化学反应工程 教学课件 作者 刘军 主编第二章 均相反应动力学基础.pptx

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1、第二章均相反应动力学基础化学反应工程单一反应动力学方程2.2复杂反应动力学方程2.3基本概念和术语2.1第二章均相反应动力学基础2.1基本概念和术语12化学反应式和计量方程单一反应和复杂反应34反应的转化率、选择性和收率化学反应速率5反应动力学方程2.1.1化学反应式和计量方程反应物经过化学反应生成产物的过程用定量关系表示时，该定量关系式称为化学反应式：aA+bB+rR+Ss+…（2-1）只表示化学反应中反应物、生成物在化学反应过程中量的变化关系的式子称化学计量方程，例如将（2-1）的反应写成计量方程则为：（-a）A+（-b）B+…+rR+Ss+…=0写成通式为：A

2、+B+…+R+S+…==0(2-2)2.1.2单一反应和复杂反应如果反应器内只进行一个不可逆的反应：aA+bBrR+sS（2-3）则把该反应叫单一反应或简单反应。2.1.2单一反应和复杂反应如果在反应系统中发生两个或两个以上的化学反应，则称为复杂反应，可大致分为下述几类。⑴可逆反应：aA+bBrR+sS（2-4）⑵平行反应：AB（2-5）AC（2-6）2.1.2单一反应和复杂反应⑶连串反应：ABC（2-7）⑷自催化反应：AP（2-8）A+PP+P（2-9）2.1.3反应的转化率、选择性和收率⑴转化率转化率一般用关键组分来表示。所谓关键组分必须是反应物，生产上选择的关

3、键组分一般是反应物料中的主要组分,即价值较高且不应是过量的，因此转化率的高低，会一定程度上反映过程的经济效果，对反应过程的评价提供直观的信息。2.1.3反应的转化率、选择性和收率以反应（2-3）为例：aA+bBrR+sS如果A为关键组分，若反应器内起始A组分加入的摩尔数为,反应到某一时刻后剩余，则转化率由下式计算：(2-1)2.1.3反应的转化率、选择性和收率对间歇操作的反应器，一般是反应开始状态时的，对大多数间歇操作，A组分在反应器中的时间越长，转化成的产品就越多，直到反应达到平衡或反应物被耗尽。因此，间歇系统中转化率是时间的函数，由式（2-1）可得：特别地，恒容

4、下有2.1.3反应的转化率、选择性和收率正常情况下，转化率随反应物在反应器中的停留时间的增加而增大。对于连续操作系统，这个时间通常随反应器的体积增大而增大，因此，对于连续操作系统，转化率一般是体积的函数，由于物料是连续流入反应器，因而，一般用摩尔流率来代替，对单个连续操作的反应器一般选择进口状态的。如果是几个反应器串联操作往往以进入第一台反应器的为基准，此时式（2-1）变为：2.1.3反应的转化率、选择性和收率生产上还经常遇到循环反应器，如合成氨或合成甲醇的合成塔等，由于化学平衡或其他原因的限制，原料一次通过反应器后，转化率一般很低，需要把出口的反应混合物加以分离，

5、并把没有反应的原料再一次循环回反应器内，进一步反应。2.1.3反应的转化率、选择性和收率对于这种系统，存在两种不同的转化率，一种是原料通过反应系统一次所达到的转化率，叫单程转化率，是以反应器进口状态为基准计算的转化率；另一种是以新鲜原料进入反应系统到离开时的转化率，称全程转化率。显然全程转化率要大于单程转化率。2.1.3反应的转化率、选择性和收率⑵选择率（性）S对于复杂反应只用转化率来反映过程的经济性是不够的，因为对于复杂反应，尽管转化率很大，但如果大量转化为副产品，反而经济性会更低，副产物多，一方面增加了原料的消耗，另一方面产品中副产物多也增加了分离过程的费用，所

6、以必须用选择性S（或收率Y）来表示。2.1.3反应的转化率、选择性和收率对于选择率一般有平均选择率和瞬时选择率之分，以平行反应（2-5）、（2-6）为例，两种选择率的定义为：平均选择率（2-2）瞬时选择率2.1.3反应的转化率、选择性和收率⑶收率Y收率的定义为：（2-3）很显然三个经济指标有如下关系：(2-4)2.1.3反应的转化率、选择性和收率例2-1由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组分变为液体即为粗甲醇。不凝组分如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气

7、混合返回合成塔中，下图是生产流程示意图。2.1.3反应的转化率、选择性和收率原料气和冷凝分离后的气体的摩尔组成分率（%）如下：在操作压力及温度下，忽略气体在甲醇中的溶解，若循环气体与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算一氧化碳的单程转化率和全程转化率。2.1.3反应的转化率、选择性和收率解：设放空气体摩尔流量为F（kmol/h），以100kmol新鲜原料气为计算基准，对整个系统物料衡算求得F。氮气为惰性气体，反应前后摩尔数不变，列N2平衡方程如下：解得：F=28.38kmol/h2.1.3反应的转化率、选择性和收率因为循环气和新鲜原料气之比为7.2，故进合成塔的