6+多相系统中的化学反应与传递现象
河南师范大学化学化工学院化学工程专业硕士研究生培养方案
河南师范大学化学化工学院化学工程专业硕士研究生培养方案专业代码：085216一、培养目标培养适应时代需求的、具有扎实的基础知识和技能的，具备化学工程专业知识的，能在化工、炼油、冶金、能源、轻工、医药、环保和军事等部门从事工程设计、技术开发、生产技术管理和科学研究等方面工作的工程技术人才和综合素质高、能够从事化学工业设计和研究的科学工作者，以及为地方经济建设和社会发展需要的高级专门人才。
所培养研究生应达到如下水平：1、具有热爱和献身祖国科学技术事业的坚强信念和宏大志向、具有改革创新意识和国际竞争意识、具有创新求实精神和良好的科研道德、具有奉献精神和团队合作精神、具有良好的思想道德品质，身心健康。
2、系统掌握化学工程专业必需的基础理论、基本知识、基本技能和较系统深入的专业知识，并初步掌握进行化工创新和科学技术创新的基本思想和方法，熟悉其基本过程和步骤；了解化工学科发展趋势和最新动态。
3、熟悉化学工程领域的现状和发展趋势，具有从事本学科、本专业实际工作的知识、素质和能力；初步掌握外语的听、说、读、写、译等基本技能，具备一定专业外语知识；掌握使用现代信息技术的能力及搜集和处理信息的能力。
4、初步具备化工方面的科研能力，具有较强的实践能力和开拓创新能力，能够运用基础理论和专业知识解决工程实际问题或承担专门技术工作；具备在科研机构及企业从事科研及新产品、新设备、新工艺的开发研究等专门技术工作的能力；具备独立担负化学工程领域技术或工程管理的工作能力。
二、研究方向本专业主要研究方向：01. 功能材料及应用，02.锂离子电池关键材料，03. 新能源材料开发，04. 表面活性剂的开发及利用，05.固体废弃物再资源化，06. 表面磷化技术，07. 气体膜分离工程，08. 小分子催化，09. 绿色制备化学工程。
三、学习年限学习年限为三年。
用一年时间完成硕士学位的必修课和选修课，至少获得34学分；大约用两年时间从事企业调研、科学研究，完成硕士学位论文，并通过论文答辩；期间约用半年时间到企业实践。
《多相反应及反应器》PPT课件
对于一般反响，液膜中的浓度分布微分方程难以解析 求解，除非作出某些简化的假定。
拟一级不可逆反响
拟一级反响 ： 溶解于液相的气体组分A与液相组分B在液相中进展
气液反响的扩散反响方程
D A L d dA c z z D A L d dA c z z d zrA dz dAc dAc d dAc dz dzz dzdzz dzdz
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气液反响的扩散反响方程
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边z 界0 条件c 为A c Ai dB/c d z 0
《多相反应及反应器》 PPT课件
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气液相反响及反响器
另一类是通过气液反响净化气体，例如 用铜氨水溶液除去气体中的一氧化碳， 用碱溶液脱除煤气中的硫化氢，用氢氧 化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化 碳等 。
Ｓ为外表更新分率，必须由实验测定。从该 式可以看出， 与DAB 的平方根成正比，与 赫格比获得的结果完全一致。
虽然溶质渗透理论和外表更新理论能够比双 膜论更接近气液相间传质的真实情况，但由 于气液接触时间 和外表更新分率Ｓ均不易获 得，而且在实际应用中会使过程的数学描述 复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描 述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学 描述简化，而计算结果的误差也是可以承受 的。
由于这类气体吸收过程中有化学反响产 生，为与气体的物理吸收过程相区别， 常称之为化学吸收。
化学反应中的多相反应机理
化学反应中的多相反应机理化学反应是物质转化的过程，其中包含液体、固体和气体等多种不同的相态。
当反应混合物中同时存在多个相态时，就会涉及到多相反应机理。
本文将从反应的概念入手，探讨多种不同的反应机理并尝试找到它们的内在联系。
反应的定义化学反应是一种物质上的变化，既包括反应物向产物的转化，也包括反应过程中能量的转移。
根据反应物的不同相态，我们将反应分为三种类型：1. 气相反应气相反应是指反应涉及到气态反应物和产物的反应，例如气体燃烧等。
由于气体分子在空间中分散并且相互作用很小，所以气相反应往往是分子间距离很远的反应。
2. 液相反应液相反应是指反应涉及到液体相的反应。
当反应物溶解在液体中时，分子之间的作用会受到液体的极性、粘度和渗透性等影响。
3. 固相反应固相反应是指反应涉及到固体相的反应。
固体相的反应发生在分子之间距离非常近的空间中，因此它们的反应动力学和热力学性质往往是不同的。
不同相态下的反应机理当反应涉及到多个相时，反应机理会发生一些微妙的变化。
以下是几个例子：1. 气液相反应机理气液相反应机理是指涉及到气态反应物和液体反应物的反应。
在气液相反应中，气态分子会进入液态，并与液态分子相互作用产生反应产物。
这种反应机理受到气态反应物在液体中的溶解和扩散率的影响。
2. 固液相反应机理固液相反应机理是指涉及到固态反应物和液态反应物的反应。
在这种反应中，固体分子会脱离晶体结构，进入液态相中，并与液态分子发生反应。
但这种反应需要受到固体表面的约束，并且在固体表面的扩散速度很慢。
3. 固气相反应机理固气相反应机理是指涉及到固态反应物和气态反应物的反应。
在这种反应中，反应物相互作用的尺度非常小，因此反应要依靠固体表面的化学性质。
这种反应机理通常表现为氣體吸附或催化作用。
解析多相反应的机理多相反应机理可以分为三种类型：气液固多相反应、液液多相反应和气液多相反应。
不同类型的反应机理有着不同的特点。
1. 气液固多相反应这种反应机理的反应物既包括气态分子，也包括液态和固态分子。
多相流体力学中的质量传递研究
多相流体力学中的质量传递研究随着现代科技的不断进步，多相流体力学的研究也变得愈发重要。
多相流体力学是研究多个物理相互作用及其相变的学科。
在多相流体力学中，传热、传质问题一直是研究的热点。
其中，质量传递研究的重要性在于它与化学反应、吸附、气体吸收、蒸发等实际问题有着密切的联系，可以说是多相流体力学的核心之一。
在多相流体力学中，质量传递是指物质是如何从一个相转移到另一个相的过程。
当不同相之间的温度、浓度等物理参数不同时，质量传递就会发生。
常见的质量传递包括扩散、传递和对流传输。
扩散表示质量通过分子的移动传播，传递介于扩散和对流之间，而对流传输则是质量通过流动传输。
多相流体力学中的质量传递研究主要集中在理论研究和实验研究两个方面。
在理论研究方面，科学家们采用数学模型进行研究，目的是通过解方程来研究理论问题。
在实验研究方面，研究者往往借助实验室条件进行研究，利用实验数据来验证理论预测和参数拟合等，并验证一些实用问题的可行性。
在理论研究中，研究者主要运用了扩散方程、对流扩散方程、对流传输方程等一系列数学模型来描述和计算质量传递。
其中，基于质量守恒原理的扩散方程是最基本的质量传递方程。
随着对流传输方程的发展，学者们还提出了许多新的方程，如李移流、影响算法等，这些方程模拟了不同的质量传递现象。
除了理论研究之外，实验研究也不可或缺。
实验室条件虽然与实际情况有所区别，但它的可重复性和可控性使得实验成为验证理论模型的有效手段之一。
在实验研究中，研究者会根据实验需求和研究对象的特点，设计和构建实验设备，进行实验数据的收集和记录，然后进行数据的分析和归纳总结。
多相流体力学中的质量传递研究，不仅需要理论和实验相结合，还需要借助计算技术的发展。
因为多相流体力学计算通常具有非线性、非平稳性、高复杂度等特征，所以利用数值计算方法来解决这些问题是非常必要的。
数值计算方法在多相流体力学中被广泛应用，例如通过数据的采集、模型的构建、参数的拟合以及计算结果的分析等来推导出丰富的数值结果，为多相流体力学得到了诸多进展。
多相反应机理的研究及其应用
多相反应机理的研究及其应用化学反应通常可以分为气体相反应、液相反应和固相反应。
与单相反应不同的是，多相反应涉及到两个或以上不同的相，利用相隔离可大大提高反应效率。
但是，相互作用影响反应速率和平衡，使得多相反应机理十分复杂。
本文将探讨多相反应的机理研究现状及其应用。
一、多相反应机理的研究现状1.多相反应动力学多相反应包括各种异相反应：气体/气体、气体/液体、气体/固体、液体/液体等。
其中，气体/固体反应是化学工业生产中最常见的多相反应。
在气体/固体反应中，气体分子先通过气体相从环境中进入颗粒表面并在表面发生吸附反应才能向内部扩散。
因此，反应速率限制因素通常是气体分子在固体表面的吸附反应。
理论上，吸附反应速率可以通过实验测量得出，然后通过表面反应速率方程式计算反应速率。
但是，吸附反应的分子动力学机制并不完全了解，研究多相反应的动力学机理是一个难题。
2.多相反应平衡一般情况下，多相反应平衡与气体吸附平衡有关。
在平衡状态下，反应物分子和产物分子在两相之间达到平衡状态。
多相反应平衡方程从理论上推导很容易，但实际的应用却具有很大的复杂性。
例如，气体/固体反应平衡通常具有不可逆性，即反应是单向进行的，这意味着固体催化剂上的产物可以被再次还原回反应物。
此外，反应器中各相之间的流体动力学和传质过程还需要考虑。
因此，多相反应平衡的理解和应用非常复杂。
3.多相物质传递在多相反应中，物质传递与反应速率密切相关，并且在反应器的设计和操作中非常重要。
通常，固体表面和液体溶液之间具有相互作用力，因此反应物必须通过传质步骤达到固体表面，才能继续反应。
多相反应的物质传递通常包括液滴形成和流动、气泡生成和渗透、和固体颗粒间的传输过程等，所需的实验和计算成本也较高。
二、多相反应的应用1.催化剂催化剂广泛应用于多相反应，可大大提高反应速率和产物选择性。
催化剂在多相反应中的作用包括：实现高效的传质、在催化活性中实现基团转移和化学反应，并提高反应的产率和选择性。
设备固定床反应器
常用这种直径。
26
? （4）形状系数 * ? s
? 对于非球形粒子，其外表面积 AP必大于同体积球 形粒子的外表面积 AS,则：
? 球形颗粒的外表面积 AS与体积相同的非球形颗粒 的外表面积 AP之比，称为形状系数。
?s
=
As Ap
? 除球体的 ? =s 1外，其它形状颗粒的 ?均s 小于1。
第九章 固定床反应器
1
多相系统的特征
多相系统的特征是: 系统中同时存在两个或两个以上的相态， 在发生化学反应的同时，也发生着相间和 相内的传递现象，主要是质量传递和热量 传递。 如果这些传递现象不存在，那么就不可能 发生化学反应。
2
多相系统中反应的基本类型
可概括为三种基本类型： (1)在两相界面处进行反应，所有气固反应或气固 相催化反应都属于这一类型； (2)在一个相内进行反应，大多数气液反应均属于 这种情况，进行反应的相叫做反应相； (3)在两个相内同时发生反应，某些液液反应属于 这种情况。
对外换热式。
原料
? 化工生产中应用最多的是换热条 件较好的列管式反应器，其结构 催化剂
类似管壳式热交换器。
蒸汽 调节阀
补充水
? 通常在管内充填催化剂，反应气 体自上而下通过催化剂床层进行 反应，管间通载热体 (在用高压 水或用高压蒸汽作热载体时，则 把催化剂放在管间，而使管内走 高压流体)。
产物
图 乙炔法合成氯乙烯反应器
6
9.1.1固定床反应器的特点及工业应用
固定床反应器优点 *
① 固定床中催化剂不易磨损； ? ② 床层内流体的流动接近于平推流，与返
混式的反应器相比，可用较少量的催化剂 和较小的反应器容积来获得较大的生产能 力。 ? ③ 由于停留时间可以严格控制，温度分布 可以适当调节，因此特别有利于达到高的 选择性和转化率。 ? ④可在高温高压下操作。
化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)
§1-1化学反应工程
第一节 化学反应工程 一、化学反应工程的研究对象
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，即反应动力学和反应器设计分析。
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：
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
例如： so2 o2 为钒 一 气固催s化o反3 应
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
三、反应过程的举例
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与 反应物气体存在温差。 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度 随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起 来考虑。
四、化学反应工程作用
对于化学产品和加工过程的开发、反应器 的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程 知识可以： 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期。
Chapter Ⅰ绪 论 Chapter Ⅰ绪 论 Chapter 1 Introduction
§1-1 化学反应工程 §1-2 转化率、收率和选择性 §1-3 化学反应器的类型 §1-4 反应器的操作方式 §1-5 反应器的设计与基本过程 §1-6 工业反应器的放大
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
多相反应的动力学与传质机制
多相反应的动力学与传质机制是物理化学中的一个重要研究领域。
在该领域，我们主要探究化学反应在不同相之间进行时的反应动力学及传质机制，以及这些机制对反应速率的影响。
1. 多相反应的基本概念多相反应指的是化学反应中涉及到两种或两种以上的相，例如气-固、气-液、液-固等反应。
在这些反应中，相间的物质传输和反应速率的控制机制不同，因此需要通过分析不同相间的传质和反应动力学过程来研究多相反应。
2. 气-固反应的动力学和传质机制在气-固反应中，反应物为气体，而催化剂或反应物的固体表面为固体相。
因此，该反应的本质就是气体在固体表面吸附，然后在固体表面上进行反应。
针对气-固反应，研究者主要研究气体分子在固体表面的吸附和反应机制。
气体分子在固体表面的吸附通常存在两种基本机制：物理吸附和化学吸附。
物理吸附是气体分子与固体表面间的范德华力或氢键力作用，吸附一般比较弱，通常在低温下发生；化学吸附则是当气体分子与固体表面反应时，发生的吸附作用，吸附比较强，通常发生在高温下。
对于气-固反应过程，物理吸附阶段和表面反应阶段都可能是反应速率的控制步骤，因此在研究气-固反应速率时，需要综合考虑这两个过程的机制和速率。
3. 气-液反应的动力学和传质机制气-液反应是指气体分子与液体中溶质反应的过程，该过程主要涉及气体分子在液体溶液中的传输和反应过程。
研究者主要关注气体分子在液体中的扩散和反应机制。
对于气-液反应，通常情况下，反应物在气体相中的浓度较高，而在液相中的浓度较低，因此反应速率会受到两相中反应物浓度差异的影响。
4. 液-固反应的动力学和传质机制液-固反应是最常见的多相反应之一，例如矿物岩石中的微观反应或金属表面的氧化过程都属于液-固反应。
对于液-固反应，液体中的反应物会在固体表面吸附并发生反应，因此该反应的速率不仅受到液相中反应物浓度的控制，还受到反应物在固体表面上的吸附和反应速率的控制。
液-固反应的动力学和传质机制较为复杂，涉及液相和固相之间物质传输和反应的相互作用。
化学反应工程-第1章
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。
01
对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。
02
为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。
喷雾塔
气—液相快速反应
结构简单，液体表面积大，停留时间受塔高限制，气流速度有限制
反应器的型式与特性表
1.5.2 反应器型式的选定 依据：相态及其数目；反应特性；传热和传质对反应的影响。 均相：气相反应常用管式反应器和火焰反应器；液相反应一般采用搅拌槽。 非均相：气固催化反应常用固定床反应器和流化床反应器；气固非催化反应常用移动床反应器和流化床反应器；气液反应常用搅拌槽、鼓泡塔、填料塔、板式塔等；液液和液固反应常用搅拌槽；固固反应常用转窑；气液固反应常用浆态床反应器和滴流床反应器。
重油的催化裂化流化床反应器
搅拌釜式反应器
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
类型
适用反应
优缺点
搅拌槽
液相、液—液、液—固相
适用性大，操作弹性大，温度、浓度易控制，产品质量均一
管式
气相、液相
返混小，反应器容积小，比传热面大
空塔或搅拌塔
液相、液—液相
通过本课程的学习，要求考生正确理解反应工程有关基本概念、基本原理，掌握化学反应学科的学习方法及理论联系实际方法，提高分析问题和解决问题的能力。
PART ONE
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2.数学模型法的建立步骤
化学反应工程01
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 0 A B R
二、 转化率 X--针对反应物而言 定义：
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
注意： 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计 算出来的X是不一样的。
精化学反应工程 品 课 程
关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100%
第四节 反应器的操作方式
间歇操:一次性投料，卸料。反应物系参数 (浓度或组成等)随时间变化。 连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反 应器内物系参数均不随时间变化。 半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特 点，情况比较复杂。
精化学反应工程 品 课 程
PVC悬浮聚合－－－间歇反应釜
精化学反应工程 品 课 程
精化学反应工程 品 课 程
种 类 特 点 应用范围 固定床 底层内部装有不动的固体颗粒，固体 颗粒可以是催化剂或是反应物 用于多相反应系统
反应过程中反应器内部有固体颗粒的 多相反应体系，可以提 流化床 悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混 高传热速率 合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应 用于多相体系，催化剂 流体逆向接触 可以连续再生
v 0 v 0 v 0
R
A
B
v A A vB B vR R 0 nR n n nR n n
A0 A
B B
0
0
精化学反应工程 品 课 程
2.1 反应进度
A A B B R R
( n A n A0 ) : ( n B n B 0 ) : ( n R n R 0 ) A : B : R
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 即： A B R