化学反应工程
化学工程中的化学反应工程
化学工程中的化学反应工程化学反应工程是化学工程的核心领域之一，它研究的是化学反应在工业生产中的应用和优化。
化学反应是化学工程中最基本的过程之一，通过控制和优化化学反应过程，可以提高产品质量、降低生产成本，实现可持续发展。
本文将从反应选择、反应器设计和反应条件优化三个方面来探讨化学反应工程的重要性和挑战。
一、反应选择在化学反应工程中，选择适合的反应是至关重要的。
不同的反应条件和反应物组合会产生不同的产品和副产物，而这些产品和副产物的性质和产量直接影响到工业生产的效益。
因此，在进行化学反应工程之前，需要进行充分的实验和研究，确定最适合的反应条件和反应物组合。
例如，生产乙醇的过程中，乙烯和水可以通过催化剂反应生成乙醇。
但是，反应过程中还会产生一些副产物，如乙醛和丙酮。
为了提高乙醇的产量和纯度，化学工程师需要选择合适的反应条件，如温度、压力和催化剂种类，以控制副产物的生成。
此外，还需要考虑反应速率、反应热和反应平衡等因素，以确保反应过程的稳定性和可控性。
二、反应器设计反应器是进行化学反应的主要装置，其设计和选择对反应过程的效率和安全性有着重要的影响。
化学工程师需要根据反应物的性质、反应条件和产品要求，选择合适的反应器类型，并进行设计和优化。
常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和循环流化床反应器等。
批式反应器适用于小规模实验和中间产品的生产，而连续流动反应器适用于大规模工业生产。
循环流化床反应器则具有较高的传热和传质效率，适用于高温高压反应。
在反应器设计中，还需要考虑反应器的尺寸、热交换和搅拌等因素。
尺寸的选择要考虑反应物的浓度和反应速率，以确保反应物在反应器中的停留时间足够长。
热交换则可以通过换热器和冷却器来控制反应温度，避免过高的温度对催化剂和反应物的损害。
搅拌的目的是保持反应物的均匀混合，提高反应速率和产物的纯度。
三、反应条件优化反应条件的选择和优化是化学反应工程的关键环节。
通过调节反应温度、压力、催化剂浓度和反应物浓度等参数，可以控制反应速率和产物选择性，提高反应效率和产品质量。
化学反应工程
化学反应工程化学反应工程系化学工程的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。
它是在化工热力学、反应动力学、传递过程理论以及化工单元操作的基础上发展起来的。
其应用遍及化工、石油化工、生物化工、医药、冶金及轻工等许多工业部门。
工业反应过程中既有化学反应，又有传递过程。
传递过程的存在并不改变化学反应规律，但改变了反应器内各处的温度和浓度，从而影响到反应结果，例如影响到转化率和选择率。
化学反应工程的定位：化学反应工程是化工类专业的一门专业主干课、核心课程。
化学反应工程涉及物理化学、化工热力学、化工传递过程、优化与控制等，知识领域广泛、内容新颖，对于培养学生的反应工程基础、强化工程分析能力具有十分重要的作用。
课程教学突出阐述反应工程理论思维方法，重点讨论影响反应结果的工程因素(如返混、混合、热稳定性和参数灵敏性等)，并结合开发实例进行分析，培养学生应用反应工程方法论解决实际问题的能力。
围绕创新教育这一主题，明确培养学生创新思维与创新能力的教学目标，并在教学内容、教学方法上进行改革，改变传统教学模式，将培养创新思维和创新能力溶入课程教学过程中，探索适宜培养创新人才的"化学反应工程"教学内容、教学方法。
重点与难点:脚归谜化学反应工程课程内容的重点是阐明基本原理，向学生介绍反应工程中的最基本概念、理论和研究方法，所以我们在开设本课程时，精选了化学动力学、间歇反应器、理想流动反应器、返混、反应过程中的热量和质量传递、复杂反应选择性、反应器热稳定性等主要内容，突出影响反应过程结果的工程因素，并按温度效应和浓度效应讨论展开，力求表达清楚，确切阐述，为学生今后开发反应过程与反应器打下扎实的理论基础。
课程难点是掌握化学反应工程的基本观点和工程思维方法，培养学生分析和解决工程问题的实际能力。
在教学中重视基本概念、基本理论和工程分析方法的传授。
化学反应工程
化学反应工程一、化学反应工程的定义及意义化学反应工程是一门研究在化学反应过程中如何设计，建造，操作，监测和控制化学反应过程的学科。
在化学反应工程中，我们致力于优化反应条件，提高反应产率，降低反应副产品的生成率，并同时考虑了成本、环保和安全等因素。
化学反应工程的意义在于，它可以将实验室研究的成果转换为大规模生产的实际应用，满足人类社会的各种需求。
无论是医药、材料、化妆品、能源等领域，都需要化学反应工程的支持。
二、化学反应工程的步骤化学反应工程的一个标准流程包括以下步骤：1.设计化学反应过程：首先需要确定需要反应的物质，反应类型，反应条件等。
2.化学反应实验：在实验室中对已设计好的化学反应过程进行实验，获得反应的产物及产率、减少产物的副产物等数据，为后续的生产提供重要的数据支持。
3. 确定反应动力学：用数学模型定量描述反应速率、浓度和温度之间的关系。
4.数据分析：对实验数据进行分析，确定化学反应满足产品质量要求、成本和安全要求。
5.装备设计：选择适合规模化生产的反应器类型和形式，并开发相应的仪表控制系统。
6.生产过程操作：根据设计好的化学反应过程，通过正确的操作，监测和控制，达到预期的产品质量要求和工业安全要求。
7.成本评估：评估生产过程和装备设计的成本，调整成本结构，使之达到最低成本。
8.项目管理：建立生产计划，制定管理程序，开具生产报表。
9.产品营销：成功的化学反应工程管理不仅要满足客户的品质要求，还需要推销产品市场。
三、化学反应工程的关键问题1. 反应机理：通过对反应物的结构和反应条件之间的关系进行深入研究，掌握化学反应的本质规律，揭示反应机制及过程。
了解反应机理可以提供反应过程改革的线索。
2. 反应体系的热力学分析：化学反应工程涉及到多种多样的反应情况，可能伴随着放热、吸热、化学平衡等等。
反应体系的热力学分析可以指导反应过程的控制及优化。
3. 反应条件控制：化学反应过程容易受到外界环境影响，如温度、压力、光、氧化还原状态和组分间的质量传递等一系列因素。
化学反应工程
化学反应工程的范畴和任务
• 学反应工程学是一门研究化学反应的工程 问题的科学。既以化学反应作为 对象，就 必然要事握这些化学反应的特性；它又以 工程问题为其对象，-那就必须熟悉装置的 特性，并把这两者结合起来形成学科体系。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应工程 反应动力学 化学工艺 催化剂 工程控制 传递过程
• ②中型实验
数学模型验证
大设备的设计
• ③数学模型的应用
• 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、 Nu、Pe、Sc等)
•
综上所述，可见目前化学反应工程处理 问题的方法是实验研究和理论分析并举。 在解决新过程的开发问题时，可先建立 动力学和传递过程模型，然后再综合成 整个过程的初步的数学模型，根据数学 模型所作的估计来制定试验，特别是中 间试验方案，然后用试验结果来修正和 验证模型。
二级反应的速率方程式
如果有两反应物，而且初始浓度相等，并在反应过程 消耗的物质的量也相等． rA=kcA２或rA=kcA,0２(1-xA)２
1 dnA rA V dt
kcA２＝
dc A rA dt
dc A dt
双分子二级反应
分离变量： Kdt= －dcA/cA２ 初始条件t=0, cB,0=cA,0,进行积分
反应过程和传递过程
实验只能测得NH3的主体浓度c0,当NH3浓度很小时: r0=k0c0 r=k0c0=kscs, k0c0=ks c0/ (ks/kga+1) k0=ks / (ks/kga+1) k0=1 / (1/kga+1/ks ) …………….……..p17:7-50式 此式表明实验测得的表面反应速率常数k0是化学反应 过程1/ks和扩散过程1/kga共同作用的结果.
化学反应工程的定义
化学反应工程的定义
化学反应工程是一门研究化学反应过程的学科，它涉及到化学反应的设计、优化和控制，以及相关的反应器的设计和操作。
化学反应工程的目标是通过科学的方法和工程技术，实现化学反应的高效、安全和可持续发展。
化学反应工程主要包括以下几个方面的内容：
1. 反应过程的设计和优化：研究如何选择合适的反应条件（温度、压力、反应物浓度等）和催化剂，以提高反应的转化率、选择性和产率，同时降低能耗和废物产生。
2. 反应器的设计和操作：研究如何设计和选择合适的反应器类型（如批式反应器、连续流动反应器、固定床反应器等），以及反应器的尺寸、形状和内部结构，以实现理想的反应条件和反应效果。
3. 反应工艺的控制：研究如何实现反应过程的自动化和精确控制，包括反应温度、反应物添加速率、反应物浓度等参数的控制，以确保反应的稳定性和一致性。
4. 安全与环保：研究如何评估和管理化学反应过程中的安全风险，设计和实施安全措施，以保障工作人员的安全和环境的保护。
通过化学反应工程的研究和应用，可以优化化学反应过程，提高产品质量和产量，降低生产成本和能耗，减少环境污染和废物排放，为化学工业的可持续发展提供科学的支持和指导。
化学反应工程
管式及釜式连续流动反应器：反应物连续不断地 加入反应器，同时产物连续不断地流出反应器， 如果是定态下操作，反应物进料时的组成和流量 及产物的组成和流量都不随计时器显示的时间而 变。 加料
均匀混合
加料
产物 产物 图2.3 釜式连续流动反应器
图2.2 管式连续流动反应器
半间歇反应器：将反应物 A 先放入反应器中，在 一定温度和压力下，反应物 B 连续加入反应器， 反应产物保留在反应器中，即为半间歇反应器。
均相反应动力学：是研究各种因素，如温度、催 化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产 物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应 速率之间定量关系的速率方程
3.1 化学反应速率
化学反应速率：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。反应速率 是指某一瞬间的“瞬时反应速率”
生成目的产物所消耗的关键组分的物质的量 S 已转化的关键组分的物质的量
而
Y
生成目的产物所消耗的关键组分的物质的量 进入反应系统的关键组分的物质的量
由上两式可得：
Y Sx
第3章 均相反应动力学基础
均相反应：参与反应的各物质均处于同一个相内 进行化学反应则称为均相反应。 均相反应的前提：参与反应的所有物料达到分子 尺度上的均匀，成为均一的气相或液相
工业反应过程的原料中，各反应组分之间往往不 符合化学计量数的关系，此时通常选择不过量的 反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。 一般选择价格高的为关键组分。
2.2.4 多重反应的收率及选择性 对于单一反应，反应物的转化率即为产物的生成率 对于多重反应（如同时反应、平行反应、连串反应 等），除了反应物转化率的概念外还必须由目的产 物的收率的概念，收率以Y表示，其定义如下：
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
1.按返混情况不同反应器分类• 间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器，BR）在反应器中物料被充分混合，但由于间歇操作，所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。
• 理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器，PFR）在反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。
典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。
• 连续操作的充分搅拌槽型反应器（又称全混流反应器，CSTR)在这类反应器中进入的物料在瞬间与反应器内原有物料达到完美混合，物料的返混达最大值。
• 非理想流动反应器。
物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。
2.理想置换反应器及其特性• 理想置换反应器（平推流反应器）是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器，简称PFR。
理想置换反应器特性①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料通过反应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（组成、温度等）是一致的；③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。
实际生产中对于流动处于湍流条件下的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。
3.全混流反应器及其特性• 全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。
流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。
全混流反应器特性• ①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④反应过程中连续进料与出料，是一定常态过程。
4.按返混程度对反应器分类• (1)完全不返混型反应器在这类反应器中物料之间只有简单混合而不发生返混• (2)充分返混型反应器在这类反应器中物料的返混程度达到最大值• (3)部分返混型反应器在这类反应器中物料之间存在一定程度的返混，但并未达到充分返混的程度，现将这类反应器称为非理想流动反应器。
《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
数学模型法
1．建立简化物理模型 对复杂客观实体，在深入了解基础上， 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。
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
反应工艺流 程与设备 最 佳 化
反程的研究对象
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有用的产品。其生产过程包括如下三个组成部分：
第1、3两部分属于单元操作的研究范围;而第2部分是化学反应工程 的研究对象，是生产过程的核心。
1、化学反应工程研究的对象。
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要的动力学知识 和信息，如反应模式、速率方程、反应活化能等。 其中速率方程可表示为：
反应器设计分析：研究反应器内上述因素的 变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式 和尺寸。 2、化学反应工程研究的目的：优化 在一定范围内（约束条件）选择一组合适的 变量，使系统对评价标准(优化指标)达到最优。 设计型
理想均相反应器 1、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、 温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理 想间歇反应器（batch reactor简称BR）
特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可 以生产多个品种。 缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间，产品质量难以控制。 2、活塞流反应器 在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并 进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变， 反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种 理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器 （plug flow reactor简称PFR）。
反应工程
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
化学反应工程
1、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。
其主要任务是：对已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模上实现。
2、化工生产从原料到产品可概括为：原料的预处理、化学反应过程、产物的后处理。
而化学反应过程是整个化工生产的核心。
3、三传一反是指：动量、热量、质量传递和反应动力学。
它是反应工程学的核心。
4、化学反应工程的基本研究方法：数学模型法。
5、化学反应式的计量系数恒大于0，化学反应式与化学反应计量式的计量系数的关系：若是产物，二者相等；若是反应物，二者数值相等，符号相反。
化学反应计量式不含除1以外的任何公因子。
6、反应程度ξ：描述反应进行的深度。
ξ=(n I-n I0)/αI. αI对反应物小于0，对产物大于0.ξ恒为正值，具有广度性质，因次为mol.7、关键组分A选取原则： A必须是反应物，可以完全反应掉（转化率可达100%），选取重点关注的、经济价值相对高的组分。
8、转化率定义：转化了的A组分量与A组分的起始量的比值。
9、反应动力学方程:r=-r A=k c c A m c B n.适用范围：体系中只进行一个不可逆反应且a=1。
10、建立动力学方程的方法：积分法、微分法。
11、简单混合：发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程。
12、返混: 发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程。
13、按返混情况不同反应器可分为：间歇反应器BR,平推流反应器PFR，全混流反应器CSTR.14、反应持续时间t r用于间歇反应器。
15、停留时间t和平均停留时间t-用于平推流及全混流反应器。
16、空间时间η=V R/V0. V0为特征体积流率，是在反应器入口温度及入口压力下的体积流率。
17、空间速度S V =1/η.标准空速S V=V NO/V R. V NO为进口流体在标准状态下的体积流率。
18、间歇反应器特性：①反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同②所有物料在反应器中停留时间相同，无返混现象③出料组成与反应器内物料的最终组成相同④为间歇操作，有辅助生产时间。
第一章化学反应工程
转化率、收率和选择率的关系
已转化的关键组分的量 mol） （ xA 进入反应系统的关键组 分的量（mol）
可见，三者之间有关系式：
Y=xAS
2-8 空速和空时
1.空间速度 空间速度简称空速，其定义是单位反应器体积所能 处理的反应混合物的体积流量。 反应混合物体积流量 空速＝—————————————— 反应体积 反应混合物的性质，状态以及反应体积的表示方式 有所不同，所计算的空速以及单位也各不相同，应 加以具体说明，一般有以下几种表示方式。
2-5 自催化反应
普通催化反应——催化剂的量在反应前后保持恒定 自催化反应——生成的产物本身是反应的催化剂，
随反应进行和催化剂量的增加，反
应速率加快
2-6 反应速率与温度的关系
m n 1. 不可逆反应 r kCA CB
a.对于基元反应，有Arrhenius式： k k 0T m exp( E )
b. 对于非基元反应，可从基元反应速率方程推导表观速率常 数随温度的变化关系。
2.可逆反应
可逆反应随温度变化关系与不可逆反应随温
度的变化关系呈不同特点。因温度对正、逆 反应的影响程度因各自活化能的差别而表现 出较大差异。
a.吸热反应：其反应速率与不可逆反应类似， 随温度升高而增大。
b.放热反应：反应速率随温度的变化关系存 在一极值（最佳反应温度）。
反应速率：a.实验测得；b.通过基元反应推得。
2. 基元反应
定义：反应过程不能再分割的单一反应或反应路 径称为基元反应。 特征：基元反应的速率与参加反应的各组分浓度 的乘积成正比。
2-4 用定态近似法推导反应速率方程式
假设： 1）活性中间体的净反应速率极小，可近似取为0：
化学反应工程
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
化学反应工程化学反应工程是研究和应用化学反应的一门学科，主要涉及反应基础、反应动力学、反应工程、反应器设计、反应工艺优化等方面。
本文将介绍化学反应工程的基本概念、关键内容和应用领域。
一、化学反应工程的基本概念化学反应工程是将化学反应原理与工程技术相结合，研究化学反应的机理、动力学和应用，以达到控制和优化反应过程的目标。
它是化工过程工程的重要组成部分，也是化工工业中最基本、最关键的环节之一。
化学反应工程主要研究反应的速率、选择性、稳定性和收率等关键问题，通过设计合适的反应器以及优化反应工艺，来实现预期的反应目标。
反应体系的研究对象包括单一物质和复杂物质之间的化学反应，如气相反应、液相反应、固相反应、催化反应等。
二、化学反应工程的关键内容1. 反应动力学反应动力学研究反应速率与反应物浓度、温度、压力等因素之间的关系。
通过实验和理论模型的建立，可以确定反应的速率常数、反应机理和反应动力学方程。
反应动力学的研究对于反应过程的深入理解和反应器设计具有重要意义。
2. 反应器设计反应器是进行化学反应的装置，其设计旨在实现高效率、高选择性和高产率的反应过程。
根据反应条件的不同，常见的反应器有批式反应器、连续式反应器、循环式反应器等。
反应器设计考虑到传热、质量传递、混合和流动等因素，以最大程度地实现反应条件的控制和反应物的利用率。
3. 反应工艺优化反应工艺优化是指通过调整反应条件、改变反应器结构和优化操作参数等手段，提高反应过程的经济效益和可行性。
优化方法包括响应面法、遗传算法、模拟退火算法等，通过建立反应过程的数学模型，寻求最优解，以达到能源节约、资源利用和环境友好的目标。
三、化学反应工程的应用领域化学反应工程广泛应用于化工领域的各个环节，包括新材料制备、能源开发、环境保护、医药制造等。
以下列举几个典型应用案例：1. 新材料制备化学反应工程在新材料制备中发挥重要作用，如高分子材料的合成、纳米材料的制备和催化剂的研发等。
化学反应工程
化学反应工程引言化学反应工程是研究和应用化学反应的工程学科，涉及反应过程的设计、优化和控制。
化学反应工程的目标是通过合理的反应条件和工艺参数，实现化学反应的高效率、高产率和高选择性，从而达到经济、环境友好的生产过程。
化学反应工程的步骤化学反应工程一般涵盖以下步骤：1. 反应物的选择反应物的选择是化学反应工程的基础。
在选择反应物时，需要考虑反应物的物性、反应性以及反应机理等因素。
同时还需要考虑反应物的供应和处理，并且有时还需要考虑反应物的可再生性和可持续性。
2. 反应速率的研究反应速率是一个重要的参数，它描述了反应物转化为产物的速度。
反应速率的研究可以通过实验研究、理论计算和模型预测来进行。
了解反应速率可以帮助工程师确定反应的最佳条件，并进行工艺参数的优化。
3. 反应器的选择和设计反应器是化学反应工程的核心部分，它是进行化学反应的场所。
反应器的选择和设计需要考虑多种因素，包括反应物的性质、反应条件、反应速率以及产品的需求等。
常见的反应器包括批式反应器、连续流动反应器和循环式反应器等。
4. 反应过程的控制和优化反应过程的控制和优化是化学反应工程的关键环节，它涉及到反应温度、反应时间、反应物浓度等工艺参数的调控。
通过控制和优化反应过程，可以提高反应的选择性和效率，减少能源消耗和废物产生。
应用案例化学反应工程在众多领域具有广泛的应用，下面以工业催化反应为例进行介绍。
工业催化反应工业催化反应是通过催化剂催化反应，实现化学反应的高效率和高选择性。
催化反应广泛应用于石化、化肥、医药、精细化工等行业。
例如，氨合成，是工业上制备氨的重要催化反应。
在氨合成过程中，铁催化剂催化气相中的氮气和氢气反应生成氨水，并在一定的反应条件下实现高效的转化率。
催化剂的设计和优化催化剂是决定催化反应效果的关键因素。
催化剂的设计和优化可以通过理论计算和实验方法相结合进行。
根据反应物的性质和反应机理，可以设计出合适的催化剂结构和组成，并通过催化剂的改性和载体的优化，提高催化反应的效率和选择性。
化学反应工程
一、填空题1.对可逆放热反应，为使整个反应始终在最大反应速率下操作，工业上通常采用的方法是 绝热操作 。
2.平推流反应器的返混为 最小 ，全混流反应器的返混为 最大 。
3.表征反应前后分子数变化程度的方法有 膨胀率 和 膨胀因子法 。
4.对于循环操作的平推流反应器，当循环比R →0时为 平推流 反应器，而当R →∞时， 则相当于 全混流 反应器。
5.全混流反应器其f （t ）曲线的方差σ2= 1 ，平推流反应器的方差σ2= 0 。
6.停留时间分布测定中，示踪物的输入方法主要有 脉冲输入法 和 阶跃输入法 。
7.混合按混合对象的年龄可以把混合分为 同龄混合 和 返混 。
8.膨胀因子 δA 与膨胀率 εA 的关系为 。
9.为了获得最大的平均选择率，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数时，则优先 选择 平推流 反应器，当主反应级数小于副反应级数时，优先选择 全混流 反应器。
10.要提高串联反应中间产物P 收率，优先选择 平推流 反应器。
11.当返混对反应结果不利时，限制返混的主要措施是 分割 。
12.对于反应 A+B→R ， r 1=k 10e -125000/RT C A 2C BA+B→S ， r 2=k 20e -175000/RT C A C B若R 为目的产物，应选择 平推流 反应器最好（填平推流流或全混流），应选择在 低 温度（填高或低）下操作反应器较有利。
1.工业反应过程的主要技术指标有： 反应速率 、 选择性 、和 能量消耗 。
3.在实际反应器中存在 死区 、 短路 和 循环流 等非理想流动现象。
4.理想流动是指 平推流 和 全混流 。
5.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为 微观流体 。
8.不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来 表达参数间的关系，简称 数学模型 。
9. 通常自催化反应较合理的反应器组合方式为全混流 串联 平推流 。
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
第一章 绪 论
❖ 化学工业定义 经过一系列物理过程和化学过程从廉价 原料制造出高附加值产品的工业。
❖ 化工过程典型流程 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：
算来进行放大的方法。 --半经验放大法：把模型放大法和经验放大法相互结合的一种方法。
❖ 在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为基准的相似放大法是 非常有效的，但相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主要原 因是无法同时保持物理和化学相似。
❖ 化工过程的优化——化学反应工程学的目的
1）优化设计、优化操作 2）经济、技术（优化指标）
❖ 放大效应——当反应规模变大时，本征反应特性不变，
而传递特性却会发生很大变化，其结果是反应过程与实 验室完成的反应表现出很大差异，即出现所谓“放大效 应”。 故进行反应器放大时应选用与实验过程不完全相同，与 反应规模相适应的传递和流动参数。
代表人物
丹克来尔 (mhohler) 梯尔（Thiele） 史尔多维奇
霍根（Hougen） 华生（Waston）
丹克沃茨（Dankwerts) 泰勒（Taylor） 烈文斯彼尔 (Levenspiel)
1-1 化学反应的分类
1. 单一反应与复合反应
单一反应：可用一个反应方程式独立描述的反应。 ——可逆反应
（对于一定的反应物系）而言，随时间、空间变化。其中， r为反应系统中某一组分的反应速率，C代表浓度，P为系 统的总压。
反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找出 最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
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《化学反应工程》课程综合复习资料一、填空题1、全混流反应器的E 函数表达式为 ，其无因次方差2θσ= ，而平推流反应器的无因次方差2θσ＝ 。
2、工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是 、 、和 。
3、在间歇反应器中进行一恒压气相反应32A B R +→，原料为A 和B 的混合物，其中A 含量为20%(mol)，若物料初始体积为2升，则A 转化50％时，物料的总体积为 。
4、基元反应的分子数 （可能/不可能）是小数。
5、某液相反应A R →于50℃下在间歇反应器中进行，反应物A 转化80％需要10min ，如果于相同条件下在平推流反应器中进行，则达到同样的转化率需要的空时为 ；如果同样条件下在全混流反应器中进行，达到同样的转化率需要的空时 。
6、测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为 和 。
7、完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度 ，并且 （大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。
8、多级混合模型的唯一模型参数为 ，轴向扩散模型的唯一模型参数为： 。
9、对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应器时主要考虑 ；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是 。
10、对于反应23A B R +→，各物质反应速率之间的关系为：(-r A ):(-r B ):r R ＝ 。
11、某重油催化裂化装置处理量为100吨重油/h ，未转化重油为6吨/h ，汽油产量为42吨/h ，则重油的转化率为_ _，工业上汽油的收率及选择性为_ _和_ _。
12、某反应的计量方程为A R S →+，则其反应速率表达式 。
13、反应级数 （可能/不可能）大于3， （可能/不可能）是0，基元反应的分子数 （可能/不可能）是0。
14、在一个完整的气—固相催化反应的七大步骤中，属于本征动力学范畴的三步为 、 和 。
15、在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速率方程式的两种最主要的方法为 和 。
16、对于一个在全混流反应器里进行的放热反应，一般可以出现三个定常态操作点M 1、M 2、M 3，如下图所示，其中M 1和M 3这两点我们称之为 的定常态操作点，M 2则称为 的定常态操作点。
实际操作时，我们一般选择M 1、M 2、M 3中 做为操作点。
17、某一级液相反应在间歇式反应器中进行，5min 转化率为50％，则转化率达到80％需时间_____min 。
18、某反应的速率方程式为n A A r kC -= mol/(m 3.h)，则反应级数n 为2时，k 的单位为 _。
19、某反应的计量方程为A R S →+，则其反应速率表达式 。
20、下图是某连串反应在各转化率下的产物浓度分布曲线，那么当转化率达60%时，中间产物R 的化学反应工程定义总收率为 ，按炼厂或化工厂惯用的收率和选择性的定义，在该转化率条件下的收率是 ，选择性是 。
21、所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指 、 和 ，“一反”是指 。
22、有一液相不可逆反应：12A R →，A 的初始浓度为0.5mmol/L 和3mmol/L 的条件下均在10min 内转化了15％，该反应的反应级数为n = 。
速率常数k = 。
23、某一级液相反应在间歇式反应器中进行，6min 转化率为50％，则转化率达到85％需时间___min 。
二、选择题1、对于一级恒容和一级变容不可逆反应，下面叙述正确的是 。
A. 在同一平推流反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的。
B. 在同一全混流反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的。
C. 在同一间歇式反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的。
D. 在同一平推流反应器或间歇式反应器内、在同样条件下进行反应，反应的转化率是一样的。
2、对于一个均相变容反应，针对反应物A 的反应速率，下面表述正确的是 。
A.dtdC r AA -=-；B.dt dx x 1C r A A A 0A A ⋅ε+=-；C.dt )x 1x (d C r A A A0A A ε+=-；D.dtdN V 1r AA ⋅-=-3、对于一级不可逆反应S R A 21kk−→−−→−，产物R 的最大浓度通常 。
A. 只与速率常数的大小有关 B. 只与反应温度有关 C. 与A 的初始浓度和速率常数的大小有关 D. 只与A 的初始浓度有关4、测定停留时间分布常用的方法有脉冲示踪法和阶跃示踪法，关于这两种方法，下列描述正确的是 。
A. 这两种方法都是物理示踪法B. 根据脉冲示踪法得到的实验数据，可以直接得到E 函数C. 根据阶跃示踪法得到的实验数据，可以直接得到E 函数D. 根据阶跃示踪法得到的实验数据，可以直接得到F 函数 5、轴向分散系数与扩散系数，下面论述正确的是 。
A. 两者实质上是相同的，都符合Fick 定律B. 两者实质上是不同的，轴向分散系数的定义实际上是借用了Fick 定律的形式C. 轴向分散系数是与流动有关系的D. 扩散系数是物质本身的一种属性6、对于气固相催化反应的反应机理难以确定的主要原因，正确的是 。
A. 中间物种的浓度低 B. 中间物种的寿命短C. 中间物种虽然具有正常化合物的结构和性质，但由于仪器灵敏度的原因难以进行检测D. 中间物种往往不具有正常化合物的结构和性质7、恒温恒压的气相变容反应322NH 2H 3N ⇔+，原料中混入了一定量的Ar 气（与N 2和H 2的转化率为零时的初始总摩尔数比为1:4，N 2与H 2的比例为计量比），则膨胀率2N ε为 。
A. -2/5； B. -1/3； C. -1/6； D. -1/28、多级混合流模型和轴向分散模型是两种预测非理想流动对反应转化率影响的数学模型，关于这两种模型，下列观点正确的是 。
A. 轴向分散模型适用于返混程度在零到无穷大的任何的情况B. 在返混程度较小时，多级混合流模型的模拟结果更接近实际C. 两者不能共用同一套示踪实验数据D. 两种模型可用同一套示踪实验数据 9、关于基元反应的认识，正确的是 。
A. 分子数可以是任意的整数B. 基元反应的计量系数与对应物种的反应级数之间存在一一对应关系C. 基元反应R A →和R 2A 2→意义是不一样的D. 基元反应的总反应级数可能是小数10、关于非理想流动与停留时间分布，论述正确的是 。
A. 一种流动必然对应着一种停留时间分布B. 一种停留时间分布必然对应着一种流动C. 一种停留时间分布可能对应着多种流动D. 流动与停留时间分布存在一一对应关系 11、关于E 函数和F 函数，下面正确的是 。
A. ()()/F t dE t dt =； B. 0()()tF t E t dt =⎰； C. ()()/E t dF t dt =； D. 0()()tE tF t dt =⎰12、关于指前因子和活化能描述正确的是 。
A. 指前因子理论上与温度无关，活化能的取值永远都是正的，活化能大、温度低，反应速率对温度的变化更敏感B. 指前因子理论上与温度有关，但与指数项相比其随温度的变化可以忽略，活化能的取值永远都是正的，活化能大、温度低，反应速率对温度的变化更敏感C. 指前因子理论上与温度有关，活化能的取值不可能永远都是正的，活化能小、温度高，反应速率对温度的变化更敏感13、宏观流体和微观流体是流体凝集态的两种极端形式，流体的凝集态不同，对反应结果一般有明显的影响，但对于 是例外。
A.一级不可逆反应；B.在平推流反应器内进行反应；C.在全混流反应器内进行反应；D.零级反应 14、对于化学反应的认识，下面正确的是 。
A. 化学反应的转化率、目的产物的收率仅与化学反应本身和使用的催化剂有关系B. 化学反应的转化率、目的产物的收率不仅与化学反应本身和使用的催化剂有关，而且还与反应器内流体的流动方式有关C. 反应器仅仅是化学反应进行的场所，与反应目的产物的选择性无关D. 反应器的类型可能直接影响到一个化学反应的产物分布 15、对于瞬时收率和总收率，下列错误的说法有 。
A. 对于平推流反应器，反应的瞬时收率与总收率相等 B. 对于全混流反应器，反应的瞬时收率与总收率相等C. 对于平推流反应器，反应的瞬时收率与总收率之间是积分关系D. 对于全混流反应器，反应的瞬时收率与总收率之间是积分关系 16、某反应速率常数的单位为hr -1，该反应为 级反应。
A. 零级；B.一级；C.二级；D.不能确定.17、对于反应A R S →→，目的产物是R ，下述反应器中最适宜的是 A. 平推流反应器； B. 全混流反应器；C. 两个串连在一起的等体积全混流反应器；D. 平推流与全混流串联在一起的反应器 18、某反应速率常数的单位为m 3/(mol.hr)，该反应为 级反应。
A. 零级；B. 一级；C. 二级；D. 不能确定. 19、对于下列平行反应：S A RA 222111n ,E ,k n E ,k −−−→−−−−→−，，活化能E 1>E 2，反应级数n 1<n 2，如果目的产物是R 的话，我们应该在 条件下操作。
A. 高温、反应物A 高浓度； B. 高温、反应物A 低浓度； C. 低温、反应物A 高浓度； D. 低温、反应物A 低浓度 20、t/t et1)t (E -=是 。
A. 平推流的E 函数；B. 全混流的E 函数；C. 平推流串联全混流的E 函数；D. 全混流串联平推流的E 函数21、对于一个串联反应，目的产物是中间产物，下述反应器中最适宜的反应器是 B A. 全混流反应器；B. 平推流反应器；C. 两个串连在一起的等体积全混流反应器D. 平推流与全混流串联在一起的反应器 22、对于化学反应的认识，下面正确的是A. 化学反应的转化率、目的产物的收率仅与化学反应本身和使用的催化剂有关系；B. 化学反应的转化率、目的产物的收率不仅与化学反应本身和使用的催化剂有关，而且还与反应器内流体的流动方式有关；C. 反应器仅仅是化学反应进行的场所，与反应目的产物的选择性无关；D. 反应器的类型可能直接影响到一个化学反应的产物分布23、对于一个气固相催化反应，减小外扩散和内扩散影响的措施正确的是 。
A. 提高反应器内气体的流速，减小催化剂颗粒的直径； B. 降低反应器内气体的流速，减小催化剂颗粒的直径； C. 降低反应器内气体的流速，增大催化剂颗粒的直径； D. 增加催化剂颗粒的直径，提高反应器内气体的流速24、对于一个气固相催化反应过程，下列属于动力学因素的是 (多项选择) A. 气膜扩散； B. 孔内扩散；C. 反应物的吸附和产物的脱附；D. 表面反应25、Langmuir 吸附等温的四个假定：均匀表面、单层吸附、吸附机理相同和无相互作用这几点应该说是非常苛刻的，实际情况很难满足上述要求。