化学反应工程第一章课件
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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
最后得到
r V dN A
A
dt
rA
1 V
பைடு நூலகம்
dN A dt
d(N A) V dt
CA
NA V
rA
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
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
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？
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
(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
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
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
—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
按操作方式分类，分为
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。间歇式=分批式
连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方 式。
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。
3、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。PFR （2） 釜（槽）式反应器，一般高径比为2—3。
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
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：
原料
原料预 处理 （纯化）
化学反应 过程
产物的分 离与提纯
产物 副产物
• ①和③两部分属于单元操作的研究范围； • ②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程
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)
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？
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
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。
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
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：
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]
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。
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
• 环氧乙烷收率 Y=x/15=1.518/15=0.101
化学反应及反应器分类
化学反应的分类 按相态分类：可分为均相和非均相
均相：气相，液相，固相 非均相：气－固，气—液，液－液，液－固，气－液－固，固 －固
按反应特征分类
单一反应：
Ａ＋Ｂ→Ｐ
复合反应：
平行反应
Ａ→Ｐ
Ａ→Ｑ
连串反应
Ａ→Ｐ→Ｑ
并列反应
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.
• 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
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
最后得到
r V dN A
A
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பைடு நூலகம்
dN A dt
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间歇（理想反应器） 设计方程
恒容间歇反应 器设计方程
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
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？
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
(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
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
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
—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
按操作方式分类，分为
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。间歇式=分批式
连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方 式。
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。
3、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。PFR （2） 釜（槽）式反应器，一般高径比为2—3。
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
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：
原料
原料预 处理 （纯化）
化学反应 过程
产物的分 离与提纯
产物 副产物
• ①和③两部分属于单元操作的研究范围； • ②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程
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)
j
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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
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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？
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
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。
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
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：
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]
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。
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
• 环氧乙烷收率 Y=x/15=1.518/15=0.101
化学反应及反应器分类
化学反应的分类 按相态分类：可分为均相和非均相
均相：气相，液相，固相 非均相：气－固，气—液，液－液，液－固，气－液－固，固 －固
按反应特征分类
单一反应：
Ａ＋Ｂ→Ｐ
复合反应：
平行反应
Ａ→Ｐ
Ａ→Ｑ
连串反应
Ａ→Ｐ→Ｑ
并列反应
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.
• 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