化学反应工程PPT课件
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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
化学反应工程知识点复习 ppt课件
k ∝T 0~1 0
k之所以称之为常数，是指当反应温度不变时，k是个 常数，当反应温度变化较大时它就不再是常数。 活化能E，根据过度状态理论，反应物生成产物，要 超过一个能垒，因此E的取值永远是正值。
图2－1
lnk与1/T是直线关系 －E/R为斜率 lnk0为截距
通过实验测出不同温度下的 速率常数k，作图根据截距 就可以求出指前因子k0，再 根据直线的斜率求出活化能 E
对于(恒容)气相反应，由于分压与浓度成正比，也可 用分压来表示。
( r )
1
dn A
k
P P
A V dt
pA B
问题：
化学反应速率式为，rAKCC ACB
如用浓度表示的速率常数为Kc， 用压力表 示的速率常数Kp，则Kc= Kp
化学反应工程知识点复习
（3） 基元反应 基元反应指反应物分子一步直接转化为产物分子的反应 。 凡是基元反应，其反应速率遵循质量作用定律，即根据 化学计量关系，就可以写出反应速率方程。 （4）反应级数 反应级数：指浓度函数中各组分浓度的幂数。
•答：1/3 1/2
冪数型动力学方程和双曲型动力学方程
1）幂数型动力学方程 aA+bB=rR+sS
实验研究得知，均相反应速率取决于物料的浓度
和温度，反应速率符合下述方程，称之为幂数型
动力学方( r A ) k A c A c B
k cA cB
式中k称作反应速率常数；α、β是反应级数。
对二级不可逆反应：
A + B → 产物
其反应速率方程为：
rA
dCA dt
CA0
dxA dt
k CACB
k CA01 xACB0 CA0xA
k之所以称之为常数，是指当反应温度不变时，k是个 常数，当反应温度变化较大时它就不再是常数。 活化能E，根据过度状态理论，反应物生成产物，要 超过一个能垒，因此E的取值永远是正值。
图2－1
lnk与1/T是直线关系 －E/R为斜率 lnk0为截距
通过实验测出不同温度下的 速率常数k，作图根据截距 就可以求出指前因子k0，再 根据直线的斜率求出活化能 E
对于(恒容)气相反应，由于分压与浓度成正比，也可 用分压来表示。
( r )
1
dn A
k
P P
A V dt
pA B
问题：
化学反应速率式为，rAKCC ACB
如用浓度表示的速率常数为Kc， 用压力表 示的速率常数Kp，则Kc= Kp
化学反应工程知识点复习
（3） 基元反应 基元反应指反应物分子一步直接转化为产物分子的反应 。 凡是基元反应，其反应速率遵循质量作用定律，即根据 化学计量关系，就可以写出反应速率方程。 （4）反应级数 反应级数：指浓度函数中各组分浓度的幂数。
•答：1/3 1/2
冪数型动力学方程和双曲型动力学方程
1）幂数型动力学方程 aA+bB=rR+sS
实验研究得知，均相反应速率取决于物料的浓度
和温度，反应速率符合下述方程，称之为幂数型
动力学方( r A ) k A c A c B
k cA cB
式中k称作反应速率常数；α、β是反应级数。
对二级不可逆反应：
A + B → 产物
其反应速率方程为：
rA
dCA dt
CA0
dxA dt
k CACB
k CA01 xACB0 CA0xA
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
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ppt课件
曲线进行。现拟计算下列条件下的最佳温度：
（1）在25.33MPa下，以3：1的氢氮混合物进行反
应，氨含量为17％；
（2）其他条件同（1），但氨含量为12％；
（3）把压力改为32.42MPa，其他条件同（1）。
已知该催化剂的正反应活化能为58.618×103J/mol,
逆（反MP应a的-1）活与化温能度为T1(6K7).及48总×压10p3J(M/mPoal。)的平关衡系常为数Kp
吸热反应
EE
E RT 2
k
f
(XA)
E RT 2
k
g(X
A)
r 0 T X A
可逆吸热反
应与温度及 XA 转化率的关 系图
平衡曲线
15
可逆 放热 反应
r≥0 k f ( X A ) k g( X A )
可逆放热反应
EE
r 0, 0, 0 T X A
dk kE dT RT 2
r
E
E
(T )xA RT 2 k f ( X A ) RT 2 k g( X A ) 14
吸热反应
r
E
E
(T )xA RT 2 k f ( X A ) RT 2 k g( X A )
r≥0
k f (X A) k g(X A)
r
可逆放热 反应反应 速率与温 度的关系
Top
T
16
●最佳反应温度Top
r
E
E
(T )xA RT 2 k f ( X A ) RT 2 k g( X A )
化学反应工程
a A.1 A aP P 主 aA.2 A aSS 副
2 3 10
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
西南科技大学
§2-3 复合反应
二、平行反应
1)速率方程积分式 为简化讨论，假定主、副反应均为一级不可逆反应，
其微分速率方程分别为：
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
二、平行反应
根据选择性的定义可得：
aP aA,2 k1 SP aS aA,1 k2
2 3 26
将式(2-3-17)分别代入式(2-3-20)和(2-3-23)中可得：
CP CPO
a p k1 1 exp k1 k2 t C AO a k k A,1 1 2
2 3 1
西南科技大学
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
一、基本概念及术语
２）如果几个反应是依次发生的，这样的复合反应称为
串联反应，如下式所示： A B P R S
2 3 2
３）此外，还有由平行和串联反应组合在一起的复合反 应，如下两式所示：
摩尔数与反应掉的着眼反应组份Ａ的摩尔数之比值。
P
4. 得率
np npo nAO nA
2 3 5
得率，以符号Xp记之，它表示生成的目标产物P的摩尔 数与着眼反应物姓的起始摩尔数之比，即：
X P n p n po / nAO
化学反应工程(Chemical
2 3 6
rA.1 k1CA 主
2 3 10
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
西南科技大学
§2-3 复合反应
二、平行反应
1)速率方程积分式 为简化讨论，假定主、副反应均为一级不可逆反应，
其微分速率方程分别为：
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
二、平行反应
根据选择性的定义可得：
aP aA,2 k1 SP aS aA,1 k2
2 3 26
将式(2-3-17)分别代入式(2-3-20)和(2-3-23)中可得：
CP CPO
a p k1 1 exp k1 k2 t C AO a k k A,1 1 2
2 3 1
西南科技大学
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
一、基本概念及术语
２）如果几个反应是依次发生的，这样的复合反应称为
串联反应，如下式所示： A B P R S
2 3 2
３）此外，还有由平行和串联反应组合在一起的复合反 应，如下两式所示：
摩尔数与反应掉的着眼反应组份Ａ的摩尔数之比值。
P
4. 得率
np npo nAO nA
2 3 5
得率，以符号Xp记之，它表示生成的目标产物P的摩尔 数与着眼反应物姓的起始摩尔数之比，即：
X P n p n po / nAO
化学反应工程(Chemical
2 3 6
rA.1 k1CA 主
化学反应工程知识点复习ppt课件
可见，
A 0
等分子反应
A 0
缩体反应 膨体反应
A 0
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45
2.3 等温变容过程
速率表示式为：
(rA )
CA0
1 A yA0xA
dxA dt
2.3.2 膨胀率 膨胀率是指反应物A全部转化后系统体积的变化分率：
A
V V xA 1
xA 0
VxA 0
它既与反应的化学计量关系有关，也与系统的惰性物量有关
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15
2、速率常数k
• 化学反应速率方程体现了浓度和温度两方面 的影响，浓度的影响体现在浓度项上，反应 级数表明了反应速率对浓度变化的敏感程度。
• 温度的影响则是由速率常数k体现的。
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16
2.1反应速率常数
在一般情况下，反应速率常数 kc与绝对温度T之间的关系可以用 Arrhenius 经验方程表示，即：
rS
dC S dt
k2C P
对-rA分离变量积分得：
C A C A 0 ex k 1 p t
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42
对A作物料衡算，则有：
CA0CAC PC S
以各组分浓度对时间作图得到各组分的分布曲线，见图。
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43
从而得到对应此最高浓度的反应时间为：
topt
ln( k2 k2
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18
lnk与1/T是直线关系 －E/R为斜率 lnk0为截距
通过实验测出不同温度下的 速率常数k，作图根据截距 就可以求出指前因子k0，再 根据直线的斜率求出活化能
E
对给定的反应，反应速率与
温度的关系在低温时比高温
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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
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
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
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EE
1Hr
1
lnklnklnKp
dd lnk Tdd lnk T1dldnK Tp1 R 13H2 rT
1
对于吸热反应，ΔHr>0
EE
Hr
对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
rkf(XA)kg(XA)
2. 不同机理可以导出相同形式的速率方程；
3. 动力学实验数据与速率方程相符合，仅是证明机理
正确的必要条件，而不是充要条件。
7
速率方程经验形式 幂函数型速率方程
rf1(T)f2(c)
N
rkcAAcBB...k cii i1
可逆反应
N
N
rk cii k cii
i1
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
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
5
2.2 反应速率方程
定 溶剂、催化剂和压力一定的情况 义 下，描述反应速率与温度和浓度
的定量关系，即速率方程或动力 学方程。
rfc,T
基元反应
AABB RR rAkcAAcBB
非 基
APD
元 反 A A* P
应 A* D
rArA k2c A
c*Ac p cA K1
r≥0
kf(XA)kg(XA)
吸热反应
EE
RET 2 kf(XA)RET 2 kg(XA)
r 0 T X A
可逆吸热反
应与温度及 XA 转化率的关
平衡曲线
系图
15
可逆 放热 反应
r≥0
kf(XA)kg(XA)
可逆放热反应
EE
r 0,0,0 TXA
dFA dVr
多相反应 反应速率
r'A
dFA da
r'
'
A
dFA dW
rA aV r 'A br ''A
4
例2.1 在350℃等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应，测 得反应系统总压 p 与反应时间 t 的关系如下：
t/min 0 6 12 26 38 60 p/kPa 66.7 62.3 58.9 53.5 50.4 46.7 试求时间为26min时的反应速率。
i1
AABB RR
rA kc A A c B B c R R kcA A cB B cR R 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
气相反应
kc(R) T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
lnklnAERT
d ln k dT
E RT2
d ln k E dT RT2
d ln k E dT RT2
dln k dln k E E
d
Td
TR2T R2T
k/ k K1p/
r (T)xA
f(XA)d dkTg(XA)d dkT
dk kE dT RT 2
dk kE dT RT 2
r E
E
( T)xAR2T kf(X A )R2T kg(X A )14
吸热反应
r E
E
( T)xAR2T kf(X A )R2T kg(X A )
11
2.3 温度对反应速率的影响
rf1 (T )f2(c ) k2(c f)
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
一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的。
2
AABBRR rAV 1d dAn ,trBV 1ddBn ,trRV 1ddRnt
各组分r
间关系
dA :n dB :n dR nA :B :R
( r A ):( r B ):r R A :B :R
反应速率 普遍化 定义式
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
cAA/cBB/cRR/Kc1/
9
A AAB BBR RR1
k/ k KC1/
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;
r
可逆放热 反应反应 速率与温 度的关系
T op
T
16
●最佳反应温度Top
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 (1) A ↔ A* (2) A* + B ↔ X (3) A* + X ↔ R
10
例2.2 等温下进行醋酸（A）和丁醇（B）酯化反应 CH3COOH+C4H9OH ↔ CH3COOC4H9+H2O
醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmol/m3,测 得不同时间下醋酸转化量,试求该反应的速率方程。
rA
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 Ad dV t 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
c*A K1cA cP
r A k 2 K 1 c A /c P kA /c c P 6
例：2NO+O2→ 2NO2
机理（1）： NO+NO＝(NO)2
(NO)2+O2→ 2NO2
机理（2）： NO + O2 ＝ NO3 NO3 + NO → 2NO2
r kcN2 OcO2
1. 某些非基元反应，其速率方程符合质量作用定律;