化学反应工程

数，αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩
尔数。 22
• 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
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转化率
• 目前普遍使用关键组分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
nA nA01 xA
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化学反应速率
• 化学反应速率：单位体积、单位时间内 反应物或产物的变化量，即单位反应体 积内反应程度随时间的变化率
r 1 d
V dt
mol m3s1
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• 常用的还有以反应体系中各个组份分别定义的 反应速率。
rA
1 V
dnA dt
mol m3s1
• nA：反应体系内，反应物A的摩尔数； • V：反应体积
物的过程用定量关系
aA bB rR sS
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化学反应计量式
• 化学反应计量式（化学反应计量方程）
aA bB rR sS
• 是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行 运算，如将各相移至等号的同一侧。
aA bB rR sS 0
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•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，
化学反应工程
曲爱兰 暨南大学化学系
1
绪论
• 化学反应工程学？ 研究涉及化学反应的工程问题的学科。
（化学热力学，反应动力学，催化剂，设备型式、操作方式和流程， 传递工程，工程控制，反应器分析和设计）
• 化学反应工程学的主要任务？ 如何将已经在实验室中实现的化学反应，实现
工业规模。
2
• 为了这一目标，其研究内容？ 1. 研究化学反应速率与反应条件之间的关系， 即化学反应动力学; 2. 着重研究传递过程对化学反应速率的影响； 3. 研究不同类型反应器的特点及其与化学反应 结果之间的关系。
来自百度文库
nA0 nA nA0
关键组分的选取：A必须是反应物，通常选取重 点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。
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• 转化率与反应程度的关系，结合
xA
nA0 nA nA0
• 得到：
nI nI0 I
xA
A
nA0
25
• 亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数
nI nI0
I A
nA0 xA
• 对A组分本身，将上式中的I用A代替，可 得
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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．大型冷模实验研究传递过程规律； 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。
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第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
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反应动力学-研究化学反应本身的反应速率规律 • 化学反应式: 描述反应物经化学反应生成产
SO2 1 2O2 SO3与 2SO2 O2 2SO3
均被认可，但通常将关键组分（关注的、价值 较高的组分）的计量系数写为1。
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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
• 定义反应程度
nI nI0 I
• 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔
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。
气—液—固相反应等。
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二、按操作方式分类，分为 1 ．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。 2 ．连续操作，指反应物料连续地通过反应器的
操作方式。 3 ．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。
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三、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 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之间
• 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。
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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。
一、按反应系统涉及的相态分类，分为 1． 均相反应，包括气态均相反应和液态均相反
应。 2． 非均相反应，包括气—固相，气—液相，
• 化学反应工程的基本研究方法：数学模型法。 • 数学模型法？
对复杂的难以用数学全面描述的客观实体，人 为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通 过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学 方程描述复杂物理过程的目的。
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数学模型法
1．建立简化物理模型
对复杂客观实体，进行合理简化（即简化模 型必须反映客观实体，便于数学描述和适用）， 设想一个物理过程(模型)代替实际过程。 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
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四、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。
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热解反应器——流化床反应器
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流化床催化反应器
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化学反应工程的基本研究方法
• t：时间
• 式中的负号表示反应物消失的速率
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对于反应 A 2B 3C 4D
• 以反应物B为基准定义的反应速率为：
rB
1 V
dnB dt
mol m3s1
• 以反应产物C为基准定义的反应速率为：
rC
1 V
dnC dt
mol.m 3s1
• 对于物料体积变化较小的可视为恒容过程
-
rB
-
dCB dt
mol.m 3s1
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• 没有副反应时，必有
rA
1 2
rB
1 3
rC
1 4
rD
• 当I为反应物时， r rI