《化学反应过程与设备》电子课件 项目一任务1
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化学反应过程与设备(杨西平)模块一
《专业技能取证实训》 反应器计算中常用的几个物理量
3、膨胀因子和膨胀率 膨胀率：当物系体积随转化率变化呈线性关系
V V0 (1 A xA ) 生 产 中 物理意义：反应物全部转化后系统体积的变化率 的 A (VxA 1 VxA 0 ) VxA 0 三 率 A = yA0A 两者关系：
连续操作: 累积量（物料、热量）＝０间歇 操作: 进入和离开的组分量（热量）=0绝热 操作: 和外界的热交换量＝０
石油化学工程系
动力学方程式
定量描述反应速 率与影响因素之 间的关系式。
《专业技能取证实训》
反应速率与影响反 应速率的影响因素 之间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
石油化学工程系
动力学方程式
定义：也称为比速率
E k k 0 exp( ) RT
《专业技能取证实训》
反 应 速 k — 频率因子，与温度无关 ； 0 率 常 R — 气体常数，（R 8.314J /(m ol K )； 激发”到“活化状态” 所需要的能量； 数 E — 活化能（把反应分子“
动力学方程式
《专业技能取证实训》
影 响 因 素
温度 浓度 压力 溶剂 催化剂 固定 速率方程或动力学方程 定量描述反应速率和温度 及浓度的关系式
石油化学工程系
动力学方程式
《专业技能取证实训》
1、基元反应：根据质量作用定律 vAA vBB vRR
基 本 方 程
动力学方程式：
rA kc cA cB
c A0 (1 x A ) nA 浓度变化关系： c A V V (1 x ) 0 A A
石油化学工程系
《专业技能取证实训》 反应器计算中常用的几个物理量
《化学反应过程与设备》电子课件 项目二任务2到3
本征动力学方程的型式
（1）双曲线型本征动力学方程：见表1-11
（2）幂函数型本征动力学方程
如焦姆金导出的铁催化剂上氨合成反应动力学方程
为：
rNH3
k1 pN2
p1.5 H2
pNH3
k2
pNH3 p1.5
H2
在实际应用中常常以幂函数型来关联非均相动力学参
数
三、固定床反应器计算 在固定床中进行催化反应，流体必须进行 流动；催化反应的同时还会进行传质、传 热过程。 流体流动、传质、传热过程会影响床层中 的浓度、温度分布，最终将影响反应过程， 因此必须了解这些过程。
以上七个步骤是前后串联的：
速率控制步骤：某一步骤的速率与其他各步的速率相比 要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率。 （外扩散控制、内扩散控制、表面过程控制）
当反应过程达到定态时，各步骤的速率应该相等，且 反应过程的速率等于控制步骤的速率。
(三)本征动力学方程
气固相反应本征动力学就是研究不受扩散干扰条件下 的固体催化剂与其相接触的气体之间的反应动力学。
n
dP xidi i 1
调和平均直径
1 n xi
dP d i1 i
在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均 直径较为符合实验数据。
3、空隙率
固定床内流体是通过催化剂颗粒构 成的床层而流动，了解催化剂床层的性 质很必要。
空隙率是床层的重要特性之一， 对流体通过床层的压力降、床层的有效 导热系数等都有重大的影响。
非球形颗粒的比表面积为：
SV AP /VP
比表面积等于S的球形颗粒有如下关系式：
SV
d
2 S
/
1 6
d
3 S
6/ dS
化学反应及实验ppt教案
解反应则是两种化合物相互交换成分生成另外两种化合物的反应。
化学反应的能量变化
总结词
化学反应伴随着能量的变化，可以表现为吸热或放热。
详细描述
化学反应过程中能量的变化通常表现为吸热或放热。吸热反应吸收热量，使体系 的温度降低；而放热反应则释放热量，使体系的温度升高。能量的变化与化学键 的断裂和形成有关，是化学反应的重要特征之一。
络合反应实验
总结词
络合反应是化学中一类特殊的反应，通过实验演示可以帮助 学生更好地理解络合反应的原理和过程。
详细描述
络合反应实验通常包括将络合剂与金属离子进行反应，观察 颜色、沉淀等变化。通过实验演示，学生可以观察到络合反 应中的颜色变化、沉淀生成等现象，从而更好地理解络合反 应的本质。
04
化学反应应用实例
化学实验的意义与价值
意义
化学实验是化学学科的重要组成部分， 通过实验可以加深学生对化学知识的理 解和掌握，提高学生的实践能力和科学 素养。
VS
价值
化学实验有助于培养学生的观察能力、分 析问题和解决问题的能力，以及创新思维 和团队协作精神。同时，化学实验也是推 动化学科学发展的重要手段，为人类生产 和生活提供了重要的技术支持和保障。
工业生产中的应用
01
02
03
合成氨
通过高温高压和催化剂的 作用，将氮气和氢气转化 为氨气，用于制造化肥和 其它化工产品。
炼油
通过催化裂化、加氢裂化 等化学反应，将石油转化 为各种燃料和化工原料。
硫酸生产
通过硫的氧化，将二氧化 硫转化为硫酸，用于制造 化肥、染料、农药等化工 产品。
生活中的化学反应实例
误差分析
总结词：科学评估
详细描述：误差分析是实验数据处理的重要环节。实验者需要对实验数据进行科 学评估，分析误差来源，如仪器误差、操作误差、环境误差等。通过对误差的分 析，可以了解实验的准确性和可靠性，为实验结果的解释和应用提供依据。
化学反应的能量变化
总结词
化学反应伴随着能量的变化，可以表现为吸热或放热。
详细描述
化学反应过程中能量的变化通常表现为吸热或放热。吸热反应吸收热量，使体系 的温度降低；而放热反应则释放热量，使体系的温度升高。能量的变化与化学键 的断裂和形成有关，是化学反应的重要特征之一。
络合反应实验
总结词
络合反应是化学中一类特殊的反应，通过实验演示可以帮助 学生更好地理解络合反应的原理和过程。
详细描述
络合反应实验通常包括将络合剂与金属离子进行反应，观察 颜色、沉淀等变化。通过实验演示，学生可以观察到络合反 应中的颜色变化、沉淀生成等现象，从而更好地理解络合反 应的本质。
04
化学反应应用实例
化学实验的意义与价值
意义
化学实验是化学学科的重要组成部分， 通过实验可以加深学生对化学知识的理 解和掌握，提高学生的实践能力和科学 素养。
VS
价值
化学实验有助于培养学生的观察能力、分 析问题和解决问题的能力，以及创新思维 和团队协作精神。同时，化学实验也是推 动化学科学发展的重要手段，为人类生产 和生活提供了重要的技术支持和保障。
工业生产中的应用
01
02
03
合成氨
通过高温高压和催化剂的 作用，将氮气和氢气转化 为氨气，用于制造化肥和 其它化工产品。
炼油
通过催化裂化、加氢裂化 等化学反应，将石油转化 为各种燃料和化工原料。
硫酸生产
通过硫的氧化，将二氧化 硫转化为硫酸，用于制造 化肥、染料、农药等化工 产品。
生活中的化学反应实例
误差分析
总结词：科学评估
详细描述：误差分析是实验数据处理的重要环节。实验者需要对实验数据进行科 学评估，分析误差来源，如仪器误差、操作误差、环境误差等。通过对误差的分 析，可以了解实验的准确性和可靠性，为实验结果的解释和应用提供依据。
化学反应工程 第一章课件
Fogler
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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、C、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，C代表浓度，P为系统的总压。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
化学反应工程研究方法 （1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理 后仍能反应事物的本质。 （2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化 学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相 互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作 用，找出数学关联式。 （3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反 应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间 和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条 件 —最优化的技术指标 学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率 转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组 分为关键组转化 量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转 化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的 关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程 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 动力学与反应器分析与设计。 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、C、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，C代表浓度，P为系统的总压。
恒容间歇反应 器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x
国家开放大学《化学反应过程及设备》形考任务1-4参考答案
国家开放大学《化学反应过程及设备》形考任务1-4参考答案形考任务11.均相反应的基本特点是反应体系已达到（）尺度上的均匀混合。
A.工业B.实验室C.分子D.原子2.对于连串反应：，P为目的产物，下列做法能够提高目的产物的选择性的是（）。
A.增大k1/k2的比值B.增大主反应的活化能C.提高物料中反应物A的浓度D.提高反应温度3.现有某反应活化能为120kJ/mol，温度由300K上升10K，反应速率常数增大到原来的（）倍。
A.1.1B.3.2C.4.7D.104.等温恒容条件下，某不可逆反应的达到一定转化率所需的反应时间与初始浓度无关，仅与转化率有关，那么该反应为（）。
A.零级B.一级C.二级D.三级5.对于可逆放热反应，在一定条件下，反应速率最大时对应的温度称为（）。
A.最适宜温度B.平衡温度C.完全转化温度D.起燃温度6.对于平行反应：A→P（目的产物）；A→S（副产物），当主副反应级数相同时，下列做法能够提高目的产物的选择性的是（）。
A.增大k1/k2的比值B.增大主反应的活化能C.提高物料中反应物A的浓度D.提高反应温度7.一反应关键组分A的转化率为96%，对A产物的选择性为75%，则该反应中A 的收率为（）。
A.0.77B.0.75C.0.74D.0.728.可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应的速率的关系为：r正（）r逆。
A.﹥B.﹦C.﹤D.无法确定9.分子经过一次反应即生成产物的反应，称为（）。
A.简单反应B.复杂反应C.基元反应D.非基元反应10.化学工业品生产以下包括三个主要阶段：原料的预处理、化学反应过程及产物的分离与净化。
其中产物的分类和净化是最为核心的部分。
（×）11.间歇式操作适用于大批量产品的生产。
（×）12.连续操作是指反应器中的原料有一些是分别加入或取出的，而另一些则是连续通过的。
（×）13.物料衡算、热量衡算和动量衡算通式为：累积量=输入量-输出量。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
k A0 exp( E ) RT
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
化学反应过程与设备课件资料
降低热点温度 减少轴向温差 的措施： 入口处附近放置一定高度惰性载体 稀释的催化剂或已部分老化催化剂。
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
化学反应过程及设备
从实验室开发到工业生产存在放大效应。
在工业反应器中实际进行的过程不
但包括有化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混和和
传递等，所有这些传递过程使得反应器内
产生温度分布和浓度分布，从而影响反应
的最终结果。
5/21/2020
➢ 化学动力学特性的研究 ：在实验室的小反应器内进行， 完全排除传递过程的影响。
a s
(rS
)
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
或可说，我们用不同的着眼级分来描述化学反应速 率，那么反应速率与计量系数之比是相等的。
rA rB rr rs a b rs
若以浓度表示则为：
1 dCA 1 dCB 1 dCR 1 dCS a dt b dt r dt s dt
( r ) k P P
A
A ,P A B
5/21/2020
（3）单一反应 ✓— 可逆—反反应速应率级方程数的表示
对于： aA+bB rR+sS
( r ) kC B kC B
A
AA B
ARS
反应级数的大小反映了该物料浓度对反应速率
影响的程度。级数愈高，则该物料浓度的变化
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
对于(恒容)气相反应，由于分压与浓度成正比，也可用 分压来表示。
( r )
1
dn A
k
P P
A V dt
pA B
注意各参数的量纲单位要一致 ，若分压的单位为Pa，
则kp的单位：
mol ( m3 s Pa)
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
对于均相反应aA+bB=rR+sS反应速率定义为：
化学反应过程与设备
化学反应过程与设备化学反应是指两种或更多物质发生一定变化，产生新的物质的过程。
化学反应过程与设备的设计和优化，是指通过合理设计和改善反应器，使得反应过程具有高效、安全、节能和环保等特点，提高生产效率和产品质量。
1.反应过程的选择与设计：反应过程的选择与设计是建立在研究反应动力学、热力学和传质过程的基础上。
根据反应物性质、反应条件和产品要求等因素，选择适当的反应方式（如连续反应、间歇反应、催化反应等），确定反应路径和反应机理，并设计反应的操作条件（如温度、压力、反应物的浓度和物料的流速等）。
2.反应物料的处理与准备：反应物料的处理与准备包括反应物料的配制、搅拌、过滤、干燥和纯化等工艺。
合理的物料处理与准备可以提高反应的速度、选择性和收率，并减少副反应和污染物的产生，从而提高产品的质量和产量。
3.反应条件的优化与控制：反应条件的优化与控制是通过实时监测和调节反应的参数，如温度、压力、反应物浓度和物料的流速等，以达到最佳的反应条件。
优化和控制反应条件可以减少能源的消耗、降低废物的排放、提高产品的纯度和产量，并延长反应器的使用寿命。
4.催化剂的选择与改进：催化剂在化学反应中起到促进反应速率、提高选择性和稳定性的作用。
合理的催化剂的选择与改进可以提高反应的效率、减少不必要的副反应和串联反应，并降低催化剂的损耗，从而降低生产成本。
1.反应器的类型与选择：反应器的类型根据反应过程的性质和要求而定，常见的反应器有批式反应器、连续反应器、固定床反应器、搅拌反应器和流动床反应器等。
选择合适的反应器类型可以保证反应过程的高效性、安全性和可控性。
2.反应器的结构与材料的选择：反应器的结构包括反应器的容器、搅拌装置、换热器和分离器等部分，合理的结构设计可以提高反应器的热交换效率、降低能源的消耗、减少反应物料的停留时间和提高产品的选择性。
材料的选择要考虑到反应物料的腐蚀性、温度和压力等因素，以保证反应器的安全运行和长寿命。
化学反应过程与设备1
应、产品精制。
化学反应过程是化工生产过程的核心
单元操作
过程核心
单元操作
原料处理
化学反应
循环物流
产品精制
例：日常生活中的化学反应
1、用石灰浆抹的墙壁，日久会变硬 CO2 + Ca（OH）2═══ CaCO3↓+ H2O
2、水壶和热水瓶胆使用久了会产生水垢用食醋可以除掉水垢 CaCO3 + 2CH3COOH =（CH3COOH)2Ca + H2O + CO2 ↑
反应器内反应物的浓度变化： 理想混合流动
理想置换流动
返混及其影响
停留时间（寿命）：反应物料质点通过反应器的时间 年龄：反应物料质点从进入反应器起，已经停留的时间 返混：不同年龄的质点之间的混合
返混不是一般意义上的混合，而是专指不同时刻进入 反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是 不同年龄质点之间的混合。
dxA
d
（2）用浓度表示
- rA
- dcA
d
-
cA V
dV
d
对于恒容过程，反应体积V为常数
- rA
-
dcA
d
对于多组分单一系统
nA0 nA nB0 nB nR nR0 nS nS0
a
b
r
s
rA
rB
rR
rS
r
a b rS
5.均相反应动力学
特点：
结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作 条件（浓度、温度、停留时间等）灵活可控，便于更换品 种，能适应多样化的生产。
2.搅拌釜式反应器的分类
按操作方式分 按材质分
化学反应过程与反应器课件
1 kt ln
1 xA
C
A0
k
t
1
xA x
A
6.3、活塞流反应器
1、活塞流反应器的结构
这种反应器的结构非常简单，一般是直 管，要求有足够大的长径比（L/d > 50）。反应物料从管的一端送入，一边 流动一边反应，从管的另一端引出时， 已达到预定的转化率。
2、管式反应器的特点
（1）活塞 流
分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物 料的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输
出而其余则为分批加入或卸出的操作。 连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程
2、据反应器结构分
a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式 塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾 塔；（g）固定床反应器；h）流化床反应器； （i）移动床反应器；（j）滴流床反应器
等容过程
VR
qV 0
CA0
dx xAf
A
0 rA
dC C A 0
A
CAf (rA )
与间歇反应器的公式相同
4、停留时间、反应时间、返混 的概停念留时间(τ)
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时 间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
反应时间 （t）
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的 时间；是对已经离开反应器的物料质点而言 的。
3、反应物料具有相同的停留时间。
无反 混
3. 活塞流反应器的计算：
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
化学反应过程与设备教案
教学内容及课时安排：任务1 均相反应器选择 2 课时教学过程[板书] 任务1．均相反应器选择[讲述]化学反应过程与设备是一门研究化学反应的工程问题的学科。
对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。
为了这一目标，化学反应过程与设备不仅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，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；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。
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。
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。
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。
[板书] 1.1 釜式反应器的应用与分类[板书] 1.1.1釜式反应器的应用[讲述]釜式反应器又称:槽型反应器或锅式反应器一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
反应器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一。
在化工生产中，既可适用于间歇操作过程，又可用于连续操作过程；可单釜操作，也可多釜串联使用；但若应用在需要较高转化率的工艺要求时，有需要较大容积的缺点。
通常在操作条件比较缓和的情况下，如常压、温度较低且低于物料沸点时，釜式反应器的应用最为普遍釜式设备是化学工业中广泛采用的反应器之一，它可用来进行液液均相反应，也可用于非均相反应，如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。
化学反应过程与设备
二，弯管
弯管结构与直管基本相同（见图1-13）。弯头半径R≥5D （1±4%）。弯管在机架上的安装方法允许其有足够的伸缩量，故 不再另加补偿器。内管总长（包括弯头弧长）也是8米。
三，密封环
套管式反应器的密封环为透镜环。透镜环有两种形状。一 种是圆柱形的，另一种是带接管的T形透镜环，如图.圆柱形透镜环 用反应器内管同一材质制成。带接管的T形透镜环是安装测温、测 压元件用的。
+ 工作任务
+ 根据化工产品的反应特点和生产条件选择均相反应器的类型，进行工艺设计， 并能对典型均相反应器进行操作与控制。
+ 工作任务：
+ 根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择均相反应器 的类型
+ 化学工业中均相反应器类型主要有：釜式反应器和管式反 应器
+ 技术理论：
+
原料预处理
+ 化工生产过程
律。
+ 方法能力目标：
+ 1.具有信息检索能力； + 2.具有信息加工能力； + 3.具有数学计算和应用能力； + 4.具有自我学习和自我提高能力； + 5.具有工作计划和决策能力； + 6.具有发现问题、分析问题和解决问题能力。
+ 社会能力目标：
+ 1.具有团队精神和与人合作能力； + 2.具有与人交流沟通能力； + 3.具有较强的表达能力。
考虑因素：
①根据物料的聚集状态选择：气相反应选择连续操作管式反应器，液相反应一般选择釜式反应器 ②根据生产量选择：通常产量大的采用连续操作反应器，产量较小的采用间歇操作反应器 ③根据反应速率：液相快反应可选择连续操作管式反应器或连续操作釜式反应器，而慢反应则可选 择间歇釜式反应器 ④根据动力学特性选择：主要结合反应的优化指标和化学反应动力学方程来选择
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图1-2反应釜的操作方式 (a)间歇 (b)、(c)半间歇 (d)连续 (e)多釜串联
2、按材质分为钢制（或衬瓷板）反应釜、铸铁反应 釜及搪玻璃反应釜。
（1）最常见的钢制反应釜的材料为Q235A（或容器 钢）。
（2）铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸 增浓等反应过程中使用较多。
（3）搪玻璃反应釜，俗称搪瓷锅。能耐大多数无机 酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
化学反应过程与设备
物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和 《传质与分离技术》
化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设 备》，属于化学反应工程的范畴
化学反应器是化工生产装置中的关键设备
本课程的总目标
通过本课程的学习，能掌握各种反应器的基 本结构、特点，掌握化学反应动力学表述方式， 掌握各种反应器工艺设计方法，能根据反应特征 和生产条件选择反应器，初步掌握各种反应器的 基本操作和基本维护方法，能判断和排除反应器 常见的不正常工况，能初步对反应过程进行优化。
甲苯硝化，氯 乙烯聚合， 酯化反应等
多管串联结构管式反应器
多管并联结构管式反应器
四、均相反应器的选择
通常反应器选择的依据是：
反应的特征：主副反应的生成途径，反应速 率、反应热等；
反应器的特征：返混大小，流动状态、换热 能力等；
生产要求：反应温度、反应压力、反应时间、 转化率、选择性，压降、能耗、生产能力等。
表 均相化学反应器选择举例
项目一 均相反应器选择、设 计、操作与控制
工作任务
根据化工产品的反应特点和生产条件选择均 相反应器的类型，进行工艺设计，并能对典型均 相反应器进行操作与控制。
任务1 均相反应器的选择
化学工业中常见的均相反应器，主要有 釜式反应器、管式反应器
一、搅拌釜式反应器的应用与分类
1、按操作方式分为间歇（分批）式、半连续（半间 歇）式和连续式操作。
3、按反应釜所能承受的操作压力可分为低压釜和高 压釜
二、搅拌釜式反应器结构
釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。 它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主 的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液 相、气液固相等。
釜式反应器的结构, 主要由壳体、搅拌 装置、轴封和换热 装置四大部分组成。
三、管式反应器的种类与结构
型式
管式反应 器
适用的反 应
应用特点
应用举例
气相，液 相
返混小，所需反应器体积 石脑油裂解，
较小，比传热面大，但 甲基丁炔醇
对慢速反应，管要很长， 合成，管式
压降大Leabharlann 法高压聚乙烯生产等
反应釜， 单釜或 多釜串 联
液相，液 液相， 液固相
适用性强，操作弹性大， 连续操作时温度、浓度 容易控制，产品质量均 一，但高转化率时，反 应器体积大
2、按材质分为钢制（或衬瓷板）反应釜、铸铁反应 釜及搪玻璃反应釜。
（1）最常见的钢制反应釜的材料为Q235A（或容器 钢）。
（2）铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸 增浓等反应过程中使用较多。
（3）搪玻璃反应釜，俗称搪瓷锅。能耐大多数无机 酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
化学反应过程与设备
物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和 《传质与分离技术》
化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设 备》，属于化学反应工程的范畴
化学反应器是化工生产装置中的关键设备
本课程的总目标
通过本课程的学习，能掌握各种反应器的基 本结构、特点，掌握化学反应动力学表述方式， 掌握各种反应器工艺设计方法，能根据反应特征 和生产条件选择反应器，初步掌握各种反应器的 基本操作和基本维护方法，能判断和排除反应器 常见的不正常工况，能初步对反应过程进行优化。
甲苯硝化，氯 乙烯聚合， 酯化反应等
多管串联结构管式反应器
多管并联结构管式反应器
四、均相反应器的选择
通常反应器选择的依据是：
反应的特征：主副反应的生成途径，反应速 率、反应热等；
反应器的特征：返混大小，流动状态、换热 能力等；
生产要求：反应温度、反应压力、反应时间、 转化率、选择性，压降、能耗、生产能力等。
表 均相化学反应器选择举例
项目一 均相反应器选择、设 计、操作与控制
工作任务
根据化工产品的反应特点和生产条件选择均 相反应器的类型，进行工艺设计，并能对典型均 相反应器进行操作与控制。
任务1 均相反应器的选择
化学工业中常见的均相反应器，主要有 釜式反应器、管式反应器
一、搅拌釜式反应器的应用与分类
1、按操作方式分为间歇（分批）式、半连续（半间 歇）式和连续式操作。
3、按反应釜所能承受的操作压力可分为低压釜和高 压釜
二、搅拌釜式反应器结构
釜式反应器是生产中广泛采用的反应器。 它可用来进行均相反应，也可用于以液相为主 的非均相反应。如非均相液相、液固相、气液 相、气液固相等。
釜式反应器的结构, 主要由壳体、搅拌 装置、轴封和换热 装置四大部分组成。
三、管式反应器的种类与结构
型式
管式反应 器
适用的反 应
应用特点
应用举例
气相，液 相
返混小，所需反应器体积 石脑油裂解，
较小，比传热面大，但 甲基丁炔醇
对慢速反应，管要很长， 合成，管式
压降大Leabharlann 法高压聚乙烯生产等
反应釜， 单釜或 多釜串 联
液相，液 液相， 液固相
适用性强，操作弹性大， 连续操作时温度、浓度 容易控制，产品质量均 一，但高转化率时，反 应器体积大