化学反应工程第二章-基本概念
化学反应工程-第2章
移项并积分得：
dCA kCA a CB b dt
CA 0
kt
dCA CA mCBn
CA
这时假设a，b分别为m， n ，则以时间t为横 坐标，以积分项 C
A0
CA
dC A m n C A CB
为纵坐标，当以具体数据代入时，作图就可 以得到斜率为k的直线。如果得到直线，则表明此 动力学方程是适合于所研究的反应的。若得到曲 线，则表明此动力学应被排除，应该重新假设a， b的值而加以检验。
即：
ln
C Ae
C A0 C Ae C A C Ae
1 k1 1 t K
代入2-20式得：
将实验测得的CA-t数据，按照上式 C
ln
C A0
A
C Ae C Ae
与t作图可以得一条直线，斜率为k1+k2, 又因为k1/k2可知，因此可以求出 k1,k2 值。
2.2 等温恒容过程 ⑵ 反应转化率
第二章 均相反应动力学基础
反应物A的转化率可以用下式定义
反应物A的转化量 n A 0 n A xA ＝ A的起始量 n A0
注意： ① 转化率恒为正。 ② 反应物一般指关键反应物（限制反应物、着眼反应物）， 其是以最小化学计量量存在的反应物。 ③ 根据nA0的选择不同，有单程转化率（以反应器进口物料 为基准，如氨合成过程的合成塔进口循环气。）和总转化率 （以过程进口物料为基准，如氨合成过程的新鲜气。）。
如果cA0远远小于cB0，cB在全部反应时间里近似 于不变，则二级反应可以作为拟一级反应处理。
适用范围：
利用积分法求取动力学方程式的过程， 实际上是个试差的过程，它一般在反应级 数是简单整数时使用。当级数为分数时， 试差就比较困难，这时应该用微分法。 其他不可逆反应动力学方程式的 积分式见书上表2-4.
化学反应工程(第三版)第二章
得
dnA Vdt
12.34cA2
[mol/L h]
14
2.2 单一反应速率式的解析
反应速率的定义式是微分式，将其与动力学方程关联并积分，可
得到反应物浓度随时间变化的关系。该过程称为反应速率式的解析。
本节介绍等温、恒容、间歇操作条件下单一反应速率式的解析。
2.2-1 不可逆反应
一、一级不可逆反应
A
5
2.1 基本概念及术语
二、膨胀因子（气相反应）
物理意义：每消耗1mol反应物K，引起整个物系总物质的量的变化。
（1）由化学计量式计算
K
i K
（2-1-16）
（2）由总物料衡算计算
K
n n0 nK 0 xK
n n0 n0 yK 0 xK
（2-1-17）
整理得
n n0 (1 K yK 0 xK )
行分析的基本依据。
9
2.1.2 均相反应动力学方程
解：将Arrhenius式取对数，则有
E ln k RT ln k0
由式可见，lnk与1/T之间为线性关系。整理表2.1-1中数据可得
10
lnk
B
-7.2
-7.4
-7.6
-7.8
-8.0
-8.2
-8.4
2.30
2.32
2.34
2.36
2.38
nk nk0 (1 xk )
则组分A的反应速率可用转化率表示为：
(rA )
dnA Vdt
nA0 V
dxA dt
恒容条件下
(rA )
cA0
dxA dt
讨论：转化率是衡量反应物转化程度的量，若存在多种反应物
化学反应工程第二章
nA = nA0(1− xA )
亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数 可得到任意组分在任意时刻的摩尔数 αI nI = nI0 + nA0xA (−αA )
7
1.计算转化率起始状态的选择： 计算转化率起始状态的选择： 计算转化率起始状态的选择 反应起始原料组成； （1）间歇反应器 ：反应起始原料组成； ） （2）连续流动反应器：进口原料组成； ）连续流动反应器：进口原料组成； 2.等容反应 CA=CA0(1- XA) 等容反应 3.可逆等容反应 CAe=CA0(1- XAe) 可逆等容反应 4.单程转化率：原料通过反应器一次达到 单程转化率： 单程转化率 的转化率 5.全程转化率：新鲜原料进入反应系统到 全程转化率： 全程转化率 离开系统所达到的转化率。 离开系统所达到的转化率。
4
(－a)A + (− b)B +L+ rR+ sS +L= 0
a A A + a B B + L + a R R + aS S + L = 0
∑a I = 0
I
•特点： 特点： 特点 •1 只反映组份间的计量关系 •2 乘以非零常数，计量关系不变 乘以非零常数， •3 不得含有除 之外的其它公因子 不得含有除1之外的其它公因子
• 必有
1 1 − rA = (− rB ) = (rC ) = (rD ) 2 2
−r I r= −αI
• 当I为反应物时， 为反应物时， 为反应物时 • I为产物时， 为产物时， 为产物时
r=
αI
19
r I
• 用转化率表示反应速率： 用转化率表示反应速率： nA0 dx A kmol －rA = 一般式 3 V dt m s • 用浓度表示反应速率： 用浓度表示反应速率：
反应工程第二章反应动力学
① Ea1=Ea2，与温度无关
② Ea1＞Ea2，温度增加，瞬时选 择性提高
③α＜β，浓度减少，瞬时选择 ③ Ea1＜Ea2，温度增加，瞬时选
性增加
择性降低
30
2.2.2 复合反应
③一级平行反应的动力学积分式
A P, rP k1CA A Q, rQ k2CA
等温 恒容
(rA
)
dCA dt
k1C A
nA nA0 X A CA0 V X A
此时转化了B的两量：
CB
nB V
CB0V
aB aA
VC A0 X
A
V
nB
aB aA
C A0V
XA
CB0 1
aB aA
C A0 CB0
X A
令：
a1
aB aA
C A0 CB0
，则
CB CB0 1 a1 X A
11
根据转化率定义: CA CA0 1 X A
0.1707
4
0.1879 0.04525
0.2160
5
0.1792 0.05405
0.2630
6
0.1723 0.06086
0.3030
7
0.1649 0.06833
0.3470
8
0.1592 0.07398
0.3820
1 cA
1 cA0
0
0.3244
0.5686
0.7983
1.03375
1.2922
k
CAα
C
β B
经积分后得：
CA dc A
C A0
c
A
c
B
kt
化学反应工程第二章
1 1 - xA kt
=
nA0
CA nA
CA C A0
=1 - x A
ln
ln
1 1 - xA
斜率﹦k 或
ln
C A0 CA
t
二级不可逆反应 A﹢B→产物
若 CA0﹦CB0
CA
( rA ) kC A
2
dC A dt
kC A C B
dC A dt
1 CA
dC A CA
2.13 93 k 5.02 86.8 k 0.0181 0.0309 1 2.13 K 1 5.02 K B B
2
2
2
9.58 89.3 k 6.46 86.3 k 0.0408 0.0338 1 9.58 K 1 6.46 K B B 3.3 92.2 k 0.0263 1 3.3 K B
第2章 均相反应动力学基础
2.1 概述
均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均 处同一个相内进行的化学反应。
烃类的高温裂解为气相均相反应，酸碱中 和、酯化反应为典型的液相均相反应。
2.1.1化学反应速率及其表示
化学反应速率 ：单位时间、单位反应体积、组分A 的摩尔数变化量称为A组分的反应速率。 例 反应物
1 xA C A0 1 xA
斜率﹦k 或
1 CA
1 C A0
t
若 CA0≠CB0 ,设β﹦ CB0 ／CA0
dC A dt
kC A C B
CA
化学反应工程第二章均相反应动力学基础
A
A+P
P
P+P
（2-8）
（2-9）
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
⑴转化率 转化率一般用关键组分来表示。所谓关键组分必须是反 应物，生产上选择的关键组分一般是反应物料中的主要
组分,即价值较高且不应是过量的，因此转化率的高低，
会一定程度上反映过程的经济效果，对反应过程的评价 提供直观的信息。
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
对于选择率一般有平均选择率和瞬时选择率之分，以平 行反应（2-5）、（2-6）为例，
两种选择率的定义为： 平均选择率 瞬时选择率 （2-2）
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
⑶收率Y 收率的定义为：
Y 生成目的产物所消耗的 A摩尔数 A的起始摩尔数
（2-3）
COCl2
3 2 2 CO CO Cl 2
(2-12)
该反应的速率方程为：
(rCO ) k c c
（2-18）
则对于氯气的反应级数是分数。
2.1.5 反应动力学方程
⑵反应速率常数kA 由式（2-13）知，当A、B组分的浓度等于1
(rA )k A ，说明kA就是浓度为1时的速率。 时，
温度是影响反应速率的主要因素，随着温度的升高速
三级反应常见。例如下面的气相反应(2-11)：
2NO+O2 动力学速率方程为：
2 (rNO ) k NO cNO cO2
2NO2
(2-11)
（2-17）
2.1.5 反应动力学方程
级数在一定温度范围内保持不变，它的绝对值不会超过3， 但可以是分数，也可以是负数。例如下面的光气合成反 应：
CO+Cl2
生产上还经常遇到循环反应器，如合成氨或合成甲醇的 合成塔等，由于化学平衡或其他原因的限制，原料一次 通过反应器后，转化率一般很低，需要把出口的反应混
化学反应工程第二章解析
第二章 均相反应动力学基础均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。
在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度一、计量方程反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。
计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。
二、化学反应速率单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。
反应物：生成物：对于反应三、化学反应速率方程r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。
32223NH H N =+032223=--N H NH A A Adn r Vd d t C dt=-=-R R Rdn r Vdt dC dt==A B S R A B S Rαααα+=+SABRABSRr r r r αααα===AA AB r [k (T)][f(C ,C ,)]=有两类；双曲函数型和幂函数型。
k -化学反应速率常数； a(b)-反应级数。
(1)反应级数(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。
(2)反应速率常数k[k]: s -1·(mol/m 3)1-nE ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。
E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。
k 0 —指前因子,其单位与 反应速率常数相同；E— 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。
a b A A B r kC C=2220.512H Br HBrHBrBr k c c r c k c =+0exp[]E k k RT=-01ln ln E k k R T=-⨯ln klnk 0 slop=-E/R1/T⏹ 反应速率的温度函数关系● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
均相反应的动力学基础
均相反应的动力学基础化学反应工程第二章均相反应动力学基础1§2.1基本概念和术语若参于反应的各物质均处同一个相内进行化学反应则称为均相反应。
均相反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。
§2.1.1化学计量方程化学计量方程：表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。
一个由S个组分参予的反应体系，其计量方程可写成：Si1iAi0式中：Ai表示i组分，i为i组分的计量系数。
通常反应物的计量系数为负数，反应产物的计量系数为正值。
注意：1．计量方程本身与反应的实际历程无关，仅表示由于反应引起的各个参予反应的物质之间量的变化关系。
2．规定在计量方程的计量系数之间不应含有除1以外的任何公因子。
这是为了消除计量系数在数值上的不确定性。
单一反应：只用一个计量方程即可唯一给出各反应组分之间量的变化关系的反应体系。
复杂反应：必须用两个或多个计量方程方能确定各反应组分之间量的变化关系的反应体系例如，合成氨反应的计量方程通常写成：N23H写成一般化的形式为：N23H而错误的形式有：2N26H2222NH32NH304NH30§2.1.2反应程度和转化率反应程度是各组分在反应前后的摩尔数变化与其计量系数的比值，用符化学反应工程第二章均相反应动力学基础2号ξ来表示，即：n1n10nini0nknk01ik或写成：nini0ii1．不论哪一个组分，其反应程度均是一致的，且恒为正值。
2．如果在一个反应体系中同时进行数个反应，各个反应各自有自己的反应程度，则任一反应组分i的反应量应等于各个反应所作贡献的代数和，即：Mnini0j1ijj其中：M为化学反应数，ij为第j个反应中组分I的化学计量系数。
转化率是指某一反应物转化的百分率或分率，其定义为：某某一反应物的转化量该反应物的起始量nk0nknk01．如果反应物不只一种，根据不同反应物计算所得的转化率数值可能是不一样的，但它们反映的都是同一个客观事实。
化学反应工程 各章小结
一、基本概念反应程度；转化率；化学膨胀因子；收率和选择率；反应速率表示方式；空速；接触时间；动力学方程形式；床层空隙率ε；催化剂颗粒有关参数（g g b p t S V θρρρ、、、、、）及相互关系；吸附等温方程；最佳温度和最佳温度曲线。
二、核心内容1．连续系统反应速率的表示方式及其相互关系2．气－固相催化反应本征动力学方程的建立。
第二章本章小结一、基本概念内扩散有效因子ζ；总体速率方程通式；催化剂颗粒内气体扩散方式；努森扩散；综合扩散；有效扩散系数D eff ；曲节因子δ；西勒模数φ；外扩散有效因子ζex ；Damköhler 准数。
二、核心内容1．球形催化剂颗粒内组分的浓度分布和温度分布微分方程；2．等温一级不可逆反应内扩散有效因子的解析解及总体反应速率方程；3．影响内扩散有效因子的基本因素；4．气－固相催化反应总体速率方程；5．气－固相催化反应器的型式和特点。
第三章本章小结一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；反应器设计基本方程；间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器和多级全混流反应器的特点。
二、核心内容1．间歇反应器计算；2．平推流反应器计算；3．全混流反应器计算；4．多级串联全混流反应器计算及其优化。
5．反应器型式选择；第四章 本章小结一、基本概念宏观混合；微观混合；连续反应过程的考察方法；停留时间分布函数和分布密度；阶跃法；脉冲法；停留时间分布数字特征；轴向混合模型及其模型参数E z ；多级串联全混流模型及其模型参数m 。
二、核心内容1．停留时间分布的测定方法及其数字特征；2．轴向混合模型和多级串联全混流模型停留时间分布的数字特征及其模型参数；3．轴向混合反应器和多级串联全混流反应器转化率计算。
一、基本概念带化学反应的气液平衡；溶液中气体溶解度估算；传质模型的主要特征；吸收准数M；化学吸收增强因子β；液相反应利用率η；C不同反应在气膜和液膜中的浓度分布；临界浓度()BL C二、核心内容1．气体在液膜中的扩散－反应方程；2．不同反应扩散－反应方程及β的求解；3．不同反应气液相间的化学吸收速率方程（总体反应速率方程）；提高化学吸收速率的基本措施；4．气液反应器型式和特点。
化学反应工程 第二章 均相反应动力学基础
2 等温恒容过程
3 等温变容过程
化学反应工程
2.1 概述
1
化学反应速率及其表示
2
反应速率常数k
化学反应工程
2.1 概述
均相反应是指在均一的液相或气相中进行的反应，这 一类反应包含很广泛的范围。 研究均相反应过程，首先要掌握均相反应的动力学。
它是不计过程物理因素的影响，仅仅研究化学反应本身的
反应速率规律，也就是研究物料的浓度、温度以及催化剂 等因素对化学反应速率的影响。
2.2.1单一反应动力学方程的建立
（３）将步骤（２）所得到的各 对 作图，若得到的
为一条通过原点的直线，说明所假定的机理与实验数据相符合
。否则，需重新假定动力学方程并加以检验，此步骤如图2-6 （b）所示。
化学反应工程
2.2.1单一反应动力学方程的建立
例２-１ 在恒容下的液相反应， ，实验测得
如下的数据，试用微分法和积分法建立动力学方程。
化学反应工程
2.1.1 化学反应速率及其表示
对于气相反应，由于分压与浓度成正比，也常常使用分 压来表示：
双曲线型动力学方程型式，如合成溴化氢的反应是一 个链反应，其动力学方程为：
化学反应工程
2.1.1 化学反应速率及其表示
化学反应工程
2.1.1 化学反应速率及其表示
常见的复合反应有：
连串反应
平行反应 平行-连串反应
化学反应工程
2.1.1 化学反应速率及其表示
化学反应速率的定义，是以在单位空间（体积）、单
位时间内物料（反应物或产物）数量的变化来表达的，用
数学形式表示即为：
化学反应工程
2.1.1 化学反应速率及其表示
化学反应工程
化学反应工程-复习(二三四章)
k1 k1 − k 2
第二章 均相反应动力学基础 3 膨胀因子 膨胀因子是指每转化掉 摩尔反应物A时所引起的反应物料 是指每转化掉1 膨胀因子是指每转化掉1摩尔反应物 时所引起的反应物料 总摩尔数的变化量， 总摩尔数的变化量，即：
n − n0 n − n0 δA = = n0 y A0 x A n A0 x A
第二章 均相反应动力学基础 得率和收率为: 得率和收率为: Χ
Φ
P
= =
k k
1
k1 − k k1 − k
[e
2
− k
2
t
− e
− k1t
]
e
2
− k
P
1
− e − k1t 1 − e − k1t
2
t
对这种反应，中间物P存在一最高浓度，对应时间为 对这种反应，中间物P存在一最高浓度，对应时间为topt。以CP对topt 求导： 求导：
C A0
εA =
Vx A =1 − Vx A =0 Vx A = 0
它既与反应的化学计量关系有关， 它既与反应的化学计量关系有关，也与系统的惰性物量有 关。
第二章 均相反应动力学基础
它与膨胀因子的关系： 它与膨胀因子的关系：
ε A = y A0δ A
对物系体积随转化率为线性变化的过程， 对物系体积随转化率为线性变化的过程，有：
2.2 等温恒容过程 瞬时收率： 瞬时收率：
第二章 均相反应动力学基础
ϕP
目的产物的生成速率 = 关键反应物的消耗速率
rP dC P ＝ ＝− rA dC A
瞬时选择性： 瞬时选择性：
目的产物的生成速率 sP = 某一副产物的生成速率 rP dC P ＝ ＝ rS dC S
化学反应工程 第二章
第二章 气－固相催化反应宏观动力学 概述在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。
42223323322222233332322CH H O CO H CH OH +0.5O HCHO+H OCO H CH OHCH CHCH NH O CH CHCN H ON H NH +++=++=++从上述反应可以得出气－固相催化反应的特点。
1. 反应特点1）反应物和产物均为气体；2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面。
2. 反应步骤反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应过程组成的，反应分5步进行。
1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散；2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。
第1、5步称为外扩散过程，第2、4步称为内扩散过程，第3步称为本征动力学过程。
在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的，相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。
3.宏观动力学气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相主体、固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率的“总和”，称之为总体速率。
气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过程，称之为宏观动力学，其速率称为总体速率。
4.本章主要内容讨论气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内容有以下几方面。
1）催化剂颗粒内气体的扩散；2）催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散有效因子；3）宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。
第一节气－固相催化反应的宏观过程2－1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布设某反应的关键组分为A；催化剂为球形，关径R p；颗粒内活性组分均匀分布；颗粒外表面有滞流边界层；A 在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为C Ag 、C As 、 C Ac ；平衡浓度为C A *。
化学反应工程课件—第二章（反应速率）（ＰＤＦ）
1
第二章 反应动力学基础
讲授内容
1 基本概念 2 单一反应速率式 3 复合反应 4 链锁反应
2009-5-3
2
2.1 基本概念
1 化学计量方程
本节 讲授 内容
2 化学反应速率的定义 3 转化率等重要概念
4 化学反应速率方程
4 反应机理与速率方程
2009-5-3
3
一、化学计量方程
100 − x / 2
100 − x / 2
解得： x = 1.504mol
y = 0.989mol
乙烯的转化量为 ：1.504 + 0.989 / 2 = 1.999mol
2009-5-3
23
所以，乙烯的转化率为： 1.999 /15 = 13.33%
环氧乙烷的收率为： 1.504 /15 = 10.03%
和反应后的摩尔数 yk0、yk为着眼组分K的 起始摩尔分率和反应后
yK
= yK 0 (1− xK )
1+ δK yK0xK
对于任何反应组分i有
2009-5-3
的总摩尔数
yi
= yi0(1− xi )
1+δK yK0xK
=
yi0
(1−
αi αK
yK0 yi0
xK )
1+δK yK0xK 27
δK
= n − n0 nK 0 − nK
意
算结果均是如此)，对于复杂反应Φ ≠ x
¾ 收率也有单程和全程之分（循环物料系统）
¾ 无论是收率还是选择性，还有其它的定义(结果不
一样，但说明同样的问题)
¾ 转化率x只能说明总的结果， Φ 说明在转化的反
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。
化学反应工程 第二章 均相反应动力学基础
for the volume of the person in
question
V person
75kg 1000kg / m3
0.075m 3
Next, noting that each mole of glucose
consumed uses 6moles of oxygen and
release 2816kJ of energy, we see that
T RT 2
ln
k
ln
k0
E RT
Temperature Rise Needed to Double the Rate of Reaction for Activation Energies and Average Temperatures Shown
Average
Activation Energy E
按反应工程观点：ri =f (P, T, C, Catalyst, 三传)
----宏观动力学方程
本征动力学
只研究化学因素而排除物理因素对反应速率的影 响的学科
宏观动力学
研究物理因素与化学因素共同影响化学反应速率 的学科
动力学方程有两大类：
幂函数型
经验型 由质量作用定律导出 多用于均相反应
第二章 均相反应的动力学基础
基本概念 简单反应 复合反应 连锁反应
2.1 基本概念和术语
化学计量方程 化学反应速率 反应转化率和反应程度 反应速率方程
化学计量方程
表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化 关系的方程。
一个由S 个组分参与的反应体系,其计量方程写
为: α1A1+α2A2+…+αsAs=0
1 V
反应工程pdf
反应工程反应工程是一门研究化学反应过程、反应器设计、反应条件优化以及反应产物的分析和控制的学科。
它涉及化学、化工、材料科学等多个领域，旨在实现化学反应的高效、可控和可持续进行。
本文将从反应工程的基本概念、反应器设计、反应条件优化、反应产物分析等方面进行探讨。
一、基本概念1.化学反应：化学反应是指物质在原子、离子或分子层面上发生的原子或离子重新组合的过程，伴随着能量的吸收或释放。
化学反应具有方向性、可逆性和平衡性等特点。
2.反应速率：反应速率是指单位时间内反应物浓度变化的快慢。
影响反应速率的因素有温度、浓度、压强、催化剂、反应物表面积等。
3.反应机理：反应机理是指化学反应过程中，反应物分子或离子发生断裂、形成新键等微观过程。
了解反应机理有助于解释反应现象、预测产物结构以及优化反应条件。
4.反应热力学：反应热力学研究化学反应过程中能量变化与反应条件的关系。
主要包括反应焓、反应熵、反应自由能等概念。
二、反应器设计1.反应器类型：根据反应物状态、反应条件、反应机理等因素，反应器可分为气相反应器、液相反应器、固相反应器等。
气相反应器主要包括管式反应器、釜式反应器等；液相反应器主要包括搅拌釜、膜反应器等；固相反应器主要包括固定床反应器、流化床反应器等。
2.反应器设计原则：反应器设计应考虑反应物的混合、反应条件的控制、反应产物的分离、热量传递等因素。
同时，要确保反应器具有良好的操作稳定性、安全性和环保性能。
3.反应器优化：通过改变反应器结构、提高反应物接触效率、优化反应条件等手段，提高反应速率和产物收率。
常见的优化方法有：增加反应物表面积、提高反应温度、使用催化剂等。
三、反应条件优化1.温度：温度是影响化学反应速率和平衡的关键因素。
提高温度有利于加快反应速率，但可能导致平衡向逆反应方向移动。
因此，需要在保证反应速率的前提下，选择合适的温度。
2.浓度：浓度影响反应速率和平衡位置。
适当提高反应物浓度可以加快反应速率，但过高的浓度可能导致反应体系不稳定。
化学反应工程基本概念
化学反应⼯程基本概念第⼀章1. 化学反应⼯程是⼀门研究 (化学反应个⼯程问题)的科学。
2. 所谓数学模型是指 (⽤数学⽅法表达各变量间的关系)。
3. 化学反应器的数学模型包括（动⼒学⽅程式、物料横算式⼦、热量衡算式、动量衡算式和参数计算式）4. 所谓控制体积是指（能把反应速率视作定值的最⼤空间范围）。
5. 模型参数随空间⽽变化的数学模型称为（分布参数模型）。
6. 模型参数随时间⽽变化的数学模型称为（⾮定态模型）。
7. 建⽴物料、热量和动量衡算⽅程的⼀般式为 (累积量=输⼊量-输出量)。
第⼆章1. 均相反应是指 (在均⼀的液相或⽓相中进⾏的反应)。
2. 对于反应aA + bB → pP + sS ，则r P =( p/a )r A 。
3.着眼反应物A 的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A 的量/反应开始的物料A 的量)。
4. 产物P 的收率ΦP 与得率ХP 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。
5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β，⽤浓度表⽰的速率常数为k C ，假定符合理想⽓体状态⽅程，如⽤压⼒表⽰的速率常数k P ，则k C =[ (RT)的a+B 次⽅]k P 。
6.对反应aA + bB → pP + sS 的膨胀因⼦的定义式为（P+S ）-(A+B))/A 。
7.膨胀率的物理意义为 (反应物A 全部转化后系统的体积变化率)。
8. 活化能的⼤⼩直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。
9. 反应级数的⼤⼩直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。
10.对复合反应，⽣成主产物的反应称为 (主反应)，其它的均为(副反应)。
11. 平⾏反应A → P 、A → S 均为⼀级不可逆反应，若E 1＞E 2，选择性S p 与 (A 的浓度)⽆关，仅是 (A 的浓度) 的函数。
12. 如果平⾏反应A → P 、A → S 均为⼀级不可逆反应，若E 1＞E 2，提⾼选择性S P 应(提到温度)。
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➢用一个计量方程表示的反应体系成为单一反应 ➢用多个计量方程表示的反应体系成为复合反应
2020年10月23日星期五
3、反应速率
1）反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反应量 或产物的生成量（物质的量）。
对于封闭系统(反应器无物料进出)
➢反应级数是由试验获得的经验值，只能在获得其值的试验条 件范围内加以应用，反应级数在数值上可以是整数、分数也 可以是负数，但总反应级数一般不可能超过3。
2020年10月23日星期五
2）速率常数 k ➢ 意义: 所有反应组分的浓度均为1时的反应速率。 ➢因次： 与反应速率的表示方式、速率方程的形式、反应物
ni ni
i
对任意组分i有: i ni ni0
0 nk nk 0 k
xi
i
ni 0
xk
k
nk 0
xi
i k
nk 0 ni 0
xk
——已知一组分的转化率求其他组分的转化率
2020年10月23日星期五
3）膨胀因子
化学反应
等分子反应：当计量方程中计量系数的代数和
等于零时，即：
s
i 0
i
rA
dnA Vdt
反应物的速率前加“－”
2020年10月23日星期五
2）反应速率和计量系数的关系
反应 A A BB S S RR
dnA : dnB : dnS : dnR A :B :S :R
rA : rB : rS : rR A : B : S : R
rA
rB
rS
rR
A
B
S
R
对于恒容反应: rA dcA dt
2020年10月23日星期五
注意：此定义式仅适用于间歇系统、封闭系统。
对于稳态连续流动体系，要由物料衡算确定反应速
率表达式
即：输入速率=输出速率+转化速率+累积速率 例如间歇反应： 输出 输入 0
转化 （ rA）V
2020年10月23日星期五
累积 dnA dt
5、反应速率方程
反应速率方程： 在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述 反应速率与温度及反应物系的组成的关系式
双曲线型： 由所假定的反应机理推导而得 均相反应速率方程
幂函数型： 依据质量作用定律
基元反应 rA kcAcB
2020年10月23日星期五
1）反应级数α、β
各浓度项上方的指数α、β， 称为总反应级数。
n n0 1 yk0 xk
n n0 k yk0xk 1
——由xk和δk求着眼组分k的摩尔数表达式
又根据转化率的定义：
nk nk0 1 xk
yk
nk n
nk0 1 xk
n
n0 yk0 1 xk
n
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yk0 1 xk
n / n0
yk
yk0 1 xk
1 k yk0 xk
2020年10月23日星期五
例：合成氨反应：N2 3H2 2与NH按3 化N2学计H量2 比混合
，当
时，求x
N
和
2
0?.4
y y N2 H2
分析:
是 计量方程
求
yN2
已知
yH2
xN2
是否等分子
否
求 N2
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解：
s
i
N2
i 1
k
1 3 2 2
1
yN2
yN2O (1 xN2 )
——由δk计算yk的表达式
同理：对于任何反应组分i均有
yi
ni n
n0 yi0 (1 xi ) yi0 (1 xi )
n
n n0
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yi0 (1 xi )
1 k yk0 xk
yi
yi0 (1
i k
yk 0 yi0
xk
)
1 k yko xk
——由δk计算任一yi的表达式
注意 ： ➢ 反应级数不能独立的表示反应速率的大小，只是表明反应 速率对各组分的浓度的敏感程度，反应级数越大，反应速率 对浓度的敏感程度就越大。
2020年10月23日星期五
➢反应级数由试验获得，它与反应机理无直接的关系，也不 等于各组分的计量系数。只有当化学计量方程与反应实际历 程的反应机理相一致时，反应级数与计量系数会相等。
系组成的表示方法有关。
当反应速率采用kmol/m3s为单位时，则k的因次
为s-1(kmol/m3)[1-（a+b)]。
对于气相反应，反应速率方程表示为：-rA=kpAαpβB k的因次为：s-1kmol.m-3Pa –(a+b)
2020年10月23日星期五
➢ 反应速率常数与温度、压力、催化剂及其浓度、溶剂
dnA dt
rAV
4、反应程度和转化率
1）转化率
反应物k的反应物质的量 与nk其初态的物质的量
比，用 表xk示。
nk 0之
xk
组分反应掉的摩尔数 组分的起始摩尔数
nk0 nk nk 0
2）反应程度
各组分在反应前后摩尔数变化与其计量系数的比值，
用ξ表示
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n1n10 1
一、基本概念和术语
1.均相反应
均相反应： 参予反应的各物质均在同一相内进行的化学反应。
如：烃类的高温气相裂解反应，一般的酯化、皂化
反应等 均相反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和
压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并
确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关
2020年10月23日星期五
1 y x N2 N2 N2
1 (1 0.4)
1
4 (2)
1
0.4
4
2020年10月23日星期五
0.1875
yH2
yH2O (1
H2 N2
yN2O yH2O
xN2 )
1 y x N2 N2O N2
3 (1 3 1 0.4)
4 1 (2)
3 1 0.4
4
0.5625
2020年10月23日ຫໍສະໝຸດ 期五s非等分子反应： i 0
i
如：恒温、恒压下连续的气相
均相反应或气-固催化反应
2020年10月23日星期五
对于非等分子反应定义：
s
k i k i 1
意义：每反应掉1kmol的反应物k所引起反应体系总摩尔数的
变化量
其他表达方法：
k
n n0 nk 0 xk
n n0 n0 yk 0 xk
2020年10月23日星期五
系的速率方程。
2、化学计量方程
a1A1 a2 A2 as As 0
几点说明：
s
ai Ai 0
i 1
➢ 产物的计量系数为正，反应物的计量系数为负
➢ 计量方程式仅仅表示反应物间的质量变化，与反应历程无关。
2020年10月23日星期五
s
➢计量方程的写法统乘以非零因子都成立，即： ai Ai 0 i 1