第一二章 化学反应工程基础
化学反应工程课件
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
(版)化学反应工程基础知识(笔记)
化学反响工程根底知识总结〔笔记〕1、化学反响工程是一门研究涉及化学反响的工程问题的学科。
如何将其在工业规模上实现是化学反响工程的主要任务。
2、理想置换反响器的特点：①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反响器内没有物料的返混，所有物料通过反响器的时间都是相同的②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性是一致的③在定常态下操作，反响器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。
3、全混流反响器的特性①物料在反响器内充分返混②反响器内各物料参数均一③反响器的出口组成与器内物料组成相同④反响过程中连续进料与出料，是一定常态过程。
4、返混的定义：物料在反响器内不仅有空间上的混合而是有时间上的混合，这种混合过程称返混。
5、非均相催化反响过程步骤①反响组分从流体主体向固体催化剂外外表传递②反响组分从外外表向催化剂内外表传递③反响组分在催化剂外表的活性中心上吸附④在催化剂外表上进行化学反响⑤反响产物在催化剂外表上解吸⑥反响产物从催化剂内外表向外外表传递⑦反响产物从催化剂的外外表向流体主体传递6、兰格缪尓〔Langmuir〕吸附模型条件①催化剂外表上活性中心分布是均匀的②吸附活化能和脱附活化能与外表吸附的程度无关③每个活性中心仅能吸附一个气相分子④被吸附分子间互不影响，也不影响空位对气相分子的吸附。
7、焦姆金〔Temkhh〕吸附模型：一般吸附活化能随覆盖率的增加而增大，脱附活化能那么随覆盖率的增加而减小，因此吸附热必然随覆盖率的增加而减小。
8、催化剂颗粒内气体扩散：多孔催化剂颗粒内的扩散现象是很复杂的。
除扩散路径极不规那么外，孔的大小不同时，气体分子扩散机理亦有所不同。
当孔径较大时，分子的扩散阻力要是由于分子间碰撞所致，这种扩散通常所称的分子扩散或容积扩散。
当微孔的孔径小于分子的平均自由程时，分子与孔壁的碰撞时机超过了分子间的相互碰撞，从而使分子与孔壁的碰撞成为扩散阻力的主要因素，称为克努森〔Knudson〕扩散。
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_百度文库
第一章气－固相催化反应本征动力学概论化工生产中大多数反应是过程，气-固相催化反应是重要反应之一。
本章讨论：1，2，连续过程中化学反应速率的有关问题；气-固相催化反应的化学动力学，即本征动力学。
第一节化学计量学1-1化学计量式化学计量学是研究化学反应系统中反应物和产物组成相互关系变化的数学表达式。
化学计量式是化学计量的基础。
化学计量式表示参加反应的各组分的娄量关系，等式左边的组分为反应物，等式右边的组分为产物，化学计量式的通式为：或或一般将反应物的化学计量取负值，产物的化学计量取正值。
如果反应系统中有m 个反应，则第j个反应的化学计量式的通式为或也可用矩阵表示为......1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子一．反应程度对于间歇反应中的单反应进行物料衡算按化学计量关系有R上式中的ξ称为化学反应程度。
注意上述表达式中各项的正负号。
（1-7）式也可表达为：为i组分已反应的量，所以，知道反应程度即可计算出所有反应物及产物已经反应（或生成）的量。
二、转化率反应物A的反应量与其初如量之比称为A的转化率:nA0nA0nA0工业反应过程中的原料中各组分之间往往不符合化学计量关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。
三、化学膨胀因子在恒温恒压的连续系统中发生反应对于液相反应，反应前后物料的体积流量变化不大，一般作为恒容过程。
对于气相反应，反应前后物料的体积流量变化较大。
定义每转化1mol的A时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子，即：则有：由此，组分A的瞬时浓度可表示为：对于连续，则式中，大写字母表示摩尔流量，小写字母表示物质的量。
例1－1 计算下列反应的化学膨胀因子1. A+B→P+S2. A→P+S3. A+3B→2P解：1. δA=[(1+1)－(1+1)] / 1=02. δA=[(1+1)－1)] / 1=13. δA=[2－(1+3)] / 1=－21-4 多重反应的收率及选择率1，单一反应和多重反应单（一）反应：一组物定的反应物反应生成一组特定的产物。
《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。
化学反应工程第四版教学设计
化学反应工程第四版教学设计写在前面化学反应工程是化学工程领域的一门基础课程，主要涉及到化学反应的基本原理、动力学、热力学、平衡等方面的知识，并通过实例和案例介绍化工生产中的反应器设计、反应机理研究以及相关工业过程的优化设计等内容，是化工专业大学生必须要掌握的一种课程。
针对该课程，我们进行了第四版的教学设计，在教学方法、实践环节等方面进行了更加科学、可操作性更强的设计和优化，以期能够帮助学生更好地掌握和应用化学反应工程知识。
教学大纲第一章化学反应基本原理•化学反应动力学学习•化学反应的热力学基础•化学平衡原理的基本概念和应用第二章反应器设计•单相反应器的设计•多相反应器的设计•反应机理的研究方法第三章工业反应工程实例•生产乙酸工艺流程介绍•生产苯乙烯工艺流程介绍•硝化甘油工艺流程介绍教学方法理论教学理论教学主要采用模块化授课法和案例教学法相结合的方式进行。
教师按照章节内容安排课程内容，可将部分理论知识应用到实际工业生产过程中进行案例分析。
如生产乙酸中所使用的醋酸加氧脱氢反应、硝化甘油的氧化反应等。
实验教学实验教学主要采用小组合作的方式进行。
以单相反应器的设计实验为例，学生将被分成四人小组，在实验室同一时间完成反应器的设计与搭建实验，通过实验的方式让学生更好地掌握反应器设计的基本原理和操作技巧。
课外实践针对本课程，我们还将开展相关课外实践活动，包括拜访企业、参加工业实践项目等方式，通过实践方式让学生在实际生产环境中体验学习到的知识。
例如参观乙酸生产厂家进行实地考察、参与部分工业过程实践项目等。
评价方式评价方式采用多维度评价方式进行，分为理论考试、实验报告评价、实验操作表现评价等多个方面进行考核，以期全面评价学生的学习情况。
结语化学反应工程第四版的教学设计旨在通过科学、实用的教学方法以及相关的课外实践，让学生更好地掌握化学反应工程的知识和技能，并更好地应用到相关的工业生产环境中，为相关领域的发展做出贡献。
第一二章 化学反应工程基础
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
第二章 化学反应工程基础
第二节 均相反应动力学
不同反应时间的各 物料的浓度数据
压力 密度
动力学
各种物理性质
折光率 旋光度 导电度
各物料 的浓度 数据
分类别讨论动力学特征
可逆
等温恒容单一反应
不可逆
复合反应
等温恒容单一反应动力学方程式
不可逆反应
A
B
（一级）
dC A rA kC A dt
初始条件：t=0,CA=CA0
A + B S
dC A rA kC AC B dt
反应物A与B的消失量是相等的，故：
CA0 xA CB0 xB
令： M
CB 0 ( M 1) C A0
rA C A0
dx A 2 kC A0 (1 x A )( M x A ) dt
积分得：
C B 0C A 1 M xA 1 kt ln ln C A0 ( M 1) M (1 x A ) C A0 CB 0 C A0CB
dt t 0
dCS dt t 0
应与CA0成正比关系。
连串反应
A
dC A rA k1C A dt
k1 R
k2 S
dC R rR k1C A k 2CR dt
dC S rS k 2C R dt
初始条件： t=0时，CA=CA0,CR0=CS0=0
dC A rA k1C A dt
C A C A0 e
k1t
dC R rR k1C A k 2CR dt
dC R k 2C R k1C A0 e k1t dt
k1 CR C A0 e k2t ek1t k1 k2
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相
烯、乙苯脱氢、半水煤气生产等
流化床
气-固（催化或非催化） 相，特别是催化剂很 快失活的反应
硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化 裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯 氨氧化制丙烯腈等
回转筒式 喷雾式
气-固相、固-固相 气相、高速反应的液相
水泥制造等 氯化氢合成、天然气裂解制乙炔
反应釜
夹套式蒸汽加热反应釜
四、等温变容过程
• 工业生产上，对于液-液均相反应，如果反 应过程中物料密度变化不大，一般可以作 为恒容过程处理。
• 对于聚合反应，由于单体密度比聚合物密 度小，因而随着反应的进行，反应体积不 断的减小，所以就不能作为恒容过程处理。
第三节 理想反应器的设计
一、设计中主要解决的问题：
•提高反应物料进行反应所需要的容积，保证 设备有一定的生产能力。
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
聚合反应工程基础
第一章 绪论 第二章 化学反应工程基础(重点； 12学时) 第三章 聚合反应工程分析(6学时) 第五章 搅拌釜内流体的搅拌与混合(重点；8
学时) 第六章 搅拌聚合釜的传热与传质(2学时) 第八章 聚合过程及聚合反应器(2学时)
第一章 绪论
• 聚合反应工程是化学工程的一个分支，是 研究聚合物制造中的化学反应工程问题， 即研究工业反应过程和反应器。
• 对于恒温过程，只需物料衡算就可确定反应器的 体积。
• 通常的化学反应过程，需要物料衡算和热量衡算 联立求解，确定反应器的体积。
1.物料衡算
物料衡算的理论基础是质量守恒定律，即反 应前后的物料质量应该相等。
反应物A 的流入速度
反应物A 的流出速度
反应物A由于 反应的消失速度
• 平推流反应器特点：
• 在稳态操作时，在反应器的各个截面上， 物料浓度不随时间而变化；
• 反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变， 反应速率的变化只限于反应器的轴向。
反应物A 反应物B
生成物R
平推（活塞）流反应器
2. 理想混和流(全混流)反应器
• 由于反应器强烈的搅拌作用，使刚进入反 应器的物料微元与器内原有的物料微元瞬 间达到充分混合，各点浓度相等且不随时 间变化，出口流体组成与器内相等。
•具有足够的传热面积，保证反应过程中热量 的传递，使反应指控在最适合的温度下进行。
•保证参加反应的物料均匀混合。
• 在进行化学反应时，伴随着质量、热量和动量的 传递，这些传递过程对反应速率有直接的影响， 所以在设计反应器时必须进行物料、热量和动量 的衡算。
• 当流体通过反应器前后的压力差不太大时，动量 衡算可不予考虑。
随物料流 入的热量
随物料流 出的热量
反应系统与外 界交换的热量
反应过程 的热效应
累积的 热量
0
对于间歇反应器，式中的流入和流出都为零； 对于稳态操作的连续流动反应器，累积为零。
• 通过热量衡算可以确定反应器所需的传热面积以 及传热剂的用量。
• 根据物料衡算、热量衡算可以得到反应器设计的 基本方程式，再结合动力学方程式便可计算反应 器的体积，所以反应器的设计实际上是物料衡算、 热量衡算和动力学方程三者联立求解。
• 但这样做十分复杂，可按具体情况加以简化，如 对等温操作的理想反应器只需考虑物料衡算和动 力学方程式就可以设计反应器了。
二、间歇反应器
操作方式
• 间歇，连续，半连续
间歇
连续 气
液
半 连 续 气
气
封闭系统
气
液
流动系统
气
气
流动系统
三、连续反应器内流体流动的两种 理想型态
1. 平推（活塞）流反应器
• 当反应物料在长径比很大地反应器中流动 时，反应器内的每一微元体积中的流体均 以相同的速度向前流动，这种流动型态称 为平推流，具有此种流动型态的反应器称 为平推流反应器。
生成物R
第二节 均相反应动力学
• 均相反应是指在均一的液相或气相中进行 的反应
• 均相反应动力学内容：研究化学反应本身 的速度规律，即物料的浓度，温度，催化 剂等因素对化学反应速度的影响。
• 均相反应动力学没有考虑到物理因素的影 响，仅研究化学反应内在规律。
一、反应速率
• 定义：对均相反应而言，反应速率可定义 为单位时间，单位反应体积中所生成（消 失）的某组分的摩尔数。即
• 这种流动型态称为理想全混流，与之相适 应的反应器称为理想混和流反应器。
• 在工程设计上，常常把比较接近某种理想 流动型态的过程当做理想流动来处理，
• 把管径较小，流速较大的管式反应器作为 平推流反应器处理，
• 而把带有强烈搅拌的釜式反应器当做理想 全混流反应器。
反应物A 反应物B
理想混合流反应器
反应物A 的积累速度
0
上式是普遍的物料衡算式，无论对流动系统 或间歇系统均可适用。
对于间歇反应器，式中的流入和流出都为零； 对于稳态操作的连续流动反应器，累积为零。
2. 热量衡算
热量衡算的依据是能量守恒定律，对于流动 系统和间歇系统可列出均可适用的普遍的热 量衡算式：
CA0 CA C A0
二、等温恒容单一反应动力学方程式
• 单一反应是指用一个化学反应式和一个动 力学方程式便能代表的反应。
• 不可逆反应：一级不可逆反应；二级不可 逆反应；
• 可逆反应：一级可逆反应。
1. 一级不可逆反应
2. 二级不可逆反应
这三种不可逆反应的反应速度式和反应速度积分式必须记住！！！
内外盘管式加热不锈钢反应釜 管式反应器
鼓泡塔反应器
固定床反应器
固定床反应器
厌氧流化床反应器
化工厂里的各种设备就像人体里的各种器官， 而连接多个设备的各种管道就像人体里的各种血管和经络。
3. 按操作方式分类
• 间歇反应器：在反应前先将反应物一次放入 反应器内，当反应达到规定转化率后即取出 反应物。
• 化学工程学科体系的基本内容：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。
• 聚合反应的特点：
• 反应机理多样，动力学关系复杂，重现性 差，且微量杂质的影响大；
• 聚合过程中，除考虑转化率外，还要考虑 聚合物及其分布、共聚物组成及其分布、 聚合物结构和性能等问题；
• 聚合物体系粘度很高，它们的流动、混合 以及传热、传质等都与低分子体系有很大 的不同；
操作方式 温度条件
间歇反应、半连续反应、连续反应
等温反应、绝热反应、非绝热变温 反应
• 由于化学反应的复杂性，无论按哪一种分 类方法都不可能说明其全部特性。
• 在化学反应工程的领域内，大多数是按反 应物料的相态进行分类，但并不排除其他 分类法。
• 从工程的角度来看，还需注意操作方式分 类：间歇反应；半连续反应；连续反应。
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
2.16m³
四、理想全混流反应器
7.234m³>2.16m³>1.45m³ 全混流 > 间歇 >平推流
五、多级串联理想全混流反应器
原料A CA0
xA0 0
v0
xCA1 A1
CA2
xA2
CAN 1
xAN 1
C AN
xAN
tT=tR+tA tR：反应时间 tA：辅助时间
P24：例2-2
三、平推流反应器
间歇反应器与平推流反应器的设计基本方程形式完全相同； 由此表明两种反应器在达到相同转化率时，所需的反应时间相等； 间歇反应器是属于非稳态操作，平推流反应器是属于稳态操作； 平推流反应器不需要辅助时间，生产能力更大。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
• 由于聚合物体系及聚合产品种类繁多，各 种化工基础数据十分缺乏，实验测定这些 数据又十分不易，所以造成聚合反应工程 至今尚不成熟。