应器,(l),气液搅拌釜式反应器,管式反应器,管式反应器是工业生产中常用反应器类型之一，大多采用长径比很大的圆形空管构成，常用于均相（气相、液相）反应。,移动床反应器：在反应器顶部连续加入固体反应物或催化剂，随着反应的进行，固体物料逐渐下移，自底部连续卸出，流体自下而上（或自上而下）通过固体床层。与固定床反应器及流化床反应器相比，其主要优点是固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变 。,浆态床反应器：三相鼓泡塔，气体以鼓泡形式通过悬浮有固体细粒的浆液层，浆态床反应器结构比列管式固定床反应器更简单，易于安装，放大更容易。,釜式搅拌反应器,釜式搅拌反应器是一类应用广泛的反应器。其形状特征是长径远小于管式反应器，成“釜”状或“锅”状。釜式反应器内一定型式的搅拌桨叶可使釜内的物料混合均匀。多用于液相反应。,固定床反应器,固定床反应器多用于气固催化反应的设备。反应器中，催化剂颗料保持静止状态，称为固定床反应器。,塔式反应器,塔式反应器主要用于两相流体反应体系,第四节反应器设计的基本方程,反应器设计的基本方程,物料衡算方程式,以质量守恒定律为基础，计算反应器体积的基本方程,热量衡算方程式,以能量守恒与转化定律为基础，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化,动量衡算方程式,以动量守恒为基础，可以计算反应器中压力的变化,动力学方程式,反应速率与物质浓度、反应体系温度、压力的关系,衡算方程形式：,*,输入量输出量+因反应而改变的量+累积量,第五节工业反应器的放大,化学反应器放大的方法,逐级经验放大法,费时费钱，难做到高倍数放大,数学模型法,基础是化学反应工程，手段是计算，,如果缺乏对过程的深刻认识会导致失败,反应过程的开发方法,反,应,过,程,反应热力学计算,小型热模,大型冷模,催 化 剂,操作条件,本征动力学,宏观动力学,反 应 器 型 式,数学模型,中 试,工业示范装置,工程,参数,本章重点,化学反应转化率、选择性和收率的概念和应用,作业：,1.1,补充题,例题,1.1,合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯,多是由乙,炔,和氯化氢以氯化汞为催化剂合成得到,反应式如下,由于乙炔价格高于氯化氢, 使用的原料混合气中氯化氢是过量的,设其过量,10%,。若反应器出口气体中氯乙烯摩尔分数为,90%,，试分别计算乙炔的转化率和氯化氢的转化率。,解：,计算基准:设,进入反应器的乙炔为,1,mol。,乙炔的转化量为,X,，,由题目知氯化氢与乙炔的化学计量系数比为,1,，由于氯化氢过量,10%,因此原料气中氯化氢为,1.1,mol,题给反应器出口气体中氯乙烯摩尔分数为90%,故,解之得,：,可见按不同反应物计算的转化率数值上是不相同的，若氯化氢不过量则两者相同,例题,1.2,在银催化剂上进行乙烯氧化反应以生产环氧乙烷，进入催化反应器的气体中各组分的摩尔分数分别为,C,2,H,4,15% ,O,2,7% ,CO,2,10% , Ar12% ,其余为,N,2,。,反应器出口气体中含,C,2,H,4,和,O,2,的摩尔分数分别为,13.1%, 4.8%,。试计算乙烯的转化率、环氧乙烷收率和反应选择性。,氯化氢的反应量与乙炔相同,故氯化氢的转化率,解：,以,100,mol,进料为计算基准，并设,x,和,y,分别表示环氧乙烷和水的生成量,根据题给的进料组成和该反应系统的化学计量式,1.9,和式,1.10,可列出下表,由于反应器出口气体中乙烯和氧的摩尔分数已知,所以可列出下面两个方程:,解之得：,x=1.504mol y=0.989mol,乙烯的转化量为,1.504+0.989/2=1.999,mol,所以,乙烯的转化率等于,X,=,1.999/15=0.1333,或,13.33%,环氧乙烷的收率,Y,=,1.504/15=0.1003,或,10.03%,将乙烯转化率及环氧乙烧收率代入式,1.12,得反应选择性为,S=0.1003/0.1333=0.7524,或,75.24%,习题：,1.1,在银催化剂上进行,CH,3,OH,氧化为,HCHO,的反应,其中，,CH,3,OH,：空气：,H,2,O(g)=2,：,4,：,1.3(mol),，反应后,CH,3,OH,的转化率达,72%,，,HCHO,的收率为,69.2%,，试计算 （,1,）反应的选择性 （,2,）反应器出口气体的组成,解,：（,1,）由收率、选择性、转化率关系得：,进口,出口,CH,3,OH,27.4,27.4,（,1-X,A,）,空气,O,2,N,2,11.51,43.28,11.51-1/,（,2*21.4*Y,p,）,-3/2,（,1/,（,27.4*,（,X,A,-Y,p,）,H,2,O,（,g,）,17.81,43.28,CO,2,0,27.4*,（,X,A,-Y,p,）,HCHO,0,27.4*Y,p,由题目知,X,A,=0.72,，,Y,p,=0.692.,（,2,）设计算基准为,100mol,进料，设,CH,3,OH,的转化率为,X,A,，甲醛的收率为,Y,p,补充习题,1,： 某合成聚氯乙烯所用的聚乙烯单体，由,C,2,H,2,和,HCl,在催化剂上得到，,该厂所用原料混合气中,C,2,H,2,：,HCl=1,：,1.1(mol),，若反应器出口气体中氯乙烯含量为,0.85,（,mol,），计算乙炔和氯化氢的转化率。,反应器进口,反应器出口,C,2,H,2,1,1-Z,HCl,1.1,1.1-Z,C,2,H,3,Cl,0,Z,合计,2.1,2.1-Z,解,：设进入反应器的,C,2,H,2,为,1mol,，反应的量为,Zmol,按题意：反应器出口气体中氯乙烯含量为,0.85,，则,则乙炔反应的量,Z=,乙炔的转化率,氯化氢的转化率,补充习题,2,： 反应器内进行气相反应,反应温度下，,K,p1,=2.667,，,K,p2,=3.200,，反应时总压为,1.0133MPa,，进料组成为,A=2mol,，,B=1mol,，反应达平衡时，计算反应器出口物料组成。,解： 已知,设反应,1,中,A,转化的量为,n,1,mol,，反应,2,中,A,转化的量为,n,2,mol,。达平衡时，各组分的物料量为：,A=2-n,1,-n,2,B=1-n,1,P=n,1,-n,2,R=n,1,S=2n,2,合计,=3,联解上式得到,n1,，,n2,的值，继而求得平衡时反应器出口物料的组成,请各班学委于本周四收齐作业，放到实验楼四楼李力老师处,