化学反应过程ppt课件
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nAnA0(1xA) 当反应体积不变时： CACA0(1xA) 用转化率表示反应速率： rAV 1ddA ntV 1nA0 ddtA x 用转化率表示反应进度： nA0 xA
A
.
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续 流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累， 系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不 随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同 的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函 数 连。续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反 应物或产物的摩尔流量的变化。即：
为ni，则定义反应进度为： ξni ni0
m ol
νi
或写成：
nini0 ni iξ
则：
dd A n A d B n B d S n S
用反应进度表示反应速率： r d
V dt 所有反应物和产物的反应进度都是相等的。
.
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
xAnAn 0 A0nA nn A0 AnA A0
ri
dqn,i dVR
[mo/(m l 3s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
.
化学反应速率的表示方式
也可以表示为单位反应表面积上某一反应物或产物的摩尔 流量的变化。即：
ri dd qS n,i [m/o(m l2s)]
h3
CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3 AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2 SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土 H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂 H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛
.
按反应机理进行分类
.
3.4.4 催化剂的性能指标
• 催化剂的活性 • 催化剂的选择性 • 催化剂的寿命 • 催化剂的稳定性
.
催化剂的活性 1
反应速率表示法
rm
dn A mdt
dn P mdt
[ mol
g 1 h 1]
rV
dn A Vdt
dn P Vdt
[ mol
L1 h 1]
rS
dn A Sdt
dn P Sdt
.
3.4 催化剂的性能及使用
• 催化剂是化工技术的核心， 80%化学工业过程（石油 加工、传统化学工业、食品工业、建材工业、精细化 学品工业、环保产业等）是采用催化过程来实现的。 催化剂的销售额在100-200亿美元。与催化剂相关的 工艺设备销售收入可达数千亿美元
3.4.1 催化剂在化学工业中的作用
.
(4) 反应速率
化学反应速率：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。其表示方法因反应在间歇或 连续系统中进行而不同。
1. 间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达 到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。 若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参 数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而 变，故独立变量为时间。
ri
1 dni B dt
（定A组 义分 用生 的成 基的 准摩 ）间 尔 （） 数 时
这里的B可以是面积S或是质量W。
当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可忽略，
因此：
riV 1d din td d c ti [m/o m (3ls)]
.
对于多组分反应系统： A A B B L L M M
均裂
自旋不饱和的物种（自 由基型物种） 自旋不饱和分子或固体 物质 过渡金属，过渡金属氧 （硫）化物，过渡金属 盐，金属有机络合物 加氢，脱氢，氧化，氨 氧化
催化剂的表示方法
通常： • 1、用“/” 来区分载体与活性组分
如：Ru/Al2O3，Pt/Al2O3，Pd/SiO2 Au/C
• 2、用“-”来区分各活性组分及助剂 Pt-Sn/Al2O3，Fe-AL2O3-K2O
.
3.2 有关化学反应过程的理论
• 化学反应原理包括的理论体系：
1）化学热力学(chemical thermodynamics)
1.判断化学反应能否发生以及进行的方向 2.化学反应过程进行的最大限度 3.热效应
.
• 2）化学动力学(chemical kinetics)
• 1.化学反应过程进行的机理 • 2.确定化学反应速率与其影响因素的函数关系
反应类型
常用催化剂
加氢 脱氢 氧化
羰基化
聚合 卤化 裂解 水合 烷基化，异构化
Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2 Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pp
• 因此，在选择或研制催化剂时要充分考虑到操作 条件的影响，并选择适宜的配套装置和工艺流程。 此外，催化剂的价格也是要考虑的。
.
3.5 反应器的基本类型
.
酸碱型催化反应
酸碱型催化反应的反应机理 可认为是催化剂与反应物分子 之间通过电子对的授受而配位， 或者发生强烈极化，形成离子 型活性中间物种进行的催化反 应。
氧化还原型催化反应
氧化还原型催化反应机理可 认为是催化剂与反应物分子间 通过单个电子转移，形成活性 中间物种进行催化反应。
.
酸碱型及氧化还原型催化反应比较
应和个别三分子反应；零级反应、一级反应、二 级反应和分数级反应；
.
• 按反应过程控制的温度条件，分为等温反 应过程、绝热反应过程和非绝热变温反应 过程；
• 依据压力条件，分常压、负压、加压（高 压、中压、低压）反应过程；
• 依据操作方式的不同分类，分为间歇反应 过程、连续反应过程和半连续反应过程；
按催化反应系统物相的均一性进行分类
均相催化反应
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
非均相催化反应是 指反应物和催化剂 居于不同相态的反 应。
.
酶催化反应同时 具进行的特定反应的选择催化作用
3 化学反应过程
化工生产的核心
.
3.1 化学反应过程的分类
• 按反应特性分类，有氧化、还原 、加氢、脱氢、 歧化、异构化、烷基化、羟基化、水解、水合、 偶合等；
• 按反应机理，分简单反应和复杂反应； • 按反应的方向，分可逆和不可逆反应； • 按反应物系的相态，分均相和非均相； • 是否催化反应； • 热效应，分吸热和放热反应； • 化学动力学角度分类，分单分子反应、双分子反
比较项目
酸碱型催化反应
催化剂与反应物之 电子对的接受或电荷密度
间作用
的分布发生变化
反应物化学变化 非均裂或极化
生成活性中间物种
自旋饱和的物种（离子型 物种）
催化剂
自旋饱和分子或固体物质
催化剂举例 反应举例
酸，碱，盐，氧化物，分 子筛
裂解，水合，脂化，烷基 化，歧化，异构化
.
氧化还原型催化反应
单个电子转移
[ mol
m 2 h 1]
rV rm S g rS
2
3
反应速度常数表示法
r k f (c) R k f ( p)
转化率表示法
CA%=反应物A转化 掉的量/流经催化床 层进料中反应物A 的总量×100%
.
催化剂的选择性
选择性（S%）
选择性因素（选择度）
.
催化剂的稳定性 化学稳定性 热稳定性 机械稳定性 耐毒稳定性
同一反应，不同反应组分的转化率在数值上可能 不 同。
关键反应物是反应物中价值最高的组分，为 使其尽可能转化，常使其他组分过量。
.
• 单程转化率：表示反应物一次通过反应器,参加反 应的某种原料量站通入反应器的反应物总量的百 分数。
XA反 组应 分 A在 器反 进应 口器 物中 料 A的的 中量 转 组 10化 分 % 0 量
• 研究工业化学反应过程，不仅要考虑微观动力 学因素，还同时需要考虑设备结构、传递过程 等宏观动力学因素
• 过程传递理论：动量传递、热量传递、质量传 递。
.
3.3 化学反应过程的主要技术指标
(1) 转化率：指某一反应物参加反应转化的数量占 该反应物起始量的百分数，用符号x表示。
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始 1量 00% 转化率是表示反应物反应程度的指标。
• 提高反应速率和选择性 • 改变操作条件 • 有助于开发新的反应过程 • 能源开发、治理污染
.
3.4.2 催化剂的基本特征
• 催化剂本身在化学反应中化学性质和数量 均未发生变化
• 催化剂缩短达到化学平衡的时间，不能改 变平衡
• 催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂 只能催化特定的反应
.
3.4.3 催化剂的分类
.
3.4.5 工业催化剂的使用
• 工业催化剂是指具有工业生产实际意义，可以用 于大规模生产过程的催化剂。
• 一种好的工业催化剂应具有适宜的活性、高选择 性和长寿命。
• 工业催化剂的活性、选择性和寿命除决定于催化 剂的组成结构外，与操作条件也有很大关系。这 些条件包括原料的纯度、生产负荷、操作温度和 压力等。
有：
r A :r B :r L :r M A :B :L :M
或写成：
1 Ad dAc t1 Bd dBc t1 Ld dLc t1 Md dM ct
以不同组分表示的反应速率受化学计量方程式的约束。
.
反应进度：对于间歇系统中的某反应，若反应混合物中
某组分的起始物质的量为ni0，反应后该组分的物质的量
• 全程转化率：新鲜原料进入到离开反应系统所达 到的转化率。
组分 A在反应器中的转化量
XA, tot
新鲜原料 A的中量 10% 0
.
• (2) 选择性：体系中转化成目标产物的某一反应 物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之 百分数。
SR转化该 为反 目应 的 R的 物 产某 的 物一 总反 的应 转物 1化 0% 的 0量量
还可以表示为单位质量固体（或催化剂）上某一反应物或产物 的摩尔流量的变化。即：
ri d dqW n,i [mo/(kl g s)]
.
三、均相反应与非均相反应
均相反应：反应仅在单一的相内发生。均相反应的速率取 绝于反应物的温度和浓度。 非均相反应：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界面 上发生。非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触情况 有关。
• 选择性表达了主、副反应进行程度的大小，能 反映原料的利用是否合理
.
(3) 收率
• 收率（yield）指按反应物进行量计算，生成目的 产物的百分数。
• 收率=（目的产物生成量/反应物进料量×100%。
• 收率与转化率及选择性的关系为：收率=转化率× 选择性
• 收率=(产品量/原料总量)＝（（总转化量-损失量） /原料总量）＝转化率-损失率
在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单 位反应混合物体积中反应物A的反应量或产物的生成量。 即：
ri V 1d d n ti [m/om (l3s)]
.
在多相系统中，可以采用单位相界面积（两相流体系统）、单位 固体表面积（流固相非催化反应）、单位催化剂内表面积（流固 相催化反应）或单位质量固体或催化剂（流固系统）来表示反应 速率，其一般式即可表示为：
A
.
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续 流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累， 系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不 随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同 的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函 数 连。续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反 应物或产物的摩尔流量的变化。即：
为ni，则定义反应进度为： ξni ni0
m ol
νi
或写成：
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则：
dd A n A d B n B d S n S
用反应进度表示反应速率： r d
V dt 所有反应物和产物的反应进度都是相等的。
.
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
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[mo/(m l 3s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
.
化学反应速率的表示方式
也可以表示为单位反应表面积上某一反应物或产物的摩尔 流量的变化。即：
ri dd qS n,i [m/o(m l2s)]
h3
CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3 AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2 SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土 H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂 H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛
.
按反应机理进行分类
.
3.4.4 催化剂的性能指标
• 催化剂的活性 • 催化剂的选择性 • 催化剂的寿命 • 催化剂的稳定性
.
催化剂的活性 1
反应速率表示法
rm
dn A mdt
dn P mdt
[ mol
g 1 h 1]
rV
dn A Vdt
dn P Vdt
[ mol
L1 h 1]
rS
dn A Sdt
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.
3.4 催化剂的性能及使用
• 催化剂是化工技术的核心， 80%化学工业过程（石油 加工、传统化学工业、食品工业、建材工业、精细化 学品工业、环保产业等）是采用催化过程来实现的。 催化剂的销售额在100-200亿美元。与催化剂相关的 工艺设备销售收入可达数千亿美元
3.4.1 催化剂在化学工业中的作用
.
(4) 反应速率
化学反应速率：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。其表示方法因反应在间歇或 连续系统中进行而不同。
1. 间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达 到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。 若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参 数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而 变，故独立变量为时间。
ri
1 dni B dt
（定A组 义分 用生 的成 基的 准摩 ）间 尔 （） 数 时
这里的B可以是面积S或是质量W。
当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可忽略，
因此：
riV 1d din td d c ti [m/o m (3ls)]
.
对于多组分反应系统： A A B B L L M M
均裂
自旋不饱和的物种（自 由基型物种） 自旋不饱和分子或固体 物质 过渡金属，过渡金属氧 （硫）化物，过渡金属 盐，金属有机络合物 加氢，脱氢，氧化，氨 氧化
催化剂的表示方法
通常： • 1、用“/” 来区分载体与活性组分
如：Ru/Al2O3，Pt/Al2O3，Pd/SiO2 Au/C
• 2、用“-”来区分各活性组分及助剂 Pt-Sn/Al2O3，Fe-AL2O3-K2O
.
3.2 有关化学反应过程的理论
• 化学反应原理包括的理论体系：
1）化学热力学(chemical thermodynamics)
1.判断化学反应能否发生以及进行的方向 2.化学反应过程进行的最大限度 3.热效应
.
• 2）化学动力学(chemical kinetics)
• 1.化学反应过程进行的机理 • 2.确定化学反应速率与其影响因素的函数关系
反应类型
常用催化剂
加氢 脱氢 氧化
羰基化
聚合 卤化 裂解 水合 烷基化，异构化
Ni,Pt,Pd,Cu,NiO,MoS2,WS2,Co(CN)63Cr2O3,Fe2O3,ZnO,Ni,Pd,Pt V2O3,MoO3,CuO,Co3O4,Ag,Pd,Pt,PdCl2 Co2(CO)8,Ni(CO)4,Fe(CO)3,PdCl(Pph3)3*,RhCl2(CO)Pp
• 因此，在选择或研制催化剂时要充分考虑到操作 条件的影响，并选择适宜的配套装置和工艺流程。 此外，催化剂的价格也是要考虑的。
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3.5 反应器的基本类型
.
酸碱型催化反应
酸碱型催化反应的反应机理 可认为是催化剂与反应物分子 之间通过电子对的授受而配位， 或者发生强烈极化，形成离子 型活性中间物种进行的催化反 应。
氧化还原型催化反应
氧化还原型催化反应机理可 认为是催化剂与反应物分子间 通过单个电子转移，形成活性 中间物种进行催化反应。
.
酸碱型及氧化还原型催化反应比较
应和个别三分子反应；零级反应、一级反应、二 级反应和分数级反应；
.
• 按反应过程控制的温度条件，分为等温反 应过程、绝热反应过程和非绝热变温反应 过程；
• 依据压力条件，分常压、负压、加压（高 压、中压、低压）反应过程；
• 依据操作方式的不同分类，分为间歇反应 过程、连续反应过程和半连续反应过程；
按催化反应系统物相的均一性进行分类
均相催化反应
非均相（又称多 相）催化反应
酶催化反应
均相催化反应是指 反应物和催化剂居 于同一相态中的反 应。
非均相催化反应是 指反应物和催化剂 居于不同相态的反 应。
.
酶催化反应同时 具进行的特定反应的选择催化作用
3 化学反应过程
化工生产的核心
.
3.1 化学反应过程的分类
• 按反应特性分类，有氧化、还原 、加氢、脱氢、 歧化、异构化、烷基化、羟基化、水解、水合、 偶合等；
• 按反应机理，分简单反应和复杂反应； • 按反应的方向，分可逆和不可逆反应； • 按反应物系的相态，分均相和非均相； • 是否催化反应； • 热效应，分吸热和放热反应； • 化学动力学角度分类，分单分子反应、双分子反
比较项目
酸碱型催化反应
催化剂与反应物之 电子对的接受或电荷密度
间作用
的分布发生变化
反应物化学变化 非均裂或极化
生成活性中间物种
自旋饱和的物种（离子型 物种）
催化剂
自旋饱和分子或固体物质
催化剂举例 反应举例
酸，碱，盐，氧化物，分 子筛
裂解，水合，脂化，烷基 化，歧化，异构化
.
氧化还原型催化反应
单个电子转移
[ mol
m 2 h 1]
rV rm S g rS
2
3
反应速度常数表示法
r k f (c) R k f ( p)
转化率表示法
CA%=反应物A转化 掉的量/流经催化床 层进料中反应物A 的总量×100%
.
催化剂的选择性
选择性（S%）
选择性因素（选择度）
.
催化剂的稳定性 化学稳定性 热稳定性 机械稳定性 耐毒稳定性
同一反应，不同反应组分的转化率在数值上可能 不 同。
关键反应物是反应物中价值最高的组分，为 使其尽可能转化，常使其他组分过量。
.
• 单程转化率：表示反应物一次通过反应器,参加反 应的某种原料量站通入反应器的反应物总量的百 分数。
XA反 组应 分 A在 器反 进应 口器 物中 料 A的的 中量 转 组 10化 分 % 0 量
• 研究工业化学反应过程，不仅要考虑微观动力 学因素，还同时需要考虑设备结构、传递过程 等宏观动力学因素
• 过程传递理论：动量传递、热量传递、质量传 递。
.
3.3 化学反应过程的主要技术指标
(1) 转化率：指某一反应物参加反应转化的数量占 该反应物起始量的百分数，用符号x表示。
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始 1量 00% 转化率是表示反应物反应程度的指标。
• 提高反应速率和选择性 • 改变操作条件 • 有助于开发新的反应过程 • 能源开发、治理污染
.
3.4.2 催化剂的基本特征
• 催化剂本身在化学反应中化学性质和数量 均未发生变化
• 催化剂缩短达到化学平衡的时间，不能改 变平衡
• 催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂 只能催化特定的反应
.
3.4.3 催化剂的分类
.
3.4.5 工业催化剂的使用
• 工业催化剂是指具有工业生产实际意义，可以用 于大规模生产过程的催化剂。
• 一种好的工业催化剂应具有适宜的活性、高选择 性和长寿命。
• 工业催化剂的活性、选择性和寿命除决定于催化 剂的组成结构外，与操作条件也有很大关系。这 些条件包括原料的纯度、生产负荷、操作温度和 压力等。
有：
r A :r B :r L :r M A :B :L :M
或写成：
1 Ad dAc t1 Bd dBc t1 Ld dLc t1 Md dM ct
以不同组分表示的反应速率受化学计量方程式的约束。
.
反应进度：对于间歇系统中的某反应，若反应混合物中
某组分的起始物质的量为ni0，反应后该组分的物质的量
• 全程转化率：新鲜原料进入到离开反应系统所达 到的转化率。
组分 A在反应器中的转化量
XA, tot
新鲜原料 A的中量 10% 0
.
• (2) 选择性：体系中转化成目标产物的某一反应 物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之 百分数。
SR转化该 为反 目应 的 R的 物 产某 的 物一 总反 的应 转物 1化 0% 的 0量量
还可以表示为单位质量固体（或催化剂）上某一反应物或产物 的摩尔流量的变化。即：
ri d dqW n,i [mo/(kl g s)]
.
三、均相反应与非均相反应
均相反应：反应仅在单一的相内发生。均相反应的速率取 绝于反应物的温度和浓度。 非均相反应：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界面 上发生。非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触情况 有关。
• 选择性表达了主、副反应进行程度的大小，能 反映原料的利用是否合理
.
(3) 收率
• 收率（yield）指按反应物进行量计算，生成目的 产物的百分数。
• 收率=（目的产物生成量/反应物进料量×100%。
• 收率与转化率及选择性的关系为：收率=转化率× 选择性
• 收率=(产品量/原料总量)＝（（总转化量-损失量） /原料总量）＝转化率-损失率
在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单 位反应混合物体积中反应物A的反应量或产物的生成量。 即：
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.
在多相系统中，可以采用单位相界面积（两相流体系统）、单位 固体表面积（流固相非催化反应）、单位催化剂内表面积（流固 相催化反应）或单位质量固体或催化剂（流固系统）来表示反应 速率，其一般式即可表示为：