化学反应工程学基本原理
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利用数学模型解决化学反应工程问题
1．小试研究化学反应规律； 2． 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。
8
8.2 工业反应器
8.2.1 工业反应器类型
按操作方式分类
1 ．间歇操作：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：反应物料连续地通过反应器的 操作方式。 3 ．半连续操作：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。
一、反应速率
定义为单位反应体积内反应程度随时间
的变化率 r 1 d
V dt
mol m s3 1
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；
t：时间；
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
（2） 工业反应器中对反应结果产生影响 的主要物理过程是：
• 由物料的不均匀混合和停留时间不同引 起的传质过程；
• 由化学反应的热效应产生的传热过程； • 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。
反应过程与物理过程关系：
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。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。
五、数学模型法
1．建立简化物理模型
6
2. 对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行 合理简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过 程。简化必须合理，即简化模型必须反映客观 实体，便于数学描述和适用。
3．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。 4．用模型方程的解讨论客体的特性规律
VR
V0
注意：
• 空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理 在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的 时间。
• 空间时间不是停留时间
23
(5)空间速度SV 空速的一般定义为在单位时间内投入
单位有效反应器容积内的物料体积。即：
SV
V0 VR
h 1
标准空速定义为：
SV
VNO VR
h 1
24
8.3.3 反应动力学
9
按反应器型式
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
按传热条件 1．等温反应器 整个反应器维持恒温。 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。
10
按原理分
1．固定床反应器
2．流化床反应器
3．移动床反应器
11
4. 滴流床反应器
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
12
搅拌釜式反应器
13
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
14
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
15
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
16
8.3 化学反应动力学基础
8.3.1 反应相关的基本概念
一、化学反应式
aA bB rR sS
反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予 以描述时,该定量关系式称为化学反应式
二、反应程度（反应进度）
aA bB rR sS 0
nI nI0 I
nI：体系中参与反应的任意组分I的摩尔数； αI：其计量系数； nI0：起始时刻组分I的摩尔数。
化学反应工程学基本原理
8.1 化学反应工程学概述
一、研究对象：工业反应器
二、研究内容 （1）化学反应动力学； （2）传递过程对反应速率的影响；
宏观动力学 （3）反应器放大 研究内容 （1）反应动力学； （2）反应器设计与分析
注意：
（1） 工业规模的化学反应较之实验室规模 要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质 量和热量传递因素，在工业规模可能起着主 导作用。在工业反应器中既有化学反应过程， 又有物理过程。物理过程与化学过程相互影 响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的 反应结果与实验室规模大相径庭。
转化率与反应程度的关系
xA
nA0 nA nA0
nI nI0 I
xA
A
nA0
四、收率 收率：生成目的产物消耗关键组分的量除 以关键组分的初始量。
五、选择性 选择性：生成目的产物消耗关键组分的量 除以已转化的关键组分量。
8.3.2 反应相关的时间概念
(1)反应持续时间tr （反应时间） 用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到
所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包 括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。 (2)停留时间t（接触时间）
用于连续源自文库动反应器，指流体微元从反应器 入口到出口经历的时间。
t
(3)平均停留时间t 各质点在反应器内停留时间的平均值。
22
(4)空间时间τ
其定义为反应器有效容积VR与流体特征体
积流率V0之比值。即
讨论：
1. ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 2. 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
三、转化率
xA
转化了的A组分量 A组分的起始量
nA0 nA nA0
普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学 反应进行的程度。组分A的选取原则：
A必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程 计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转 化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于 一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济 价值相对高的组分定义转化率。
三、化学反应分类
一、按反应系统涉及的相态分类 1． 均相反应：气相均相反应和液相均相反应。 2． 非均相反应：气—固相，气—液相，气—
液—固相反应等。
二、按有无催化剂 1． 催化反应 2． 非催化反应
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四、化学反应工程的基本研究方法
化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。 数学模型法是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。
利用数学模型解决化学反应工程问题
1．小试研究化学反应规律； 2． 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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8.2 工业反应器
8.2.1 工业反应器类型
按操作方式分类
1 ．间歇操作：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：反应物料连续地通过反应器的 操作方式。 3 ．半连续操作：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。
一、反应速率
定义为单位反应体积内反应程度随时间
的变化率 r 1 d
V dt
mol m s3 1
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；
t：时间；
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
（2） 工业反应器中对反应结果产生影响 的主要物理过程是：
• 由物料的不均匀混合和停留时间不同引 起的传质过程；
• 由化学反应的热效应产生的传热过程； • 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。
反应过程与物理过程关系：
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。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。
五、数学模型法
1．建立简化物理模型
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2. 对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行 合理简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过 程。简化必须合理，即简化模型必须反映客观 实体，便于数学描述和适用。
3．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。 4．用模型方程的解讨论客体的特性规律
VR
V0
注意：
• 空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理 在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的 时间。
• 空间时间不是停留时间
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(5)空间速度SV 空速的一般定义为在单位时间内投入
单位有效反应器容积内的物料体积。即：
SV
V0 VR
h 1
标准空速定义为：
SV
VNO VR
h 1
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8.3.3 反应动力学
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按反应器型式
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
按传热条件 1．等温反应器 整个反应器维持恒温。 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。
10
按原理分
1．固定床反应器
2．流化床反应器
3．移动床反应器
11
4. 滴流床反应器
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
12
搅拌釜式反应器
13
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
14
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
15
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
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8.3 化学反应动力学基础
8.3.1 反应相关的基本概念
一、化学反应式
aA bB rR sS
反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予 以描述时,该定量关系式称为化学反应式
二、反应程度（反应进度）
aA bB rR sS 0
nI nI0 I
nI：体系中参与反应的任意组分I的摩尔数； αI：其计量系数； nI0：起始时刻组分I的摩尔数。
化学反应工程学基本原理
8.1 化学反应工程学概述
一、研究对象：工业反应器
二、研究内容 （1）化学反应动力学； （2）传递过程对反应速率的影响；
宏观动力学 （3）反应器放大 研究内容 （1）反应动力学； （2）反应器设计与分析
注意：
（1） 工业规模的化学反应较之实验室规模 要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质 量和热量传递因素，在工业规模可能起着主 导作用。在工业反应器中既有化学反应过程， 又有物理过程。物理过程与化学过程相互影 响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的 反应结果与实验室规模大相径庭。
转化率与反应程度的关系
xA
nA0 nA nA0
nI nI0 I
xA
A
nA0
四、收率 收率：生成目的产物消耗关键组分的量除 以关键组分的初始量。
五、选择性 选择性：生成目的产物消耗关键组分的量 除以已转化的关键组分量。
8.3.2 反应相关的时间概念
(1)反应持续时间tr （反应时间） 用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到
所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包 括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。 (2)停留时间t（接触时间）
用于连续源自文库动反应器，指流体微元从反应器 入口到出口经历的时间。
t
(3)平均停留时间t 各质点在反应器内停留时间的平均值。
22
(4)空间时间τ
其定义为反应器有效容积VR与流体特征体
积流率V0之比值。即
讨论：
1. ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 2. 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
三、转化率
xA
转化了的A组分量 A组分的起始量
nA0 nA nA0
普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学 反应进行的程度。组分A的选取原则：
A必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程 计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转 化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于 一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济 价值相对高的组分定义转化率。
三、化学反应分类
一、按反应系统涉及的相态分类 1． 均相反应：气相均相反应和液相均相反应。 2． 非均相反应：气—固相，气—液相，气—
液—固相反应等。
二、按有无催化剂 1． 催化反应 2． 非催化反应
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四、化学反应工程的基本研究方法
化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。 数学模型法是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。