化学反应工程第六章气液反应工程讲课教案
气液反应及反应器.ppt
时， ；
B ,opt
max
y y
半间歇搅拌釜
连续加热搅拌釜
第五节 鼓泡反应器
❖ 特点：气相高度分散在液相中（持液量大、相际接触面大、 传质和传热效率高，适用于缓慢反应和大量放热情况）；结 构简单，操作稳定，费用低。
缺点：液相返混较大；气相压降较大。
❖ 型式：按结构分：
①空心式（针对热效应较大）②多段式（克服液相返混）
(C：)反应面为界面时的 ，即C吸收速率最大时的
BL C
BL
C BL
当C 时， ，（反 应面）趋向于界面、
BL
1
2
；N A
当 C 至 （0 反应面）到时达，界面、
BL
1
1
2
(C ) (v（kG6)(-D49AL）)P
BL C
kDG
L
BL
；N k P ;
max
A,max
GG
6-8 不可逆瞬间反应
即当 时2 ，M i
②瞬间反应：
M
条件——k2很大，而B供应很不充分，
即当 M 时 1，0 i
i
6-11 平行反应和连串反应
❖ 一、平行反应： 多种反应剂对一种气体的吸收过程（工业中常见）属此。 两种反应剂对同一种气体吸收的浓度分布的形式，因反应
类型不同而不同:
❖
6-11 平行反应和连串反应
❖
1 1 1 ,
K k Hk
G
G
L
1 H1
;
K kk
L
G
L
6-5 化学反应在相间传递的作用
❖ 1、化学反应可忽略的过程： 当液相中反应量<<物理溶解量，可视为物理吸收过程。 如：对液相中进行的一级不可逆反应，
化工反应工程第6章 气-液反应及反应器
d 2C A dx 2 kCA DAL
rA kCA
将此方程进行无因次化
CA d 2C A dx 2 d (C Ai C A ) d x C Ai d C A CA dC A x ,x , C Ai L dx dx L d x dx d dC A d dC A d x C Ai d 2 C A ( ) ( ) 2 dx dx L d x2 d x dx dx
反应进行情况
液膜液相的反应均可忽略
反应在液相主体中进行 反应在液膜和液相中进行 反应在液膜中进行完毕 反应在膜内某处进行完毕
M 0
M 1
M 1
M 1
M 瞬间反应
瞬 间 反 应
快 反 应
慢
反
应
中 速 反 应
四、化学吸收的增强因子 气液反应和气固相催化反应都是“边扩散边 反应”过程，但两者又各有特点。针对这些 特点，理论上处理气液反应与气固相催化反 应的方法也有异同。 气-固相催化反应：内扩散有效因子ζ 又称为：内表面利用率 vs: 气液反应（同）：液相反应利用率 η( 相当于ζ) 气液反应（异）：增强因子β
x dx
A B Q
通过“扩散－反应” 方程来确定浓度分 布，进而确定化学 吸收增强因子β
x
dx
液膜
扩散入＝扩散出＋反应
2
微元
dCA dCA d CA DAL DAL ( dx) rAdx 2 dx dx dx
d 2C A dx2 rA DAL
薄片状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分方程
?
Liquid
第一节 6－1
气－液反应平衡
G iL i
d RTd ln i f
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程教案
课程教案课程名称：化学反应工程任课教师：所属院部：教学班级：化工1203-04教学时间：2014 —2015 学年第2 学期课程基本信息1绪论第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.1 基本概念1.2 建立动力学方程的方法一、本次课主要内容化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其应用。
二、教学目的与要求了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法，熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。
三、教学重点难点1、化学反应工程的研究目的、内容和方法。
四、教学方法和手段课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置书后习题第3、6、7题2绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。
每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。
在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。
物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。
可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。
化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。
“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。
二、《化学反应工程》任务“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。
《化学反应工程》课程教学大纲
《化学反应工程》课程教学大纲制定人：王远强教学团队审核人：门勇开课学院审核人：饶品华课程名称：化学反应工程／Chemical Reaction Engineering课程代码：040311适用层次（本/专科）：本科学时：48学分：3 讲课学时：48 上机/实验等学时：0 考核方式：考试先修课程：化工原理，化工热力学，物理化学适用专业：化学工程与工艺、制药工程等教材：张濂、许志美、袁向前，《化学反应工程原理》（第二版），华东理工大学出版社，2007 主要参考书：1、陈甘棠等，《化学反应工程》（第三版），化学工业出版社，20112、朱炳辰等，《化学反应工程》（第五版），化学工业出版社，20123、李绍芬等，《反应工程》（第二版），化学工业出版社，20084、Ronald W. Missen, Charles A. Mims, Bradley A. Saville. Chemical ReactionEngineering and Kinetics. Jon Wiley & Sons, Inc. 1999一、本课程在课程体系中的定位“化学反应工程”是以无机化工、有机化工、煤化工和石油化工生产过程中的化学加工过程为背景，按化学反应与动量、热量、质量传递相互作用的共性归纳综合的宏观反应过程；是将化学反应原理与反应设备相结合的一门学科；本课程是该专业的主干专业基础课，属于必修课，跟学生的学位挂钩。
二、教学目标1．培养学生用自然科学的原理考察、解释和处理工程实践问题；2．使学生掌握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿；3．应用理论推演和实验研究工业反应过程的规律而建立数学模拟结合工程实践的经验应用于工程设计和放大。
三、教学效果通过本课程的学习，学生可具备：1．从全局的角度，思考问题、解决问题的意识；2. 熟悉反应工程基本内容的能力；3．熟练运用“三传一反”基本方程式，求解理想反应器模型的能力；4．能注重研究内容，抓住研究思路，掌握共性规律的能力；5. 运用工程分析方法，解决工程问题的能力。
有机催化反应工程-气液反应
DA
t
(
c*A
c AL
)
表面更新模型
表面元在表面暴露时间为零到无穷大任一值 暴露时间分布密度函数
se st
N A 0 N A( t )dt
DAs ( c*A cAL )
kL DAs
简单气液反应宏观动力学
扩散－反应微分方程
D
2c A z 2
c A t
rA
三维模型
D 2cA
uc A
c A t
aL：单位液相体积为基准的相界面积 εL：液含率
气液反应的理论基础
扩散方程
Fick第一定律－分子扩散速率
Fick第二定律－扩散方程
膜模型 渗透模型 表面更新模型
N AB
DAB
dc A dz
DAB
2c A z 2
c A t
双膜理论
气液界面上，气体在液相的浓度与其在气相的浓度瞬 时达到平衡 溶质通过界面无阻力 气液相界面两侧分别存在气膜与液膜，传质阻力完全 集中于膜内 通过气膜的溶质都通过液膜，膜内无累积 膜内流体视为静止 膜外气体和液体被充分搅拌，浓度均一 气体通过的液面不更新
渗透模型
DA
2c A z 2
c A t
cA(
z,t
)
c AL
(
c*A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c AL
)1
erf
(
2
z )
DAt
z0 z0
t0 t0
cA cA
cAi c*A c AL
N
A
(
t
)
DA
cA z
z0
z t 0 cA cAL
DA
t
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
《化学反应工程》课程教学大纲
《化学反应工程》课程教学大纲课程名称：化学反应工程课程类型：必修课，专业课总学时：54 讲课学时：54 实验学时：0学分：3.0适用对象：化学工程、化学工艺先修课程：物理化学、化工工艺学、化工原理、化工热力学一、课程性质、目的和任务课程性质：化学反应工程是以化学反应器原理为要紧线索，要紧研究化学反应过程需要解决的工程问题，是化工生产的龙头、关键和核心，是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科，其内容要紧涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型结构、数学建模方法、操作分析及反应器设计，具有高度综合性、广泛基础性和自身专门性。
课程目的与任务：一是培养学生将物理化学、传递过程、化学工艺、化工热力学、操纵工程等学科知识用之于化学反应工程学的综合能力；二是使学生把握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿；三是使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力二、教学差不多要求通过本课程的教学，要使学生系统地把握化学反应动力学规律、传递过程对化学反应的阻碍规律，把握反应器设计、过程分析及最佳化方法。
四、课程的重点和难点绪论重点是化学反应工程的研究内容和方法。
第一章均相单一反应动力学和理想反应器重点：①化学反应动力学方程②理想反应器设计方程难点：动力学方称的建立；反应器设计运算第二章复合反应与反应器选型重点：复合反应动力学方程表达法；复合反应动力学特点分析；平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。
难点：可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析；循环反应器设计方程的数学推导；复合反应（包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应）在PFR 和CSTR反应器的优化设计运算第三章非理想流淌反应器重点：停留时刻分布的概率函数及特点值；停留时刻分布的实验测定；解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
如果吸收剂中含有非电解质溶质，气体溶解度 亦会降低，则溶解度系数为
lE g /E 0 lH g 0 /H h S c S
式中 hs为非电解质溶液盐效应系数，m3 kmol； cS为非电解质的浓度，kmol 。 m3
盐效应系数随分子量增大而增加。
[例 6-1] 计 算 CO2 在 20℃ 、 1mol/L Na2CO3和 1mol/L NaOH溶液中的溶解度系数，已知CO2在20℃水中溶
存在时， ，则 cM cN
cM cN KccA
A的总浓度 ，由 cA 0cAcM cAK ccA 得 cA 0HAp* A KcHAp* A
，则 cA HAp*A
该式表示A组分的溶解度为物理溶解量与离解
量之和。
如水吸收二氧化硫即属此类型。
3.被吸收组分与溶剂中活性组分作用
设溶剂中活性组分起始浓度为，若组分B的转 化率为，此时 ， cBc0 B1xB cM c0BxB ，由化学平衡关
1mol/LNa2CO3的离子强度：I11 2 ciZi21 2243
1mol/L的离子强度：I2
1112Biblioteka 1由式(6-10)得，l H g 0 H h 1 I 1 h 2 I 2 0 . 1 3 1 0 . 1 1 4 3 0 . 46 78
H0 H3.00
H 0 .3/8 3 .0 5 0 0 .1k 2m 8 /m (3 o •M l )Pa
有机物加氢 烯烃加氢；脂肪酸酯加氢 其他有机反应 甲醇羟基化为醋酸；异丁烯被硫酸所吸收；烯烃在有机溶剂中聚合。
气体的吸收 合成产物
SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被碱性溶液所吸收。
CO2与液氨合成尿素；CO2与氨水生成碳铵；CO2与含NH3的盐水生成 NaHCO3和NH4Cl
1A
当气相是理想气体混合物时，上式为
pA*
1 HA
cKMMcccBNBN
1A
为了较深入地阐明带化学反应的气液平衡关系， 下面分几种类型来分析。
1. 被吸收组分与溶剂相互作用
设被吸收组分A在溶液中总浓度为
c
0 A
，即cA 0
, cA* cM
可得 。联合理想气体亨利定律 ,整 Kc
cM cA*cB
系 K c c M /c A ( c B ) x B / c * A 1 x B
将气液平衡关系 引入，则 cA HAp*A
解度系数H0为0.385 km olm 3M Pa。
解 查表6-2及表6-3得
对1mol/L N 2 C 3 ： h a 1 O h h h G 0 . 0 0 9 . 0 0 1 3 . 0 8 0 1 . 15 14
1mol/L N ： h a 2 h O h h G H 0 . 0 0 9 . 0 1 0 6 . 0 0 0 1 . 15 36
cA0 cA* cA*cB
cA HAp*A
理得
p*A
cA HA
cA 0
HA1KccB
当A为稀溶液时，溶剂B是大量的，p
* A
与
c
0 表观上
A
仍遵从亨利定律，但溶解度系数较无溶剂化作用时
增大(1+Kc cB)倍。
如水吸收氨即属此例。
2. 被吸收组分在溶液中离解
由反应平衡，Kc cM cN cA，当溶液中无其他离子
亨利系数Ei与溶解度系数Hi与温度和压力的关
系为
d dl1nE Tid dl1n H TiR Hi
dlnEi dlnHi Vi
dp
dp RT
V i 为气体在溶液中的偏摩尔容积，m3 kmol。
二、溶液中气体溶解度的估算
如果溶液中含有电解质，这些电解质的离子将会降低气 体的溶解度，它可由如下关联式表示
l E / g E 0 l H g 0 / H h 1 I 1 h 2 I 2
式中E0、E为气体在水中和在电解质溶液中的亨利系数； H0、H为气体在水中和在电解质溶液中的溶解度系数；
I1、I2为溶液中各电解质的离子强度，
I 12ciZi2，其中ci为离子浓度，Zi为离子价数；
h1、h2为溶液中各电解质所引起的溶解度降低系数，其 数值为hhhhG，其中h+、h-、hG分别为该电解质正、负离 子及被溶解的气体引起的数值。
三、带化学反应的气—液相平 衡
气体A与液相组分B发生化学反应，则A组分既 遵从相平衡关系又遵从化学平衡关系。设溶解气体 A与液相中B发生反应，则可表示为
由化学平衡常数可写出
cA*
cMν M cNν KccBν B
N
1/ν A
由相平衡关系式可得
f* A(g)
cA* HA
H 1AcK M M cccB NBN
气-液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等 化学加工过程；合成气净化，废气及污水处理，以及好气 性微生物发酵等过程均常应用气-液反应。
有机物氧化 有机物氯化
工业应用气－液反应实例
链状烷烃氧化成酸；对-二甲苯氧化成对苯二甲酸；环己烷氧化成环 己酮；乙醛氧化成醋酸。
苯氯化为氯化苯；十二烷烃的氯化；甲苯氯化为氯化甲苯。
第六章 气-液反应工程
在“化工原理”课程中，“气体吸收”一章主 要讨论以液体吸收气体混合物中的有用物质，以制 取产品和除去其中有害的物质，其基本原理是利用 目的组分在溶剂中不同的物理溶解度，而与气体混 合物分离，称为物理吸收，所采用的设备主要是填 料吸收塔。
以溶剂中活性组分与目的组分产生化学反应而 增大溶解度和吸收速率的过程，称为化学吸收， “化工原理”课程只做了简要阐述。
若气相为理想气体的混合物，即i 1 ，则低压 下的气－液平衡关系为 pi pyi Ei xi
如果不是稀溶液，则还应引入活度和活度因 子，可参见其它专著。
亨利定律也可用容积摩尔浓度ci来表示，则
ci Hi fig
在低压下则为 ci Hi pi
溶解度系数和亨利系数的近似关系为
H
i
ρ M0
Ei
为溶液的密度；M0为溶剂摩尔质量。
在过程工业中，采用化学吸收进行气体净化和 气-液反应，气-液反应是气相中某组分与液相溶剂 产生化学反应而生成另一种液相产物，广泛用于有 机物的氧化、氯化、加氢等反应，主要采用填料反 应器和鼓泡反应器。
本章授课内容
• 气-液反应平衡 • 气-液反应历程 • 气-液反应动力学特征 • 气-液反应器概述 • 鼓泡反应器 • 填料反应器