化学反应工程原理 简单反应
工业制烧碱的原理化学方程式
工业制烧碱的原理化学方程式工业制烧碱，听起来高大上，其实背后藏着一些简单又有趣的化学原理。
要说烧碱，首先大家得知道它的化学名叫氢氧化钠，没错，就是那个能让你洗碗洗得特别干净的东西，嘿！在工业上，烧碱的制作可是个大工程，通常通过电解氯化钠溶液来实现。
想象一下，这就像把食盐放到水里，摇一摇，然后让它电击一下，哦哟，立马就能得到我们需要的烧碱。
说到化学反应，这可是个神奇的事情，化学方程式就像魔法咒语一样。
要是把这反应写成方程式，简单来说就是2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2。
这里，NaCl就是食盐，H2O就是水，反应后变成了烧碱、氯气和氢气。
多酷啊，光靠盐和水，就能搞出这么多有用的东西。
这个过程其实很高效。
把氯化钠溶液放到电解槽里，电流一通，反应就开始了。
氯离子在阴极处发生还原反应，氢气被释放出来，感觉就像在给水加个特效。
与此同时，钠离子在阳极处发生氧化反应，生成了氯气。
那时候，反应槽里冒出的泡泡，简直像个小型的化学派对，真是热闹。
值得一提的是，氯气可是个危险角色，别看它是个气体，处理不当可是会引发大麻烦。
搞不好就得戴上防毒面具，像个特工一样。
虽然氯气在这里是个副产品，但可别小看它，工业上可是用得着的，漂白剂、杀菌剂，都是它的“战利品”。
所以说，制烧碱的过程，既要小心又要讲究，真是“来者不善，善者不来”啊。
而烧碱本身可不是个简单的家伙。
它是一种强碱，可以和酸发生中和反应，搞出一堆盐和水。
想想看，做菜的时候，调味品要掌握好，酸碱平衡才能吃得更爽。
工业上，烧碱用得可广泛了，造纸、纺织、制药，还有那玩意儿，清洁剂，嘿，家里搞卫生的好帮手。
无论是清洗油污，还是调节pH值，烧碱都是个万能工具。
再说说这烧碱的应用场景，真是“好马不吃回头草”。
在制纸行业，烧碱用来分解木材纤维，造出一张张洁白的纸；在纺织行业，烧碱帮助去除布料上的杂质，让衣服变得更光鲜亮丽。
药品制造中，烧碱也是个重要的“幕后推手”，很多药物的合成过程中都离不开它。
化学反应工程基础
幂函数形式：rA = -
1 V
nd A
dt
=
kCAα
1
CBα
2
k: 反应速率常数 α1，α2：实验测定常数
总级数 n=α1+α2
对基元反应： α1=a α2=b
复杂反应： n需实验测定
k遵循Arrehnies方程:
k = A0e-E/RT lnk =lnA0 – E/RT dlnk/dT = E/RT2
釜式、塔式 釜式、塔式 固定床、流化床、移动
床 釜式、塔式
回转筒式 固定床、流化床
（2） 按反应器的结构型式分类
结构型式
适用的相态
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液
多釜串联）
相、液-固相
管式
气相、液相
鼓泡塔 固定床
流化床 回转筒式 喷雾式
气-液相、气-液-固（催 化剂）相
气-固（催化或非催化） 相
A+B
S
rA =
dCA dt
=kCACB
因为A,B等摩尔消耗，所以CA0xA = CB0xB 令M＝CB0/CA0
（1）M＝1 即 CA0=CB0 CA=CB
rA = kCA2 =
kt = 1
1
dCA dt
=
1
xA
CA CA0 CA0 1-xA
（2）M≠1 即 CA0≠CB0 CA≠CB
rA = kCA20 (1-xA)(M-xA)
t
半连续反应器
B
A
半连续反应器特点：
1、某些反应物料一次
加入，其余物料连续加
入，或者将某种产物连
续取出。
C
2、非稳态操作。 t
0
化学反应工程原理 简单反应
= Ca f CA 0 CA
Chemical Reaction Engineering •收率 C Pf C A0 •单耗 C A 0 C Pf •单程收率 x A •总收率 （循环系统
A
C A0
R
D P
x A=1）
Chemical Reaction Engineering
k1 HCl + CH 3(CH2) 6CH 2OH k2 HCl + CH 3(CH2) 10 CH 2 OH CH 3(CH2) 10 CH 2 Cl + H 2O CH 3(CH2) 6CH 2 Cl + H 2 O
为一平行反应，辛醇（A）和十二醇（B）的反应速率为 （-rA)=k1cAcC （-rB)=k2cBcC 式中cA、cC和cB 分别表示辛醇、十二醇和盐酸的浓度。反 应在 等温条件下进行，反应速率常数为 k1 = 1.6*10-3L/mol.min k2 = 1.92*10-3L/mol.min 若初始浓度分别为 CA0=2.2 M CB0=2.2 M CP0=2.2 M,试计算当辛基氯收率为34%（以盐酸计），盐 酸转化率和十二基氯的收率
E1 E 2 E1 E 2 0 T E1 E 2 E1 E 2 0 T
E1 E 2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
T
Chemical Reaction Engineering 工业操作：
A P S
二、平行反应选择性的温度效应
1 k2 n 1 C A2 n1 k1
1 k 20 E1 E 2 RT n 1 e C A2 n1 k10
科学初步认识简单的化学反应
科学初步认识简单的化学反应化学反应是物质之间发生的转化过程，其中涉及到原子、分子之间的重新组合、键的断裂和形成。
通过对化学反应的研究，人类能够更深入地了解物质的性质和变化规律。
本文将介绍几种常见的简单化学反应，以及它们的基本原理和实际应用。
一、酸碱中和反应酸碱中和反应是指在酸和碱之间发生的化学反应，产物为盐和水。
其反应式可以表示为：酸（H+）+碱（OH-）→盐+水。
这种反应常用于酸碱中和反应实验和各类中和药剂的制备过程。
例如，氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl）反应生成氯化钠（NaCl）和水（H2O）。
二、氧化还原反应氧化还原反应是指物质在电子转移过程中发生氧化或还原的反应。
氧化是指物质失去电子，而还原是指物质获得电子。
常见的氧化还原反应有金属与非金属的反应、金属与酸的反应等。
例如，铁（Fe）与氧气（O2）反应生成氧化铁（Fe2O3），这是一种典型的氧化反应。
三、置换反应置换反应是指一种元素或原子团取代另一种元素或原子团的反应。
置换反应常见的有单一置换反应和双重置换反应。
单一置换反应是指一种元素取代了化合物中的另一种元素，其反应式可以表示为：A + BC → AC + B。
双重置换反应是指两种化合物中的正离子和负离子重新组合形成两个新的化合物，其反应式可以表示为：AB + CD → AD + CB。
置换反应广泛应用于工业生产和实验室合成中。
四、水解反应水解反应是指化合物在水中发生离解并与水反应，产生新的化合物的反应。
常见的水解反应有酸水解和盐水解两种反应。
酸水解是指酸与水反应产生酸根离子的过程，例如硫酸与水反应生成硫酸根离子（HSO4-）。
盐水解是指盐与水反应产生酸碱的过程，例如氯化钠与水反应生成氢氧化钠（NaOH）和盐酸（HCl）。
五、聚合反应聚合反应是指单体（小分子）通过共价键的形成而合成高分子化合物的过程。
这种反应也被称为缩合反应。
聚合反应是合成高分子材料的重要方法，例如合成塑料和合成纤维。
化工第五章化学反应
2.按操作方法分类：
可分为间歇、半间歇、连续式三种。
操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。 间歇反应器 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。 操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的 速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
反应器中的 流动状况影 响反应结果
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
二、化学反应器的分类：
1.按反应器的结构型式分类： 这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不 同的反应器中最基本的传递过程的差别。按 反应器的结构特征，常见的工业反应器可分 为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式 和移动床式。 书141页图
rA=k
cA x A k
xA kcA0( 1 x A ) cA0 cA 1 xA
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=qv (τ+τ′)
实际操作时间=反应时间(τ) + 辅助时间 (τ’)
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
原料 产物
物理处理
化学处理
物理处理
循环
第一节
一、化学反应工程学：
概述
1.化学反应工程发展概况： 远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器的制作、 酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸等等，然而， 这些生产过程直到上世纪五十年代还未形成一门独立的学 科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来似 乎毫不相干而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同 规律。 科学技术的发展，特别是二战后石油化工的发展，对化 学反应器的设计产生了迫切要求，而化学动力学研究的进 展和化工单元操作方面的理论和实践经验的日趋成熟，才 使这类问题的系统解决有了可能。
反应工程原理
第一节 反应器与反应操作
③空间时间（空时、空塔接触时间）(space time) 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 空间时间
V / qV
(11.1.1)
注意： • 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 • 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。 τ＝30s 表示了什么？ 每30s处理与反应器有效体积相等的流体
反应量 -rAV
qnA0 qV cA0
浓度cA，cB 体积V
第一节 反应器与反应操作
（四）有关反应器操作的几个工程概念 ①反应持续时间 (reaction time)： 简称反应时间，主 要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时 间。 ②停留时间 (retention time)： 亦称接触时间，指连续 操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实 际时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元” 的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分 布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
第III篇 反应工程原理
将化学和生物反应原理应用于污染控制工程， 需要借助适宜的装置，即反应器来实现。 系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设 计计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方 式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。 本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、 动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类 化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。
第一节 反应器与反应操作
四、反应器内反应物的流动与混合状态
在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从 而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和 反应速率。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机) 返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器 的反应特性。
化学反应工程学反应器基本原理2
cA－ 釜中反应物 A 的浓度 [mol/m3]；
k － 反应速度常数；
n － 反应级数。
FV c A0 FV c A Vkc 0
n A
(4 1)
在式（ 4-1 ）中， FV 、 V 、 k 、 n 及 cA0 都是已知的常数，
所以cA有确定不变的值。例如对于一级反应，n = 1，则cA为：
kc
A B rA k c 对于零级反应（n = 0），反应物浓度对反应速度没有 影响，因此可以选择任何类型的反应器而不会影响化学反 应速度。
n c A
对于非零级（ n 大于 0 ）的简单反应， rA 的大小与 cA 有
关，应选择能具有较大cA的管式反应器或间歇操作的搅拌
釜，因为这两种类型反应器中反应行反应 的过程，选择反应器类
型时主要是比较主副反
应的反应级数。
若n1 ＜ n2，则选用连续操作 的搅拌釜比选用连续操作的管式 反应器或间歇搅拌釜好，此时反 应速度可能要慢一些，但是反应 过程中主反应所占的比率增加。
（3）连串反应：连串 目的产物若是最终产物C，则 反应如下面所示： 为了使rB ＜ rC，应选用具有较小 k1 k2 A B C 反应物浓度的连续搅拌釜；若是
化学反应的动力学特征与反应器类型的关系
应终了时）的浓度；若采用多釜串联，则也是串联的釜数 多一些为好。同时，反应级数越多，cA对于rA的影响越大， 因此，不同类型反应器对化学反应速度的影响越大。
（ 2 ）平行反应 ：平行 反应以下式为代表：
A
n1 rB k1c A
n2 rc k 2 c A
若n1 ＞ n2，则选用具有较高 反应物浓度的反应器为好，即应 k1 选用间歇操作的搅拌釜或连续操 B 作的管式反应器，而不选用连续 k2 操作的搅拌釜；这样将有利于主 C （主反应） 反应的进行，提高该反应过程的 选择性。
化学反应工程复习公式指导
化学反应工程复习公式指导化学反应工程是化学工程的重要分支之一，主要涉及到反应速率、反应平衡、反应热力学等方面的问题。
在进行化学反应工程的设计和优化时，需要运用一系列的公式，以指导实际操作和解决问题。
以下是一些常见的化学反应工程公式，供复习和参考。
1.反应速率公式在化学反应中，反应速率是指单位时间内反应物消失或产物生成的量。
一般来说，化学反应速率与反应物浓度之间存在一定的关系。
根据实验数据，可以通过拟合得到反应速率公式。
常见的反应速率公式有：-零级反应速率：r=k-一级反应速率：r=k[A]-二级反应速率：r=k[A]²-伴随一级反应速率：r=k[A]·[B]其中，r为反应速率，k为反应速率常数，[A]和[B]为反应物浓度。
2.反应平衡公式在反应平衡条件下，反应物和生成物的浓度保持不变。
根据反应平衡常数，可以得到反应平衡公式。
常见的反应平衡公式有：-简单反应物与生成物的摩尔比例：aA+bB⇌cC+dD其中，a、b、c、d分别为反应物和生成物的系数，A、B、C、D分别为反应物和生成物的摩尔浓度。
反应物和生成物的关系可以表示为：Kc=[C]ᶜ[D]ᵈ/[A]ᵃ[B]ᵇ-简单反应物与生成物的分压比例：aA+bB⇌cC+dD其中，a、b、c、d分别为反应物和生成物的系数，A、B、C、D分别为反应物和生成物的分压。
反应物和生成物的关系可以表示为：Kp=(Pc/RT)ᶜ(Pd/RT)ᵈ/(Pa/RT)ᵃ(Pb/RT)ᵇ其中，R为理想气体常量，T为温度，Pa、Pb、Pc、Pd分别为反应物和生成物的分压。
3.反应热力学公式反应热力学研究反应热效应与反应过程的关系。
常见的反应热力学公式有：-反应焓变公式：ΔH=Σ(nᵢHᵢ)其中，ΔH为反应焓变，nᵢ为反应物或生成物的摩尔数，Hᵢ为反应物或生成物的摩尔焓。
-熵变公式：ΔS=Σ(nᵢSᵢ)其中，ΔS为反应熵变，nᵢ为反应物或生成物的摩尔数，Sᵢ为反应物或生成物的摩尔熵。
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n的本质—表达了反应速率对浓度变化的敏感程度。
Chemical Reaction Engineering
结论： n2
n1 n2
CA
Chemical Reaction Engineering 提高β的工程措施：（目标：
）
⑴ n1>n2时，CA↑有利→CA0↑或 XA↓（ CAf↑）
二、平行反应选择性的温度效应
1 k2 n 1 C A2 n1 k1
1 k 20 E1 E 2 RT n 1 e C A2 n1 k10
理论分析
E1 E 2 E1 E 2 0 T
k2 k1
E1 E 2 E1 E 2 0 T 不变 k2 E1 E 2 E1 E 2 0 T k1
Chemical Reaction Engineering
aA pP
转化率 x
Conversion
表明反应 的深度
nA0 nA xA nA0
＝
(n p n p 0 ) / p (nA0 nA ) / a
选择性 (S )
Selectivity
表明反应 的方向
收率 (Y )
= Ca f CA 0 CA
Chemical Reaction Engineering •收率 C Pf C A0 •单耗 C A 0 C Pf •单程收率 x A •总收率 （循环系统
A
C A0
R
D P
x A=1）
Chemical Reaction Engineering
Yield
反映原料 利用率的 综合指标
＝
(n p n p 0 ) / p nA0 / a
Chemical Reaction Engineering 在间歇反应器中进行如下反应：
A+B A+C P+S R+M
已知（-rP)=k1cAcB （-rR)=k2cAcC k1 = 1.5*10-3L/mol.min k2 = 1.8*10-3L/mol.min 初始浓度：A: 1.3 B: 2.2 C: 2 P、S、R、M:0
k1 k2
β
β的特征：⑴反应初期，β最大=1 ⑵ t↑→CA↓CP↑→β↓
1 t
浓度效应：任何使串连反应的反应物浓度下降、产物 浓度上升的因素，对串连反应总是不利的
Chemical Reaction Engineering 温度效应
1
k 20 k10
e
( E1 E 2 )
RT
CP CA
• C S C A 0 C A C P （与平行反应相同）
• 存在最优
t opt ，对应最大 C P , max （与平行反应不同）
Chemical Reaction Engineering 二、串连反应的选择性和收率
A P S rP k1C A k 2 C P k 2C P 1 ( rA ) k1C A k1C A
Chemical Reaction Engineering 3-4 理想间歇反应器中的平行反应 （Reactions in Parallel） 一、平行反应的特征
k1
类型： A
k2
P S
k1
A+B
k2
P S
n ( rA )1 k1C A1 rP
( rA ) 2 k 2C rS
Pdx
解析解：
ye
Pdx dx C ) ( Qe
对P：
dC P dt
k 2 C P k1C A 0 e k1t
Q k1C A 0 e k1t
令： P k 2
CP
k1 k 2－ k1
C A 0 ( e k1t e k 2 t )
Chemical Reaction Engineering 特征 ：
k1 HCl + CH 3(CH2) 6CH 2OH k2 HCl + CH 3(CH2) 10 CH 2 OH CH 3(CH2) 10 CH 2 Cl + H 2O CH 3(CH2) 6CH 2 Cl + H 2 O
为一平行反应，辛醇（A）和十二醇（B）的反应速率为 （-rA)=k1cAcC （-rB)=k2cBcC 式中cA、cC和cB 分别表示辛醇、十二醇和盐酸的浓度。反 应在 等温条件下进行，反应速率常数为 k1 = 1.6*10-3L/mol.min k2 = 1.92*10-3L/mol.min 若初始浓度分别为 CA0=2.2 M CB0=2.2 M CP0=2.2 M,试计算当辛基氯收率为34%（以盐酸计），盐 酸转化率和十二基氯的收率
三、平行反应选择性的浓度效应 1 等温下 k2 n 1 C A2 n1 k1 理论分析
n1 n2 n2 n1 0 C A n1 n2 n2 n1 0 C A
n1 n2 n2 n1 0 与 C A 无关
dC P dt
k1C
n A
dC S dt
k 2C
n A
CP CS
k1 k2
当 n1=n2 =1时，有： k1 k 2 t ln
C A0 CA
ln
1 1 xA
Chemical Reaction Engineering •瞬时选择性
( rA )1 ( rA )
n2 A
( rA ) rP rS k1C k 2C
n1 A
n2 A
Chemical Reaction Engineering 平行反应CA、CP、CS 设 t=0，CA = CA0，CP0=CS0=0
则 t=t， CA +CP+CS=CA0 恒等
当 n1=n2 时， dC A n ( rA ) ( k1 k 2 )C A dt
Chemical Reaction Engineering
与 的关系
rP ( rA ) dC P dC A
C Pf
C Af
C A0
dC A
图解法：
C Af
C A0
dC A
C A 0 C Af
C Af
C A0
dC A
k1t
( rA ) k1C A
rP k1C A k 2C P
rS k 2 C P
k1t
dC P dt
k 2 C P k1C A 0 e
一阶常微分方程——解法？
Chemical Reaction Engineering 一阶常微分方程
dy dx
Py Q （P，Q为 x 的函数）
A2 + 2 B k1 A2 A + B k2' k1' k2 P 2 P 2 A
如果第一步为可逆反应，且相对于第二步反应较慢， 试推导反应物A2的净消失速率方程
Chemical Reaction Engineering 在等温间歇反应器中进行液相反应，
k1 A P k3 k2 R
反应速率方程为 -dcA/dt=k1cA dcR/dt=k2cP-k3cR 在某反应温度下，k1=0.18h-1, k2=0.06h-1, k3=0.04h-1,试计算P的最大收率。
k1 k2
若 E1 E 2 T
低温有利。
但 T ( rA ) V 反应器体积大，费用上升
实际措施：
反应初期—高温 反应后期—低温 先高后低的温度序列
Chemical Reaction Engineering 收率
C Pf C A0
k1 k 2－ k1
( e k1t e k 2 t )
E1 E 2 E1 E 2 0 T E1 E 2 E1 E 2 0 T
E1 E 2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
T
Chemical Reaction Engineering 工业操作：
A P S
试计算：当P的收率为0.3(以A计)，反应组分A的转化率和产物R的收率
Chemical Reaction Engineering 3-5 理想间歇反应器中的串连反应 （Reactions in Series） 一、串连反应的特征
A k1 P k 2 S
设各步反应均为一级 对A： C A C A 0 e 对P：
直觉思维 E的本质—反应速率对温度变化的敏感程度
Chemical Reaction Engineering 结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
E1 E 2
E1 E 2
工程措施：
T
E1>E2高温下反应，受材质约束 E1<E2低温下反应，在速率与β之间，满足β
Chemical Reaction Engineering
k2
令
d dt
0
最优反应时间
t opt
ln
k1
k 2 k1
k1
最优收率
最优转化率
max (
k1 k2
k2
)
k 2－ k1
x A ,opt 1 (
k1 k2
)
k 2 k1
（均为 k1，k2的函数）
Chemical Reaction Engineering 反应按以下机理进行