《化学反应工程》PPT课件
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化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
化学反应工程课件
3、简化模型的要求：
（1）不失真； （2）能满足应用的要求；
（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值； （4）能适应现有计算机的能力；
4 、基础数学模型
1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速
率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的 研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于 表达三者的数学关系，而直接加以应用。
（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产 品质量好。 设计最佳化——反应器体积最小，投资少。 操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。
（4）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大； 新产品研发：小试——中试——扩大试验；
反应过程开发放大方法
• 逐级经验放大法
• 相似放大法
1 、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
• 化学工程学科体系的基本内容：
化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动 量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了 以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工 热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）
过程工程
• 过程工程（process engineering)的概念是对“化学工程” 概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域 渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学 加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业” （process industry），包括石油炼制、化学工业、能源 工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物 技术、医药、食品、造纸等工业部门。
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。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化 工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器 中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设 备。
《化学反应工程》课件1 -绪论
进行合理简化，设想一个物理过程(模型) 代替实际过程ห้องสมุดไป่ตู้简化必须合理，即简化 模型必须反映客观实体，便于数学描述 和适用。
16
• 2．建立数学模型 • 依照物理模型和相关的已知原理，写出
描述物理模型的数学方程及其初始和边 界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
17
利用数学模型解决化学反应工 程问题
• 基本步骤为： • 1．小试研究化学反应规律； • 2． • 3．利用计算机或其它手段综合反应规律
和传递规律，预测大型反应器性能，寻 找优化条件； • 4．热模实验检验数学模型的等效性。
18
2
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
3
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
4
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
5
化学反应和反应器的分类
• 化学反应和反应器的分类方法很多，常 按下列四种方法进行分类。
绪论
• 化学反应工程学是一门研究涉及化学反 应的工程问题的学科。
16
• 2．建立数学模型 • 依照物理模型和相关的已知原理，写出
描述物理模型的数学方程及其初始和边 界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
17
利用数学模型解决化学反应工 程问题
• 基本步骤为： • 1．小试研究化学反应规律； • 2． • 3．利用计算机或其它手段综合反应规律
和传递规律，预测大型反应器性能，寻 找优化条件； • 4．热模实验检验数学模型的等效性。
18
2
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
3
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
4
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
5
化学反应和反应器的分类
• 化学反应和反应器的分类方法很多，常 按下列四种方法进行分类。
绪论
• 化学反应工程学是一门研究涉及化学反 应的工程问题的学科。
《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 第一章课件
Fogler
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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、C、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，C代表浓度，P为系统的总压。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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、C、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，C代表浓度，P为系统的总压。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
《化学反应工程》PPT课件
由于三相反响器中，液固相间的相对运动速率一般较小，而气相反 响物必须通过液相才能到达固体催化剂外表，因此反响相外的传质对表 观反响速率往往具有重要影响。所以当反响物为难容气体时，我们可以 忽略溶质在气相中的传递阻力。
气泡
气泡
气—液界面
液体
催化剂颗粒
浓 度
0 距离
图7.1 三相反响中气相反响物浓度分布
气
气液 膜膜
液
相
相
主
主
体
体
1.3 气液固三相反响动力学——主要讨论气液固相 催化反响的动力学
根据双模理论模型，我们可以知道气液固三相反响过程中同时存在 气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相外表的化学 反响，是一比较复杂的传质—反响交互作用的过程。虽然气液固三相反 响是一个很复杂的反响过程，但是我们可以通过具体情况对其进展简化。
0.52 0.32 0.27 0.22
0.20 0.18
解：因为气相进料为纯氢，所以式〔7.12〕适用
t/min
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
图 7.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
当催化剂的质量分数为0.07%时，假设能消除气液间传质阻力，由 图7.2可见：
优点
反响条件温和，可延长 催化剂的寿命，对许多 反响过程，这将有利于 改善选择性
由于液相组分热容大， 对强放热反响改善了 传热和温度控制
1.2 气液固三相反响动力学理论模型—双膜理论模型
假设
在相界面附近，由 于流体的相对运动 干扰，相界面两边 各有一层处于层流 运动状态，分别称 为气膜和液膜
在气液两相主体中， 流体的运动状态处 于充分的湍流溶质 在主体中以涡流扩 散方式传递，故主 体浓度可视为均一
气泡
气泡
气—液界面
液体
催化剂颗粒
浓 度
0 距离
图7.1 三相反响中气相反响物浓度分布
气
气液 膜膜
液
相
相
主
主
体
体
1.3 气液固三相反响动力学——主要讨论气液固相 催化反响的动力学
根据双模理论模型，我们可以知道气液固三相反响过程中同时存在 气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相外表的化学 反响，是一比较复杂的传质—反响交互作用的过程。虽然气液固三相反 响是一个很复杂的反响过程，但是我们可以通过具体情况对其进展简化。
0.52 0.32 0.27 0.22
0.20 0.18
解：因为气相进料为纯氢，所以式〔7.12〕适用
t/min
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
图 7.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
当催化剂的质量分数为0.07%时，假设能消除气液间传质阻力，由 图7.2可见：
优点
反响条件温和，可延长 催化剂的寿命，对许多 反响过程，这将有利于 改善选择性
由于液相组分热容大， 对强放热反响改善了 传热和温度控制
1.2 气液固三相反响动力学理论模型—双膜理论模型
假设
在相界面附近，由 于流体的相对运动 干扰，相界面两边 各有一层处于层流 运动状态，分别称 为气膜和液膜
在气液两相主体中， 流体的运动状态处 于充分的湍流溶质 在主体中以涡流扩 散方式传递，故主 体浓度可视为均一
化学反应工程PPT演示课件
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
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S
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＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
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1B
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