化学反应工程-武汉理工大学化工学院

时 间 20世纪30年代 20世纪40年代 （萌芽阶段） （系统化）
标志性成果 对扩散、流体流动和传热对反应过程影响的 深刻认识 《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散 与传热》出现，对学科形成奠定了基础 学科确立，学科第一次国际性的学术会议在 欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一 术语 石油化工的发展要求生产的大进化，产品的 多样化和深加工促进了实验研究和生产实际 的结果，产品研发周期缩短 计算机和徽电子技术普遍应用实现了反应器 的精确控制问题。通过与其它学科的交驻形 成了一系列新的交叉学科。此外,反应与分离 过程的结合出现了多功能反应器 环境保护意识的深厚感情对化学反应工程学 科提出了新的要求、新的环境友好、原子经 济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存 放利用的贡献
A0 A A
V ci 0 V 0cA0 xA A
则有：
0 0
V 0c A0 x A A V ci 0
cA0 xA A 0 V V V V V V 0 (1 A y A0 xA ) ci 0
cA N (1 x A ) NA (1 x A ) 0 A0 c A0 V V (1 A y A0 x A ) (1 A y A0 x A )
• 二、化学反应的分类（反应工程学科） • 无论是自然界还是实际生产过程中，存在各 种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用， 将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学 反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个 或者更多的反应种类。 •
• 例如：
为一气固催化反应
• 三、反应过程的举例
• 一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量 • 、动量和质量传递过程) 化学现象--化学反应 概括为"三传一反"。例如：对于反应过程 • • 实际的反应过程可能包括： 反应物、产物的扩散过程（内外）+表面反应过程 无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反 应物气体存在温差 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位 置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑。
• 第一节 化学反应工程
• 一、化学反应工程的研究对象 • 化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主 要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分 析。 反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率， 以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息， 如反应模式、速率方程及反应活化能等 其中速率方程可表示为： r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言-随时间、空间变化） 其中，r为反应系统中某一组分的反应速率， 代表浓 度的矢量，P为系统的总压。 反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规 律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
六 复合反应的收率及选择率：
复合反应包括：同时反应，平行反应，连串反应，平行连串反应 1.同时反应：反应系统中同时进行两个或两个以上的反应 物与产物都不相同的反应：如：
A k1 L, B k2 M
2.平行反应：一种反应物同时形成多种产物，
A
如：
k1 L(目的产物) k 2 M (副产物)
20世纪50年代 （学科确立）
20世纪60年代 (学科发展状大)
20世纪80年代到
90年代中期
(学科交叉和新技术运用)
20世纪90年代
第二节 化学反应器的类型
反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分, 可以概括为以下几种类型：
种类 管式反应器 釜式反应器 塔式 (填塔 板式塔) 固定床 流化床 移动床
v A nL n L 0 Y vL n A0
为了表达已反应的关键组分中转化为目的产物的分率，定 义选择率如下： 生成目的产物所消耗的 关键组分的物质的量 s 已转化的关键组分的物 质的量
转化率的定义为：
已转化的关键组分的物 质的量 x 进入反应系统的关键组 分的物质的量
因此有：
Y= s ∙ x
• 四、化学反应工程作用 对于化学产品和加工过程的开发、反应器的 设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程知 识可以： 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发 周期 对现有反应装置操作工况进行优化，提高 生产效率 开发环境友好的绿色生产路线和工艺
• 五、 化学反应工程的建立过程 • 化学反应工程是建立在数学、物理及化学等基础学 科上而又有自己特点的应用学科分支，是化学工程学科 的组成部分，从学科建立至今，经历了一个漫长的过程。
V0 T,P
ΔV
由于T，P恒定，则ΔV完全由化学反应前后物质的量变化引起。设 反应物A，B及惰性组分I的的初始浓度分别为cA0， cB0和 cI0，则在 某一瞬间，各组分的浓度为： pi P ci , ci ci 0 RT RT
则由于反应引起的摩尔数变化为： V ci V ci 0 由化学膨胀因子的定义可知，当A组分的转化率为xA时，引起物系 摩尔数的变化为 则有： V 0c x
第二章 化学反应动力学 Chemical Reaction Kinetics
目
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
录
化学计量学 化学反应速率的表示方式 多重反应系统的关键组分与关键反应 动力学方程 均相气体反应和液体反应的动力学方程 非均相催化反应 均相催化反应 温度对反应速率的影响连续浆态床反应器 (h) 规整填料塔反应器 (k) 鼓泡塔反应器
(c) 机械搅拌浆态床反应器 (f) 固定床鼓泡床反应器 (i) 喷雾塔式反应器 (l) 气液搅拌釜式反应器
第三节 反应器的操作方式
间歇操作:一次性投料，卸料。反应物系参数(浓度 或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反应器内 物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特点，情况 比较复杂。
• 第二节 化学反应速率的表示方式 • expression of Chemical reaction rate 化学反应动力学是定量描述化学反应随时间变化即 化学反应速率的基础理论。它表达了反应速率及其影响 参数之间的函数关系。 • 在均相（气体或液体）中进行化学反应时，一般有 以下这些影响因素：反应物浓度、绝对压力、温度以及 发生催化反应时的催化剂的种类和浓度。有些情况如高 粘性液体例外，反应速率还受扩散过程影响。 • 化学反应速率指单位时间内单位反应混合物体积中 反应物的反应量或产物的生成量。因反应系统的不同， 其表达方式也有不同。如间歇系统和连续系统就有所不 同。下面分别介绍：
第五节 工业反应器的放大
• 问题的提出： 在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为 基准的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化学 反应器放大方面则无能为力，主要原因是无法同时保持 物理和化学相似。 • 目前使用的化学反应器放大法有： 逐级经验放大法（主要靠经验） 数学模型法。可以提高放大倍数， 半经验放大法 • 采用逐级放大法费时费力，但采用数学模型放大法 时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。目前实 际的反应器放大介于两者之间，既有数学模型放大法的 理论分析又加入经验处理方法。可以预测，随着人们对 反应过程基本规律的认识不断加深，数学模型放大法将 逐步取代现有的经验和半经验方法，成为反应器放大法 的主流。
特点 长度远大于管径,内部没有任何构件 高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板 高度远大于直径，内部设有填料、塔板等 以提高相互接触面积 底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒 可以是催化剂或是反应物 反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮 和循环运动，提高反应器内液体的混合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆 向接触 是固定反应器的一种，但反应物还包括气液 两种
3.连串反应：反应物先生成某种中间产物，中间产物又继 续反应生成最终产物，如： A k1 L k2 M 4.平行-连串反应：最终产物可以由几步连串过程生成， 也可以由一步直接生成，如： A k1 L k2 M
对目的产物， 生成目的产物所消耗的 关键组分的物质的量 Y 其收率定义为： 进入反应系统的关键组 分的物质的量
第四节 反应器的设计与基本过程
反应器设计的基本内容一般包括： • 选择合适的反应型式 • 确定最佳操作条件 • 根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体 积和尺寸 要完成上述任务，需要使用下列三类基本设计方程： • 物料衡算式(描述浓度变化)--连续性方程 • 能量衡算式(描述温度变化) • 动量衡算式(描述压力变化) 这三个式子是相互耦联的,需要同时求解。具体的作 法,将在以后的各个章节中详细阐述。
• 一 间歇系统 batches system • 基本概念： • 1 反应体积VR，指的是反应器中反应物质所占据 的体积。 • 2 间歇式反应：反应物等一次性加入封闭容器中， 反应物在规定的反应条件下经历一定的反应时间 达到所需要的反应率或转化率后，将反应混合物 一次卸出，反应混合物浓度随反应时间而变化， 但由于良好的搅拌，反应器内没有浓度和温度梯 度。
应用范围
多用于均相反应过 程
均相、多相反应过 程均可
用于多相反应过程
用于多相反应系统 多相反应体系，可 以提高传热速率 用于多相体系，催 化剂可以连续再生
滴流床
属于固定床的一 种，用于使用固体 催化剂的气液反应 过程
(a) 管式反应器 (d) 循环式浆态反应器 (g) 滴流床反应器 (j) 板式塔反应器
则组分A的瞬时浓度为：
膨胀率 A
：A组分全部反应时造成体系体积变化的比例。
V 0c A0 x A A V ci 0
则：
0
V cA0 A xA A 0 yA0 A xA V ci 0
V V (1 A )
N A N A0 (1 xA ) 1 xA cA 0 c A0 V V (1 A ) 1 A cA 1 xA yA y A0 c 1 A
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