2014化学反应工程学基础

化学反应工程讲义郭锋第一章绪论1.1化学反应工程学的范畴和任务概念：化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学。

既以化学反应作为对象，就必须要掌握这些化学反应的特性；它又以工程问题为其对象，那就必须熟悉装置的特性，并把这两者结合起来形成学科体系。

化学热力学反应工程对这方面的要求，主要是确定物系的各种物性常数（如热容、反应热、压缩因子）等等。

反应动力学动力学是专门阐明化学反应速率（包括主反应及副反应）与各项物理因素（如浓度、温度、压力及催化剂等）之间的定量关系的。

催化剂催化剂的问题一般以为属于化学或工艺的范畴，但实际上牵涉到许多工程上的问题。

如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂中活性组份的有效分布、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。

反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计化学反应工程学的知识应能用于：（1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率。

（2）开发新的技术和设备。

（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。

（4）实现反应过程的最优化。

（5）不断发展反应工程学的理论和方法。

1.2 化学反应工程的基本方法在化学反应工程中，数学模型主要包括下列一些内容：（1）动力学方程式（2）物科衡算式（3）热量衡算式（4）动量衡算式（5）参数计算式1.3化学反应工程的学科体系和编排化学反应过程按操作方法可以分：1.分批（或称间歇）式操作2.连续式操作3.半分批（或称半连续）式操作表1-3-1 反应器的型式与特性第二章均相反应的动力学基础2.1基本概念与术语均相反应动力学是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伊苏与反应速率之间定量关系的速率方程。

2.1-1 化学计量方程一个由S个组份参与的反应体系，其计量方程可写成：a1A1+ a2A2+……+ asAs=0s或∑aiAi=0i=1式中：Ai表示i组份；ai为组份的计量系数。

《化学反应工程》试题一、填空题1.质量传递、热量传递、动量传递和化学反应称为三传一反.2.物料衡算和能量衡算的一般表达式为输入—输出=累积。

3.着眼组分A转化率x A的定义式为x A=(n A0-n A)/n A0.4.总反应级数不可能大于 3 。

5.反应速率—r A=kC A C B的单位为kmol/(m3·h），速率常数k的因次为m3/(kmol·h ）.6.反应速率-r A=kC A的单位为kmol/kg·h,速率常数k的因次为m3/kg·h.7.反应速率的单位为mol/L·s，速率常数k的因次为(mol）1/2·L-1/2·s.8.反应速率常数k与温度T的关系为,其活化能为83.14kJ/mol .9.某反应在500K时的反应速率常数k是400K时的103倍，则600K时的反应速率常数k 时是400K时的105倍。

10.某反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，则该反应的活化能为（设浓度不变）186。

3kJ/mol 。

11.非等分子反应2SO2+O2==2SO3的膨胀因子等于-0。

5 .12.非等分子反应N2+3H2==2NH3的膨胀因子等于–2/3 。

13.反应N2+3H2==2NH3中（)= 1/3 （)= 1/214.在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应,反应物初浓度为C A0，转化率为x A，当反应器体积增大到n倍时,反应物A的出口浓度为C A0(1-x A)n，转化率为1-（1-x A）n。

15.在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为C A0，转化率为x A，当反应器体积增大到n倍时，反应物A的出口浓度为，转化率为。

16.反应活化能E越大，反应速率对温度越敏感。

17.对于特定的活化能，温度越低温度对反应速率的影响越大。

18.某平行反应主副产物分别为P和S，选择性S P的定义为(n P—n P0）/ （n S-n S0) 。

化学反应工程知识点1.反应机理和动力学反应机理是指反应的分子层面的步骤和中间产物，它对理解和控制反应过程非常重要。

动力学研究反应速率与反应物浓度的关系，了解反应速率规律，通过动力学模型可以预测反应速率和产物选择性。

2.反应条件的选择反应条件的选择包括温度、压力、反应物浓度、反应物配比和催化剂等。

化学反应的速率和选择性往往受到反应条件的影响，优化反应条件可以提高反应速率和产物质量。

3.反应器的设计和优化反应器是进行化学反应的设备，其设计和优化对反应过程的效率和产品质量具有重要影响。

常见的反应器类型有批式反应器、连续式反应器和循环式反应器等。

反应器的选择和设计要考虑反应物性质、反应过程的控制方式、热传导和质量传递等因素。

4.反应工艺的控制反应工艺的控制包括对反应过程的监测和调节，以维持所需的反应条件和优化产品质量。

常用的控制策略有温度、压力和反应物供给的控制等。

控制系统的设计和优化需要考虑反应机理、反应动力学和工艺实际操作的特点。

5.安全与环保化学反应过程中会产生化学品和能量的变化，单个反应步骤可能会产生副产物和废物。

因此，反应工程也需要关注安全性和环保性。

安全性考虑的因素包括反应物和产物的毒性、易燃性和爆炸性等，以及反应条件的选择和操作的威胁。

环保方面，需要考虑减少废物的生成，回收利用资源，优化反应条件以减少能耗和污染物排放。

6.规模放大与工业化化学反应工程要实现从实验室到工业生产的规模放大和工艺转化。

这涉及到规模放大的技术、成本评估和安全规范，以及将实验室的合成路线或方法转化为适合大规模生产的工艺。

同时，也需要考虑工艺的稳定性和连续运营的可行性。

以上是化学反应工程的一些基本知识点，化学反应工程涵盖了多个学科领域，是化学工程和化学的交叉学科。

化学反应工程的研究和应用有助于解决实际生产中的技术问题，提高反应过程的效率和产品质量，同时也倡导可持续发展和环保意识。

课程教案课程名称：化学反应工程任课教师：所属院部：教学班级：化工1203-04教学时间：2014 —2015 学年第2 学期课程基本信息1绪论第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.1 基本概念1.2 建立动力学方程的方法一、本次课主要内容化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其应用。

二、教学目的与要求了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法，熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。

三、教学重点难点1、化学反应工程的研究目的、内容和方法。

四、教学方法和手段课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置书后习题第3、6、7题2绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。

每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。

在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。

物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。

可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。

化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。

“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。

二、《化学反应工程》任务“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。

掌握换热式固定床催化反应器床层轴向温度的变化规律及其影响因素和利用热点（或冷点）的位置变动判断反应器操作工况。

了解换热式固定床催化反应器的设计优化问题，参数敏感性问题以及飞温和失控现象。

了解自热式固定床催化反应器的操作工况。

了解液化床催化反应器的主要结构及操作，两相理论的概念及床层中气泡行为。

了解实验室反应器的主要类型及其特点。

三、学时安排本科四年制《化学工程与工艺专业》适用（６４学时）第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章3 9 10 8 9 11 8 33返回第一章概述无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。

生产过程包括如下三个组成部分：图1.1 典型的化学加工过程第①和③两部分属于单元操作的研究范围；而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。

上图为厂区夜景，点击可进入有更多介绍工厂及设备的图片第一节化学反应工程一、化学反应工程的研究对象化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。

反应动力学--研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等其中速率方程可表示为：r=f（T、、P）（对于一定的反应物系）而言--随时间、空间变化其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量，P为系统的总压。

反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。

注意：化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器总体的性态。

所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上）着手。

二、化学反应的分类（反应工程学科）无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用，将化学反应进行分类。

下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。

化学反应工程的基础原理和应用化学反应工程是研究化学反应的全过程，设计和开发实际化学反应装置以及控制化学反应过程的工程学科。

它是现代化学工业生产中的一个重要部分，应用广泛，可以制造各种产品，如化学品、制药品、塑料、聚合物、石油化工产品等等。

化学反应工程的基础原理和应用是工程学科中非常重要的一部分。

化学反应的基本原理化学反应是一种物质中原子、离子或分子的再组合过程。

两种或以上物质因发生转化而形成一种或多种新的物质的过程，称之为化学反应。

化学反应会产生一些新的化学物质，这些新物质的化学性质不同于原来的物质，而这种转化的过程，对于化学反应的研究及工业应用具有重大的意义。

化学反应的应用化学反应的应用非常广泛，在人类的日常生活中随处可见。

常见的有以下几个方面：1. 化学工业：可以制造各种化学品，如硫酸、氨水、氢氧化钠等等。

2. 制药工业：可以制造各种药品，如抗菌药、麻醉药等等。

3. 石油化工工业：可以制造各种石油化工产品，如石油、天然气、汽油等等。

4. 聚合物工业：可以制造各种聚合物，如塑料、橡胶、纤维等等。

化学反应工程的基本原理化学反应工程的目的是通过对化学反应的研究和了解，开发出合理的生产工艺和设备，来生产所需的各种产品。

因此，化学反应工程需要掌握一些基本原理：1. 反应动力学：研究化学反应的速率和反应机理，掌握化学反应的规律和机理。

2. 热力学：研究化学反应伴随的能量变化，掌握化学反应的热力学规律。

3. 流体力学：研究流体的流动规律，掌握化学反应的流动规律。

4. 物质传递：研究物质的传递规律，掌握化学反应的物质传递规律。

化学反应工程的应用化学反应工程的应用非常广泛，其中几个重要的应用如下：1. 催化剂的研究和开发：催化剂是化学反应中的重要因素，是可以提高化学反应速率和降低反应温度的重要工具。

催化剂的研究和开发，可以提高化学反应的效率和经济性。

2. 设计和开发化学反应装置：根据化学反应的要求和工艺条件，设计、开发和生产适用于不同化学反应的反应装置，是化学反应工程的重点之一。

第2章 化学计量学2.3 根据化学计量系数矩阵确定下列体系的独立反应数和独立的反应式：Br 2→2BrBr+H 2→HBr+HH+Br 2→HBr+BrHBr+ H →Br+ H 22Br →Br 2解：5个反应式可写成矩阵形式：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--------00000000211111001111111100002122H HBr H Br Br A A A A A 将系数矩阵第一行加到第五行，得：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--------0002111110011111111000021 将系数矩阵第二行加到第四行，得：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----0000000000011111111000021 第一行的（-1）倍加到第三行，并且：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----0000000000011101111000021 将第二行的（-1）倍加到第三行，得：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----0000000000102001111000021 得到3个线性独立的行向量，故秩k=3，有三个独立反应，矩阵前三行即为所求的独立反应。

2002222=-=+--=-H H H HBr H Br Br Br即：Br Br 22=222H H HBrH H Br =+=+2.6 在银催化剂上进行甲醇氧化得到甲醛，进口气体的成分为CH 3OH ：空气：水蒸气=2:4:1.3（物质的量比）。

反应后气体含甲醇、甲醛（HCHO ）、水汽、CO 及过剩的空气。

若入口空气含N 279%，O 221%，甲醇的转化率为72%，生成甲醛的选择性为92%。

用原子矩阵法求独立反应和反应器出口气体的组成。

解：（1）先写出其原子矩阵：N 2 H 2O O 2 CH 4OCO CH 2O[]C O H N ji⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=111000111210204020000002β 对原子矩阵进行初等变换，将矩阵最左的子方阵变换为单位降。

第一章1、过程工业：以物质转化为核心2、装置与产品制造工业：以物件的加工和组装为核心3、化工过程：原料获取(预处理）、化学反应过程、产品分离和提纯4、本科目研究的对象:以工业规模进行化学反应过程,目的：实现工业反应过程的优化5、实现工业反应过程的优化分两类:设计优化、操作优化6、反应过程优化的技术指标:反应速率、反应选择率、反应收率、能量消耗7、决策变量：结构变量、操作方式、工艺条件（结构变量：反应器类型，单相：均相管式反应器和均相釜式反应器，两相,：固定床反应器，液化床，气液相反应器，三相：）（操作方式：间歇、连续、半连续，加料方式：一次性、分批加料、分段加料）8、化学反应工程研究的内容：1化学反应过程（容积、表面反应过程）1、物理传递过程（反混合不均匀性、传质过程、传热过程）9、研究方法(数学模型法）:数学表达式即动力学方程式（一反）、物料、热量、动量衡算式(三传）、参数计算式10、数学模型法基本特征:过程分解、过程简化第二章1、化学反应动力学是研究化学反应速率和机理的科学2、本征动力学（微观）:排除物理过程，表观动力学（宏观)：包含物理过程3、反应速率定义：反应量/（反应时间）（反应区）4、均相前提：分子尺度上混合均匀、特征：无物理过程5、复杂反应（可逆反应、自催化反应、平行反应、串联反应）6、固体催化剂的组成及活化:特点:活性、选择性、稳定性,组成：活性成分、载体、助催化剂，活化：还原。

7、化学反应过程分为：容积反应过程、表面反应过程8、气固相催化反应过程包括：(内、外)扩散过程、表面反应过程9、吸附模型:理想吸附模型、真实吸附模型10、反应级数的工程意义是：表示反应速率对于反应物浓度变化的敏感程度11、气液非均相反应过程的反应区取法分为：选用液相体积、选用反应器体积12、在包含物理过程影响下测得的反应速率称为表观反应速率。

13、物理传质过程与化学反应过程串联时，通常是慢一步速率的决定表现反应速率(过程速率的控制步骤）14、均相反应动力学是研究反应在同一项中进行的规律性.15、工程上实际的均相反应应满足两个条件：反应系统可以成为均相、预混合过程的时间远小于反应时间吸附分为物理、化学吸附16、化学吸附可分为：活化化学吸附、非活化化学吸附17、化学反应速率特征可以概括地表示为反应速率的浓度效应、温度效应18、基本的物理过程有：返混、传质、传热19、气固相催化反应是指气体在固体催化剂上进行的催化反应第三章1、反应器设计的基本内容：选择合适的反应器类型、确定最佳工艺条件、计算反应器体积2、反应器设计的基本方程包括反应动力学方程式、物料衡算方程式、热量衡算方程式、动量衡算方程式3、物料衡算和反应速率式式描述反应器性能的两个最基本的方程式4、辅助时间是指装料、升温、降温、卸料、清洗时间的总和5、反应后期转化问题的严重程度顺序是：二级＞一级＞零级6、反应物同时进行两个或两个以上的反应成为平行反应7、平行反应选择率的温度效应是：高温度有利于活化能高的反应8、串联反应：反应物能进一步反应生成其他副产物的反应9、间歇反应器的反应体积是指反应物在反应器中所占的体积第四章1、反应前后物料浓度变化不明显：衡容反应系统2、表征反应前后分子数变化程度的方法的有：膨胀率发、膨胀因子法3、膨胀率￠的定义是指反应组分全部转化后系统体积变化的分率第五章1、全混流：釜式反应器中，一边连续加料、另一边连续出料2、返混：停留时间不同物料的混合3、造成返混的原因：设备中存在不同尺度的环流、不均匀的速度分布4、限制返混的主要措施：分割（横向、纵向）5、连续釜反应器特点：反应物料浓度降低至出料水平，降低了反应速度6、返混是连续化反应时伴生的现象,原因是空间的反向运动和不均匀速度分布第六章1、混合现象：宏观、微观混合2示踪物的输入方法有阶跃注入法、脉冲注入法、周期注入法3、连续反应过程的考察方法：以反应器、反应物料为对象的的考察方法4、非理想流动模型分为：数学模型方法、扩散模型（适合于返混程度较小的非理想流动模型)、多级全混流模型。

化学反响工程根底知识总结〔笔记〕1、化学反响工程是一门研究涉及化学反响的工程问题的学科。

如何将其在工业规模上实现是化学反响工程的主要任务。

2、理想置换反响器的特点：①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反响器内没有物料的返混，所有物料通过反响器的时间都是相同的②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性是一致的③在定常态下操作，反响器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。

3、全混流反响器的特性①物料在反响器内充分返混②反响器内各物料参数均一③反响器的出口组成与器内物料组成相同④反响过程中连续进料与出料，是一定常态过程。

4、返混的定义：物料在反响器内不仅有空间上的混合而是有时间上的混合，这种混合过程称返混。

5、非均相催化反响过程步骤①反响组分从流体主体向固体催化剂外外表传递②反响组分从外外表向催化剂内外表传递③反响组分在催化剂外表的活性中心上吸附④在催化剂外表上进行化学反响⑤反响产物在催化剂外表上解吸⑥反响产物从催化剂内外表向外外表传递⑦反响产物从催化剂的外外表向流体主体传递6、兰格缪尓〔Langmuir〕吸附模型条件①催化剂外表上活性中心分布是均匀的②吸附活化能和脱附活化能与外表吸附的程度无关③每个活性中心仅能吸附一个气相分子④被吸附分子间互不影响，也不影响空位对气相分子的吸附。

7、焦姆金〔Temkhh〕吸附模型：一般吸附活化能随覆盖率的增加而增大，脱附活化能那么随覆盖率的增加而减小，因此吸附热必然随覆盖率的增加而减小。

8、催化剂颗粒内气体扩散：多孔催化剂颗粒内的扩散现象是很复杂的。

除扩散路径极不规那么外，孔的大小不同时，气体分子扩散机理亦有所不同。

当孔径较大时，分子的扩散阻力要是由于分子间碰撞所致，这种扩散通常所称的分子扩散或容积扩散。

当微孔的孔径小于分子的平均自由程时，分子与孔壁的碰撞时机超过了分子间的相互碰撞，从而使分子与孔壁的碰撞成为扩散阻力的主要因素，称为克努森〔Knudson〕扩散。