化学反应工程_绪论课件
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《化学反应工程》绪论
二、化学反应工程与多尺度及多学科的联系
时空多尺度
纳尺度——分子化学键震动 微尺度——流体力学和传递过程 介尺度——反应器等装置 宏尺度——生产单元和工厂 宇尺度——环境
多学科
化学工艺、化学、工程控制、经济学等
化学反应工程的研究范畴
研究化学反应过程在工业实施过程中需解决的问题。涉 及反应器选择、设计；产品质量、产率、消耗控制等。
任务
改进、强化现有反应技术和设备，以达优质、高产、低耗 之目的；
开发新的反应技术和设备； 解决反应过程的开发放大问题； 实现反应过程的最优化； 发展化学反应工程的理论和方法
化学反应工程的内容
化学反应动力学的研究── 化学反应的本质、反应机理、动力学特性；
流动、传递过程的作用── 反应器内的流动、传热、传质对系统物质的浓度 和温度在时间和空间上分布的影响； 反应器设计计算、过程分析及最优化─── 建立数学模型，应用计算机模拟计算。
6.Froment,G.F.and Bischoff,K.B., Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley,1979.
Physical Raw treatment materials steps
Chemical treatment steps Recycle Typical chemical process
Physical treatment steps
Products
化学反应工程的地位和任务
化学反应工程的地位
化工生产的核心，指导完成化工过程工业规模的实现。
（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运算能力。
化学反应工程绪论课件
特点： 釜式反应器内的原料参数（浓度、温度等） 均不随时间和位置而变。
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
在模型中用到的化学动力学方程，主要是面对生产 实际，与生产条件相适应的宏观动力学方程，一般 通过在实验室的宏观动力学实验获得，并结合生产 条件加以修正。涉及的传递参数要通过大型冷漠实 验获得。衡算基准要取性质相同的部分或微元容积。 在衡算单元内： 输入量=输出量+消耗量+累积量
数学模型放大方法的一般步骤
反应器体积单位需体要积处所理能物处料理 料 总的 量 量物
单位体积所能处理物料量与宏观反应速率有关，而宏观反 应速率又受到化学反应速率、颗粒间传递速率、颗粒内传 递速率的影响。将它们关系表示如下：
宏观反 应速度
化学反应速度 颗粒间传递速度 颗粒内传递速度
只与温度、浓度有关 物理过程
因此设计工业反应器要考虑的因素包括三方面：化学因 素、工程因素、经济因素。
选用教材： 化学反应工程 王承学 胡永琪 编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
朱炳辰 主编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
陈甘棠 主编 化学工业出版社
第二步为整个加工过程的核心，是化学反应 工程学科的研究对象。
一、化学反应工程的研究对象
化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象 与动力学之间的相互作用以及操作条件和进料 变量进行量化的一门学科。
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
在模型中用到的化学动力学方程，主要是面对生产 实际，与生产条件相适应的宏观动力学方程，一般 通过在实验室的宏观动力学实验获得，并结合生产 条件加以修正。涉及的传递参数要通过大型冷漠实 验获得。衡算基准要取性质相同的部分或微元容积。 在衡算单元内： 输入量=输出量+消耗量+累积量
数学模型放大方法的一般步骤
反应器体积单位需体要积处所理能物处料理 料 总的 量 量物
单位体积所能处理物料量与宏观反应速率有关，而宏观反 应速率又受到化学反应速率、颗粒间传递速率、颗粒内传 递速率的影响。将它们关系表示如下：
宏观反 应速度
化学反应速度 颗粒间传递速度 颗粒内传递速度
只与温度、浓度有关 物理过程
因此设计工业反应器要考虑的因素包括三方面：化学因 素、工程因素、经济因素。
选用教材： 化学反应工程 王承学 胡永琪 编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
朱炳辰 主编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
陈甘棠 主编 化学工业出版社
第二步为整个加工过程的核心，是化学反应 工程学科的研究对象。
一、化学反应工程的研究对象
化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象 与动力学之间的相互作用以及操作条件和进料 变量进行量化的一门学科。
化学反应工程课件
A
B
R
A B C
c
A
cB
cR
k/ k
c c c K A / B / R /
1/
ABR
c
语言精品资源PPT
9
A A B B R R 1
A
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R
k/
k
K
1/ C
1. 正逆反应的反应级数之差与相应的化学计量系 数之比为一定值;
2. 化学计量数ν，为速率控制步骤出现的次数。
设 2A＋B ↔ R 的反应机理为
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
语言精品资源PPT
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。
A A BB RR
rA
1 V
dnA dt
, rB
1 V
dnB dt
, rR
1 V
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1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
k/
k
K
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dT 语言精品资源PPT dT dT
1R3 T 2
1
E E 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)
(1) A ↔ A*
(2) A* + B ↔ X
(3) A* + X ↔ R
《化学反应工程》课件
《化学反应工程》PPT课 件
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
在这个章节中，我们将简要介绍《化学反应工程》课程的目标和内容。
化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
在这个章节中，我们将简要介绍《化学反应工程》课程的目标和内容。
化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。
化学反应工程第一章
二 任务(Problems to be solved,
contents to be studied.) a. 改进和强化现有的反应; (Improvement) b. 开发新的反应技术和设备； c. 反应器的放大； (Design)
(Enlargement)
d. 选择最佳操作条件,实现最佳控制； (Optimum) e. 发展和完善反应工程理论。 (Development) 反应工程学： 研究工业规模下进行化学反应的规 律或工程反应器原理的一门学科。
时间分布 R T D
非均相+工业放大因素,使问题更复杂
三个分布（C，T，t）主要与反应器结构有关， 还与流动条件有关。
工业反应的影响因素：
T，C，t，类型（相态），传质，传热， 停留时间分布，反应器结构，操作条件等。
§ 1-3 研究方法——数学模型法 （Model Method）
1. 因次分析与相似论（只适用物理过程 eg:传质与传热）, 2. 经验放大 (速度较慢，周期较长) 实验室 —— 模拟实验 —— 小生产 —— 大生产 —— 工业化 3.实验技术 测试技术与计算机的发展给数学模型法提
非 均 相
Heterogeneou s
2.基元反应与非基元反应 基元反应（elementary reactions）： 反应速率式与化学式对应的反应
A B
dCA rA kC A dt
对于基元反应：反应级数=分子数 （整数）
K
非基元反应（non-elementary reactions）： 反应速率式与化学式并无 相对应关系的反应
化学反应工程学
Chemical Reaction Engineering 化学工艺教研室 主讲教师：王承学
化学反应工程课件第一章
观反应动力学。这是化学反应工程的研究核心问题。
3、化学反应工程的研究对象
如前所述，其对象：一个是化学反应本身，一个是反应
的设备特性。或者可以说是工业规模进行的化学反应过程 ，即工业反应器。
第一章 绪论
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
化学化工学院
化学反应过程 工业反应器 物理过程 1、返混和不均匀流动
第一章 绪论
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
反应器类型 管式反应器 釜式反应器，单釜或多釜串联 板式塔 填料塔 鼓泡塔 喷雾塔 固定床反应器 适用的反应 气相、液相 液相，液液相，液固相 气液相 液相，气液相 气液相，气液固相（催化剂） 气液相快速反应 气固（催化或非催化）相 反应特点
间和反应过程所有的各参数之间的关系，这种数学表达式
即为数学模型法。该法能较好反映其本质。
第一章 绪论
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
实验室小试 小型试验 大型冷模试验
化学化工学院
冷模试验
反应动力学模型
小型反应器模型
反应器的流动模型
扩大试验 生产设计
工业过程开发的数学模型
第一章 绪论
小试
如日本在20世纪50年代以前在尼龙的研究开发。先后用了12年的时间。
第一章 绪论
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
化学化工学院
相似放大方法：也叫量纲分析。 其基本原理是描述某种物理或者化学现象的各变量之 间的数学表达式必须是量纲一致的，即该数学表达式中的 各项必定有相同的量纲。
化学化工学院
应用举例 石脑油裂解，甲基丁炔醇合成 甲苯硝化，氯乙烯聚合 苯连续磺化，异丙苯氧化 化学吸收，丙烯连续聚合 苯的烷基化，二甲苯的氧化 氯乙醇制丙烯睛，高级醇的连 续磺化 乙苯脱氢制苯乙烯，乙炔法制 氯乙烯 萘氧化制苯酐，石油催化裂化 石油催化裂化，矿物的焙烧或 冶炼 返混小，反应体积小，比传热 面积大，慢速反应管长阻力大 适应性强，连续操作时温度、 浓度易控制。转化率高体积大。 逆流接触，气液返混小，流速 有限，可在板间加传热面。 结构简单，返混小，压强降小， 有温差，装卸麻烦。 气相返混小，但液相返混大， 温度易控制，气体压降大 结构简单，液体面积大，停留 时间受塔高限制，气速有限 返混小，高转化率催化剂用量 小，催不易磨损，传热控温不 易，催化剂装卸麻烦 传热好，温度均匀，易控制， 返混大，磨耗大 固体返混小，固气比可变性大， 床内温差大
反应工程
化学反应工程 Chemical Reaction Engineering
第一章 绪论 本章内容: 1.1化学反应工程概念 1.2化学反应的转化率、收率和选择性 1.3化学反应器的类型 1.4化学反应器的操作方式 1.5反应器设计的基本方程 1.6工业反应器的放大
1.1化学反应工程 1.1.1典型化工过程
✓化学反应速率 ➢化学反应速率是指单位时间内单位反应 混合物体积中反应物的反应量或产物的 生成量（物质的量）。
2.1化学反应的速率
➢消耗速率：反应系统中，某一反应组分（i）在 单位时间、单位反应体积内，因反应所消耗的物
质的量。消耗速率ri为正值。
恒容过程
ri
1 V
dni dt
ri
dci dt
2.1化学反应的速率
等温恒容反应系统
➢工业生产中，液相反应一般按恒容过程处理，无 论反应是否引起总摩尔数的改变，都不会带来很 大的误差。
➢对于气相反应，反应前后体系物质的总摩尔数可 能变化，进而影响到反应体积的变化，此为变容 过程，最终对反应过程造成较大影响。
➢分子数发生变化的气相反应在间歇反应器中，由 于容积恒定，仍按恒容过程处理。
1.5.2反应器设计的基本方程
输入=输出+消耗+累积
➢ 能量衡算式 输入的热量=输出的热量+反应热+累积的热量
反应热吸热取正值，放热取负值。
➢物料衡算式
对反应组分有：输入量=输出量+转化量+累积量 对产物组分有：输入量=输出量-生成量+累积量
(反应组分A的输入速率)=(A的输出速率)+(A的转 化速率)+(A的累积速率)
nt0
j)V0(1n1t0iN 1jM 1vij
第一章 绪论 本章内容: 1.1化学反应工程概念 1.2化学反应的转化率、收率和选择性 1.3化学反应器的类型 1.4化学反应器的操作方式 1.5反应器设计的基本方程 1.6工业反应器的放大
1.1化学反应工程 1.1.1典型化工过程
✓化学反应速率 ➢化学反应速率是指单位时间内单位反应 混合物体积中反应物的反应量或产物的 生成量（物质的量）。
2.1化学反应的速率
➢消耗速率：反应系统中，某一反应组分（i）在 单位时间、单位反应体积内，因反应所消耗的物
质的量。消耗速率ri为正值。
恒容过程
ri
1 V
dni dt
ri
dci dt
2.1化学反应的速率
等温恒容反应系统
➢工业生产中，液相反应一般按恒容过程处理，无 论反应是否引起总摩尔数的改变，都不会带来很 大的误差。
➢对于气相反应，反应前后体系物质的总摩尔数可 能变化，进而影响到反应体积的变化，此为变容 过程，最终对反应过程造成较大影响。
➢分子数发生变化的气相反应在间歇反应器中，由 于容积恒定，仍按恒容过程处理。
1.5.2反应器设计的基本方程
输入=输出+消耗+累积
➢ 能量衡算式 输入的热量=输出的热量+反应热+累积的热量
反应热吸热取正值，放热取负值。
➢物料衡算式
对反应组分有：输入量=输出量+转化量+累积量 对产物组分有：输入量=输出量-生成量+累积量
(反应组分A的输入速率)=(A的输出速率)+(A的转 化速率)+(A的累积速率)
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化学反应工程 课件 619页PPT
34
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 把化学反应定义式和化学反应动力学方 程相结合，可以得到：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 把化学反应定义式和化学反应动力学方 程相结合，可以得到：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
《化学反应工程》PPT课件
种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用， 将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学 反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个 或者更多的反应种类。
•
• 例如：
为一气固催化反应
a
7
• 三、反应过程的举例
• 一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量
•
、动量和质量传递过程)
化学现象--化学反应
化学反应工程
教 师：朱 岩 武汉理工大学化工学院
a
1
第一章 绪 论
a
2
• 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源 加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成 为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：
•
• 第①和③两部分属于单元操作的研究范围； 而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过 程的核心。
a
10
时间 20世纪30年代 （萌芽阶段） 20世纪40年代 （系统化） 20世纪50年代 （学科确立）
20世纪60年代 (学科发展状大)
20世纪80年代到 90年代中期 (学科交叉和新技术运用)
标志性成果
对扩散、流体流动和传热对反应过程影响的 深刻认识
《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散 与传热》出现，对学科形成奠定了基础
(c) 机械搅拌浆态床反应器 (f) 固定床鼓泡床反应器 (i) 喷雾塔式反应器 (l) 气液搅拌釜式反应器14
第三节 反应器的操作方式
间歇操作: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。
r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言--
•
• 例如：
为一气固催化反应
a
7
• 三、反应过程的举例
• 一般来说反应过程包括: 物理现象--传递现象(热量
•
、动量和质量传递过程)
化学现象--化学反应
化学反应工程
教 师：朱 岩 武汉理工大学化工学院
a
1
第一章 绪 论
a
2
• 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源 加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成 为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：
•
• 第①和③两部分属于单元操作的研究范围； 而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过 程的核心。
a
10
时间 20世纪30年代 （萌芽阶段） 20世纪40年代 （系统化） 20世纪50年代 （学科确立）
20世纪60年代 (学科发展状大)
20世纪80年代到 90年代中期 (学科交叉和新技术运用)
标志性成果
对扩散、流体流动和传热对反应过程影响的 深刻认识
《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散 与传热》出现，对学科形成奠定了基础
(c) 机械搅拌浆态床反应器 (f) 固定床鼓泡床反应器 (i) 喷雾塔式反应器 (l) 气液搅拌釜式反应器14
第三节 反应器的操作方式
间歇操作: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。
r=f（T、 、P）（对于一定的反应物系而言--
化学反应工程陈甘棠第一章
反应用于净化原料
银催化剂
CH2 CH2 CHCH
加氢 CH2 CH2 氧化
（微量） CH CH H2 H2CC2H H2
CHCH
O
H2C CH2
C H C H H 2O
O
用于能源过程
400c
Ca2C C l H 3OH 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
550-6500c
4 Fe2O4 8 H B r 3Fe2B 4H r2O B r 2
200-3000c
2019/10/19
六、反应工程的前沿领域
•新材料合成
•能源化工
•环境化工
•新反应器
•操作方式
作业：反应工程的前沿之一
2019/10/19
——对×××××××××的综述
2019/10/19
高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
2019/10/19
FCC
FCC
南 充 炼 厂
装 置
2019/10/19
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2019/10/19
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
化学反应工程 课件619页PPT
• 得到：
xA
A
nA0
nI nI0I28• 亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数
进行合理简化，设想一个物理过程(模型) 代替实际过程。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。
17
• 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
18
利用数学模型解决化学反应工 程问题
23
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。
• 对 于 a 任A 一 化 学 b 反B 应 r R s S 0
• 定义反应程度
nI nI0 I
• 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I 的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时24 刻组分I的摩尔数。
26
组分A的选取原则
• A必须是反应物，它在原料中的量按照化 学计量方程计算应当可以完全反应掉 （与化学平衡无关），即转化率的最大 值应当可以达到100%，如果体系中有多 于一个组份满足上述要求，通常选取重 点关注的、经济价值相对高的组分定义 转化率。
27
• 转化率与反应程度的关系，结合
xA
nA 0 nA nA0
• 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。
19
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
20
化学反应式
• 反应物经化学反应生成产物的过程用定 量关系式予以描述时,该定量关系式称为 化学反应式:
完整版化学反应工程课件
❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按 比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称 为相似放大法。
❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定 额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下， 由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
数学模型放大法：
基础实 验测试
拟订过 程模型
用
电 子 计 算
8.聚合反应：含缩聚，加成聚合，自由基聚合，离子 型聚合，络合配位聚合，开环聚合，共聚
2.1.2 反应器的分类
间歇反应器 ❖ 按照操作方法分类 管式及釜式连续流动反应器
半间歇反应器
平推流模型
理想流动模型
❖ 按照流动模型分类
全混流模型
非理想流动模型
❖ 间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定 的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸 出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物 料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随 着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时 间。
着眼于反应物A： A 对于反应物B： B
L M 是连串反应
L 发生的是平行反应
M
例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应
CH3OH + ½ O2 → CH2O +H2O CH2O + ½ O2 → CO +H2O
吸热反应 ❖ 按照反应热效应分
放热反应
均相反应 ❖ 按照相态分布分
非均相反应
间歇过程
❖按照操作方法分 连续过程 （平推流，全混流，中间型）
❖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
化学反应工程绪论
管式反应器（*） 釜式反应器（*） 塔式反应器 固定床反应器（*） 流化床反应器 移动床反应器 滴流床反应器
1.4、化学反应器的操作方式
操作 方式
描 述
特 点
间歇 操作
反应原料一次装 入反应器，反应 过程中无进料和 出料
连续 操作
反应过程中反 应原料和产物 分别连续加入 和输出反应器
物系组成随时 间而变 多数情况下可 视为恒容 操作灵活，适 于小规模生产
2. 转化率（X）
定义：某一反应物转化的百分率或分率。 表示一个反应进行的程度。
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
X ni0 ni ni0
i n i0
ห้องสมุดไป่ตู้
单程转 Q 0
化率与 全程转
1
cA0
2
化率
AABB RR
Reactor
Qr Q0
例题1.1合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯， 多由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成 得到，反应式如下
物系组成不随时 间但随位置而变 适于大规模、机 械自动化操作 产品质量好，劳 动强度小
半间歇 操作 间歇与 连续操 作之外
兼具间 歇和连 续操作 的某些 特点
1.5、反应器设计的基本方程
●反应器设计的基本内容
1. 反应器型式选择 2. 反应器最佳操作条件确
定 3. 反应体积（尺寸）计算
建立反应参数如转化率、 收率、选择性和生产能 力等与反应器尺寸、操 作方式、反应时间等之 间的关系。
确定等
反应动力学
反应器设计与分析
本征动力学
理想条件下研究化学反应 进行的机理与反应物系组 成、温度、压力等参数对 反应速率的影响。主要决 定于化学反应本身
1.4、化学反应器的操作方式
操作 方式
描 述
特 点
间歇 操作
反应原料一次装 入反应器，反应 过程中无进料和 出料
连续 操作
反应过程中反 应原料和产物 分别连续加入 和输出反应器
物系组成随时 间而变 多数情况下可 视为恒容 操作灵活，适 于小规模生产
2. 转化率（X）
定义：某一反应物转化的百分率或分率。 表示一个反应进行的程度。
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
X ni0 ni ni0
i n i0
ห้องสมุดไป่ตู้
单程转 Q 0
化率与 全程转
1
cA0
2
化率
AABB RR
Reactor
Qr Q0
例题1.1合成聚氯乙烯所用的单体氯乙烯， 多由乙炔和氯化氢以氯化汞为催化剂合成 得到，反应式如下
物系组成不随时 间但随位置而变 适于大规模、机 械自动化操作 产品质量好，劳 动强度小
半间歇 操作 间歇与 连续操 作之外
兼具间 歇和连 续操作 的某些 特点
1.5、反应器设计的基本方程
●反应器设计的基本内容
1. 反应器型式选择 2. 反应器最佳操作条件确
定 3. 反应体积（尺寸）计算
建立反应参数如转化率、 收率、选择性和生产能 力等与反应器尺寸、操 作方式、反应时间等之 间的关系。
确定等
反应动力学
反应器设计与分析
本征动力学
理想条件下研究化学反应 进行的机理与反应物系组 成、温度、压力等参数对 反应速率的影响。主要决 定于化学反应本身
化学反应工程课件绪论
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。
反应工程的前沿领域
•新材料合成 •能源化工
•环境化工
•新反应器 •操作方式
Thank you ！
2、 化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程
工业反应过
程开发
指导
化学反应
工程学
构反 操 工
应作 艺
型器 的
方
条
式结 式 件
化学动力学
化学过程
催反温 化应度 剂机浓
理度
化学工程
物理过程
流
传传
体
质热
流
动
1.2 化学反应工程学的范畴和任务
1.2.2 化学反应工程学的研究内容
1、化学反应动力学特性的研究
数学模型中的数学方程 ▪物料衡算式 ▪热量衡算式 ▪动量衡算式 ▪化学反应动力学方程（要求实用） ▪热力学计算式（焓、平衡常数、反应热） ▪参数计算式（传递参数、物性参数）
三种衡算式，依据各自的守恒定律，其模式为：
输入=输出+消耗+累积
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
80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。
我国化学工程与技术学科的发展中里程碑
▪ 1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海 天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创办了天 厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929)和天盛陶 器厂(1934)，以及范旭东在天津创办的永利碱
厂，这些化工原料的生产推动了我国化学工业的
▪ 1957年，在荷兰首都举行了第一次欧洲化学反应工程会议。 会上正式提出了“化学反应工程学”的概念。 1960年，召 开了第二次欧洲化学反应工程会议。 1970年，在美国首都 (华盛顿)召开了第一次国际化学反应工程讨论会。
反应工程的前沿领域
•新材料合成 •能源化工
•环境化工
•新反应器 •操作方式
Thank you ！
2、 化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程
工业反应过
程开发
指导
化学反应
工程学
构反 操 工
应作 艺
型器 的
方
条
式结 式 件
化学动力学
化学过程
催反温 化应度 剂机浓
理度
化学工程
物理过程
流
传传
体
质热
流
动
1.2 化学反应工程学的范畴和任务
1.2.2 化学反应工程学的研究内容
1、化学反应动力学特性的研究
数学模型中的数学方程 ▪物料衡算式 ▪热量衡算式 ▪动量衡算式 ▪化学反应动力学方程（要求实用） ▪热力学计算式（焓、平衡常数、反应热） ▪参数计算式（传递参数、物性参数）
三种衡算式，依据各自的守恒定律，其模式为：
输入=输出+消耗+累积
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
80年代以后，反应工程的理论与方法已日臻完善与丰富。
我国化学工程与技术学科的发展中里程碑
▪ 1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成上海 天利氮气厂生产出液氨，吴先生还创办了天 厨味精厂(1923)，天原电化厂(1929)和天盛陶 器厂(1934)，以及范旭东在天津创办的永利碱
厂，这些化工原料的生产推动了我国化学工业的
▪ 1957年，在荷兰首都举行了第一次欧洲化学反应工程会议。 会上正式提出了“化学反应工程学”的概念。 1960年，召 开了第二次欧洲化学反应工程会议。 1970年，在美国首都 (华盛顿)召开了第一次国际化学反应工程讨论会。