有机催化反应工程

丙烯氨氧化合成丙烯腈： 流化床 固定床
绿色化学

绿色化学是指利用一系列原理来降低或消除在化 工产品的设计、生产及应用中有害物质的使用和 产生。 绿色化学的最有效的用途在于它能通过减少内在 的危害而使发展具有可持续性。 绿色化学、对环境无害的化学合成、防止污染的 非传统合成路线和无毒害设计、环境友好工艺。


卢天雄. 流化床反应器
J. B. Rawlings & J. H. Ekerdt.
Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals

The stoichiometry of reactions Chemical Equilibrium The Material Balance for Chemical reactors Chemical kinetics The Energy Balance for Chemical Reactors Fixed-Bed Catalytic Reactors Mixing in Chemical Reactors Parameters Estimation for Reactors Models


化学反应器的分析 与设计

课程内容（一）

有机催化（催化剂工程）
流化床
气液反应
气固相非催化反应 化学反应速率的数据收集与分析
课程内容（二）

有机催化（催化剂工程）

催化特征、吸附与催化、中毒失活及动力学

流化床

流化床特征、泡相乳相行为、流化床传热及相
关数学模型
课程内容（三）
5.
可逆反应：目的不同，反应用不同方向。
6.

原料配比不同，产物不同。
甲烷氯化反应
7.

同一原料，同一产物，可采用不同途径。
丁二烯：丁烯脱氢、丁烯氧化脱氢
有机催化反应特点
8.
同一反应可在不同相态下进行。
乙烯与苯合成乙苯：AlCl3 气液相反应 ZSM-5 气固相反应
9.
在相同相态下进行同一反应，可采用不同 反应器。

气液反应

气液相传质、反应宏观动力学、气液反应特征 参数

气固相非催化反应

气固相非催化反应特征、单颗粒的动力学分析
课程内容（四）

化学反应速率的数据收集与分析

间歇反应器 初始速率法 半衰期法 微分反应器方法


最小二乘法
实验反应器
参考书目

G. F. Froment & K. B. Bischoff. Chemical Reactor Analysis and Design. J. B. Rawlings & J. H. Ekerdt. Chemical Reactor Analysis and Design Fundamentals. 屠雨恩，周为民，许根慧. 有机化工反应工程. 朱炳辰. 化学反应工程. 李绍芬. 反应工程. 姜信真. 气液反应理论与应用基础.
Ni 0 Ni 反应物Ai已转化的物质的量 Xi Ni 0 反应物Ai的起始物质的量


反应程度以摩尔量为计量单位 0≤Xi ≤1 不同的关键组分可得到不同的转化率数值 计量基准常选择反应器进口状态，但当反应物 循环通过反应器，或讨论在复杂流程中的转化 率时也可选择不含产物的假想状态为基准。
有机催化反应特点
1.

大多数反应是在催化剂存在下进行的。
环氧乙烷、丙烯腈、苯乙烯
2.
相同物料，不同催化剂，反应不同，产物 不同。
有机催化反应特点
3.

同一产品可以由不同原料出发生产。
顺丁烯二酸酐：丁烷、苯、碳四馏分 氯乙烯：乙烯、乙炔
4.
反应物料和催化剂相同，反应条件不同， 产物不同。
有机催化反应特点

化学反应器的分析


化学反应器的优化操作与设计放大

化学反应工程的数学模型方法

单元操作

经验归纳法：因次分析、相似分析

化学反应工程：数学模型方法

化学动力学模型 流动模型 传递模型 反应器总体模型
化学反应工程基础



化学计量学 化学反应速率方程 理想反应器 停留时间分布
转化率
生成速率（产物）
（单位体积）（单位时 间）
1 dni 由此：整个反应的速率： r viV dt
化学反应速率的表示方法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dci 1）物质的量浓度表示： 恒容过程： ri dt 1 d(Vci) dci ci dV 变容过程： ri V dt dt V dt dFi F ：反应组分的摩尔流量 i 对定常流动体系： ri dVR VR：所观察的 流动体系的体
11.
12.
应尽可能降低发生化学事故的可能性，包括：
泄漏、爆炸和火灾。
Some Aspects of Green Chemistry
Safer Reactions
& Reagents
Catalysis
Solvent Replacement
Separation Processes
Green
Use of
思考题2

一级反应，r=kcA，k=0.08/s，
cA0=3.2kmol/m3，v0=3.6m3/h，XA0=0， XAf=0.998，求用活塞流反应器、间歇式反应器、 单级全混流、2级全混流、4级全混流反应器完成 同样任务的反应器体积。
思考题3

理想表面的催化动力学模型推导
有机催化反应工程基础
若用摩尔分数表示

nT不变： nT变化：
yi yi 0 -
vi yi 0 x; v1

nT N 0 N 0 y 10δ1x vi yi 0 - yi 0 x v1 yi ; 1 ε1x

若用质量分数表示：
viMi mi为常数 wi wi 0- v1M 1 w10 x;
复杂反应体系
Chemistry
Renewable Feedstocks
Energy Efficiency Process Intensification Waste Minimisation
化学反应工程基础
化学反应工程基础

化学反应动力学

简单与复杂体系的本征动力学、受传递影响的 宏观动力学 复杂过程分解为若干子过程，逐一进行研究 子过程在空间与时间域上综合，得到对反应器 总体认识。

复杂反应：其他反应导致中间产物或副产物 的生成，使目的产物收率下降
主反应：2C2H4 + O2 = 2C2H4O 副反应：C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O
i YP P

得到目的产物
P
的物质的量 i 物质的量
进入反应器的关键组分 P
用于生成目的产物
所消耗的关键组分 i的物质的量 i 物质的量
进入反应器的关键组分
i P P

得到目的产物 P的物质的量 已转化的关键组分 i物质的量
YP XiP
用于生成目的产物 P所消耗的关键组分 i的物质的量 已转化的关键组分 i物质的量
反应体系的组成及在反应过程的变化

ni c 物质的量浓度： i V
摩尔分数： yi
ni
（液相体系Ｖ不变） （总物质的量∑ni一般 会变化） （总质量∑mi不变）
2.
3.
对人类健康无毒性或很低毒性的物质。
绿色化学的原理
4. 5.
化工产品应被设计成既保留功效、又降低毒性。
应尽可能避免使用辅助性物质（如溶剂、分离 剂等），如用时应是无毒的。
6.
应认识到能源消耗对环境和经济的影响，应尽 量少地使用能源。合成应在常温和常压下进行。
绿色化学的原理
7.
只要技术和经济可行，原料或反应底物应是可
n
：反应进度

恒容反应
vi ci(t) ci 0 c10 X1 v1

变容反应：δ1
v ;
i
v1
V0c10X1 1 V V0 V0(1 1X1); ci0
vi ci 0 c10X1 v1 ci 1 ε1X1
c10 1 1 ; ci0

n
i 1
n
i

质量分数：
wi
mi
m
i 1
n
i

气相反应体系亦可用分压表示浓度，
理想气体中，pV=nRT
pi py i y ip ci RT

非理想气体中，经Zi修正后，piV=pZiyi
yip ci ZiRT
简单反应体系

简单反应 vi Ai 0 若关键组分A 的转化率X (t)，则 1 1 i 1 vi ni(t) ni 0 n 10 X1(t) v1 ni(t) ni 0 n 10 X1 n 1 n 10 vi v1 v1
有机催化反应工程
天津大学化工学院 马新宾
办公地点：天南大联合大厦B-103、20-231 E-mail: xbma@
化学反应工程－课程体系

化学反应工程
化学反应动力学

Chemical Reaction Engineering Chemical Reaction Kinetics Chemical Reactor Analysis and Design

2）其他方法表示：