化学工程的设计第一章(汇总).ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 2）生产工艺及反应器的设计参数 化学反应器虽是过程工业众多装置中的主要装置，但设计和操作要从属于多尺度、多层次的整个工业过程大系统的要求。 一般说来，较大规模工业过程有关规模、选址、采用的原料和主要生产工艺须首先经项目论证，由政府主管部门根据国家建设和科学发展观的经济需要来批准，其次，要根据投资、原料消耗、能量消耗和回收等方面的经济效益和环保安全方面的要求来考虑，确定整个生产工艺中各有关工序的流程、装备和主要操作条件，大型工业过程含有多个生产工序，往往其中许多工序都有化学反应器，它们的设计参数相互有机地联系。 3）安全生产技术 有一项十分重要的技术，即安全生产技术，主要是防爆、防泄漏、防污染，除压力设备 系统因超压导致爆炸，以及加工不良导致可燃、有毒气体逸出。 反应器的工艺设计包括两个方面。一方面是在确定的生产任务条件下，即已知原料量、原料组成和对产品要求，通过设计计算，确定反应器的工艺尺寸，即反应器的直径、高度等。另一方面是反应器的校核计算，即已有一给定的反应器（已知反应器大小）确定产品达到一定质量要求的前提下，能否完成产量；或保持一定产量时，质量是否合格。 反应器设计的基本内容 (1)选择合适的反应器型式 (2)确定最佳的工艺条件 (3)计算所需反应器体积 反应系统的动力学特性 反应器的流动特征和传递特性 最大反应效果 反应器的操作稳定性 反应器结构和尺寸的优化 目标 动力学方程式 物料衡算方程式 热量衡算方程式 动量衡算方程式 反应速率，过程速率 反应体系中各组分浓度 反应温度，各物料温度 反应压力 1.5.2 反应器设计的基本方程 1) 物料衡算方程式 物料衡算以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基本方程。对间歇反应器与全混流反应器，由于反应器中浓度均匀，可对整个反应器作物料衡算。对于反应器中物料浓度沿长度具有分布的反应器，应选取反应器微元体积，假定在这些微元体积中浓度和温度均匀，对该微元作物料衡算，将这些微元加和起来，成为整个反应器。对反应器或对反应器微元体积进行某反应组分的物料衡算。 某组分流入量 某组分流出量 某组分反应消耗量 某组分累积量 ＝ ﹢ ﹢ 反应器 反应单元 流入量 流出量 反应量 累积量 间歇式 整个反应器 0 0 √ √ 平推流(稳态) 微元长度 √ √ √ 0 全混釜(稳态) 整个反应器 √ √ √ 0 非稳态 √ √ √ √ 说明A、对单一反应，由于独立反应组分数是1个，只要知道任一反应组分的浓度，即可求出其他组分的浓度，因此物料衡算式是1个。B、对复合反应体系，独立反应组分数大于1，因此物料衡算式也大于1，组成方程组求解。 2) 热量衡算方程式 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础。在计算反应速率时必须考虑反应体系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化。 带入的热焓 流出的热焓 反应热 热量的累积 传向环境的热量 反应器 反应单元 带入量 带出量 反应热 累积量 间歇式 整个反应器 0 0 √ √ 平推流(稳态) 微元长度 √ √ √ 0 全混釜(稳态) 整个反应器 √ √ √ 0 非稳态 √ √ √ √ ＝ ﹢ ﹢ ﹢ * * .釜式反应器 * 单套管式反应器 * 壳管热交换器式反应器 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 1.4.1 温度对单反应速率的影响及最佳温度 1）温度对不同类型单反应速率的影响及最佳温度 不可逆吸热反应 不可逆放热反应 可逆吸热反应 可逆放热反应 温度 反应速率常数 平衡常数 （1) 不可逆吸热反应对于单反应 温度对化学反应的影响包括平衡常数和反应速率常数两个方面，不可拟反应不受平衡常数的限制，因此只考虑温度对反应速率常数的影响。对不可拟吸热反应当温度升高时，k会增大，反应速率也相应增大。 （2) 不可逆放热反应 当温度升高时，k会增大，反应速率也相应增大。 由于反应速率常数随温度的升高而升高，因此，无论是放热反应还是吸热反应，都应该在尽可能高的温度下进行，以获得较大的反应速率，但在实际生产中，要考虑以下问题： a）温度过高，催化剂活性下降或失活； b）设备材质的选取 c）热能的供应 d）伴有副反应时，会影响反应的选择性 例1 硫铁矿的焙烧反应： 4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3+8SO2 是一个不可逆的放热反应，实际上FeS2高于400℃就开始分解，温度越高反应速