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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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
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
wenku.baidu.com
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
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
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，
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。
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
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。
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。
• 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:
• 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。
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
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。
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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。
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• 转化率与反应程度的关系，结合
xA
nA 0 nA nA0
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• 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。
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• 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
wenku.baidu.com
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
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
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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
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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，
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。
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
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。
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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。
• 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:
• 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。
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• 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。
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• 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
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• 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