北京化工大学—化学反应工程课件全套第二版[优质ppt]
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《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》课件1 -绪论
进行合理简化，设想一个物理过程(模型) 代替实际过程ห้องสมุดไป่ตู้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。
16
• 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
17
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。
18
2
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
3
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
4
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
5
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 按下列四种方法进行分类。
绪论
• 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。
16
• 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
17
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。
18
2
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
3
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
4
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
5
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 按下列四种方法进行分类。
绪论
• 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。
《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 课件
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。
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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。
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。
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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
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
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利用数学模型解决化学反应工 程问题
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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。
× 1 0 2 /k m o l.m -3
• 试求反应的速率方程。
48
• 解：由于题目中给的数据均是醋酸转化 率较低时的数据，可以忽略逆反应的影 响，而丁醇又大大过量，反应过程中丁 醇浓度可视为不变。所以反应速率方程 为：
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介 尺度的宏观动力学。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
化学反应工程 课件
15
化学反应工程的基本研究方法
• 化学反应工程的基本研究方法是数学模 型法。数学模型法是对复杂的难以用数 学全面描述的客观实体，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，达到利用简单数 学方程描述复杂物理过程的目的。
16
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，
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
化学反应工程 课件
绪论
• 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。
• 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。
2
• 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。
t/hr
cA
cA0-cA
ln
cA cA0
0
0.2332
0
0
1
0.2168 0.01636
0.07298
2
0.2059 0.02732
0.1245
3
0.1966 0.03662
0.1707
4
0.1879 0.04525
0.2160
化学反应工程课件
实验 → 中试 → 工业化 Exp. → Pilot → Commercial
新过程的开发往往是技术问题比较复杂的工作，而放大技术又是整个 开发工作中的重要环节，所以化学反应工程在这方面有重要的任务。 依靠经验进行放大，只能知其然而不能知其所以然，而相似放大的方 法，又只对物理过程有效，对于同时兼有物理作用和化学作用的反应 过程来说，要既保持物理相似，又保持化学相似，一般是做不到的。 因此数学模拟放大的方法是目前认为最科学的方法，它可以免除许多 由于认识上的盲目性而造成的差错和浪费，能够节约人力、物力和时 间，并把生产技术建立在较高的技术水平之上。
2. 化学反应工程的范畴和任务
化学反应工程学是一门研究化学反应工程问题的科学。既以化学反应 作为研究对象，就必然要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题 作为其研究对象，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。因此化学反应工程主要研究反应动力学和反应器设计。
本征动力学和宏观动力学的区别。化学反应工程研究的动力学是宏观 动力学，即除了研究化学反应本身以外，还要考虑质量、热量、动量 传递过程对化学反应的交联作用和相互影响。
第四章 等温反应器设计
第五章 速率数 据分析
第六章 复合反 应
第七章 非基元 反应
第八章 稳态热 效应
第十章 催化反 应器
第十三章 停留时间 分布
第九章 非稳态 热效应
第十一章 外扩散影响
第十四章 非理想反应 器
第 8.7和 9.5 和 节 复合反 应热效应第十二章 化剂内扩 散图 表 P-2
本书的主要内容
化学反应工程绪论
Introduction to Chemical Reaction Engineering
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
化学反应工程课件
7
8
第一章 绪 论
▪ 1.1 化学反响工程学的学科历史
▪ 1.2 化学反响工程学的范畴和任务
▪ 1.3 化学反响过程的分类
▪ 1.4 工业反响器的分类
▪ 1.5 化学反响工程的研究方法 ▪ 1.6 化学反响工程所需根本知识
9
1.1 化学反响工程学的学科历史
第一章 绪 论
1.1.1 化学工程的开展史
〔建筑工程、环境工程、生物工程、电气工程等〕
化学工程与工艺 研究工业规模化工过程的规律，开发和改进化工生产过程。
开发：新产品，新工艺。 改进：对已有过程和产品进行改造，以求最优化。
第一层次：资源、能量消耗
第二层次：环境影响
第三层次；平安卫生舒适
3
Contents
▪ 第一章 绪论 ▪ Chapter1 Overview of Chemical Reaction
研究
反应机理 动力学特性
第一章 绪 论
反响器设计、 分析的根底。
动力学方程
2、流体流动、传递过程对反响的影响
流体流动 传质 传热
影响
反响器内浓度和 温度在时间和空 影响 间上的分布
反响结果
23
1.2 化学反响工程学的范畴和任务
1.2.2 化学反响工程学的研究内容
3、反响器设计计算、过程分析和最正确 化
▪ 确定反响器的最正确操作条件，提高反响过程的经 济效益；
▪ 研究反响器的动态特点，保证操作稳定和开、停 车的顺利。
25
1.3 化学反响过程的分类
1.3.1 按操作方式分类 ▪ 间歇，连续，半连续
间歇
封闭系统
第一章 绪 论
26
1.3 化学反响过程的分类
化学反应工程第二版
16
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。
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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 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
5
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
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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 按下列四种方法进行分类。 • 一、按反应系统涉及的相态分类，分为 • 1． 均相反应，包括气相均相反应和液相 均相反应。 • 2． 非均相反应，包括气—固相，气—液 相，气—液—固相反应等。
• 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：
1 dnA m n rA kcA cB V dt
• 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：
dcA rA kcA dt
cA 0 1 kt ln ln cA 1 xA
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。
1 dnA rA V dt mol m s
3 1
• nA：反应体系内，反应物A的摩尔数； • V：反应体积 • t：时间
31
对于反应
A 2B 3C 4D
• 以反应物B为基准定义的反应速率为：
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- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 一、按反应系统涉及的相态分类，分为 • 1． 均相反应，包括气相均相反应和液相
均相反应。 • 2． 非均相反应，包括气—固相，气—液
相，气—液—固相反应等。
7
• 二、按操作方式分类，分为 • 1 ．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。 • 2 ．连续操作，指反应物料连续地通过反 应器的操作方式。 • 3 ．半连续操作，指反应器中的物料，有 一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。
22
•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 212O2SO 3 与 2S2O O22S3O 均被认可，但通常将关键组分（关注的、 价值较高的组分）的计量系数写为1。
8
• 三、按反应器型式来分类，分为 • 1． 管式反应器，一般长径比大于30 • 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 • 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之
间
9
• 四、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温，
这对传热要求很高。 • 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量
化学反应工程
北京化工大学
1
绪论
• 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。
• 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。
2
• 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。
• 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。
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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:
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
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。
3
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
4
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
• 得到：
xA
A
nA0
nI nI0I
28
• 亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数
• 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 nI0I
25
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。
• 定义 xA转 A组 化分 了 A组 的 的 分 起 量 n始 A0nA 量 n0A
15
化学反应工程的基本研究方法
• 化学反应工程的基本研究方法是数学模 型法。数学模型法是对复杂的难以用数 学全面描述的客观实体，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，达到利用简单数 学方程描述复杂物理过程的目的。
16
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，
5
• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
6
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 按下列四种方法进行分类。
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
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
a A b B r R s S
21
化学反应计量式
• 化学反应计量式（化学反应计量方程）
a A b B r R s S
• 是一个方程式，允许按方程式的运算规 则进行运算，如将各相移至等号的同一 侧。
a A b B r R s S 0
均相反应。 • 2． 非均相反应，包括气—固相，气—液
相，气—液—固相反应等。
7
• 二、按操作方式分类，分为 • 1 ．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。 • 2 ．连续操作，指反应物料连续地通过反 应器的操作方式。 • 3 ．半连续操作，指反应器中的物料，有 一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。
22
•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 212O2SO 3 与 2S2O O22S3O 均被认可，但通常将关键组分（关注的、 价值较高的组分）的计量系数写为1。
8
• 三、按反应器型式来分类，分为 • 1． 管式反应器，一般长径比大于30 • 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 • 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之
间
9
• 四、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温，
这对传热要求很高。 • 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量
化学反应工程
北京化工大学
1
绪论
• 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。
• 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。
2
• 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。
• 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:
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
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。
3
• 工业规模的化学反应较之实验室规模要 复杂得多，在实验室规模上影响不大的 质量和热量传递因素，在工业规模可能 起着主导作用。在工业反应器中既有化 学反应过程，又有物理过程。物理过程 与化学过程相互影响，相互渗透，有可 能导致工业反应器内的反应结果与实验 室规模大相径庭。
4
• 工业反应器中对反应结果产生影响的主 要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合 和停留时间不同引起的传质过程；(2)由 化学反应的热效应产生的传热过程；(3) 多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散 与传热过程。这些物理过程与化学反应 过程同时发生。
• 得到：
xA
A
nA0
nI nI0I
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• 亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数
• 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 nI0I
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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。
• 定义 xA转 A组 化分 了 A组 的 的 分 起 量 n始 A0nA 量 n0A
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化学反应工程的基本研究方法
• 化学反应工程的基本研究方法是数学模 型法。数学模型法是对复杂的难以用数 学全面描述的客观实体，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，达到利用简单数 学方程描述复杂物理过程的目的。
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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，
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• 从本质上说，物理过程不会改变化学反 应过程的动力学规律，即反应动力学规 律不因为物理过程的存在而发生变化。 但是流体流动、传质、传热过程会影响 实际反应场所的温度和参与反应的各组 分浓度在空间上的分布，最终影响到反 应的结果。
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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 按下列四种方法进行分类。
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。
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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
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
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。
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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
12
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
a A b B r R s S
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化学反应计量式
• 化学反应计量式（化学反应计量方程）
a A b B r R s S
• 是一个方程式，允许按方程式的运算规 则进行运算，如将各相移至等号的同一 侧。
a A b B r R s S 0