应用化学反应动力学及反应器设计基础
化学反应工程_第一章_应用化学反应动力学及反应
（1）一级反应；（2）二级反应；（3）三级反 应；（4）零级反应；（5）分数级反应
（1）放热反应；（2）吸热反应
2014-6-15
按反应过程进行的条件分类
均相
催化反应
非催化反应 催化反应
气相反应；液相反应
多相 温度 压力
液-液相反应；气-液相反应；液-固相反应； 非催化反应 气-固相反应；固-固相反应；气-液-固三相反应 等温反应；绝热反应；非绝热变温反应 常压反应；加压反应；减压反应 间歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间 型）；半间歇过程 定态过程；非定态过程 理想流动模型（平推流，全混流） 非理想流动模型
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各种反应器在工业中的应用－线性低密度聚乙烯的生产
流化床反应器
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第二节 化学计量学 2.1 化学计量式：
表示参加反应的各组分的数量关系
ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n
也可以写成： ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n 0 或：
反应物
反应时间
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（二）连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
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连续操作的主要特点
操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
化学反应动力学与反应器设计
化学反应动力学与反应器设计化学反应是一种由化学反应动力学控制的现象。
化学反应动力学的研究是研究化学反应速率及其机理、反应物转化率与反应条件之间的关系的一门科学。
而反应器设计则是将化学反应动力学理论与工业实践相结合，设计反应器的形式、参数及操作条件等，以实现化学反应过程的高效、经济及环保。
一、化学反应动力学化学反应动力学是化学反应过程中反应速率的研究，它充分利用关于化学反应速率的实验数据，确定化学反应速率与反应物浓度、温度、压力、催化剂等各项条件之间的定量关系，并阐明这些关系的机理。
其所涉及的基本概念有反应级数、反应机理、反应速率常数等。
反应级数描述了反应物数目对于反应速率的影响，它等于某一反应物的浓度对速率的影响次数（如A+B→C的反应级数为2）。
反应机理是指反应的中间状态和路径，它是反应速率的决定因素之一。
反应过程一般可分为初步反应、中间产物、终步反应这三个阶段。
多数的化学反应都是分多个反应步骤完成的，即多步反应机理。
反应速率常数是化学反应动力学定量研究的中心问题，它是表示化学反应速率大小的数量。
它表示的是反应物单位浓度下每一单位时间内反应物消失速率的大小，其单位通常为“mol·L^-1·s^-1”。
二、反应器设计反应器是化学反应过程中反应物通过物理或化学变化转化为产物的设备。
反应器设计是经过实验和理论计算，根据化学反应动力学理论和相关工程技术要求，设计出具有高效、节能、安全、环保等特点的反应器。
反应器可以按不同的分类方式进行划分。
按照反应器的结构和形式，可以分为批式反应器和连续式反应器；按照反应体系的性质，可以分为气相反应器、液相反应器和气液相反应器。
在反应器设计中，需要考虑到物料流动、传热、质量传递等多方面的因素。
在连续式反应器设计中，反应物的流入、反应、产物的出口应该按照一定的流动方式进行设计。
反应器内部的物理结构、搅拌装置、催化剂分布等因素对反应效果有很大的影响。
因此，在反应器设计中，需要增大反应器的有效容积，改进反应器的技术参数和结构，利用先进的自动化技术来实现对反应器的精确控制。
反应器的原理和应用
反应器的原理和应用原理反应器是一种用于进行化学反应的装置，通过提供适宜的反应条件，使原料物质在反应器中发生化学转化，从而得到所需的产物。
反应器的原理主要包括以下几个方面：1.化学反应动力学原理：反应器设计中的关键环节是合理选择反应动力学模型，深入了解反应物质之间的反应机理，以及影响反应速率的因素。
不同的反应动力学模型要求不同的反应器设计和操作条件。
2.反应过程控制原理：反应器中的温度、压力和浓度等反应条件需要进行精确控制，以维持反应能量的平衡，并提高反应的效率和产物的纯度。
反应过程控制原理包括控制系统设计、传感元件选型和反应器操作策略等。
3.反应器选择原理：根据不同的反应类型和需求，选择合适的反应器类型。
常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器、固定床反应器、搅拌槽反应器等。
不同的反应器有不同的优缺点，需要根据实际情况进行选择。
应用反应器广泛应用于化学工程领域和许多其他行业，被用于各种化学反应和物质转化过程。
以下是一些常见的反应器应用场景：1.化学合成反应：反应器在有机合成、医药制造和农药生产等领域中得到广泛应用。
例如，合成药物和精细化学品时，常常需要在反应器中进行各种有机合成反应。
2.石油和炼油工业：反应器在石油和炼油工业中用于裂解原油、催化重整和催化裂化等重要过程。
这些过程通过控制反应条件，可以生产出高效能的燃料和化工产品。
3.聚合反应：反应器在聚合反应中扮演着重要角色。
聚合反应是将单体分子通过共聚或链增长反应连接起来形成一个高分子链的过程。
聚合反应广泛应用于塑料、橡胶、纤维和涂料等行业。
4.化学工程设计：反应器在化学工程设计和工艺优化中起到核心作用。
通过对反应器的设计和模拟，可以确定最佳的反应条件、反应器尺寸和操作策略，从而实现工艺流程的优化和经济性的提高。
5.环保和能源领域：反应器在环境保护和能源利用中也有重要应用。
例如，通过催化反应器将废气中的有害物质转化为无害物质；利用核聚变或核裂变反应器实现能源的产生等等。
化学工程中的反应器设计原理
化学工程中的反应器设计原理在化学工程中，反应器是一种用于进行化学反应的装置。
它起着将原料转化为所需产品的关键作用。
反应器的设计原理涉及许多方面，包括反应动力学、传热传质、流体力学等。
本文将探讨化学工程中的反应器设计原理，以及一些常见的反应器类型和应用。
一、反应动力学反应动力学是研究化学反应速率与反应条件之间关系的学科。
在反应器设计中，了解反应动力学是至关重要的。
反应动力学包括反应速率方程、反应级数、反应速率常数等。
通过实验测定反应速率和反应物浓度的关系，可以确定反应速率方程和反应级数。
反应速率方程可以帮助工程师选择适当的反应器类型和设计反应器尺寸。
二、传热传质在反应过程中，传热传质是不可忽视的因素。
传热传质的效率直接影响反应器的性能。
常见的传热传质方式包括对流、传导和辐射。
对流是指通过流体的运动传递热量和物质。
传导是指通过物质内部的分子传递热量和物质。
辐射是指通过电磁波传递热量。
在反应器设计中，需要根据反应物的性质和反应条件选择合适的传热传质方式，并优化传热传质效果。
三、流体力学流体力学是研究流体运动规律的学科。
在反应器设计中，流体力学是一个重要的考虑因素。
流体力学涉及流体的流动速度、流体的流动模式、流体的混合程度等。
根据反应物的性质和反应条件，可以选择合适的流动模式，如湍流、层流等。
合理设计反应器的流体力学特性可以提高反应效率和产品质量。
四、常见的反应器类型1. 批式反应器批式反应器是最简单的反应器类型之一。
它适用于小规模生产和实验室研究。
批式反应器的特点是反应物一次性加入反应器，反应结束后才取出产品。
批式反应器的优点是操作简单，适用于不稳定或难以控制的反应。
缺点是生产效率低，不适用于大规模生产。
2. 连续式反应器连续式反应器是一种持续进行反应的装置。
它适用于大规模生产和稳定的反应。
连续式反应器的特点是反应物和产物连续流动，反应过程持续进行。
连续式反应器的优点是生产效率高，适用于大规模生产。
缺点是操作复杂，对反应物和产物的控制要求高。
《化学反应工程》第一章
s=
生成目的产物所消耗的关键组分物质的量 已转化的的关键组分的量
Y=sx
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s）
瞬时选择性
s
目的产物的生成速率 关键组分的反应总速率
生成主产物的关键组分 的反应速率 关键组分的反应总速率
s
平均选择性
s
生成主产物消耗的关键 组分的量 反应掉的关键组分量
收率
n1 n2 rP k1c A k 2 cP s n1 rA k1c A
s
cPf c A0 c Af
Y
s xA
1-2-5 气相反应的物料衡算
气体反应混合物的组成常用摩尔分数或体积分数表示 当反应方程中气体物质的
i 0
反应前后各组分的组成变化须根据化学计量式 所显示的物料衡算关系式确定。
C H O N
HCHO+O2 CO2 +H2O
矩阵的秩R=4，独立反应数n=6-4=2
独立反应： CH OH+ 3 O CO +2H O 3 2 2 2
2
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s） Y= or Y=
生成目的产物所消耗的关键组分的量 进入反应物系的关键组分的量
目的产物L生成的物质的量 A × L 进入反应物系的关键组分A物质的量
rA 1 dn A V dt
kmol / m
3
h
1 dcA 1 dcB 1 dcL 1 dcM A dt B dt L dt M dt
连续系统反应速率：单位反应体积、单位反应表面或单 位质量催化剂上某一反应物或产物的摩尔流量的变化
dn (ri )V i dVR
化学工程中的化学反应动力学与反应器操作技术
化学工程中的化学反应动力学与反应器操作技术化学反应动力学与反应器操作技术是化学工程中的关键概念和技术，它们对于反应过程的理解、优化设计和实际操作至关重要。
本文将探讨化学反应动力学的基本原理和反应器操作技术的应用，以及二者之间的关联和相互影响。
一、化学反应动力学化学反应动力学研究的是化学反应速率与反应物浓度之间的关系，以及影响反应速率的因素。
通过对反应速率的研究，可以理解反应物转化速度和产品生成速度的变化规律，从而指导反应器的设计和操作。
化学反应速率可以用反应物浓度的变化率来描述，即速率方程。
速率方程一般采用“速率常数”和反应物浓度的指数幂之间的关系来表示。
例如，对于简单的一级反应（A→B），其速率方程可以表示为：r = k[A]其中，r代表反应速率，k为速率常数，[A]为反应物A的浓度。
在实际应用中，通过实验测定不同条件下的反应速率，可以确定反应速率常数和反应物浓度指数的具体数值。
这些实验数据可以用来建立数学模型和探究反应机理，进而进行反应器设计和操作的优化。
二、反应器操作技术反应器是进行化学反应的设备，反应器操作技术包括反应器的选择、设计和操作策略的确定等方面。
反应器的设计和操作对于反应动力学的研究和实际应用起着至关重要的作用。
1. 反应器的选择在化学工程中，常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和循环式反应器等。
不同类型的反应器适用于不同的反应系统和反应条件。
批式反应器适用于小规模试验和多种反应系统的研究，其优点是对反应条件的控制灵活。
连续流动反应器适用于大规模生产和连续运行的反应系统，其优点是反应效率高和操作稳定。
循环式反应器适用于固液相催化反应系统等，其优点是提高反应转化率和降低催化剂的用量。
2. 反应器的设计反应器的设计包括确定反应器的几何形状、尺寸和内部结构等方面。
反应器设计的目标是实现反应物的充分混合和传质，提高反应效率和产物选择性。
常见的反应器设计方法包括反应器的流体力学模拟和传热传质计算，以及反应器的流体动力学分析和化学动力学模型的建立。
化工原理中的反应器设计与操作
化工原理中的反应器设计与操作在化工原理中，反应器设计与操作是一项十分重要且复杂的任务。
反应器是化学反应进行的关键设备，其设计合理与否直接影响着反应效果和产物质量。
本文将介绍反应器设计与操作的基本原理和常用方法。
一、反应器设计的基本原理反应器设计的主要目标是实现反应的高效与安全，确保产物的质量和数量得到满足。
在设计反应器时，一般需要考虑以下几个方面的因素。
1. 反应动力学反应动力学是了解反应速率与反应条件（如温度、压力等）之间关系的重要理论基础。
通过反应动力学的研究，可以确定反应器的尺寸和操作参数，以实现所需的反应速率和产物收率。
2. 反应热学反应过程中常伴随着吸热或放热现象，这将对反应器的操作和安全性造成影响。
通过对反应热学的研究，可以估算反应热量的大小，设计合适的冷却设备以控制反应温度，并采取必要的安全措施。
3. 反应物料的选择和物料平衡反应器中的反应物料选择合适，能够改善反应效果。
在设计反应器时，需要进行物料平衡计算，确保反应物料的进出口量满足反应方程式的要求，避免物料的浪费和产物的污染。
4. 反应器的类型选择根据反应条件和需求，可以选择不同类型的反应器，如批量反应器、连续流动反应器、固定床反应器等。
每种反应器都有其适用的场合和特点，需要根据具体情况来选择。
二、常用的反应器设计方法反应器的设计方法有多种，根据具体的需求和反应条件选择合适的方法进行设计。
1. 理论计算法理论计算法是最常用的反应器设计方法之一，它基于反应动力学和物料平衡原理，通过数学模型和计算方法，推导出反应器的尺寸和操作参数。
这种方法需要准确的反应动力学和物料数据作为输入，相对精确但较为繁琐。
2. 经验法经验法是反应器设计的一种简化方法，它基于过去的经验和实验数据，通过调整参数和模型的经验常数来估计反应器的尺寸和操作参数。
这种方法快速简便，但其结果依赖于经验数据的准确性。
3. 缩尺实验法缩尺实验法是指在较小的实验装置中进行反应试验，并根据试验结果进行反应器的设计。
化学反应工程中的反应动力学与反应器设计
化学反应工程中的反应动力学与反应器设计化学反应工程是针对化学反应中的工业化问题进行分析、设计和优化的一门学科。
化学反应动力学与反应器设计是化学反应工程中非常重要的两个方面。
本文将从反应动力学和反应器设计两个方面出发，深入探讨有关问题。
一、反应动力学反应动力学是研究化学反应速率与反应机理的学科。
反应速率的快慢直接影响到反应器的产量和效率，因此掌握反应动力学非常重要。
1.1 反应速率常数反应速率常数是反应动力学中的核心参数，它在反应速率计算、反应机制推断和反应器设计等方面起到了重要的作用。
反应速率常数与反应温度、反应物浓度和反应机理等因素密切相关。
在设计反应器时，需要通过一系列实验确定反应速率常数，进而对反应速率进行预测。
为了准确计算反应速率常数，我们需要根据反应机理编写化学动力学模型，并进行实验验证。
1.2 温度对反应速率的影响反应速率与反应温度之间存在着密切的关系。
在一定反应物浓度下，反应速率会随着反应温度的升高而增加。
温度升高会加快反应物分子运动，并提高反应体系的平均能量，进而促进反应物的分解与化学反应过程的发生。
这种温度对反应速率的影响被称为温度效应，是指在一定条件下，反应速率常数以指数的形式随着反应温度的升高而增加。
反应温度的改变对反应速率常数的影响，让我们可以利用反应温度的调节来控制反应速率，实现反应器的稳定操作和优良的化学反应效果。
二、反应器设计反应器是进行化学反应的装置，具有至关重要的作用。
反应器设计涉及到反应容器的选择、装置的构造和反应控制系统的设计等多个方面。
2.1 反应器的类型反应器按照操作方式不同可以分为批量反应器、半批量反应器和连续反应器。
批量反应器是将反应物加入反应容器进行反应，反应完成后批量卸料取出产物。
半批量反应器则是在反应开始时将反应物全部加入反应容器，反应完成后只卸去一部分反应产物，然后继续加入新的反应物进行反应。
连续反应器又可以分为连续稀释型反应器、固定床反应器和流动床反应器等。
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化学计量学的研究对象是有关化学量测的基础理论和方法 学。它所研究的内容包括：统计学和统计方法；分析信息理 论；采样；试验优化与设计；分析校正理论；分析信号检测 和分析信号处理；化学模式识别；图像分析；构效关系研究； 人工智能和专家系统；人工神经元网络与自适应化学模式识 别；库检索等。
例：
CH4 + H2O CO + 3H2 CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 CO + H2O CO2 + H2
1－3多重反应系统中独立反应数的确定
求反应体系中独立反应的一般方法有: ① 观察法。适用于反应数较少的体系 ② 计量系数矩阵法(原子矩阵法)
例：
CH4 + H2O CO + 3H2 CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 CO + H2O CO2 + H2
n PV RT
n V n0 V0
V
V0 (1
nA0 n0
xA A )
V V0 (1 A xA )
A＝
nA0 n0
A
Expansion ratio
膨胀率
等容条件下： A＝0， A＝0
CA
nA V
nA0 (1 xA ) V0 (1 A xA )
CA
nA V
nA0
可以看出，（1）＋（3）＝（2）
② 计量系数矩阵法
写成矩阵
1 1 0
1 2 1
1 0 1
0 1 1
3 4 1
CH 4 H2O CO
CO2 H2
0 0 0
1 1 1 0 3 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
－SO2－0.5O2＋1.5SO3＝0
n
i Ai 0(i 1, 2,...n)
i 1
反应物取负值，生成物取正值
如果有m个反应同时进行，则第j个反应和总反应的化学计量式可分别表达 为
n
ij Ai 0(i 1, 2,...n)
i 1
11 21 ... n1 A1 0
同时反应： Simultaneous reactions 连串反应： Consecutive reactions 平行反应： Parallel reactions 复合反应（平行－连串反应） Combination reactions
k1
k2
A L，B
M
k1
k2
A
L
M
k1
L
A
k2 M
k1
k3
L
P
A
k2 M
i 1
则 A
1
A
n
i
i=1
三、化学膨胀因子
在恒温恒压下进行
AA BB LL M M
A
L A
＋M A
－1－B A
A
1
A
L
M
A
B
n
n0
(nA ) A
n0
nA0 xA A
n0 (1
nA0 n0
xA A )
A nA0
1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子 extent of reaction, conversion, factor of expansion
三、化学膨胀因子
每转化掉1mol的反应物A时，反应混合物物质的量的变化， 用符号 A 表示。
对于反应：
n
i Ai 0(i 1, 2,...n)
第一章 应用化学反应动力学及反应器设计 基础
第一节 化学计量学 第二节 化学反应速率的表示方式 第三节 动力学方程 第四节 温度对反应速率的影响 第五节 化学反应器设计基础
第一节 化学计量学
化学计量学(stoichiometry)是一门通过统计学或数学方法 将对化学体系的测量值与体系的状态之间建立联系的学科。 是以化学反应式形式表达的质量守恒定律，用于计算某一时 刻的化学组成和各组分的数量变化。
(1 V0
xA
)
=CA0
(1
xA
)
1－3多重反应系统中独立反应数的确定
Simple and complex reaction system 单一反应(single react.)
简单反应体系一个参数即可决定组成
多重反应(multiple react.)
复杂反应体系需要多个参数
所需的参数个数 = 独立反应数。 独立反应是不能由其他反应线性组合而得到的反应。
1 1 1 0 3 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0
秩k=2, 有两个独立反应：
-CH4 -H2O + CO + 3H2 =0 -H2O – CO + CO 2 + H2 =0
1－4多重反应的收率及选择性
Yield Selectivity 多重反应是指有多个反应同时进行的体系
多重反应举例
氧与氨 苯氧化制顺酐 CO加氢 乙烯氧化
氨的氧化
NH3 O2
NO N2 N2O
H2O H2O H2O
一、反应程度
ni ni0 i
AA BB RR 0
ni ni0 ni i
二、转化率 转化率＝ amount of A reacted total amount of A supplied
ξ>0,xA >0
xA
nA0 nA nA0
nA nA0
12
22
...
n1
A2
0
... ... ... ... ... 0
1m
2m
...
nm
An
0
1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子 extent of reaction, conversion, factor of expansion
1－1 化学计量式(stoichiometric equation)
表达反应组分间的数量关系，(联系chemical equation，拉瓦锡首创)
1A1 2 A2 ..... .... n1An1 n An －N2－3H2＋2NH3=0
1A1 2 A2 ..... n1An1 n An 0