天津大学工业化学基础课件反应工程基础
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化学反应工程课件
第二章 反应动力学基础
天津大学化工学院 反应工程教学组
整理PPT课件
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
AABB RR
rAV 1d dAn ,trBV 1d dBn ,trRV 1ddRnt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此
A
rB
B
rR R
r
r 1 dni 1 d iV dt V dt
恒容 rAV 1d(c dA V t)ddA ctc V 整A 理d Pd PT课V t件 过程
rA
dcA dt3
流动床反应器（定常态过程）
FA0
FA
M
Vr
FA
dVr
FA+dFA
连续反应器 反应速率
rA
dFkc A A c B B c R R kcA A cB B cR R
整理PPT课件
8
平衡时，r＝0 kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
阿累尼乌斯方程 kAexp E/(R)T
指前因子
活化能
k又称为比反应速率，其意义是所有反应组分 的浓度均为1时的反应速率。它的因次与速率 方程的形式和反应速率及浓度的因次有关。
lnklnAERT
lnk1T
气相反应
kc整(R 理PPT)课 件T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
天津大学化工学院 反应工程教学组
整理PPT课件
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
AABB RR
rAV 1d dAn ,trBV 1d dBn ,trRV 1ddRnt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此
A
rB
B
rR R
r
r 1 dni 1 d iV dt V dt
恒容 rAV 1d(c dA V t)ddA ctc V 整A 理d Pd PT课V t件 过程
rA
dcA dt3
流动床反应器（定常态过程）
FA0
FA
M
Vr
FA
dVr
FA+dFA
连续反应器 反应速率
rA
dFkc A A c B B c R R kcA A cB B cR R
整理PPT课件
8
平衡时，r＝0 kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
阿累尼乌斯方程 kAexp E/(R)T
指前因子
活化能
k又称为比反应速率，其意义是所有反应组分 的浓度均为1时的反应速率。它的因次与速率 方程的形式和反应速率及浓度的因次有关。
lnklnAERT
lnk1T
气相反应
kc整(R 理PPT)课 件T kp(R/T p )ky 12
●正逆反应活化能与反应热的关系
天津大学工业化学基础第三章第一节概述PPT课件
28.11.2020
28.11.2020
28.11.2020
目标： 单位设备容积的反应器处理能力大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
28.11.2020
1)改进和强化现有反应技术和设备,使之优 质、高产、低能耗；
(2)开发新的反应技术和设备； (3)利用实验室数据解决反应过程中放大问
题； (4)实现反应过程的最优化； (5)不断发展化学反应工程学的理论和方法 （6）化学反应器的正确选型与合理设计
28.11.2020
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
大规律，具有十分重要的意义
28.11.2020
在现代化大规模连续操作的化工厂中，化 学反应器约占生产设备总投资的15％－20 ％，分离设备的投资占生产设备总投资的 大部分。但是反应器设计的优劣、反应结 果的好坏，常常是决定整个生产过程效益 的关键所在。在现代生产体系中，社会分 工较细，一个工厂的产品常常又是另一个 工厂的原料，所以构成化工产品成本的诸 因素中，原料所占的比重常常是决定性的。 如何在一个化学反应过程中，最大限度地 利用原料生产出最多的目标产品，就成为 至关重要的因素，而这一问题正是化学反 应工程所要研究解决的。
化学反应工程 及反应器
28.11.2020
第一节 概述
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法 4 化学反应过程分类
天津大学工业化学基础课件第一章-化工模拟计算软件
2021/4/6
13
石油化工中的应用
• 轻烃系统 SRK/PR/BWRS水为纯水相，用COSTALD计算 液相密度 SRKKD水为严格第二相，用用COSTALD计算 液相密度
• 芳烃系统 LIBRATY低压下适用 GS/SRK/PR高压下适用
• 芳烃/非芳烃系统 SR202K1/4/6M/PRM/SRKH/PRH/NRTL/UNIFAC 14
2021/4/6
3
二、主要的化工模拟软件
• 用于化工设计的计算机软件可以分为：物性数 据检索、化工过程模拟、计算机辅助绘图设计 （CAD）、计算机辅工程设计（CAE）等
• 化工过程模拟或流程模拟软件是进行化工工艺 计算常用和有效的化工模拟软件。目前常用的 有ASPEN、PRO/II、HYSYS、ChemCAD等。
的第二相，还是作近似处理？作为严格
的第二相需采用适用于两液相的热力学 模型
2021/4/6
11
炼油和气体处理体系
• 水的考虑：用烃类热力学模型中水的简 单处理方法－－水倾析模型完全可以满 足要求。如：SRK、PR、BK10、GS
• 低压原油系统（常减压塔）：BK10、 GS/IGS、SRK、PR
• 高压原油系统：GS、SRK/PR
2021/4/6
15
化学方面的应用
• 非离子体系 WILSON不能用于两液相体系 NRTL/UNIQUAC可用于两液相体系 SRKH/PRH/SRKM/PRM对高压或大量非重要气 体系统，单液相和两液相均可用
4. 数据库 一般商业软件都自己配有比较全面 的数据库，手工查询和使用起来工作量大
2021/4/6
2
• 可行性 计算机技术的迅速发展使原来复杂、 繁琐、费时的化工过程计算变得简便快捷，许 多原来无法进行、只能简化近似的计算变得可 能和精确，对于计算中所涉及的物性数据检索、 物料衡算和能量衡算以及复杂的热力学模型的 求解，都可以由计算机来完成。随着软件技术 的发展，出现了很多用于化工模拟的商业软件， 这些软件界面友好，使用简单，功能强大，已 经成为进行工程设计和指导实际操作不可缺少 的重要工具和必要手段。
天津大学工业化学基础课件第一章-热量衡算概要4
0 0 T 298
温度，K
298
300
400
0
0.04
2.37
H T H 298 千卡
0 0
• （1）利用苯的H-T图 从苯的H-T图上查得 80℃、1大气压的气体苯的焓是H=131×4.1868 = 548.3 kJ/kg , 20℃液体苯的焓是H=8×4.1868 = 33.5 kJ/kg。每千克苯的焓变为： • △ H = H出─H入 = 548.3─33.5 = 514.8 kJ/kg • 100千克苯焓变 (即需热) • 514.8 ×100 =51,480 kJ/h
• 对一个稳定的连续反应过程来说，系统中能量 的积累为零。在不讨论能量转换而只计算热量 的变化时，热量衡算也就是计算在指定的条件 下此反应过程的焓变。根据热力学第一定律， 对于一个等压过程，在只做膨胀功的情况下， 其焓变等于反应所需吸收或放出的热量，也就 • 是等于外界向反应系统供给或取出的热量。 • -△H=QP
热量衡算的基本步骤
• (1)建立以单位时间为基准的物料平衡表（或平衡图）。我们已指 出，物料衡算是热量衡算的基础，物料衡算的最终结果—物料平 衡表．即可作为进行热量衡算的依据，计算时以单位时间为基准 较方便。 • 有了物料平衡表，就可以建立热量衡算式。 • （2）选定计算基准温度 这是一个比较基准，就是说输入系统的 热量和自系统输出的热量应该有同一的比较基准，这比较基准是 人为设定的，可以选0℃（273K）,也可以选25℃（298K），或者 选其它温度。因为文献上查到的热力学数据大多数是298K时的数 据，故选298K为基准温度在计算时比较方便。其次，计算还要确 定基准相态。
• c. 混合物热容 • 生产上遇到混合物的机会比遇到纯物质的机会多得多， 而混合物的种类、组成又各不相同，除极少数混合物 有实验测定的热容数据外，一般都根据混合物内各物 质的热容和组成进行加和计算，即
温度，K
298
300
400
0
0.04
2.37
H T H 298 千卡
0 0
• （1）利用苯的H-T图 从苯的H-T图上查得 80℃、1大气压的气体苯的焓是H=131×4.1868 = 548.3 kJ/kg , 20℃液体苯的焓是H=8×4.1868 = 33.5 kJ/kg。每千克苯的焓变为： • △ H = H出─H入 = 548.3─33.5 = 514.8 kJ/kg • 100千克苯焓变 (即需热) • 514.8 ×100 =51,480 kJ/h
• 对一个稳定的连续反应过程来说，系统中能量 的积累为零。在不讨论能量转换而只计算热量 的变化时，热量衡算也就是计算在指定的条件 下此反应过程的焓变。根据热力学第一定律， 对于一个等压过程，在只做膨胀功的情况下， 其焓变等于反应所需吸收或放出的热量，也就 • 是等于外界向反应系统供给或取出的热量。 • -△H=QP
热量衡算的基本步骤
• (1)建立以单位时间为基准的物料平衡表（或平衡图）。我们已指 出，物料衡算是热量衡算的基础，物料衡算的最终结果—物料平 衡表．即可作为进行热量衡算的依据，计算时以单位时间为基准 较方便。 • 有了物料平衡表，就可以建立热量衡算式。 • （2）选定计算基准温度 这是一个比较基准，就是说输入系统的 热量和自系统输出的热量应该有同一的比较基准，这比较基准是 人为设定的，可以选0℃（273K）,也可以选25℃（298K），或者 选其它温度。因为文献上查到的热力学数据大多数是298K时的数 据，故选298K为基准温度在计算时比较方便。其次，计算还要确 定基准相态。
• c. 混合物热容 • 生产上遇到混合物的机会比遇到纯物质的机会多得多， 而混合物的种类、组成又各不相同，除极少数混合物 有实验测定的热容数据外，一般都根据混合物内各物 质的热容和组成进行加和计算，即
天津大学化学工程与工艺专业PPT
•3）过程科学与工程技术：开展分子热力学、过程系统工程、 过程模拟放大等基础研究 ，解决原型技术的工业放大 。
专业建设的基本情况及特色
教材建设和教学改革
•教材建设和教学改革成果突出出版了“面向21世纪课程教材”和普通高等教育 “十五”国家级规划教材“化学工艺学”，被许多院校采用，2002年获第六届 石油与化学工业优秀教材一等奖。获国家教学成果一等奖2项，天津市教学成果 一等奖1项，是天津大学“十五”规划课程建设优秀课程和精品课程。 • 1996年开始的由天津大学牵头，华东理工大学、浙 江大学、北京化工大学、 大连理工大学、四川大学，华南理工大学参加的“高等教育面向21世纪教学内容 和课程体系改革计划”，化学工程与工艺专业教育改革总体方案的主要内容之一 是组织编写高等教育面向21世纪课程教材，由天津大学组织编写面向21世纪课 程教材“化学工艺学”，该书由廖巧丽、米镇涛教授主编，于2001年出版， 2002年获得中国石油与化学工业第六届优秀教材一等奖。根据近4年的教学实践， 进行了大幅度的修改补充，2005年完成了普通高等教育“十五”国家级规划教 材“化学工艺学”的编写，于2006年出版并被许多院校采用。受到校内外专家 的好评
专业建设的基本情况及特色
学科的主攻方向
• 1）新型绿色化学工艺合成：设计与环境友好的新物质，
使用无公害的原材料路线，开发洁净、高效的反应与分离 集成过程，最终实现零排放的绿色化学工艺；
•2）高新技术用功能化学品的合成研制信息产业微电子用各 类高纯化学品、航空航天用高能量密度燃料，高选择型催化 材料，特种材料用单体等，确保高新技术领域的发展需求
专业建设的基本情况及特色
－（特色２）
•
•
（1）科学合理的课程体系和高水平的师资队伍按照化学工业的发展现状及趋
天津大学反应工程课件1 (1)
International Symposia on Chemical Reaction Engineering (ISCRE) Name ESCRE 1 ESCRE 2 ESCRE 3 ESCRE 4 ISCRE 1 ISCRE 2 ISCRE 3 ISCRE 4 ISCRE 5 ISCRE 6 ISCRE 7 ISCRE 8 ISCRE 9 ISCRE 10 ISCRE 11 ISCRE 12 ISCRE 13 ISCRE 14 ISCRE 15 ISCRE 16 ISCRE 17 Place Amsterdam Amsterdam Amsterdam Brussels Washington Amsterdam Evanston Heidelberg Houston Nice Boston Edinburgh Philadelphia Basel Toronto Torino Baltimore Brugge Newport Cracow Hong Kong Country Netherlands Netherlands Netherlands Belgium USA Netherlands USA Germany USA France USA Great Britain USA Switzerland Canada Italy USA Belgium USA Poland China Year 1957 1960 1964 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 Co-Sponsoring Organizations EFChE EFChE EFChE EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE/CSCE EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE EFChE Asia Pacific CRE
化学工程基础ppt课件
2019/12/23
冷 却
V 35.34 m3
S 2.36 m2 Q反 0.157 W
工业反应器 Q移 0.0296 W
29
从实验室研究到工业生产
实验室成果能否进行工业化的四个要求:
技术上可靠 经济上可行
生产上安全 对环境无危害
2019/12/23
30
第一章 化学工业与化学工程
利用问题
检测多
以玻璃器皿为主，防腐，易清 要求设备强度高、耐腐蚀，结构复
洗
杂，清洗、操作难
量少，易采集，通常无需分离 量大，需专门的分离与精制过程
公用工程 简单易行，无需专门设施
需供水、供气、供电、动力等设施
环境保护 三废排放量少，易于处理，无 三废排放量大，必须通过专用设施
需专用设施
予以治理
2019/12/23
氧
乙 2CH 2ClCH 2OH Ca(OH )2 2EO CaCl2 2H2O
烷
直接氧化法: C2 H 4 0.5O2 EO
2019/12/23
13
生物工程
生物化学
生物学 生化
工程
化学
工程学
生物技术
化学工程
e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇， 时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60％。
有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得 产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。
原料
（1）
预处理
（2）
反应
（3）
后处理
产品
基本化工生产过程
2019/12/23
17
例如:
甲醇的生产：
合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→ 冷却→精馏→精甲醇（99.85~99.95%）
天津大学反应工程课件1 (2)
（NO）2+O2→ 2NO2 ）
NO3 + NO → 2NO2
r = kc NO2 cO2
虽然机理不同，导出的动力学方程相同，且与质量作用定律形式相同。 虽然机理不同，导出的动力学方程相同，且与质量作用定律形式相同。 说明动力学实验数据与速率方程相符合，仅是证明机理正确的必要条件， 说明动力学实验数据与速率方程相符合，仅是证明机理正确的必要条件， 而不是充分条件。机理判断需证明中间化合物的存在。 而不是充分条件。机理判断需证明中间化合物的存在。
第二章 反应动力学基础
本章内容
化学反应速率 反应速率方程 温度对反应速率的影响 复合反应 反应速率方程的变换与积分 多相催化与吸附 多相催化反应动力学 建立速率方程的步骤
2.1 化学反应速率
1. 定义： 定义：
单位时间、单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。 单位时间、单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。
→ → →
g(X A ) = ←← ← E A exp(− E/ RTop ) f ( X A )
Te为反应体系中 ← 实际组成对应的 RTe E 1 + ← → ℓn → 平衡温度， 平衡温度，为转 E− E E 化率XA的函数 的函数， 化率 的函数， 因此， 因此， Top是XA的 函数。 函数。 因此，存在一个最佳反应温度，此温度下的反应速率最大。 因此，存在一个最佳反应温度，此温度下的反应速率最大。
2.3 温度对反应速率的影响
k = A exp( − E / RT )
CA (mol/d m3)
-rA (mol/dm3 *s)
Reaction Order zero 1st 2nd
Rate Law -rA = k -rA = kCA -rA = kCA2
天津大学反应工程课件1 (4)
理想流动模型
1.基本概念 1.基本概念
活塞流模型（平推流）： 活塞流模型（平推流）： 基本假定： 基本假定： 径向流速分布均匀， (1) 径向流速分布均匀，所有粒子以相 同的速度从进口向出口运动。 同的速度从进口向出口运动。 (2) 轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进入 符合上述假设的反应器， 反应器的流体粒子必同一时刻离开反应 所有粒子在反应器内停留时间相同。 器，所有粒子在反应器内停留时间相同。 特点：径向上物料的所有参数都相同， 特点：径向上物料的所有参数都相同， 轴向上不断变化。 轴向上不断变化。
等温管式反应器的设计
单一反应
Fi 0
进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量
Fi
Fi = (dFi + Fi ) + (−R i )dVr + 0
dVr
dFi = Ri dVr
FA = FA0 (1 − X A )
FA0
dFA =RA dVr
dz
Fi + dFi
dX A = −R A ( X A ) dVr
X A0
M
c A0
Vr
Qr = ψQ0
X Af
Reactor
N
Vr = ?⋅ c A0
∫
X Af
?
dX A (−ℜ A )
Vr = (1 + ψ )Q0 c A0 ∫ψX Af
1+ψ
X Af
dX A (−ℜ A )
循环反应器
Qr 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： ψ = Q0
X Af
FA0 = Q0 c A0
Q0 c A0
天津大学工业化学基础课件第一章-化工基本计算
化学反应物不按化学计量比投料时，其中以最 小化学计量数存在的反应物叫做“限制反应物”。 而某种反应物的量超过限制物反应完全反应的理论
量，则该反应物称为“过量反应物”。
过量反应物超过限制反应物所需理论量部分占所 需理论量的百分数叫做“过量百分数”。
过量％＝
N
N －
e
t
100％
Nt
Ne： 过量反应物的摩尔数； Nt： 限制反应物完全反应所消耗的摩尔数；
3. 转化率
某入量一N种A反，应百物分A数反称应为掉反的应量物NAA的R转占化向率反X应A器: 中输
N N N ＝ X N N A
AR
A
A,in
A,out 100％
A,in
4. 选择性
一种反应物A反应掉的量N某占向反应器中输入量NA，in百分 数称为反应物A的转化率XA:
选择性指的是某一反应物转变成目的产物时，理论消耗的摩 尔数占该反应物在反应中实际消耗的总摩尔数的百分数。
例1 丙烷充分燃烧时要供入空气量125%， 反应式为
C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 问：每100摩尔燃烧产物需空气量多少摩
尔？
解题思路：有三种不同的基准选取方法：
（1） 选取1mol C3H8 气体作为基准。 （2） 选取1mol 空气作为基准。 (3) 选取100 mol 烟道气作为基准。
（1） 选取1mol C3H8 气体作为基准， 所需空气量为：
燃烧需理论氧5mol 总需加入氧量＝1.25×5＝6.25mol 折 算 为 空 气 [ 空 气 中 氧 占 21% （ 体
积)]29.76mol 氮=23.51摩
化学反应工程完整ppt课件
1. 正逆反应的反应级数之差与相应的化学计量系 数之比为一定值;
2. 化学计量数ν，为速率控制步骤出现的次数。
设 2A＋B ↔ R 的反应机理为
(1) A ↔ A* (2) A* + B ↔ X (3) A* + X ↔ R
.
10
例2.2 等温下进行醋酸（A）和丁醇（B）酯化反应
CH3COOH+C4H9OH ↔ CH3COOC4H9+H2O 醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmol/m3,测 得不同时间下醋酸转化量,试求该反应的速率方程。
反应变 量：XA
● 恒
cA
nA V
nA V0
容
nAnA0nA0XA
过 程
cAnA0(1V0XA)cA0(1XA).
cB
nB V
nB nB0
nB
V0B A
nA0XA
cB
cB0
B A
cA0XA
28
kc A cB kc A 0(1X A )(cB 0BcA 0X A ) A
V 1d d n tA V 1 0d n A 0 (1 d t X A ) n V A 0 0d d X tA c A 0d d X tA
.
8
平衡时，r＝0
kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
cAA/cBB/cRR/Kc1/
.
9
A AAB BBR RR1
k/ k KC1/
一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的。
2. 化学计量数ν，为速率控制步骤出现的次数。
设 2A＋B ↔ R 的反应机理为
(1) A ↔ A* (2) A* + B ↔ X (3) A* + X ↔ R
.
10
例2.2 等温下进行醋酸（A）和丁醇（B）酯化反应
CH3COOH+C4H9OH ↔ CH3COOC4H9+H2O 醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmol/m3,测 得不同时间下醋酸转化量,试求该反应的速率方程。
反应变 量：XA
● 恒
cA
nA V
nA V0
容
nAnA0nA0XA
过 程
cAnA0(1V0XA)cA0(1XA).
cB
nB V
nB nB0
nB
V0B A
nA0XA
cB
cB0
B A
cA0XA
28
kc A cB kc A 0(1X A )(cB 0BcA 0X A ) A
V 1d d n tA V 1 0d n A 0 (1 d t X A ) n V A 0 0d d X tA c A 0d d X tA
.
8
平衡时，r＝0
kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
cAA/cBB/cRR/Kc1/
.
9
A AAB BBR RR1
k/ k KC1/
一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的。
反应工程第二章课件天大-文档资料69页
k(pApBpR/KP)
1KApAKBP BKRKPpApB
2.7 多相催化反应动力学
2.7 多相催化反应动力学
2.7 多相催化反应动力学
2.8 动力学参数的确定
吸附平衡常数（吸附热和指前因子） 反应速率常数（活化能和指前因子) 反应因子
2.8 动力学参数的确定
2.8 动力学参数的确定
rB B
rR R 常数 r
r 1 dni
iV dt
反应速率普遍定义式
r 1 d
V dt
反应速率的几种表示形式
恒容过程 rA1d(cA V)dA ccAdV
V dt dt Vdt
rA
dcA dt
流
动
间歇反应器主要用于液相反应，体积变
体
化可忽略，视为恒容。
系
FA0 FA
反应速率方程的确定方法
1 基元反应
质量作用定律
vA AvB BvR R
rA k cAAcBB
2 非基元反应
反应速率方程的确定方法
例如对于反应
反应速率方程的确定方法
机理1：
机理2：
机理
速率方程
？ 机理
速率方程
机理未明反应 反应速率方程的确定方法
3、反应机理未知 幂函数形速率方程
可逆反应
例题：2－9 ， 2－10
2.8 建立速率方程的步骤
（1）设想各种反应机理，导出不同的速率方程 （2）进行反应动力学实验，测定所需的动力学数据 （3）根据实验数据对可能的速率方程进行筛选
和参数估值，确定合适的速率方程
**反应级数不能大于3，反应速率常数和吸附平衡常数 不能为负
**速率方程形式力求简单，不求普遍，实验过程中注意 消除扩散影响
天津大学 反应工程复试 4 管式反应器PPT教学课件
系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键 组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。
等温管式反应器的设计
复合反应
(k1k2)cAddA c0
c A c A 0 ex (k 1 p k 2 [ )]
k1cAddcP 0 cpk k 1 1 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
轴向上不断变化。
活塞流
理想流动模型
1.基本概念
全混流模型：
基本假定：
径向混合和轴向返混都达到最大
符合此假设的反应器，物料的停 留时间参差不齐
❖ 特点
反应物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
管径较小，流 速较大的管式 反应器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反应器 －－可按全混 流处理
Q0cA0d dX rV AR A(XA) 7
等温管式反应器的设计
复合反应 对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组
d driV FR i jM 1ijrj i1,2,..k.,
该方程组初值为： V r 0,F i F i0,i 1 ,2 ,...,k 解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组 分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。
k2cAddcQ 0 cQk k 12 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
t 0 时 c A c ， A 0 ,c P 0 ,c Q 0
等温管式反应器的设计
复合反应
A k1 P k2 Q
对A的物料衡算：
k1cA
dcA
d
0
cAcA0ek1
对P的物料衡算：(k1cAk2cP)ddP c0
釜式与管式的串联
等温管式反应器的设计
复合反应
(k1k2)cAddA c0
c A c A 0 ex (k 1 p k 2 [ )]
k1cAddcP 0 cpk k 1 1 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
轴向上不断变化。
活塞流
理想流动模型
1.基本概念
全混流模型：
基本假定：
径向混合和轴向返混都达到最大
符合此假设的反应器，物料的停 留时间参差不齐
❖ 特点
反应物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
管径较小，流 速较大的管式 反应器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反应器 －－可按全混 流处理
Q0cA0d dX rV AR A(XA) 7
等温管式反应器的设计
复合反应 对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组
d driV FR i jM 1ijrj i1,2,..k.,
该方程组初值为： V r 0,F i F i0,i 1 ,2 ,...,k 解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组 分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。
k2cAddcQ 0 cQk k 12 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
t 0 时 c A c ， A 0 ,c P 0 ,c Q 0
等温管式反应器的设计
复合反应
A k1 P k2 Q
对A的物料衡算：
k1cA
dcA
d
0
cAcA0ek1
对P的物料衡算：(k1cAk2cP)ddP c0
釜式与管式的串联
天津大学工业化学基础第一章化工基本计算2PPT课件
(2) 选取1mol 空气作为基准。考虑到空 气过剩量，C3H8的摩尔为0.0036
1÷5 × 0.21÷1.25＝0.0036
由此计算得各物质量见下表所示：
物料衡算结果如表所示：
入
出
化合
摩
克
化合
摩
克
物
物
C3H8 0.0336 1.48
CO2 0.101 4.44
空气
1.0
28.84 H2O 0.135 2.43
8. 单程转化率和总转化率
有些生产过程，主要反应物每次经过反应器后的转化
率并不太高，但是未反应的主要反应物大部分可经过
分离回收循环套用。这时要将转化率分为单程转化率
和总转化率两项。
K K
N N 单程转 X＝ 化A,i率 n k A,out10％ 0 NA,in
S S
N N 总转X 化 ＝率 A,in S A,out10％ 0 NA,in
（1） 选取1mol C3H8 气体作为基准， 所需空气量为：
燃烧需理论氧5mol 总需加入氧量＝1.25×5＝6.25mol 折 算 为 空 气 [ 空 气 中 氧 占 21% （ 体
积)]29.76mol 氮=23.51摩
化合物
C3H8 空气
摩
1 29.76
总计
30.76
克 44 859.5
化学反应物不按化学计量比投料时，其中以最 小化学计量数存在的反应物叫做“限制反应物”。 而某种反应物的量超过限制物反应完全反应的理论 量，则该反应物称为“过量反应物”。 过量反应物超过限制反应物所需理论量部分占所 需理论量的百分数叫做“过量百分数”。
过量％＝ Ne－Nt 100％
Nt
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第二节 化学反应动力学基础
一、基本概念和术语 二. 化学反应速率方程 三. 化学反应器中的物料流动模型 四. 反应器内物料的停留时间分布
2020年4月6日星期一
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
➢ 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4月6日星期一
s
➢计量方程的写法统乘以非零因子都成立，即： ai Ai 0 i 1
➢为了消除计量系数在数值上的不确定性，规定计量系数里不 含公因子
➢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
n
n n0
2020年4月6日星期一
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
2020年4月6日星期一
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xN
和
2
0?.4
xi
i k
nk 0 ni0
xk
——已知一组分的转化率求其他组分的转化率
2020年4月6日星期一
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
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4月6日星期一
对于非等分子反应定义：
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4月6日星期一
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
2020年4月6日星期一
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)
rA
dnA Vdt
反应物的速率前加“－”
2020年4月6日星期一
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
nk nk0 1 xk
yk
nk n
nk0 1 xk
n
n0 yk0 1 xk
n
2020年4月6日星期一
yk0 1 xk
n / n0
yk
yk0 1 xk
1 k yk0 xk
——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 )
yH2
yH2O (1
H2 N2
yN2O yH2O
xN2
)
1 y x N2 N2O N2
3 (1 3 1 0.4)
4
3
1 (2) 1 0.4
4
0.5625
2020年4月6日星期一
二、化学反应速率方程
反应速率方程：在溶剂、催化剂及压力一定的情况下，定量描述 反应速率与温度及反应物组成的关系式
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4月6日星期一
n n0 1 yk 0 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：
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4月6日星期一
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。
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。
转化 （ rA）V
累积 dnA dt
2020年4月6日星期一
dnA dt
rAV
3)反应器体积﹑反应时间与空间速率
a 反应器体积 反应器实际体积:是指反应器中的全部空间所占有的体
积.(V) 反应器有效体积: 是指反应器中实际进行化学反应所占
有的体积.(VR) b 反应时间 在间歇反应器中,达到规定的转化率,tr与转化率X和生产强
2020年4月6日星期一
➢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。
➢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。
度有关. 在连续反应时生产强度难于用反应时间衡量,可用停留时
间或平均停留时间 空间时间:反应器有效体积与指定状态的流体入口体积流
量之比. 空间速率 SV: 为空间时间的倒数.
2020年4月6日星期一
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其初态的物质的分反应掉的摩尔数 组分的起始摩尔数
nk 0 nk nk 0
2）反应进度
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
2020年4月6日星期一
n1n10 1
ni ni
i
对任意组分i有: i ni ni0
0 nk nk 0 k
xi
i
ni0
xk
k
nk 0
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
2020年4月6日星期一
解：
s
i
N 2
i 1
k
1 3 2 2
1
yN2
yN2O (1 xN2 )
1 y x N2 N2 N2
1 (1 0.4)
1
4 (2)
1
0.4
4
2020年4月6日星期一
0.1875
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4月6日星期一
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
一、基本概念和术语 二. 化学反应速率方程 三. 化学反应器中的物料流动模型 四. 反应器内物料的停留时间分布
2020年4月6日星期一
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
➢ 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4月6日星期一
s
➢计量方程的写法统乘以非零因子都成立，即： ai Ai 0 i 1
➢为了消除计量系数在数值上的不确定性，规定计量系数里不 含公因子
➢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
n
n n0
2020年4月6日星期一
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
2020年4月6日星期一
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xN
和
2
0?.4
xi
i k
nk 0 ni0
xk
——已知一组分的转化率求其他组分的转化率
2020年4月6日星期一
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
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4月6日星期一
对于非等分子反应定义：
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4月6日星期一
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
2020年4月6日星期一
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)
rA
dnA Vdt
反应物的速率前加“－”
2020年4月6日星期一
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
nk nk0 1 xk
yk
nk n
nk0 1 xk
n
n0 yk0 1 xk
n
2020年4月6日星期一
yk0 1 xk
n / n0
yk
yk0 1 xk
1 k yk0 xk
——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 )
yH2
yH2O (1
H2 N2
yN2O yH2O
xN2
)
1 y x N2 N2O N2
3 (1 3 1 0.4)
4
3
1 (2) 1 0.4
4
0.5625
2020年4月6日星期一
二、化学反应速率方程
反应速率方程：在溶剂、催化剂及压力一定的情况下，定量描述 反应速率与温度及反应物组成的关系式
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4月6日星期一
n n0 1 yk 0 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：
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4月6日星期一
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。
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。
转化 （ rA）V
累积 dnA dt
2020年4月6日星期一
dnA dt
rAV
3)反应器体积﹑反应时间与空间速率
a 反应器体积 反应器实际体积:是指反应器中的全部空间所占有的体
积.(V) 反应器有效体积: 是指反应器中实际进行化学反应所占
有的体积.(VR) b 反应时间 在间歇反应器中,达到规定的转化率,tr与转化率X和生产强
2020年4月6日星期一
➢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。
➢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。
度有关. 在连续反应时生产强度难于用反应时间衡量,可用停留时
间或平均停留时间 空间时间:反应器有效体积与指定状态的流体入口体积流
量之比. 空间速率 SV: 为空间时间的倒数.
2020年4月6日星期一
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其初态的物质的分反应掉的摩尔数 组分的起始摩尔数
nk 0 nk nk 0
2）反应进度
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
2020年4月6日星期一
n1n10 1
ni ni
i
对任意组分i有: i ni ni0
0 nk nk 0 k
xi
i
ni0
xk
k
nk 0
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
2020年4月6日星期一
解：
s
i
N 2
i 1
k
1 3 2 2
1
yN2
yN2O (1 xN2 )
1 y x N2 N2 N2
1 (1 0.4)
1
4 (2)
1
0.4
4
2020年4月6日星期一
0.1875
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4月6日星期一
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