化学反应工程学基本原理共136页
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化学反应工程课件
第二章 反应动力学基础
天津大学化工学院 反应工程教学组
整理PPT课件
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
AABB RR
rAV 1d dAn ,trBV 1d dBn ,trRV 1ddRnt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此
A
rB
B
rR R
r
r 1 dni 1 d iV dt V dt
恒容 rAV 1d(c dA V t)ddA ctc V 整A 理d Pd PT课V t件 过程
rA
dcA dt3
流动床反应器（定常态过程）
FA0
FA
M
Vr
FA
dVr
FA+dFA
连续反应器 反应速率
rA
dFkc A A c B B c R R kcA A cB B cR R
整理PPT课件
8
平衡时，r＝0 kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
阿累尼乌斯方程 kAexp E/(R)T
指前因子
活化能
k又称为比反应速率，其意义是所有反应组分 的浓度均为1时的反应速率。它的因次与速率 方程的形式和反应速率及浓度的因次有关。
lnklnAERT
lnk1T
气相反应
kc整(R 理PPT)课 件T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
天津大学化工学院 反应工程教学组
整理PPT课件
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
AABB RR
rAV 1d dAn ,trBV 1d dBn ,trRV 1ddRnt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此
A
rB
B
rR R
r
r 1 dni 1 d iV dt V dt
恒容 rAV 1d(c dA V t)ddA ctc V 整A 理d Pd PT课V t件 过程
rA
dcA dt3
流动床反应器（定常态过程）
FA0
FA
M
Vr
FA
dVr
FA+dFA
连续反应器 反应速率
rA
dFkc A A c B B c R R kcA A cB B cR R
整理PPT课件
8
平衡时，r＝0 kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
阿累尼乌斯方程 kAexp E/(R)T
指前因子
活化能
k又称为比反应速率，其意义是所有反应组分 的浓度均为1时的反应速率。它的因次与速率 方程的形式和反应速率及浓度的因次有关。
lnklnAERT
lnk1T
气相反应
kc整(R 理PPT)课 件T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
工程化学化学反应的基本原理PPT课件
V = kC( NO2 )C ( CO )
n =（ 1 + 1）= 2；为2级反应
2NO + O2 = 2NO2
V = kC 2 ( NO )C ( O2 )
n =（ 2 + 1）= 3；为3级反应
14
对非基元反应，质量作用定律只适用其中的每一个基元反 应，因此一般不能直接根据非基元反应的反应方程式书写 速率方程。 2NO + 2H2 → N2 + 2H2O 第一步：2NO + H2 → N2 + H2O2 慢 第二步：H2O2 + H2→ 2H2O 快
S. Arrhenius (1859-1927)
1903年诺贝尔化学奖得主，工作为电离理论。 （1889年提出上述公式）。
19
ε ε a ln k =－ + ln A =－ +b = +b RT RT T ε ε a lg k =－ + lg A =－ +b = +b 2.303RT 2.303RT T
=－ ΔC Δt
对生成物， V = ΔC
Δt
9
例：合成氨反应
N2 (g) ＋ 3H2 (g) ＝ 2NH3 (g)
起始浓度 mol· L-1
2s末浓度 mol· L-1
1.0
0.8
3.0
2.4
0
0.4
则该反应平均速率：
( 0.8－ 1.0 ) － 1 V ( N 2 ) =－ = 0.1mol • L • S－1 2
四、活化能的物理意义
1 碰撞理论 （Collision Theory）
英国科学家路易斯（W.C.M.Lewis）1918年提出 前提：气体分子为没有内部结构的硬球，反应看作为刚性 球体的有效碰撞，反应速率由有效碰撞决定。
n =（ 1 + 1）= 2；为2级反应
2NO + O2 = 2NO2
V = kC 2 ( NO )C ( O2 )
n =（ 2 + 1）= 3；为3级反应
14
对非基元反应，质量作用定律只适用其中的每一个基元反 应，因此一般不能直接根据非基元反应的反应方程式书写 速率方程。 2NO + 2H2 → N2 + 2H2O 第一步：2NO + H2 → N2 + H2O2 慢 第二步：H2O2 + H2→ 2H2O 快
S. Arrhenius (1859-1927)
1903年诺贝尔化学奖得主，工作为电离理论。 （1889年提出上述公式）。
19
ε ε a ln k =－ + ln A =－ +b = +b RT RT T ε ε a lg k =－ + lg A =－ +b = +b 2.303RT 2.303RT T
=－ ΔC Δt
对生成物， V = ΔC
Δt
9
例：合成氨反应
N2 (g) ＋ 3H2 (g) ＝ 2NH3 (g)
起始浓度 mol· L-1
2s末浓度 mol· L-1
1.0
0.8
3.0
2.4
0
0.4
则该反应平均速率：
( 0.8－ 1.0 ) － 1 V ( N 2 ) =－ = 0.1mol • L • S－1 2
四、活化能的物理意义
1 碰撞理论 （Collision Theory）
英国科学家路易斯（W.C.M.Lewis）1918年提出 前提：气体分子为没有内部结构的硬球，反应看作为刚性 球体的有效碰撞，反应速率由有效碰撞决定。
华东理工大学化学反应工程原理课件
CSTR
单位时间转化量∝V ∝S
2015年4月29日4时6分
体积过程 面积过程
3
Chemical Reaction Engineering
对于多组分反应
aA bB pP sS
nA0 nA nB 0 nB nP nP 0 nS nS 0 a b p s
(rA ) (rB ) rP rS a b p s
2015年4月29日4时6分 7
Chemical Reaction Engineering 开发实例： 丁二烯氯化→二氯丁烯→多氯丁烯（s） 温度270℃ 气相反应 丁二烯过量 好 差，黑色粉末堵塞 原因—混合过程产生两种微团 推断：此反应极快， 预混合成为重要工程问题 C4H6：Cl2=（4~7）：1 小试 中试
2015年4月29日4时6分
12
Chemical Reaction Engineering
(rA ) E (rA ) T RT T
n (rA ) kCA
k k0 e
E RT
T→ ( rA )
dk k E dT RT T
T→k
T变化对反应速率（或速率常数）相对变化率的大小 活化能的本质—反应速率对温度变化的敏感程度
292 .9 KJ / mol
2 ℃ 9 ℃ 37 ℃ 107 ℃
14
Chemical Reaction Engineering ⑵与反应热ΔH的关系
H E E '
⑶活化能的数量级 40~200 kJ/mol
如果 E<40 kJ/mol ，或<10 kcal/mol，可能有传质影响 ED RT 扩散系数 D D0 e
2015年4月29日4时6分
化学反应工程的基本原理和应用
化学反应工程的基本原理和应用化学反应工程是一门研究化学反应过程、反应器设计和反应条件优化的学科。
其基本原理涉及到热力学、动力学、传热学和质量传递等多个方面。
在化学工业、制药工业、食品加工、环境保护等领域中，化学反应工程都得到了广泛的应用。
本文将介绍化学反应工程的基本原理和应用。
一、化学反应工程的基本原理1. 热力学基础热力学是研究物质热性质和能量转换的学科。
化学反应的方向、速率和平衡状态均与热力学有关。
在化学反应过程中，反应物和生成物的热力学性质会决定反应物和反应产物的物态和量。
在热力学中，常用的量有物态函数、能量、熵、焓和自由能等。
物态函数是指与温度、压力和物质量有关的函数。
比如，摩尔焓表示单位物质的能量和摩尔基本热容表示温度变化单位物质的热容。
熵表示物质分子的运动状态的无序程度，是一个复杂的物理量。
自由能是描述热力学过程能量变化的重要物理量。
2. 动力学基础动力学研究物质在时间上的变化。
化学反应的速率、动力学模型、反应路径等都与动力学有关。
在化学反应中，反应速率对于工艺过程的影响非常重要，主要受反应物浓度、反应温度、反应物质分子的能量等影响。
化学反应的速率常被表述为反应物消失和产物生成的速率。
反应速率与反应物质分子间的碰撞次数和碰撞的方式有关，速率常数是用来描述反应速率大小的参数。
通过测量反应物的消失和产物的生成速率，可以推导出化学反应的动力学模型和反应路径。
3. 传热学基础传热学是研究热量的传递过程和方法的学科，其研究内容包括传热传质的机理、传热传质的基本定律和传热传质的数学模型等。
在化学反应工程中，传热是一个非常重要的环节。
化学反应需要吸热或放热，传热的效率和传热方式会直接影响反应的温度和速率。
常见的传热方式包括传导、对流和辐射等。
传热系数是描述传热的重要参数，其大小受传热的方式、材料特性和流体性质等多个因素的影响。
4. 质量传递基础质量传递是气体、液体和固体之间物质的传递。
化学反应中会涉及到多种物质的质量传递，比如，反应物的输送、反应产物的分离和纯化等。
第8章反应工程原理课件
VR
qV ,o
• 空间速度：表示单位时间内通过单位反应器的物 料体积。其值为空间时间的倒数：
SV
1
qv
V ,o
VR
3-2 气相反应的膨胀因子 对于气相反应，由于反应前后物质的量发生
变化，物料的体积流量也发生变化。
Aa + bB → rR + sS
当t=0 nA，0 nB，0
0
0
当t=t na,0(1-xA) nB， O-b/anA，0 Xa
E ( ) dN 1
N d
E ( ) 0.01e 0.01
0~
dN F ( ) F ( )
N
1 e 0.01
四
五
六
七
八
0.00861 0.00638 0.00472 0.0035 0.00259 0.00192 0.00105 0.00043 0.000174
0.00861 0.00638 0.00472 0.0035 0.00259 0.00192 0.00105 0.00043 0.000174
r/snA， 0 xA
s/anA， 0 xA
在t=t时，反应系统中总物质的量为：
n
nA,O
nB,O
(s a
r a
b a
1)nA,O xA
n0
(
s
r
a
a
b
)n A,O n A
n nA A,OnA
A
s
r
a a
b
• 为膨胀因子或物质量浓度的变化率
反应时间为t时，反应物A的摩尔分数为：
y
A
y A,O (1 x A, )
• 之所以要引入多釜串联模型，是因为釜数本身可 以反映出实际流动情况偏离活塞流或偏离全混流 的程度。
qV ,o
• 空间速度：表示单位时间内通过单位反应器的物 料体积。其值为空间时间的倒数：
SV
1
qv
V ,o
VR
3-2 气相反应的膨胀因子 对于气相反应，由于反应前后物质的量发生
变化，物料的体积流量也发生变化。
Aa + bB → rR + sS
当t=0 nA，0 nB，0
0
0
当t=t na,0(1-xA) nB， O-b/anA，0 Xa
E ( ) dN 1
N d
E ( ) 0.01e 0.01
0~
dN F ( ) F ( )
N
1 e 0.01
四
五
六
七
八
0.00861 0.00638 0.00472 0.0035 0.00259 0.00192 0.00105 0.00043 0.000174
0.00861 0.00638 0.00472 0.0035 0.00259 0.00192 0.00105 0.00043 0.000174
r/snA， 0 xA
s/anA， 0 xA
在t=t时，反应系统中总物质的量为：
n
nA,O
nB,O
(s a
r a
b a
1)nA,O xA
n0
(
s
r
a
a
b
)n A,O n A
n nA A,OnA
A
s
r
a a
b
• 为膨胀因子或物质量浓度的变化率
反应时间为t时，反应物A的摩尔分数为：
y
A
y A,O (1 x A, )
• 之所以要引入多釜串联模型，是因为釜数本身可 以反映出实际流动情况偏离活塞流或偏离全混流 的程度。
4.化学反应工程的基本原理
4. 4 化学反应器中的非理想流动 Non ideal flow in chemical reactors
在活塞流反应器中流体的粒子完全不返混而全混流反应器 中,粒子之间的返混程度达到最大。但实际上流体在反应 器内的流动状况与理想流动有不同程度的偏离,流体质点 间的返混程度介于活塞流与全混流之间。造成偏离的原因 很多,例如,由于流体在系统中速率分布不均匀,流体的分子 扩散和湍流扩散,搅拌引起的强制对流,因为反应器的设计、 加工和安装不良而产生的沟流、短路、死区等,使得流体 粒子在系统中的停留时间有长有短,有些物料粒子很快离 开了反应器;有些粒子却经历很长时间后才离开,从而形成 了停留时间分布。所以对实际工业反应器,一般需要采用 非理想流动模型来描述,建立各种流动模型的基础是物料 在反应器的停留时间分布。
4 .5 . 1 外部传质过程External mass transfer process的影响
在气-固相催化反应中, 反应组分从气相主体 扩散到催化剂外表面的过程属于外部传质 过程。 (一) 反应速率和传质速率 (二) 外扩散效率因子η外与Da 准数的关系 (三) 外部传质对复杂反应选择性的影响
4 .4 .3 平均停留时间与散度Mean residence time and divergence
物料在反应器中的停留时间是一随机变量, 为了定量比较不同流动状况下的停留时间 分布, 可以用随机变量的两个特征值——— 数学期望与方差来表示。停留时间分布的 数学期望就是物料的平均停留时间t, 方差则 是停留时间分布的散度。 (一) 平均停留时间t (二) 方差Variance也称离散度dispersion, 是用以度量随机变量与其均值的偏离程度
例如由于单位体积物料所提供的传热面积不同某些反应在实验室里需通过加热维持反应而在工业生产中则需冷却才能保持正常的操作又如为了保证足够的传热效果实验室反应器中搅拌器的转速可达每分钟千转以上而在工业反应器中则难以满足需通过搅拌器的形式反应器的结构等多方面考虑来满足传质要求
《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