化学反应工程第一章课件
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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。
化学反应工程第一章
反应物吸附： 表面反应： 产物脱附：
A A R R
B B S S
A＋B R S
1.3 工程反应动力学及数学描述（6）
净反应速率：
rA k f c AcB kr cR cS k f (c AcB cR cS / K ) 其中： K k1 k2
将化学势与逸度的关系代入：
Ni l * ki ki 0 Gi RT ln pt n k 1 N i i 1
结合方程 元素原子平衡方程
1.3 工程反应动力学及数学描述（1）
反应动力学任务：研究反应速率及其影响因素。
1.化学反应速率的定义：(Reaction rate)
由Langmuir均匀吸附理论，吸附速率;
ji
11 21 l1
12 ... 1n N1 N 22 ... 2 n 2 N 0
l 2
... ln N n
若上述矩阵（原子矩阵）的秩为Rβ, 独立反应数等于n- Rβ
几个时间概念
• (3)空间时间τ 其定义为反应器有效容积 VR与流体特征体积流率V0之比值。即
VR V0
• 空间时间是一个人为规定的参量，它表 示处理在进口条件下一个反应器体积的 流体所需要的时间。 • 空间时间不是停留时间
几个时间概念 • (4)空间速度SV • 有空速和标准空速之分。空速的一般定 义为在单位时间内投入单位有效反应器 容积内的物料体积。即： S V0 h 1
第一章 化学反应体系的工程分析
工业反应器开发及反应器设计、操作、控制是以 特定反应体系特征为基础，获得反应器内适宜的 温度浓度分布，使反应器运行安全、高效、低耗。 化学反应体系特征： 1. 化学计量学( Stechiometry ) 2. 化学热力学(Chemical Thermodynamics )
《化学反应工程》第一章
s=
生成目的产物所消耗的关键组分物质的量 已转化的的关键组分的量
Y=sx
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s）
瞬时选择性
s
目的产物的生成速率 关键组分的反应总速率
生成主产物的关键组分 的反应速率 关键组分的反应总速率
s
平均选择性
s
生成主产物消耗的关键 组分的量 反应掉的关键组分量
收率
n1 n2 rP k1c A k 2 cP s n1 rA k1c A
s
cPf c A0 c Af
Y
s xA
1-2-5 气相反应的物料衡算
气体反应混合物的组成常用摩尔分数或体积分数表示 当反应方程中气体物质的
i 0
反应前后各组分的组成变化须根据化学计量式 所显示的物料衡算关系式确定。
C H O N
HCHO+O2 CO2 +H2O
矩阵的秩R=4，独立反应数n=6-4=2
独立反应： CH OH+ 3 O CO +2H O 3 2 2 2
2
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s） Y= or Y=
生成目的产物所消耗的关键组分的量 进入反应物系的关键组分的量
目的产物L生成的物质的量 A × L 进入反应物系的关键组分A物质的量
rA 1 dn A V dt
kmol / m
3
h
1 dcA 1 dcB 1 dcL 1 dcM A dt B dt L dt M dt
连续系统反应速率：单位反应体积、单位反应表面或单 位质量催化剂上某一反应物或产物的摩尔流量的变化
dn (ri )V i dVR
《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
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 第一章课件
Fogler
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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 的动力学知识和信息，如反应模式、速率方 程及反应活化能等。其中速率方程可表示为： r=f（T、C、P） （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。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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 的动力学知识和信息，如反应模式、速率方 程及反应活化能等。其中速率方程可表示为： r=f（T、C、P） （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。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
反应工程课件-第一章
optimization
1.2 Chemical Reactor: Scale
Multi-scale Analysis
Scale, m Reference
Chem. Eng.
107
Earth diameter
Global Scale
103 ~105 Golden Gate Bridge System Scale
Trends in ChemE and Chem. Industry
Diversified application areas
Relying on broader and deeper science knowledge
Fundamental Sciences
Physics Chemistry Biology Mathematics … …
10 ~ 102 House
Equipment Scale
10-3 ~10-1 Frog
Particle Scale
10-6 ~10-4 Bacteria
Colloid Scale
10-10 ~10-7 Carbon Atom
Molecular Scale
James Wei, Chem. Eng. Sci., 59(2019), 1641-1651
20世纪40年代末 --霍根(Hougen)和华生(Waston) 法兰克-卡明斯基(Франк-Каменеций)
Reactor Design
Design task
Type Size Operation conditions Scale-up
Procedure
Initial estimation Selection Design calculation
1.2 Chemical Reactor: Scale
Multi-scale Analysis
Scale, m Reference
Chem. Eng.
107
Earth diameter
Global Scale
103 ~105 Golden Gate Bridge System Scale
Trends in ChemE and Chem. Industry
Diversified application areas
Relying on broader and deeper science knowledge
Fundamental Sciences
Physics Chemistry Biology Mathematics … …
10 ~ 102 House
Equipment Scale
10-3 ~10-1 Frog
Particle Scale
10-6 ~10-4 Bacteria
Colloid Scale
10-10 ~10-7 Carbon Atom
Molecular Scale
James Wei, Chem. Eng. Sci., 59(2019), 1641-1651
20世纪40年代末 --霍根(Hougen)和华生(Waston) 法兰克-卡明斯基(Франк-Каменеций)
Reactor Design
Design task
Type Size Operation conditions Scale-up
Procedure
Initial estimation Selection Design calculation
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--
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C2H2 + HCl CH2CHCl 计算基准：进口100 molC2H2(关键组分）
反应组分
C2H2 HCl
反应器进 口(mol) 100
110
变化量 (mol) -x
-x
反应器出口 （mol) 100-x
110-x
CH2CHCl
0
x
x
总计
210-x
由x/(210-x)=0.90得x=99.47mol
XA=(NA0 - NA)/ NA0
生成目标产物所消 关耗 键的 组分量
S
选择性：
已转化的关键组分量
n n A
R
R0
n n
R
A0
A
收率：
生成目标产物所消关耗键的组分量
Y
起始的关键组分量
n n
A
R
R0
n
R
A0
由上述定义式，可得X、S和Y之间的关系 Y=SX
• 例1.1 已知HCl过量10%，出口处氯乙烯摩尔分率90%，计 算乙炔和氯化氢的转化率
Chemical Reaction Engineering (CRE) is the field that studies the rates and mechanisms of chemical reactions and the design of the reactors in which they take place.
最后得到
r V dN A
A
dt
rA
1 V
dN A dt
d(N A) V dt
)
dC dt
A
间歇（理想反应器） 设计方程
恒容间歇反应 器设计方程
Ａ→Ｐ
B→Ｑ
热力学特征分类 可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒容 控制步骤分类 稳态和非稳态（连续） 连续稳态：某一反应器的反应速率在特定的
空间不随时间变化
其它分类方法？
化学反应器分类
按反应系统涉及的相态分类，分为
均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。
非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液— 固相反应等。
重油的催化裂化流化床反应器
乙苯加氢气液塔式反应器
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
反应器设计的基本方程
设计内容：（１）选择合适型式（２）选择操作方式，确定最佳 操作条件（３）根据操作条件，确定反应器体积。
设计基本方程 物料衡算式： [关键组分i的输入速率]＝[关键组分i的输出速率]＋[关键组分i的
rA
-
dCA dt
,
A为关键组分
解答： 由通用（一般）设计方程
FA0FAVrAdVddN At
间歇式进出口流率为零，FA0=0,FA=0，所以
VrAdVddNtA
假设反应器各处速率均匀，即:rA在反应器空间与位置无关
V
V
得到 r A dV r A dV r A V
因此 恒容时 又因为
—选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件
—最优化的技术指标
学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组
分为关键组分（设为A）。
某一反 应物（关键组分）量 的转化 X 该反应（ 物关键组分 的） 起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则
(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131 及 (7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048 解方程组得：x=1.518mol;y=0.495mol 乙烯转化量=x+y=1.518+0.495=2.013 • 乙烯转化率
X=2.013/15=13.4%
• 环氧乙烷选择性S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754
j
i
ji
i ji
i
• 取极限（△V1 0,M ∞)(微元足够小，数 目足够多）
GV rdV
j
j
代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得
dN
FFVrdV j
j0
j
j
dt
Hw1:Text.Ch1 题1.1； 复习： 化工热力学：化学反应热与化学反应平衡 化工动力学 预习：Ch2
课堂问题： 在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？
dC
r j
j
dt
习题1.1题解答 说明 （1）根据进口原料mol比换算成百分比 ，以100mol进料为基准计算容易一些。 （2）关键组分选甲醇，各物质流向更清 楚 （3）空气中N2是惰性组分，计算时单列 （不参加反应） （4）得到的反应后各物质mol数再转换 成mol百分含量或mol分率。
在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？
转化速率]＋[关键组分i的累积速率] 能量衡算式： [单位时间内输入热量]＝[单位时间内输出热量]＋[单位时间反应
热]＋[单位时间内累积热量] 动量衡算式： [输入的动量]＝[输出的动量]＋[消耗的动量]＋[累积的动量]
[进]-[出]+[生成]=[累积] [In]-[Out]+[Generation]=[Accumulation]
• 假设J的生成速率随着系统体积中的位置而 异，则在位置1时，体积微元△V1中的均匀 速率为rj1，在位置2时为rj2，
• 则体积微元△V1中j的生成速率△Gj1: △Gj1= rj1·△V1
• 同样可写出其它体积微元的生成速率。如 果系统体积可分成M个体积微元，则总生 成速率为：
G MG Mr V
XC2H2 =99.47/100=0.9947=99.47% XHCl=99.47/110=0.9043=90.43%
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 CH2CH2O
x 0.5x
x
-0.5x
变化量
C2H4+ 3O2
2CO2+ 2H2O
r=f（T、C、P）
（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。
化学反应是研究反应本身的规律，与反应 器内各局部的状况有关，而与反应器总体 的性态无关。所以可以说反应动力学从点 上着眼，而反应器的设计与分析则从面上 （体上）着手。
的核心。
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程
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 力学与反应器分析与设计。
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的 动力学知识和信息，如反应模式、速率方程 及反应活化能等。其中速率方程可表示为：
课程主要内容-天大李绍芬教材
基础部分 • Ch1-5 等温理想反应器 • 多相反应器：催化反应的反应机理及及反应器设计与分析Ch6-
7 • 反应速率数据处理技术 • 复杂反应计算策略 • 反应器稳定性分析 应用部分 • 聚合反应工程 Ch8 • 燃烧反应、链式反应及反应器安全 • 环境反应工程 • 生化反应工程 • 电化学反应工程
教科书
• 李绍芬，反应工程，天大出版社 • 参考书： • H. Scott Fogler, “Elements of
Chemical Reaction Engineering”, Prentice Hall（第三版有中译本，李正元 等译，化学反应工程） • Schmidt L.D ， The Engineering of Chemical Reaction（靳海波等译，化学 反应工程)
CSTR （3） 塔式反应器，一般高径比在3—10几之间 （4）固定床 （5）流化床 （6）移动床 （7）滴流床 （8）其它
4、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。
y 3y
2y 2y 0
∑ x+y 0.5x+3y 总变化量 -0.5x
反应组分
C2H2 O2 C2H4O CO2 H2O Ar N2 总计
反应器进 口(mol) 15 7 0 10 0 12 56 100
转化量
-x-y -0.5x-3y x 2y 2y 0 0 -0.5x
反应器出口
15-x-y 7-0.5x-3y x 10+2y 2y 12 56 100-0.5x
Fogler
化学反应工程研究方法
（1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。
（2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。
（3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点
反应器摩尔平衡--通用方程
系统体积V
Fj0
Gj
Fj
Fj0-Fj+Gj=dNj/dt
式中Nj为物种j在任意时间t在系统中的摩尔数，若 系统参数（温度、压力、浓度、催化剂活性等）在整个 系统中分布均匀，则j的生成速率恰为体积V与生成速率 rj的乘积：
Gj
= rj · V
mol/t mol/(t.L) L
Ch.1 导论
化工过程流程
化学工业、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：
反应组分
C2H2 HCl
反应器进 口(mol) 100
110
变化量 (mol) -x
-x
反应器出口 （mol) 100-x
110-x
CH2CHCl
0
x
x
总计
210-x
由x/(210-x)=0.90得x=99.47mol
XA=(NA0 - NA)/ NA0
生成目标产物所消 关耗 键的 组分量
S
选择性：
已转化的关键组分量
n n A
R
R0
n n
R
A0
A
收率：
生成目标产物所消关耗键的组分量
Y
起始的关键组分量
n n
A
R
R0
n
R
A0
由上述定义式，可得X、S和Y之间的关系 Y=SX
• 例1.1 已知HCl过量10%，出口处氯乙烯摩尔分率90%，计 算乙炔和氯化氢的转化率
Chemical Reaction Engineering (CRE) is the field that studies the rates and mechanisms of chemical reactions and the design of the reactors in which they take place.
最后得到
r V dN A
A
dt
rA
1 V
dN A dt
d(N A) V dt
)
dC dt
A
间歇（理想反应器） 设计方程
恒容间歇反应 器设计方程
Ａ→Ｐ
B→Ｑ
热力学特征分类 可逆和不可逆；放热和吸热；恒容和非恒容 控制步骤分类 稳态和非稳态（连续） 连续稳态：某一反应器的反应速率在特定的
空间不随时间变化
其它分类方法？
化学反应器分类
按反应系统涉及的相态分类，分为
均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。
非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液— 固相反应等。
重油的催化裂化流化床反应器
乙苯加氢气液塔式反应器
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
反应器设计的基本方程
设计内容：（１）选择合适型式（２）选择操作方式，确定最佳 操作条件（３）根据操作条件，确定反应器体积。
设计基本方程 物料衡算式： [关键组分i的输入速率]＝[关键组分i的输出速率]＋[关键组分i的
rA
-
dCA dt
,
A为关键组分
解答： 由通用（一般）设计方程
FA0FAVrAdVddN At
间歇式进出口流率为零，FA0=0,FA=0，所以
VrAdVddNtA
假设反应器各处速率均匀，即:rA在反应器空间与位置无关
V
V
得到 r A dV r A dV r A V
因此 恒容时 又因为
—选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件
—最优化的技术指标
学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组
分为关键组分（设为A）。
某一反 应物（关键组分）量 的转化 X 该反应（ 物关键组分 的） 起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则
(15-x-y)/(100-0.5x)=0.131 及 (7-0.5x-3y)/(100-0.5x)=0.048 解方程组得：x=1.518mol;y=0.495mol 乙烯转化量=x+y=1.518+0.495=2.013 • 乙烯转化率
X=2.013/15=13.4%
• 环氧乙烷选择性S=x/(x+y)=1.518/2.013=0.754
j
i
ji
i ji
i
• 取极限（△V1 0,M ∞)(微元足够小，数 目足够多）
GV rdV
j
j
代入式Fj0-Fj+Gj=dNj/dt中，得
dN
FFVrdV j
j0
j
j
dt
Hw1:Text.Ch1 题1.1； 复习： 化工热力学：化学反应热与化学反应平衡 化工动力学 预习：Ch2
课堂问题： 在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？
dC
r j
j
dt
习题1.1题解答 说明 （1）根据进口原料mol比换算成百分比 ，以100mol进料为基准计算容易一些。 （2）关键组分选甲醇，各物质流向更清 楚 （3）空气中N2是惰性组分，计算时单列 （不参加反应） （4）得到的反应后各物质mol数再转换 成mol百分含量或mol分率。
在间歇式反应器中，下式什么情况下成立？
转化速率]＋[关键组分i的累积速率] 能量衡算式： [单位时间内输入热量]＝[单位时间内输出热量]＋[单位时间反应
热]＋[单位时间内累积热量] 动量衡算式： [输入的动量]＝[输出的动量]＋[消耗的动量]＋[累积的动量]
[进]-[出]+[生成]=[累积] [In]-[Out]+[Generation]=[Accumulation]
• 假设J的生成速率随着系统体积中的位置而 异，则在位置1时，体积微元△V1中的均匀 速率为rj1，在位置2时为rj2，
• 则体积微元△V1中j的生成速率△Gj1: △Gj1= rj1·△V1
• 同样可写出其它体积微元的生成速率。如 果系统体积可分成M个体积微元，则总生 成速率为：
G MG Mr V
XC2H2 =99.47/100=0.9947=99.47% XHCl=99.47/110=0.9043=90.43%
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 CH2CH2O
x 0.5x
x
-0.5x
变化量
C2H4+ 3O2
2CO2+ 2H2O
r=f（T、C、P）
（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。
化学反应是研究反应本身的规律，与反应 器内各局部的状况有关，而与反应器总体 的性态无关。所以可以说反应动力学从点 上着眼，而反应器的设计与分析则从面上 （体上）着手。
的核心。
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程
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 力学与反应器分析与设计。
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的 动力学知识和信息，如反应模式、速率方程 及反应活化能等。其中速率方程可表示为：
课程主要内容-天大李绍芬教材
基础部分 • Ch1-5 等温理想反应器 • 多相反应器：催化反应的反应机理及及反应器设计与分析Ch6-
7 • 反应速率数据处理技术 • 复杂反应计算策略 • 反应器稳定性分析 应用部分 • 聚合反应工程 Ch8 • 燃烧反应、链式反应及反应器安全 • 环境反应工程 • 生化反应工程 • 电化学反应工程
教科书
• 李绍芬，反应工程，天大出版社 • 参考书： • H. Scott Fogler, “Elements of
Chemical Reaction Engineering”, Prentice Hall（第三版有中译本，李正元 等译，化学反应工程） • Schmidt L.D ， The Engineering of Chemical Reaction（靳海波等译，化学 反应工程)
CSTR （3） 塔式反应器，一般高径比在3—10几之间 （4）固定床 （5）流化床 （6）移动床 （7）滴流床 （8）其它
4、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。
y 3y
2y 2y 0
∑ x+y 0.5x+3y 总变化量 -0.5x
反应组分
C2H2 O2 C2H4O CO2 H2O Ar N2 总计
反应器进 口(mol) 15 7 0 10 0 12 56 100
转化量
-x-y -0.5x-3y x 2y 2y 0 0 -0.5x
反应器出口
15-x-y 7-0.5x-3y x 10+2y 2y 12 56 100-0.5x
Fogler
化学反应工程研究方法
（1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。
（2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。
（3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点
反应器摩尔平衡--通用方程
系统体积V
Fj0
Gj
Fj
Fj0-Fj+Gj=dNj/dt
式中Nj为物种j在任意时间t在系统中的摩尔数，若 系统参数（温度、压力、浓度、催化剂活性等）在整个 系统中分布均匀，则j的生成速率恰为体积V与生成速率 rj的乘积：
Gj
= rj · V
mol/t mol/(t.L) L
Ch.1 导论
化工过程流程
化学工业、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：