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化学反应工程课件

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化学反应工程课件

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

化学反应工程全套教学课件

化学反应工程全套教学课件

可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。

化学反应工程课件

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3、简化模型的要求：
（1）不失真； （2）能满足应用的要求；
（3）能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值； （4）能适应现有计算机的能力；
4 、基础数学模型
1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速
率、物料温度和浓度的数学关系。传统上是物理化学的 研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧 重于 表达三者的数学关系，而直接加以应用。
（3）反应过程的优化：投资少、效率高、生产强度大、产 品质量好。 设计最佳化——反应器体积最小，投资少。 操作最佳化——管理、控制最佳化，最佳操作参数。
（4）反应器的工程放大： 对现成的生产工艺，进行生产规模放大； 新产品研发：小试——中试——扩大试验；
反应过程开发放大方法
• 逐级经验放大法
• 相似放大法
1 、化学工程发展史及化学反应工程学科的形成
• 化学工程学科体系的基本内容：
化学工程共同的现象，可概括为“三传一反”，即动 量传递、热量传递、质量传递及化学反应，其学科形成了 以传递过程及化学反应工程为核心的学科体系（包括化工 热力学、化工单元过程、分离工程、化工系统工程等）
过程工程
• 过程工程（process engineering)的概念是对“化学工程” 概念的拓展。化学工程学在发展过程中不断向科技新领域 渗透拓展，应用对象已经涵盖了所有与物质的物理、化学 加工过程相联系的工业部门，这个部门称为“过程工业” （process industry），包括石油炼制、化学工业、能源 工业、航空、军事、冶金、环保工业、建材、印染、生物 技术、医药、食品、造纸等工业部门。
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。 化工生产过程是由物理过程和化学反应过程组成的。化 工设备分为“物理型”和化学反应器两大类。在化学反应器 中发生化学反应，由原料转换成产物，是化工生产的核心设 备。

化学反应工程

化学反应工程

化学反应工程的范畴和任务
• 学反应工程学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 必然要事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。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应工程 反应动力学 化学工艺 催化剂 工程控制 传递过程
• ②中型实验
数学模型验证
大设备的设计
• ③数学模型的应用
• 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、 Nu、Pe、Sc等)
•
综上所述，可见目前化学反应工程处理 问题的方法是实验研究和理论分析并举。 在解决新过程的开发问题时，可先建立 动力学和传递过程模型，然后再综合成 整个过程的初步的数学模型，根据数学 模型所作的估计来制定试验，特别是中 间试验方案，然后用试验结果来修正和 验证模型。
二级反应的速率方程式
如果有两反应物，而且初始浓度相等，并在反应过程 消耗的物质的量也相等． rA=kcA２或rA=kcA,0２(1-xA)２
1 dnA rA V dt
kcA２＝
dc A rA dt
dc A dt
双分子二级反应
分离变量： Kdt= －dcA/cA２ 初始条件t=0, cB,0=cA,0,进行积分
反应过程和传递过程
实验只能测得NH3的主体浓度c0,当NH3浓度很小时: r0=k0c0 r=k0c0=kscs, k0c0=ks c0/ (ks/kga+1) k0=ks / (ks/kga+1) k0=1 / (1/kga+1/ks ) …………….……..p17:7-50式 此式表明实验测得的表面反应速率常数k0是化学反应 过程1/ks和扩散过程1/kga共同作用的结果.

化学反应工程_百度文库

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第一章气－固相催化反应本征动力学概论化工生产中大多数反应是过程，气-固相催化反应是重要反应之一。

本章讨论：1，2，连续过程中化学反应速率的有关问题；气-固相催化反应的化学动力学，即本征动力学。

第一节化学计量学1-1化学计量式化学计量学是研究化学反应系统中反应物和产物组成相互关系变化的数学表达式。

化学计量式是化学计量的基础。

化学计量式表示参加反应的各组分的娄量关系，等式左边的组分为反应物，等式右边的组分为产物，化学计量式的通式为：或或一般将反应物的化学计量取负值，产物的化学计量取正值。

如果反应系统中有m 个反应，则第j个反应的化学计量式的通式为或也可用矩阵表示为......1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子一．反应程度对于间歇反应中的单反应进行物料衡算按化学计量关系有R上式中的ξ称为化学反应程度。

注意上述表达式中各项的正负号。

（1-7）式也可表达为：为i组分已反应的量，所以，知道反应程度即可计算出所有反应物及产物已经反应（或生成）的量。

二、转化率反应物A的反应量与其初如量之比称为A的转化率:nA0nA0nA0工业反应过程中的原料中各组分之间往往不符合化学计量关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。

三、化学膨胀因子在恒温恒压的连续系统中发生反应对于液相反应，反应前后物料的体积流量变化不大，一般作为恒容过程。

对于气相反应，反应前后物料的体积流量变化较大。

定义每转化1mol的A时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子，即：则有：由此，组分A的瞬时浓度可表示为：对于连续，则式中，大写字母表示摩尔流量，小写字母表示物质的量。

例1－1 计算下列反应的化学膨胀因子1. A+B→P+S2. A→P+S3. A+3B→2P解：1. δA=[(1+1)－(1+1)] / 1=02. δA=[(1+1)－1)] / 1=13. δA=[2－(1+3)] / 1=－21-4 多重反应的收率及选择率1，单一反应和多重反应单（一）反应：一组物定的反应物反应生成一组特定的产物。

《化学反应工程》课件

《化学反应工程》课件

部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。

化学反应工程课件-PPT


k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.

化学反应工程学


ｑＶ
经过t→t+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物 总量（M0）的分率为：
dN 在t t dt时间流出的示踪物量 ( )示踪物 N 示踪物总量 qV c（t）dt M0
在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在 反应器内停留时间为t→t+dt的物料在N中所占的分率为：
ｑＶ
连续操作的流动 体系
ｑＶ
在阶跃示踪法中，t秒时由出口测出的是停留时间为0→t秒的 示踪物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在t秒都会从出口 流出来，所以阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：
停留时间为 0 t秒的示踪物 c(t ) t秒内加入物料体积 t秒内进入反应器的示踪 物 停留时间为 0 t秒的分率 t秒内加入物料体积 qV c0 t E（t） dt
np a s p n A, 0 n A
收率：生成目的产物的量比加入反应物的量
a np y p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为：
y xA s
有时也用质量收率表示：
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
（二）、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类 反应类型 设备的结构 反应特性 形式
dN ( ) 物料 E（t）dt N
由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以
dN dN ( )示踪物 ( ) 物料 N N
qV c(t ) dt E (t )dt M0 qV E (t ) c(t ) M0
C(t)
t
2、阶跃示踪法
从某一时刻起连续 加入示踪物 测定示踪物浓度 c(t) 随 时间 t 的变化
根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度， 这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：

化学反应工程

a A.1 A aP P 主 aA.2 A aSS 副
2 3 10
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
西南科技大学
§2-3 复合反应
二、平行反应
1)速率方程积分式 为简化讨论，假定主、副反应均为一级不可逆反应，
其微分速率方程分别为：
化学反应工程(Chemical
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
二、平行反应
根据选择性的定义可得：
aP aA,2 k1 SP aS aA,1 k2
2 3 26
将式(2-3-17)分别代入式(2-3-20)和(2-3-23)中可得：
CP CPO
a p k1 1 exp k1 k2 t C AO a k k A,1 1 2
2 3 1
西南科技大学
Reaction Engineering)
§2-3 复合反应
一、基本概念及术语
２）如果几个反应是依次发生的，这样的复合反应称为
串联反应，如下式所示： A B P R S
2 3 2
３）此外，还有由平行和串联反应组合在一起的复合反 应，如下两式所示：
摩尔数与反应掉的着眼反应组份Ａ的摩尔数之比值。
P
4. 得率
np npo nAO nA
2 3 5
得率，以符号Xp记之，它表示生成的目标产物P的摩尔 数与着眼反应物姓的起始摩尔数之比，即：
X P n p n po / nAO
化学反应工程(Chemical
2 3 6
rA.1 k1CA 主

化学反应工程知识点复习ppt课件


可见，
A 0
等分子反应
A 0
缩体反应 膨体反应
A 0
最新版整理ppt
45
2.3 等温变容过程
速率表示式为：
(rA )
CA0
1 A yA0xA
dxA dt
2.3.2 膨胀率 膨胀率是指反应物A全部转化后系统体积的变化分率：
A
V V xA 1
xA 0
VxA 0
它既与反应的化学计量关系有关，也与系统的惰性物量有关
最新版整理ppt
15
2、速率常数k
• 化学反应速率方程体现了浓度和温度两方面 的影响，浓度的影响体现在浓度项上，反应 级数表明了反应速率对浓度变化的敏感程度。
• 温度的影响则是由速率常数k体现的。
最新版整理ppt
16
2.1反应速率常数
在一般情况下，反应速率常数 kc与绝对温度T之间的关系可以用 Arrhenius 经验方程表示，即：
rS
dC S dt
k2C P
对-rA分离变量积分得：
C A C A 0 ex k 1 p t
最新版整理ppt
42
对A作物料衡算，则有：
CA0CAC PC S
以各组分浓度对时间作图得到各组分的分布曲线，见图。
最新版整理ppt
43
从而得到对应此最高浓度的反应时间为：
topt
ln( k2 k2
最新版整理ppt
18
lnk与1/T是直线关系 －E/R为斜率 lnk0为截距
通过实验测出不同温度下的 速率常数k，作图根据截距 就可以求出指前因子k0，再 根据直线的斜率求出活化能
E
对给定的反应，反应速率与
温度的关系在低温时比高温
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1.1 化学反应工程学的学科历史
1.1.1 化学工程的发展史
第一章 绪 论
化学工程发展史及化学反应工程学科的形成 第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医药化学和冶金 化学等时期。早期化学知识来源于人类的生产和生活实践。 同时在人类对自然界万物的本原构成的探索中，诞生了古 代朴素的元素观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未 形成理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未形成 有规模的化学加工实践。
工程”的概念，发展成为以“单元操作” （unit
operations）为基本研究内容的化学工程学。第一次综合。
▪ 规模的扩大要求人们对生产过程的规律有更为透彻的了
解需要既懂工程又熟悉化学知识促使工程与化学相结合
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
▪ 第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线， 技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天 然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应 用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努 力。尤其是在生产规模日益大型化的趋势下，其影响就 更大了，促使化学工程学科形成了第二次理论综合：即， 从动量传递、热量传递、质量传递的角度深入研究化工 生产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度 来研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升 为一门具有完整理论体系的全面学科。三传一反。
Reactions
Contents
▪ 第四章 非理想流动 ▪ Chapter4 Non-Ideal Flow ▪ 第五章 非均相反应动力学 ▪ Chapter5 Reaction Catalyzed by Solids ▪ 第六章 非均相流固催化反应器 ▪ Chapter6 The Packed Bed Catalytic Reactor ▪ 第七章 气液两相反应器 ▪ Chapter7 Fluid-Fluid Reactors
反应器设计问题。为学科的形成起了一定的作用。
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
▪ 50年代，石油化工迅猛发展，反应器规模不断扩大。对
反应器的放大问题的研究，使人们认识到，任何一个化学
反应在工业规模反应器中进行时不可避免地伴随着"三传"
现象，必须将化学反应与"三传"同时结合起来加以考虑和
The object of the course
▪ 课程目标：反应器分析与设计并重，结 合实际、结合工艺。
▪ 授课方法：讲课与讨论相结合。 ▪ 考试方式：考试与/或作业结合平时成绩
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
▪ 主要参考书 ▪ 《化学反应工程》，陈甘棠 主编，化学工业出版社 ▪ 《化学反应工程》，朱炳辰 主编，化学工业出版社
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
▪ 第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，
硝酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，
出现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。
▪ 20世纪初，英国的Davis,美Walker,Lewis等提出了“化学
化工学科的特点
From Chemical Engineering to Process Engineering
专业任务
工程 工业规模(工程)的设计、操作运行、改进(最优化)问题。
（建筑工程、环境工程、生物工程、电气工程等）
化学工程与工艺 研究工业规模化工过程的规律，开发和改进化工生产过
程。 开发：新产品，新工艺。 改进：对已有过程和产品进行改造，以求最优化。
Chemical Reaction Engineering, by Levenspiel O.
Elements of Chemical Reaction Engineering by Scott Fogler
第一章 绪 论
▪ 1.1 化学反应工程学的学科历史 ▪ 1.2 化学反应工程学的范畴和任务 ▪ 1.3 化学反应过程的分类 ▪ 1.4 工业反应器的分类 ▪ 1.5 化学反应工程的研究方法 ▪ 1.6 化学反应工程所需基本知识
学反应工程的创立奠定了基础。（被认为是化
学动力学发展到“工程技术”阶段的标志。）
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
▪ 40年代，第二次世界大战，三个重要的过程开发研究 工作：
▪ 流化床催化裂化--汽油 ▪ 丁苯橡胶乳液聚合--（汽车）轮胎 ▪ 曼哈顿计划--原子弹（气体扩散提炼浓缩铀U238） ▪ 1947年，出版了两本书: ▪ 霍根（Hougen）和华生（waston）--《化学过程原理》 ▪ 法兰克--卡明涅斯基--《化学动力学中的扩散与传热》 ▪ 总结了化学反应与传递现象之间的相互关系。探讨了
第一章 绪 论
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了“单
元操作”和“单元过程”等概念。
单元操作——流体输送，蒸馏，干燥等专管物
理工序。
单元过程——磺化，水解，加氢等专管化学反
应工序。
1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，流
体流动和传热对化学反应收率的影响”，为化
Байду номын сангаас
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
▪ 美国Bird等编写了《传递现象》这部历史性的著 作Transport Phenomena
▪ A Landmark in Chemical Engineering Education
1.1 化学反应工程学的学科历史
1.1.2 化学反应工程学的发展史
第一层次：资源、能量消耗 第二层次：环境影响 第三层次；安全卫生舒适
Contents
▪ 第一章 绪论 ▪ Chapter1 Overview of Chemical Reaction
Engineering ▪ 第二章 均相反应动力学 ▪ Chapter2 Kinetics of Homogenous Reaction ▪ 第三章 均相反应器（等温、变温过程） ▪ Chapter3 Ideal Reactors for Homogenous