化学反映工程课件第1章
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化学反应工程_第一章_应用化学反应动力学及反应
反应热效应
（1）一级反应；（2）二级反应；（3）三级反 应；（4）零级反应；（5）分数级反应
（1）放热反应；（2）吸热反应
2014-6-15
按反应过程进行的条件分类
均相
催化反应
非催化反应 催化反应
气相反应；液相反应
多相 温度 压力
液-液相反应；气-液相反应；液-固相反应； 非催化反应 气-固相反应；固-固相反应；气-液-固三相反应 等温反应；绝热反应；非绝热变温反应 常压反应；加压反应；减压反应 间歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间 型）；半间歇过程 定态过程；非定态过程 理想流动模型（平推流，全混流） 非理想流动模型
2014-6-15
各种反应器在工业中的应用－线性低密度聚乙烯的生产
流化床反应器
2014-6-15
第二节 化学计量学 2.1 化学计量式：
表示参加反应的各组分的数量关系
ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n
也可以写成： ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n 0 或：
反应物
反应时间
2014-6-15
（二）连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2014-6-15
2014-6-15
2014-6-15
2014-6-15
连续操作的主要特点
操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
（1）一级反应；（2）二级反应；（3）三级反 应；（4）零级反应；（5）分数级反应
（1）放热反应；（2）吸热反应
2014-6-15
按反应过程进行的条件分类
均相
催化反应
非催化反应 催化反应
气相反应；液相反应
多相 温度 压力
液-液相反应；气-液相反应；液-固相反应； 非催化反应 气-固相反应；固-固相反应；气-液-固三相反应 等温反应；绝热反应；非绝热变温反应 常压反应；加压反应；减压反应 间歇过程；连续过程（平推流、全混流、中间 型）；半间歇过程 定态过程；非定态过程 理想流动模型（平推流，全混流） 非理想流动模型
2014-6-15
各种反应器在工业中的应用－线性低密度聚乙烯的生产
流化床反应器
2014-6-15
第二节 化学计量学 2.1 化学计量式：
表示参加反应的各组分的数量关系
ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n
也可以写成： ν 11 ν 2 2 ν n1n1 ν n n 0 或：
反应物
反应时间
2014-6-15
（二）连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2014-6-15
2014-6-15
2014-6-15
2014-6-15
连续操作的主要特点
操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
《化学反应工程》PPT课件
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16
CR1[k10exp(R E T 1)C A k02k01e 0x ep x(p ( R E R T 2 E T 1 ) )k30exp(R E T 3)]
对上式求导并令其为零：
d d C T R 0 E 1 k 1 [ 1 ( k 1 k 2 k 3 )] k 1 ( k 1 E 1 k 2 E 2 k 3 E 3 ) 0
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14
解答： 图1
图2
（1）可逆反应
可逆反应
（2）放热反应
吸热反应
(3)M点速率最大，A点速率最小 M点速率最大，A点速率最小
(4)O点速率最大，B点速率最小 H点速率最大，B点速率最小
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15
【例题】在一定空时(空时=体积/流量)的全混釜中进行如 下反应，求R产量最大时的反应温度(注意和活化能联系起来)。
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11
【例题】在液体中，反应物A按下式生成R和S：
k1 R 一级反应 A k2 S 二级反应
原料（CA0=1、CR0=CS0=0）进入两个串联的全混流釜式反应器中 （τ1=2.5min，τ2=5min ），已知第一个反应器中的组成 （CA1=0.4,CR1=0.4,CS1=0.2）试求第二个反应器出口的组成。
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9
解：对于该气相均相反应A→R+S：
A21 11 , yA01
首先求解pA~xA的关系： 由 p v FR , p T A v F A R 可得T 到：
p A F A F A 0 (1 x A ) y A 0 (1 x A ) 1 x A
p FF 0 (1 y A 0A x A ) 1 y A 0A x A 1 x A
CCAR00==01.0 CS0=0
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
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
mo ml3s1
30
• 常用的还有以反应体系中各个组份分别 定义的反应速率。
rAV 1dd ntA
mo m 3 ls1
• nA：反应体系内，反应物A的摩尔数； • V：反应体积
• t：时间
31
对于反 A 2应 B 3 C 4D
• 以反应物B为基准定义的反应速率为：
rBV 1d d n tB
• 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。
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
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。
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
化学反应工程第1章
进行运算，如将各相移至等号的同一侧。
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
反应进行到某时刻，体系中各组分的
摩尔数与反应程度的关系为：
nI nI0 I
4. 转化率
目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述
一个化学反应进行的程度。
⑴ 定义：
转化了的A组分量 nA 0 nA xA A组分的起始量 nA0
⑵ 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。
应速率方程为：
dcA m n n cA rA kcB cA k dt
将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系
t/hr cA cA0-cA
cA ln c A0
0 0.07298 0.1245 0.1707 0.2160 0.2630 0.3030 0.3470 0.3820
①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中
各位置的物料温度、浓度都相同；
②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有 加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不 存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象； 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。一个生产周 期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
反应进行到某时刻，体系中各组分的
摩尔数与反应程度的关系为：
nI nI0 I
4. 转化率
目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述
一个化学反应进行的程度。
⑴ 定义：
转化了的A组分量 nA 0 nA xA A组分的起始量 nA0
⑵ 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。
应速率方程为：
dcA m n n cA rA kcB cA k dt
将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系
t/hr cA cA0-cA
cA ln c A0
0 0.07298 0.1245 0.1707 0.2160 0.2630 0.3030 0.3470 0.3820
①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中
各位置的物料温度、浓度都相同；
②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有 加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不 存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象； 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。一个生产周 期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、
化学反应工程(第二版)第1章
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。 • 对于任一化学反应 aA bB rR sS 0
nI nI0
• 定义反应程度 • 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17 时刻组分I的摩尔数。
I
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度的 度量。 • ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩尔数 与反应程度的关系为：
nI nI0 I
18
转化率
• 目前普遍使用关键(着眼)组分A的转化率 来描述一个化学反应进行的程度。 • 定义
xA 转化了的A组分量 A组分的起始量 nA0 nA nA0
19
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。
的独立变量数也就是
i= 1
反应体系的关键组分数。因为每个独立反应均可选定一个关键组分，所以关键组 分数和独立反应数相等，均为n- R b 。
14
CO2 H2O H2 CH4 CO N2
H C O N
H2 CO2 H2O N2 CH4
CO
15
ˊ ˊ
H2 CO2 H2O N2 CH4 CO
N
O
16
H C
骣 4 ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 桫 - 5 2 5 - 1 1 - 2 4 - 4 - 10 - 2 - 2 0 6 0 0 0 0 0 0 2 5 0 1 - 1 0÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 2÷ ÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 2÷
《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
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
相关主题
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• 2．建立数学模型 ． • 依照物理模型和相关的已知原理， 写出 依照物理模型和相关的已知原理 ， 描述物理模型的数学方程及其初始和边 界条件。 界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律 ．
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利用数学模型解决化学反应工程问题
基本步骤为： 基本步骤为： 1．小试研究化学反应规律； ．小试研究化学反应规律； 2．大型冷模实验研究传递过程规律； ．大型冷模实验研究传递过程规律； 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， 和传递规律 ， 预测大型反应器性能 ， 寻 找优化条件； 找优化条件； • 4．热模实验检验数学模型的等效性。 ．热模实验检验数学模型的等效性。 • • • •
4
二、化学反应工程的研究内容及任务
各类 化学反应
化学反 应规律 传递 规律
各类 反应器
综合
化 学 热 力 学
化学反应工程学 反应过程解析 反应技术开发 反应器分析 反应器设计
综合反应规律与传递规律， 综合反应规律与传递规律，预 测反应结果， 测反应结果，是化学反应工程 独有的研究内容。 独有的研究内容。
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参考书
• 反应器分析与设计 G.F.Froment 化工出版社（中译本） 化工出版社（中译本） • 化学反应工程 陈甘棠 化工出版社 • 化学反应工程简明教程 姜信真 西北大学出版社 •化学与催化反应工程李绍芬 化工出版社 化学与催化反应工程李绍芬 •化学反应工程（第三版）朱丙辰 化工出版社 化学反应工程（第三版） 化学反应工程 •基本有机化工反应工程 邹仁鋆 化工出版社 基本有机化工反应工程 邹仁鋆 •Chemical Reaction Engineering 3th Edition By O.Levenspiel 28
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• • • •
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 对于化学产品和加工过程的开发、 器的设计放大起着重要的作用。 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： 学反应工程知识可以： 1.提高反应器的放大倍数 提高反应器的放大倍数， 1.提高反应器的放大倍数，减少试验和 开发周期 2.对现有反应装置操作工况进行优化 对现有反应装置操作工况进行优化， 2.对现有反应装置操作工况进行优化， 提高生产效率 3.开发环境友好的绿色生产路线和工艺 3.开发环境友好的绿色生产路线和工艺
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一、化学反应工程 是化学过程的重要组成部分
• 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等 无论是化学工业还是冶金、 工业过程， 工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产 生产过程包括如下三个组成部分： 品。生产过程包括如下三个组成部分：
• 典型的化学加工过程 • 第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分 两部分属于单元操作的研究范围； 化学反应工程的研究对象 是生产过程的核心 的研究对象， 核心。 是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。
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二、化学反应工程的研究内容及任务 研究内容
• 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， 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 传递过程对化学 力学，而且，着重研究传递过程对化学 反应速率的影响； 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。 的特点及其与化学反应结果之间的关系。
化学反应工程是建立在数学、 化学反应工程是建立在数学、物理及化 是建立在数学 学等基础学科上而又有自己特点的应用 学科分支，与以下课程有密切的联系： 学科分支，与以下课程有密切的联系： 化工热力学、化工工艺学、 化工热力学、化工工艺学、化学反应动 力学、 力学、 传递过程（动量、热量、质量传递） 传递过程（动量、热量、质量传递）等。 化学反应工程是一门综合的学科， 化学反应工程是一门综合的学科，是把 基础科学的成果应用到工业实践的科学。 基础科学的成果应用到工业实践的科学。 从学科建立至今已经半个世纪 已经半个世纪。 从学科建立至今已经半个世纪。
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反应过程的开发方法
反应热力学计算 工业示范装置 催 化 剂 反 应 过 程 小型热模 操作条件 本征动力学 宏观动力学 大型冷模 反 应 器 型 式 中 试
数学模型
工程 参数
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如何学好化学反应工程
• 抓住问题实质（从动力学分析入手，探索 抓住问题实质（从动力学分析入手， 传递过程规律）； 传递过程规律）； • 掌握研究方法（建立衡算的概念、速率的 掌握研究方法（建立衡算的概念、 概念）； 概念）； • 搞清基本概念（牢记定性分析的原理）； 搞清基本概念（牢记定性分析的原理）； • 三做好：课前做好预习，课堂做好笔记， 三做好：课前做好预习，课堂做好笔记， 课后做好复习。 课后做好复习。
数 学 与 计 算 技 术
反应结果
由此可见， 三传一反”是化学反应工程的基础。 由此可见，“三传一反”是化学反应工程的基础。
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任务
• • • • • 改进和强化现有反应技术和设备 开发新的反应技术和设备 解决反应器放大问题 实现反应过程的最优化 完善反应工程学的理论与方法
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三、 化学反应工程的建立过程
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•采用逐级放大法：费时费力，但采用数学模型放大 采用逐级放大法：费时费力， 采用逐级放大法 法时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。 法时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。 •数学模型法：对复杂的难以用数学全面描述的客观 数学模型法： 数学模型法 实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型， 实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型， 并通过对简化模型的数学求解， 并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学 方程描述复杂物理过程的目的。 方程描述复杂物理过程的目的。 •解析放大法：目前实际的反应器放大介于两者之间， 解析放大法：目前实际的反应器放大介于两者之间， 解析放大法 既有数学模型放大法的理论分析又加入经验处理方 可以预测， 法。可以预测，随着人们对反应过程基本规律的认 识不断加深， 识不断加深，数学模型放大法将逐步取代现有的经 验和半经验方法，成为反应器放大法的主流。 验和半经验方法，成为反应器放大法的主流。
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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 ， 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 模型) 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， 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， 模型必须反映客观实体 ， 便于数学描述 和适用。 和适用。
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• 3.按反应器型式来分类： 按反应器型式来分类： 按反应器型式来分类
• 管式反应器：一般长径比大于 管式反应器：一般长径比大于30 • 槽式反应器：一般高径比为 槽式反应器：一般高径比为1—3 • 塔式反应器：一般高径比在3—30之间 塔式反应器：一般高径比在 之间
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• 4.按传热条件分类： 按传热条件分类： 按传热条件分类
• 等温反应器 ： 整个反应器维持恒温 ， 这 等温反应器： 整个反应器维持恒温， 对传热要求很高。 对传热要求很高。 • 绝热反应器 ： 反应器与外界没有热量交 绝热反应器： 全部反应热效应使物料升温或降温。 换 ， 全部反应热效应使物料升温或降温 。 • 非等温 、 非绝热反应器 ： 与外界有热量 非等温、 非绝热反应器： 交换，但不等温。 交换，但不等温。
•1.按反应系统涉及的相态分类： 按反应系统涉及的相态分类： 按反应系统涉及的相态分类 • 均相反应，包括气相均相反应和液 均相反应， 相均相反应。 相均相反应。 •非均相反应，包括气—固相，气—液 非均相反应，包括气 固相 固相， 非均相反应 液 相，气—液—固相反应等。 液 固相反应等。 固相反应等
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• 2.按操作方式分类 按操作方式分类： 按操作方式分类
• 间歇操作 ： 是指一批物料投入反应器后 ， 间歇操作： 是指一批物料投入反应器后， 经过一定时间的反应再取出的操作方法。 经过一定时间的反应再取出的操作方法 。 • 连续操作 ： 指反应物料连续地通过反应 连续操作： 器的操作方式。 器的操作方式。 • 半连续操作 ： 指反应器中的物料 ， 有一 半连续操作： 指反应器中的物料， 些是分批地加入或取出， 些是分批地加入或取出 ， 而另一些则是 连续流动通过反应器。 连续流动通过反应器。
化学反应工程
烟 台 大 学
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第一章 绪论
• 化学反应工程学：一门研究涉及化学反 化学反应工程学： 工程问题的科学 的科学。 应的 工程问题的科学。 • 对于已经在实验室中实现的化学反应， 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 工业规模实现是化学反应工 如何将其在工业规模实现是化学反应工 程学的主要任务。 程学的主要任务。 • 化学反应工程：一门综合的学科，是把 化学反应工程：一门综合的学科， 基础科学的成果应用到工业实践的科学。 基础科学的成果应用到工业实践的科学。
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化学反应工程
反应工艺 开发之斧
反应装备 设计之模
反应过程 放大之桥
Axe 开拓性
Model 实践性
Bridge
综合性
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五、化学反应和反应器的分类
• 化学反应和反应器的分类方法很多 ， 常 化学反应和反应器的分类方法很多， 按下列四种方法进行分类。 四种方法进行分类 按下列四种方法进行分类。
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上图为厂区的图片
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重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
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搅拌釜式反应器
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邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
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乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
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轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
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六、化学反应工程的研究方法
在造船、 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， 有效的，但相似放大法在化学反应器放 大方面则无能为力， 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。 时保持物理和化学相似。 • 目前使用的化学反应器放大法有： 目前使用的化学反应器放大法有： 1.逐级经验放大法 逐级经验放大法 2.数学模型法 数学模型法 3.解析放大法 解析放大法