4.化学反应工程的基本原理全解
化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖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
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
化学工程中的化学反应工程原理
化学工程中的化学反应工程原理化学反应工程是化学工程学中的一项重要内容，它通过对化学反应过程的研究和设计，以达到高效、经济和环保的目的。
在化学工程中，化学反应工程原理是指在实际工程过程中，根据化学反应的基本原理，选择适当的工艺条件和参数，以及控制反应过程，从而实现预期的反应结果。
一、化学反应的基本原理化学反应是指物质之间由于化学变化而形成新物质的过程。
在化学反应中，原料与反应物通过一系列的反应步骤转化为产物，同时伴随着能量的释放或吸收。
化学反应的基本原理包括：1. 反应物和产物之间的化学平衡：化学反应达到平衡时，正反两个方向的反应速率相等，反应物和产物的浓度保持不变。
2. 反应速率：反应速率受到反应物浓度、反应温度和催化剂等因素的影响。
通过控制这些因素，可以提高反应速率和产物的产率。
3. 反应热力学：化学反应的热力学参数（如焓变、熵变和自由能变）决定了反应是否能够进行，以及反应的方向性。
4. 反应动力学：反应速率随时间的变化规律，即反应速率方程。
了解反应速率方程可以帮助设计反应的工艺条件。
二、化学反应工程的设计原则化学反应工程的设计是为了达到预期的反应结果，同时考虑经济效益、能源利用和环境保护等因素。
以下是化学反应工程设计的几个重要原则：1. 选择适当的反应类型：不同的反应类型有不同的特点和适用范围，如聚合反应、酯化反应、氧化反应等。
根据反应物的性质和产物的要求，选择合适的反应类型。
2. 优化反应条件：通过调节反应温度、压力等参数，控制反应物浓度和反应速率，实现高效、安全的反应过程。
3. 选择合适的催化剂：催化剂可以提高反应速率和选择性，降低反应温度和能耗。
选择适当的催化剂对化学反应工程具有重要意义。
4. 控制副反应和副产物生成：副反应和副产物的生成会降低反应产率和纯度，需要采取相应的措施，如控制工艺条件、优化催化剂选择等。
5. 实施反应过程的自动化与监控：通过自动化设备和监控系统，实现对反应过程的实时监测和控制，提高生产效率和安全性。
化学反应工程的基本原理和应用
化学反应工程的基本原理和应用化学反应工程是一门研究化学反应过程、反应器设计和反应条件优化的学科。
其基本原理涉及到热力学、动力学、传热学和质量传递等多个方面。
在化学工业、制药工业、食品加工、环境保护等领域中，化学反应工程都得到了广泛的应用。
本文将介绍化学反应工程的基本原理和应用。
一、化学反应工程的基本原理1. 热力学基础热力学是研究物质热性质和能量转换的学科。
化学反应的方向、速率和平衡状态均与热力学有关。
在化学反应过程中，反应物和生成物的热力学性质会决定反应物和反应产物的物态和量。
在热力学中，常用的量有物态函数、能量、熵、焓和自由能等。
物态函数是指与温度、压力和物质量有关的函数。
比如，摩尔焓表示单位物质的能量和摩尔基本热容表示温度变化单位物质的热容。
熵表示物质分子的运动状态的无序程度，是一个复杂的物理量。
自由能是描述热力学过程能量变化的重要物理量。
2. 动力学基础动力学研究物质在时间上的变化。
化学反应的速率、动力学模型、反应路径等都与动力学有关。
在化学反应中，反应速率对于工艺过程的影响非常重要，主要受反应物浓度、反应温度、反应物质分子的能量等影响。
化学反应的速率常被表述为反应物消失和产物生成的速率。
反应速率与反应物质分子间的碰撞次数和碰撞的方式有关，速率常数是用来描述反应速率大小的参数。
通过测量反应物的消失和产物的生成速率，可以推导出化学反应的动力学模型和反应路径。
3. 传热学基础传热学是研究热量的传递过程和方法的学科，其研究内容包括传热传质的机理、传热传质的基本定律和传热传质的数学模型等。
在化学反应工程中，传热是一个非常重要的环节。
化学反应需要吸热或放热，传热的效率和传热方式会直接影响反应的温度和速率。
常见的传热方式包括传导、对流和辐射等。
传热系数是描述传热的重要参数，其大小受传热的方式、材料特性和流体性质等多个因素的影响。
4. 质量传递基础质量传递是气体、液体和固体之间物质的传递。
化学反应中会涉及到多种物质的质量传递，比如，反应物的输送、反应产物的分离和纯化等。
化学反应工程原理 简单反应
= Ca f CA 0 CA
Chemical Reaction Engineering •收率 C Pf C A0 •单耗 C A 0 C Pf •单程收率 x A •总收率 （循环系统
A
C A0
R
D P
x A=1）
Chemical Reaction Engineering
k1 HCl + CH 3(CH2) 6CH 2OH k2 HCl + CH 3(CH2) 10 CH 2 OH CH 3(CH2) 10 CH 2 Cl + H 2O CH 3(CH2) 6CH 2 Cl + H 2 O
为一平行反应，辛醇（A）和十二醇（B）的反应速率为 （-rA)=k1cAcC （-rB)=k2cBcC 式中cA、cC和cB 分别表示辛醇、十二醇和盐酸的浓度。反 应在 等温条件下进行，反应速率常数为 k1 = 1.6*10-3L/mol.min k2 = 1.92*10-3L/mol.min 若初始浓度分别为 CA0=2.2 M CB0=2.2 M CP0=2.2 M,试计算当辛基氯收率为34%（以盐酸计），盐 酸转化率和十二基氯的收率
E1 E 2 E1 E 2 0 T E1 E 2 E1 E 2 0 T
E1 E 2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
T
Chemical Reaction Engineering 工业操作：
A P S
二、平行反应选择性的温度效应
1 k2 n 1 C A2 n1 k1
1 k 20 E1 E 2 RT n 1 e C A2 n1 k10
化工第五章化学反应
2.按操作方法分类：
可分为间歇、半间歇、连续式三种。
操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。 间歇反应器 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。 操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的 速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
反应器中的 流动状况影 响反应结果
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
二、化学反应器的分类：
1.按反应器的结构型式分类： 这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不 同的反应器中最基本的传递过程的差别。按 反应器的结构特征，常见的工业反应器可分 为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式 和移动床式。 书141页图
rA=k
cA x A k
xA kcA0( 1 x A ) cA0 cA 1 xA
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=qv (τ+τ′)
实际操作时间=反应时间(τ) + 辅助时间 (τ’)
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
原料 产物
物理处理
化学处理
物理处理
循环
第一节
一、化学反应工程学：
概述
1.化学反应工程发展概况： 远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器的制作、 酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸等等，然而， 这些生产过程直到上世纪五十年代还未形成一门独立的学 科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来似 乎毫不相干而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同 规律。 科学技术的发展，特别是二战后石油化工的发展，对化 学反应器的设计产生了迫切要求，而化学动力学研究的进 展和化工单元操作方面的理论和实践经验的日趋成熟，才 使这类问题的系统解决有了可能。
反应工程原理
第一节 反应器与反应操作
③空间时间（空时、空塔接触时间）(space time) 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 空间时间
V / qV
(11.1.1)
注意： • 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 • 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。 τ＝30s 表示了什么？ 每30s处理与反应器有效体积相等的流体
反应量 -rAV
qnA0 qV cA0
浓度cA，cB 体积V
第一节 反应器与反应操作
（四）有关反应器操作的几个工程概念 ①反应持续时间 (reaction time)： 简称反应时间，主 要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时 间。 ②停留时间 (retention time)： 亦称接触时间，指连续 操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实 际时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元” 的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分 布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
第III篇 反应工程原理
将化学和生物反应原理应用于污染控制工程， 需要借助适宜的装置，即反应器来实现。 系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设 计计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方 式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。 本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、 动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类 化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。
第一节 反应器与反应操作
四、反应器内反应物的流动与混合状态
在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从 而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和 反应速率。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机) 返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器 的反应特性。
化学反应工程 绪论介绍
条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、 温度、压力等参数，不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。 区别：在于是否考虑反应器结构和操作条件。
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高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
20
11
第三阶段：现代化学工业（二战前后）
在以石油和天然气为主要原料的化学工业 中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应 技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在 生产规模日益大型化趋势的影响下，促使化学工 程学科形成了一次理论综合：即从动量传递、热 量传递、质量传递的角度深入研究化工生产的物 理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来 研究化工生产的化学变化过程。从而使化学工程 学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。
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绪论
一、化学反应工程的学科历史 二、化学反应工程的研究对象及内容 三、化学反应工程的研究方法 四、化学反应工程的学习目的 五、化学反应工程与其他学科的关系
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一、化学反应工程的学科历史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医
药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于 人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万 物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素 观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成 理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未 形成有规模的化学加工实践。
学习本门课程，学生应牢固地掌握化 学反应工程中最基本的原理和计算方法， 运用科学思维方法，增强提出问题、分析 问题和解决问题的能力。课程教学将突出 阐述反应工程理论思维方法，重点讨论气 固相催化反应本征动力学、宏观动力学及 反应器中的混合及对反应的影响，并以开 发实例进行分析，培养学生应用反应工程 方法论解决实际问题的能力。
化学反应工程学
ｑＶ
经过t→t+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物 总量（M0）的分率为：
dN 在t t dt时间流出的示踪物量 ( )示踪物 N 示踪物总量 qV c（t）dt M0
在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在 反应器内停留时间为t→t+dt的物料在N中所占的分率为：
ｑＶ
连续操作的流动 体系
ｑＶ
在阶跃示踪法中，t秒时由出口测出的是停留时间为0→t秒的 示踪物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在t秒都会从出口 流出来，所以阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：
停留时间为 0 t秒的示踪物 c(t ) t秒内加入物料体积 t秒内进入反应器的示踪 物 停留时间为 0 t秒的分率 t秒内加入物料体积 qV c0 t E（t） dt
np a s p n A, 0 n A
收率：生成目的产物的量比加入反应物的量
a np y p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为：
y xA s
有时也用质量收率表示：
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
（二）、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类 反应类型 设备的结构 反应特性 形式
dN ( ) 物料 E（t）dt N
由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以
dN dN ( )示踪物 ( ) 物料 N N
qV c(t ) dt E (t )dt M0 qV E (t ) c(t ) M0
C(t)
t
2、阶跃示踪法
从某一时刻起连续 加入示踪物 测定示踪物浓度 c(t) 随 时间 t 的变化
根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度， 这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：
《工程化学》第2章 化学反应的基本原理
r S m (T ) r S m (298 .15 K )
工程化学 Engineering Chemistry
2.1 化学反应的方向和吉布斯函数变
例2. 1 试计算石灰石(CaCO3)热分解反应的∆
(298.15 K)和
(298. 15 K)，并初步分析该反应的自发性。
G是状态函数 ，其绝对值无法求得。 人纪念馆。
G= H - TS
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工程化学
Engineering Chemistry
2.1 化学反应的方向和吉布斯函数变
2 Gibbs函数判据
在恒温、恒压，只做体积功的过程发生变化时，其相应
的Gibbs函数变（ΔG），则应为：
G H TS
或
r Gm r H m T r S m
水合离子标准摩尔熵：规定标准状态和298.15K时，
1mol水合氢离子的标准摩尔熵为零，其他离子与之
比较获得相应数据．
Sm (H+,aq,298.15k)= 0
工程化学 Engineering Chemistry
2.1 化学反应的方向和吉布斯函数变
(s)< (l)< (g);
① 同一物质,
+
—
+
非自发(任何温
度)
③CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(s)
+
+
升高至某T时由正值
变负值
高温自发进行
④N2(g) + 3H2(g) =2NH3(g)
—
—
降低至某T时由正值
变负值
低温自发进行
化学反应工程的基础原理和应用
化学反应工程的基础原理和应用化学反应工程是研究化学反应的全过程，设计和开发实际化学反应装置以及控制化学反应过程的工程学科。
它是现代化学工业生产中的一个重要部分，应用广泛，可以制造各种产品，如化学品、制药品、塑料、聚合物、石油化工产品等等。
化学反应工程的基础原理和应用是工程学科中非常重要的一部分。
化学反应的基本原理化学反应是一种物质中原子、离子或分子的再组合过程。
两种或以上物质因发生转化而形成一种或多种新的物质的过程，称之为化学反应。
化学反应会产生一些新的化学物质，这些新物质的化学性质不同于原来的物质，而这种转化的过程，对于化学反应的研究及工业应用具有重大的意义。
化学反应的应用化学反应的应用非常广泛，在人类的日常生活中随处可见。
常见的有以下几个方面：1. 化学工业：可以制造各种化学品，如硫酸、氨水、氢氧化钠等等。
2. 制药工业：可以制造各种药品，如抗菌药、麻醉药等等。
3. 石油化工工业：可以制造各种石油化工产品，如石油、天然气、汽油等等。
4. 聚合物工业：可以制造各种聚合物，如塑料、橡胶、纤维等等。
化学反应工程的基本原理化学反应工程的目的是通过对化学反应的研究和了解，开发出合理的生产工艺和设备，来生产所需的各种产品。
因此，化学反应工程需要掌握一些基本原理：1. 反应动力学：研究化学反应的速率和反应机理，掌握化学反应的规律和机理。
2. 热力学：研究化学反应伴随的能量变化，掌握化学反应的热力学规律。
3. 流体力学：研究流体的流动规律，掌握化学反应的流动规律。
4. 物质传递：研究物质的传递规律，掌握化学反应的物质传递规律。
化学反应工程的应用化学反应工程的应用非常广泛，其中几个重要的应用如下：1. 催化剂的研究和开发：催化剂是化学反应中的重要因素，是可以提高化学反应速率和降低反应温度的重要工具。
催化剂的研究和开发，可以提高化学反应的效率和经济性。
2. 设计和开发化学反应装置：根据化学反应的要求和工艺条件，设计、开发和生产适用于不同化学反应的反应装置，是化学反应工程的重点之一。
化学反应工程
化学反应工程化学反应工程是研究和应用化学反应的一门学科，主要涉及反应基础、反应动力学、反应工程、反应器设计、反应工艺优化等方面。
本文将介绍化学反应工程的基本概念、关键内容和应用领域。
一、化学反应工程的基本概念化学反应工程是将化学反应原理与工程技术相结合，研究化学反应的机理、动力学和应用，以达到控制和优化反应过程的目标。
它是化工过程工程的重要组成部分，也是化工工业中最基本、最关键的环节之一。
化学反应工程主要研究反应的速率、选择性、稳定性和收率等关键问题，通过设计合适的反应器以及优化反应工艺，来实现预期的反应目标。
反应体系的研究对象包括单一物质和复杂物质之间的化学反应，如气相反应、液相反应、固相反应、催化反应等。
二、化学反应工程的关键内容1. 反应动力学反应动力学研究反应速率与反应物浓度、温度、压力等因素之间的关系。
通过实验和理论模型的建立，可以确定反应的速率常数、反应机理和反应动力学方程。
反应动力学的研究对于反应过程的深入理解和反应器设计具有重要意义。
2. 反应器设计反应器是进行化学反应的装置，其设计旨在实现高效率、高选择性和高产率的反应过程。
根据反应条件的不同，常见的反应器有批式反应器、连续式反应器、循环式反应器等。
反应器设计考虑到传热、质量传递、混合和流动等因素，以最大程度地实现反应条件的控制和反应物的利用率。
3. 反应工艺优化反应工艺优化是指通过调整反应条件、改变反应器结构和优化操作参数等手段，提高反应过程的经济效益和可行性。
优化方法包括响应面法、遗传算法、模拟退火算法等，通过建立反应过程的数学模型，寻求最优解，以达到能源节约、资源利用和环境友好的目标。
三、化学反应工程的应用领域化学反应工程广泛应用于化工领域的各个环节，包括新材料制备、能源开发、环境保护、医药制造等。
以下列举几个典型应用案例：1. 新材料制备化学反应工程在新材料制备中发挥重要作用，如高分子材料的合成、纳米材料的制备和催化剂的研发等。
第四章 化学反应的基本原理(二)
G Wmax
此式表示系统的焓变ΔH包括两部分，一部分是TΔS项，用于维持系统内部温 度和增加系统的混乱度上的能量变化，是无法利用的；另一部分则是系统的吉布斯 函数变，是系统能够用来做有用功的能量变化。在恒温恒压下，系统的吉布斯函数 越大，就表示它对外做有用功的能力越大，在过程进行中，如对系统的吉布斯函数 变加以利用，就能转变为有用功。从热力学可以导出，系统吉布斯函数的减少等于 系统在恒温恒压下对环境可能做的最大有用功。
§4.2 化学反应的方向
前面讨论了化学反应过程中的能量转化问题，一切化学变化中的能量转化都 遵循热力学第一定律。但热力学第一定律只探讨了能量转化的数量问题，而没有涉 及到能量转化的方向问题。本节就将讨论能量转化的方向，即化学反应进行的方向 问题。这是第一定律不能回答的，需要用热力学第二定律来解决。
一、化学反应的自发性
1、自发过程 在一定条件下，无需外力作用就能自动发生的过程叫做自
发过程或自发变化。
热传递 T2>T1
《工程化学》
气体膨胀
水流动
墨汁扩散
P2>P1
h2>h1
c2>c1
化学反应的基本原理
化学化工学院
1
1、自发过程
自发过程的特点
A 自发过程具有单向性。其逆过程不能自发进行。
B 自发过程的进行有一定的限度——达到平衡。
化学反应的基本原理
化学化工学院 11
1、吉布斯函数
对于封闭系统，在恒温和只做体积功的条件下，系统吉布斯函数改变 量——吉布斯函数变ΔG为：
G G2 G1 (H 2 TS2 ) (H1 TS1 ) (H2 H 1) T(S2 S1 ) H TS
G H TS
化学工程原理
化学工程原理化学工程原理是指应用化学知识和原理，结合工程技术来解决与化学过程相关的问题。
它涉及到诸多领域，如化学反应、传热传质、流体力学、传递过程、设备设计以及安全等方面。
在化学工程原理的指导下，工程师们能够设计和改进化工过程，提高生产效率和产品质量。
一、化学反应原理化学反应是化学工程中的核心过程之一。
它涉及到物质之间的转化和反应动力学。
在化学反应中，原料通过一系列的化学反应转化为产物。
化学反应速率和平衡是了解和控制化学过程的重要指标。
对于快速反应的控制，需要考虑反应温度、压力、浓度和催化剂等因素。
此外，了解反应的平衡性质和平衡条件对于工程师来说也非常重要。
二、传热传质原理传热传质是指热量和质量在化工过程中的传递。
化工过程中常常需要控制温度和浓度等参数，因此传热传质的研究对于合理设计化工设备至关重要。
传热传质过程由热传导、对流和辐射等几个方面组成。
了解传热传质的机理和各种传热传质模型可以帮助工程师优化过程，提高能效和降低成本。
三、流体力学原理流体力学是研究流动物质的力学规律的学科。
在化学工程中，流体力学原理用于研究流体在管道、槽等装置中的流动行为。
了解流体力学的基本方程和流体的特性可以帮助工程师设计流道结构，减小流体阻力，提高传递效率。
四、传递过程原理传递过程指物质在化工过程中的传递行为，如质量传递、动量传递和能量传递。
质量传递在吸收、吸附和分离等过程中起着重要作用。
动量传递涉及到粒子的运动和压力的传递，能量传递与温度、热量和功率等参数有关。
传递过程原理的研究可以帮助工程师选择合适的分离方法和设备，提高生产效率和产品纯度。
五、设备设计原理设备设计是化学工程原理的应用之一。
在化工过程中，各种设备如反应器、蒸馏塔、输送设备等被设计用于促进化学反应、分离和传递。
设备设计需要考虑流体力学、传热传质、安全和经济性等因素。
了解设备设计原理可以帮助工程师选择和设计合适的设备，确保化工过程的有效运行。
六、安全原理化学工程中的安全问题至关重要，不当的操作和设计可能导致事故和损失。
化学反应工程原理
化学反应工程原理一、引言化学反应工程是研究化学反应在工业生产中的应用原理和方法的学科，它涉及到化学反应的热力学、动力学、传质和传热等方面的理论基础，以及反应过程的设计、优化和控制等工程实践。
化学反应工程的原理是化学工程学的核心内容之一，它在化工生产中扮演着重要的角色。
二、化学反应热力学原理化学反应的热力学原理是研究反应的热效应和反应的平衡条件的理论基础。
根据热力学第一定律，化学反应的能量守恒关系为：$$ \\Delta H = Q + W $$其中，$\\Delta H$为化学反应的焓变，Q为反应释放或吸收的热量，W为反应对外界做功。
化学反应的平衡条件由热力学第二定律和反应速率理论给出。
例如，对于一般的化学反应 $A \\rightarrow B$ ，其平衡常数K c可由下式给出：$$ K_c = \\frac{{[B]}}{{[A]}} $$其中，[B]和[A]分别表示反应物B和A的浓度。
三、化学反应动力学原理化学反应的动力学原理是研究反应速率和反应过程中物质的转化关系的理论基础。
根据化学动力学理论，反应速率可以用反应物浓度的函数来表示，通常可用速率常数k表示。
一般来说，反应速率可根据反应物浓度的变化率表示，即：$$ \\frac{{d[A]}}{{dt}} = -k[A] $$其中，[A]表示反应物A的浓度，t表示时间。
化学反应的速率可受到许多因素的影响，包括反应物浓度、温度、催化剂等。
通过研究这些影响因素，可以优化化学反应的条件，提高反应速率和产率。
四、化学反应传质和传热原理化学反应的传质和传热过程是研究反应物质的输运和能量转化的理论基础。
化学反应中的传质包括质量传递和浓度分布等方面的问题，传热则涉及到温度变化和热传递等相关内容。
在化学反应工程中，传质和传热的过程对于反应速率和能量利用效率有重要影响。
因此，合理设计反应器的结构和操作条件，优化传质和传热过程，对于提高化学反应的效果具有重要意义。
化学反应工程原理
化学反应工程原理化学反应工程是化学工程领域的一个重要分支，它研究的是化学反应在工程领域中的原理和应用。
化学反应工程原理是化学工程师必须要掌握的基础知识之一，它涉及到反应动力学、热力学、传质和传热等多个方面的知识，对于理解和设计化工过程具有重要意义。
在化学反应工程中，反应动力学是一个重要的概念。
它研究的是化学反应速率与反应物浓度之间的关系，以及影响反应速率的因素。
在实际工程中，我们需要通过实验数据来确定反应的速率方程，从而进行反应器的设计和操作。
另外，反应热力学也是化学反应工程中不可忽视的一部分，它研究的是化学反应的热效应，包括反应热、热平衡、热传导等内容。
在设计反应器时，我们需要考虑到反应的放热或吸热特性，以便合理地控制反应温度，保证反应的顺利进行。
除了反应动力学和热力学外，传质和传热也是化学反应工程中的重要内容。
传质研究的是反应物在反应器中的传输过程，包括物质的扩散、对流等。
传热则是指反应过程中产生的热量的传递过程，包括传热系数、传热表面积等参数的计算。
在反应器的设计和操作中，我们需要考虑到传质和传热的影响，以保证反应物质和能量的充分利用。
化学反应工程原理的研究不仅仅是为了理解化学反应的基本规律，更重要的是为了指导工程实践。
在化工生产中，我们需要根据反应物性质、反应条件等因素，选择合适的反应器类型和操作参数，以提高反应的效率和产率。
同时，对于一些复杂的反应体系，如多相反应、催化反应等，我们还需要结合反应工程原理，设计和优化反应器结构，以实现工程化的应用。
总之，化学反应工程原理是化学工程师必须要掌握的基础知识之一，它涉及到反应动力学、热力学、传质和传热等多个方面的知识。
通过对化学反应原理的深入理解，我们可以更好地指导工程实践，提高化工生产的效率和质量，为实现可持续发展做出贡献。
化学工程的基本原理
化学工程的基本原理化学工程作为一门综合性学科，研究物质的转化和利用过程，广泛应用于能源、环境、医药等领域。
本文将介绍化学工程的基本原理，涵盖了反应工程、传递现象和流体力学等方面。
一、反应工程反应工程是化学工程的核心内容之一，主要研究反应过程的控制和优化。
在化学反应中，重要的参数有反应速率、反应平衡、热力学控制等。
1. 反应速率反应速率是指单位时间内发生的反应物质转化量。
它可以受到多种因素的影响，如温度、浓度、催化剂等。
反应速率常用反应速率常数（k）来描述，其数值与反应物浓度的次方和温度有关。
2. 反应平衡化学反应在一定条件下达到平衡态，平衡态下正向反应和逆向反应的速率相等。
反应平衡可以通过平衡常数（K）来表示，与反应物浓度的比值有关。
平衡常数越大，正向反应越偏向生成物；平衡常数越小，正向反应越偏向反应物。
3. 热力学控制反应过程中释放或吸收的热量对反应的进行有重要影响，其中热力学控制分为放热反应和吸热反应。
放热反应在反应过程中释放热能，吸热反应则从周围环境吸收热能。
二、传递现象传递现象是指物质和能量从一个区域向另一个区域的传递过程，包括质量传递、热传递和动量传递。
1. 质量传递质量传递是物质从高浓度区域向低浓度区域的扩散过程，涉及物质的扩散速率和传质系数。
传质系数与物质的性质、传质界面特性和传质介质属性有关。
2. 热传递热传递是热量从高温区域向低温区域的传递过程，包括传导、对流和辐射三种方式。
传导是通过物质内部的分子振动和相互碰撞传递热量，对流是通过流体的对流运动传递热量，辐射是通过电磁波传递热量。
3. 动量传递动量传递是液体或气体中粒子间的相互作用力导致的物质运动和扩散过程。
流体的流动速度和压力分布与动量传递紧密相关，可以通过流体力学和动量守恒定律来描述和分析。
三、流体力学流体力学是研究流体的运动规律和性质的学科，对化学工程的设计和操作具有重要意义。
1. 流体运动方程流体运动方程是描述流体在空间中的运动规律的基本方程，包括质量守恒方程（连续性方程）、动量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程（热传导方程）等。
chemical engineering journal文章化学反应工程部分-概述说明以及解释
chemical engineering journal文章化学反应工程部分-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分首先介绍了该篇文章的研究领域——化学反应工程。
化学反应工程是化学工程的一个重要分支，研究的对象是化学反应的基本原理和工程化应用。
在现代工业领域中，化学反应工程起着不可替代的作用，涉及多个方面的知识和技术，如化学、材料、机械、流体力学等。
通过对反应过程的优化和控制，可以实现化学反应的高效率、高选择性和低能耗，从而提高产品质量和工业生产效率。
该篇文章旨在对化学反应工程进行深入的研究和探讨，通过系统性的分析和实验，探索化学反应的机理和动力学特性，提出新的反应工程理论和方法，并应用于实际生产中。
在本文的引导下，读者将了解到反应工程的基本概念和重要性。
首先，我们将介绍反应工程的基本概念，包括反应过程的定义、反应速率、反应器类型等。
此外，我们还将探讨反应工程在化学工业中的重要性，包括其在新产品开发、能源转化、环境保护等方面的应用。
通过本文的阅读，读者将对化学反应工程有一个全面的了解，并通过案例分析和实验数据的支持，深入理解反应工程的基本原理和应用。
同时，我们也将展望未来反应工程领域的发展方向，以期为相关研究者提供参考和启示。
1.2文章结构文章结构是整篇文章的骨架，它指导着读者对文章内容的理解和组织。
在本文中，文章结构分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在向读者介绍文章的背景和涉及的领域，对于化学反应工程部分，引言应该简要概述反应工程的基本概念和重要性，并说明本文的目的和重点。
正文部分是本文的核心内容，主要探讨了反应工程的基本概念和重要性。
反应工程是化学工程的核心领域之一，涵盖了反应物与催化剂之间的相互作用、动力学模型的建立和优化、反应器的设计和调控等方面。
本节将分别介绍反应工程的基本概念和其重要性。
2.1 反应工程的基本概念在这一部分，将介绍反应工程的基本概念。
反应工程是研究和优化化学反应的工程学科，其目标是通过控制反应条件和优化反应器设计，实现高效、低成本的化学反应过程。
化学反应工程原理
1 绪论1.1.3 优化的技术指标（1）反应速率（2）反应选择率（3）能量消耗1.1.4 决策变量（1）结构变量（2）操作方式（3）工艺条件1.4.1化学反应工程理论在反应过程开发中的作用要解决的问题：（1）反应器的合理选型（2）反应器操作的优选条件（3）反应器的工程放大2化学反应动力学2.2.1均相反应的条件（1）反应系统可以成为均相（2）预混合过程的时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量反应级数的工程意义是表示反应速率对于反应浓度变化的敏感程度2.3.3化学吸附的速率与平衡化学吸附可以分为活化化学吸附和非活化化学吸附。
活化化学吸附随着温度的变化服从阿伦尼乌斯方程；非活化化学吸附的活化能接近于零，吸附速率极快。
常常可以观察到化学吸附最初是非活化的，吸附进行得非常快，而随后速率变慢，且与温度有关，属于活化化学吸附1.理想吸附型理想吸附模型，基于如下假设（1）催化剂表面各处的吸附能力的均匀的，各吸附位具有相同的能量（2）被吸附物仅形成单分子层吸附（3）吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用（4）所有吸附的机理是相同的2.真实吸附模型不满足理想吸附条件的吸附，都称为真实吸附。
以焦姆金和弗隆德里希为代表提出不均匀表面吸附理论，真实吸附模型认为固体表面是不均匀的，各吸附中心的能量不等，有强有弱。
吸附时吸附分子首先占据强的吸附中心，放出的吸附热大。
随后逐渐减弱，放出的吸附热也愈来愈小。
由于催化剂表面的不均匀性，因此吸附活化能E a随着覆盖率的增加而线性增加，解吸活化能E d则随覆盖率的增加而线性降低，即2.4流固相非催化反应动力学两种反应（1）整体反应模型（2）收缩未反应芯模型3理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征常见的典型化学反应（1）简单反应（包括自催化反应）（2）可逆反应（3）伴有平行副反应的复杂反应（或平行反应）（4）伴有串联副反应的复杂反应（或串联反应）（5）自催化反应3.1.2反应器设计基本方程（1）物料衡算方程组分i 流入量=组分i 流出量+组分i反应消耗量+组分i积累量（2）热量衡算方程式带入的热焓=流出的热焓+ 反应热+ 热量的积累+ 传向环境的热量（3）动量衡算方程式动量守恒物料衡算和反应速率式是描述反应器性能的两个最基本的方程式3.2.1理想间歇反应器的特征从理想间歇反应器操作可以看到有以下特点（1）由于剧烈的搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递问题（2）由于反应器内具有足够的传热条件，反应器内各处温度始终相等，因而无需考虑反应器内的热量传递问题（3）反应器内物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
化学工程的原理
化学工程的原理化学工程是一门综合性的学科，它将化学与工程学相结合，研究并应用化学原理和科学技术，在工业生产和其他领域发挥重要作用。
化学工程的原理涉及到许多关键概念和理论，本文将对其进行详细探讨。
一、化学反应平衡及热力学化学反应平衡是化学工程的核心，它关乎反应物与生成物的相对浓度。
根据勒夏特利耶原理，当反应达到平衡时，正向反应与反向反应的速率相等。
平衡常数是反应浓度的比值，在恒温下保持不变。
热力学是研究能量转化与传递过程的学科，它在化学工程中起到重要的作用。
热力学定律包括能量守恒、熵变原理和自由能原理。
通过热力学分析，可以确定化学反应的热力学性质，提供工程设计和操作的依据。
二、传质与质量守恒传质是指物质从高浓度区域向低浓度区域的流动过程。
在化学工程中，传质是很常见的现象，它与分离、吸附、蒸馏等操作密切相关。
传质过程遵循质量守恒定律，在闭合系统内，进入和流出的质量必须保持平衡。
传质驱动力包括浓度梯度、温度梯度和压力梯度。
扩散是一种重要的传质机制，它由浓度差驱动，通过分子的随机运动实现。
化学工程师需掌握传质过程的理论与实践，以实现高效的物质转移。
三、流体力学与动量守恒流体力学研究流体的运动和相互作用，它在化学工程中主要应用于流体流动与输送。
流体流动受到压力、速度、粘度和密度等因素的影响。
根据连续性方程和动量守恒定律，流体运动可通过质量流率和动量流率来描述。
流体力学的应用包括管道输送、泵、搅拌、过滤等。
通过合理设计和优化操作条件，可以提高流体流动的效率和稳定性，进而提高化学工程的生产能力。
四、反应工程与反应器设计反应工程是将化学反应转化为工业生产过程的学科。
通过研究反应动力学、催化剂和反应器设计等方面的问题，可以实现反应过程的高效与稳定。
在反应工程中，需要考虑反应速率、热量传递、质量传递等因素。
反应器是实施化学反应的装置，根据反应类型和反应条件的不同，反应器的选择也有所差异。
它可以分为批式反应器、连续流动反应器和循环流化床反应器等多种类型。
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4 .4 .3 平均停留时间与散度Mean residence time and divergence
物料在反应器中的停留时间是一随机变量, 为了定量比较不同流动状况下的停留时间 分布, 可以用随机变量的两个特征值——— 数学期望与方差来表示。停留时间分布的 数学期望就是物料的平均停留时间t, 方差则 是停留时间分布的散度。 (一) 平均停留时间t (二) 方差Variance也称离散度dispersion, 是用以度量随机变量与其均值的偏离程度
4 .3均 相 反 应 器Homog4 .3 .2 化学反应器设计的基本方法 4 .3 .3间歇操作的釜式反应器(IBR ) ideal batch reactor 4 .3 .4全混流反应器(CSTR) continuous stirred tank reactor 4 .3 5活塞流反应器(PFR)(plug flow reactor, ) 4 .3 .6理想反应器的组合 4 .3 .7均相反应器的优化选择 4 .3 .8非等温反应过程 4 .3 .9有关成本核算
化学反应工程的基本原理
Basic principles of chemical reaction engineering
Dr.潘传艺
阐明化学反应工程课程地位，激发学生学 习兴趣。 The course position of chemical reaction engineering was elaborated in order to clarify the status of chemical engineering, and stimulate students' interest in learning
4 .1 .2化学反应工程中的基本概念
(一)关于体积
(二)关于时间 (三)混合与返混Mix and backmixing
4 . 2化学反应体系的量
4 .2 .1化学计量方程式
4 .2 .1化学反应进行的程度
4 .2 .3化学反应速率
4 .2 .4收率与选择性yield and selectivity 4 .2 . 5等温变容反应系统Isothermal reaction system
4 .4 .1 停留时间分布(residence time distribution)的定量描述
物料粒子在反应器内的停留时间分布是一个 随机过程, 它可以用概率分布的方法描述物 料粒子的停留时间分布, 即停留时间分布密 度函数和停留时间分布函数。 (一) 停留时间分布函数F( t) (二) 停留时间分布密度函数E( t)
4 .5 气 -固相催化反应Gas-solid catalytic reaction
气-固相催化反应是气相组分在固体催化剂作用下发生的 反应过程, 它在工业上有着广泛的应用。为使反应得以进 行, 反应物首先必须由气相主体扩散到催化剂的外表面( 外 部传质过程) ; 然后再由催化剂外表面通过催化剂颗粒的内 孔扩散到内表面( 内部传质过程) ; 反应物在颗粒内表面进 行表面反应后的产物从内表面扩散到外表面(内部传质过 程) ; 产物再从外表面向气相主体扩散, 上述过程是串联进 行的。外部传质和内部传质的一个重要差别是前者为单纯 的传质过程, 后者为传质和反应同时进行的过程。由于反 应往往伴有热效应, 因此在质量传递的同时, 催化剂的外部 和内部同时还存在热量传递。所以, 气-固相催化反应过程, 不仅受动力学因素的影响, 同时还受到传递因素的影响。 在化学工程中, 将化学反应规律与传递规律综合考虑对反 应结果的影响, 称为宏观动力学; 如果排除传递过程影响的 动力学称本征动力学。
(二)工业反应器
2.反应器的类型 同一反应在不同类型结构的反应器中进行，其化学反应的 效果是不相同的。如在带搅拌器的釜式反应器中进行的反 应，由于良好的搅拌提供了良好的传质条件;列管式反应 器的单位体积物料的传热面积比夹套反应器要大得多;还 有像氯化、硝化、还原等单元反应中的许多产品的生产， 在使用相同体积的反应器时，由于结构和操作条件的不同 能使生产能力提高数十倍甚至上百倍。所以，我们在设计 和选用反应器时，不仅需要了解化学反应的特点，还必须 熟悉各种反应器结构特点及传递特性。工业上反应器的类 型繁多，分类方法也有多种。
4 .5 . 1 外部传质过程External mass transfer process的影响
在气-固相催化反应中, 反应组分从气相主体 扩散到催化剂外表面的过程属于外部传质 过程。 (一) 反应速率和传质速率 (二) 外扩散效率因子η外与Da 准数的关系 (三) 外部传质对复杂反应选择性的影响
4. 4 化学反应器中的非理想流动 Non ideal flow in chemical reactors
在活塞流反应器中流体的粒子完全不返混而全混流反应器 中,粒子之间的返混程度达到最大。但实际上流体在反应 器内的流动状况与理想流动有不同程度的偏离,流体质点 间的返混程度介于活塞流与全混流之间。造成偏离的原因 很多,例如,由于流体在系统中速率分布不均匀,流体的分子 扩散和湍流扩散,搅拌引起的强制对流,因为反应器的设计、 加工和安装不良而产生的沟流、短路、死区等,使得流体 粒子在系统中的停留时间有长有短,有些物料粒子很快离 开了反应器;有些粒子却经历很长时间后才离开,从而形成 了停留时间分布。所以对实际工业反应器,一般需要采用 非理想流动模型来描述,建立各种流动模型的基础是物料 在反应器的停留时间分布。
4 .4 .2 停留时间分布的实验测定
为了简单起见, 在停留时间分布这节所讨论的流体流动常假定为流体 在流动过程中为恒容过程, 且无反应发生, 并且为一闭式系统。闭式系 统是假定在系统进口处流体粒子有进无出, 而在系统出口处则有出无 进。这种假定, 通常是符合大多数实际情况的。停留时间分布的实验 测定, 主要方法是示踪应答技术, 通过示踪剂跟踪流体在系统内的停留 时间。即用一定的方法将示踪剂从反应器进口加入, 然后在反应器出 口流体中检测示踪剂信号, 以获得示踪剂在反应器中停留时间分布规 律的实验数据。可以选用的示踪剂很多, 利用其光学的、电学的、化 学的或放射性的特点, 以相应的测试仪器检测其电导率、放射性物质 的活度等。最为直观的方法是向流体中加入少量有色颜料, 然后用光 电比色仪测定流出液颜色的变化。关于示踪剂的选择, 一般遵循下列 原则: 对流体流动状况没有影响; 示踪剂不参与反应、不挥发、不沉淀; 易于检测。根据示踪剂加入的方式不同, 可分为脉冲法、阶跃法和周 期输入法。 (一)脉冲法 （二）阶跃法
(三)化学反应工程学的研究方法
可见，在工业反应器中进行的化学反应，既不是实验室化学试验的再 现，也不是化学反应的简单放大。所以实验室研究成果的产业化，以 往通常先要在实验室规模的装置上试验，然后再在稍大的装置上试验， 并逐步放大，最后在工业装置上进行工艺过程的试验。这种方法安全 可靠，但却非常费事、费时且成本高。随着现代科学技术的发展，用 数学模型法对化学反应工程有关内容进行的研究也在迅速发展。数学 模型法就是将复杂的对象进行合理的简化，用数学表达式来表示反应 器的空间、时间与反应参数间的关系，即用数学语言来表达化学反应 过程中各个变量之间的关系。建立数学模型的一般程序包括:模型的建 立、模型参数的估计和模型的鉴别。具体做法是根据对实际化工过程 的理解、概括，提出一个合理的简化模型来模拟复杂的实际过程;然后 以简化了的模型确定各参数和变量之间的数学关系式—数学模型;最后 通过计算机进行模拟实验，并经过实际装置的检验和修正，建立有效、 可靠的数学模型以应用于放大计算。
4 .4 .4 理想反应器Ideal reactors中的停留 时间分布
理想反应器中流体, 其流动型态是确定的, 可以直接计算停留时间分布。 (一) 活塞流 (二) 全混流
4 .4 .5 实际反应器的设计方法( 流动模型)
实际反应器中流体的流动状况偏离理想流动, 称为非理想流动。产生 非理想流动的原因通常可以划分为两类: 第一类是由于反应器设计、 制造不良造成的病态流动, 这种情况下反应器的操作状况会严重恶化, 必须设法加以排除; 第二类是反应体系固有特性相互作用引起的非理 想流动, 此种情况下需要对非理想流动状况建立适宜的流动模型来预 测反应的结果。建立流动模型的依据是停留时间分布, 采用的方法为 对理想流动模型进行修正, 或者将理想流动模型与滞流区、沟流和短 路等作不同的组合, 所建立的模型宜便于数学处理, 模型参数一般不宜 超过两个, 而且能正确反映模拟对象的物理实质。需要注意的是, 形成 非理想流动的原因很多, 返混只是其中之一, 并且停留时间分布与反应 器中流体的返混之间不一定存在一一对应关系。即一定的返混必然会 造成确定的停留时间分布, 然而同样的停留时间分布可以由不同的返 混或由其他非理想流动所造成。因此模型选择的是否合理必须通过实 验检验。下面介绍三种非理想流动模型。 (一) 凝集流模型 (二) 多釜串联模型 (三) 轴向扩散模型
4 .1概 述
化学工业与其他工业的主要区别是在原料加工过程中发生了化学反应。化学反应 工程是一门研究在生产装置中进行化学反应的工程学科,它把反应的化学特性 和装置的传递特性有机地结合起来,形成了化学工程学的一个重要分支。它以 工业反应过程为主要研究对象,以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器 设计为主要研究内容。 化学反应工程是研究如何在工业规模上实现有经济价值的化学反应。任何一个化 学反应过程要实现工业化生产,必须做到技术上的可行性和经济上的合理性。 技术上的可行性包括一个反应过程有合适的催化剂,反应能以一定的速率和选 择率进行;对生成的产物可以通过一定的手段进行分离提纯;有适宜的反应温度、 压力等条件;反应过程产生的废料有合适的处理技术,以免对环境产生污染等。 当生产过程的技术问题解决之后,过程在经济上的合理性就成为工程技术人员 追求的主要目标。 工业反应过程的经济指标大都是指生产某一产品过程中所需的成本或产品的利润。 成本或利润的高低与生产费用密切相关。生产费用包括一次性的投资费用(主 要是设备和机器费用)及经常性的原料和操作费用。操作费用主要包括人工费、 动力消耗、能量消耗、设备维修和公用工程等方面的开支。决定工业反应过 程经济性的技术指标主要有反应速率、反应选择率及生产过程中的能量消耗。 因化工生产的复杂性,能耗往往要以整个流程、车间、甚至整个工厂作为一个 系统进行全面考察,这已超出本教材的讨论范围。本章主要以反应速率和反应 选择性作为衡量化学反应生产过程经济性的两个基本技术指标。