化学反应工程陈甘棠第四章课件

中试
修正基础模型
图1.2 数学模拟放大方法示意图
用
计
算
机 作过
多程
方的
案 及 优 化
基 本 设
设计
计
计
算
24
第2章 化学反应动力学及反应器设计基础
2.1 化学反应和工业反应器的分类
2.1.1 化学反应的分类 ❖ 按照反应可逆性分
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
在非理想流动中，会出现以下几种现象： 死角：流体在反应器中流动时，由于搅拌不均匀会
造成死角
41
短路：在反应器中的物料，并不都达到了应有的停 留时间，一部分物料在应有的停留时间之前即已 溢流出去，而另一部分则较应有的停留时间长。 一般由于反应器进出口管线设置不好会引起短路
42
沟流：在反应器中，由于流体的不均匀流动而打开 了一条阻力很小的通道，形成所谓的沟，此时流 体会以极短的停留时间流过床层，这种现象被称 为沟流。一般填料或催化剂装填不均匀会引起沟 流，沟流和短路经常同时发生
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。
40
❖ 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。
25
❖ 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
26

B
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0

xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工

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
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
根据换热方式不同,可分为三种型 式：
(1)换热式固定床反应器 结构型式类似于列管式换热器。 管内装填催化剂，反应物料自
上而下通过床层；管间为载热体， 与管内物料进行换热，以维持所 需的温度条件。
列管式固定床反应器
1.4 工业反应器的分类
第一章 绪 论
(2)绝热式固定床反应器 床层与外界没有热量交换。
我国化学工程与技术学科的发展中里 程碑
1935年8月我国化工的先驱吴蕴初先生建成 上海天利氮气厂生产出液氨,吴先生还创办 了天厨味精厂(1923),天原电化厂(1929)和 天盛陶器厂(1934),以及范旭东在天津创办 的永利碱厂,这些化工原料的生产推动了我 国化学工业的发展.
合成氨工业的巨大成功推动了化学工业迅 速发展,也带动了一系列化学工程基础理论 工作,如化工热力学、化学工艺学、工业催 化等。氨合成催化剂的研究与改进已经尝 试10万多个配方,至今仍是催化界研究的方 向。
分析。

快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相 反应器》解析
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
89

《化学反应工程》PPT课 件
欢迎来到本次《化学反应工程》PPT课件！在本课件中，我们将探索化学反 应工程的定义、重要性、应用领域、基本步骤和关键要素。
课程介绍
在这个章节中，我们将简要介绍《化学反应工程》课程的目标和内容。
化学反应工程的定义
1 探索化学变化
了解化学反应工程是研究和优化化学反应的过程。
2 最大化产出
学习如何设计反应条件以获得最高产出率。
3 确保安全
了解如何在反应过程中确保操作员和环境的安全。
化学反应工程的重要性
产品开发
化学反应工程为新产品开发提 供支持。
过程优化
优化反应工程可提高生产效率 并降低成本。
环境保护
合理设计反应过程有助于减少 环境污染。
化学反应工程的应用领域
1
医药行业
化学反应工程在药物合成和制造中起着
能源领域
2
重要作用。
反应工程可应用于石油炼制和可再生能
源生产。
3
化工行业
化学反应工程可促进化学品的生产和工 艺改进。
化学反应工程的基本步骤
反应评估
评估反应的适用性和可能的反应机制。
实验验证
通过实验室测试验证反应方案。
方案设计
制定合适的反应方案和条件。
工业应用
将优化后的反应方案应用于工业生产。
化学反应工程的关键要素
反应器设计
合理设计反应器以实现高效的反 应。
催化剂选择
选择适当的催化剂以促进反应速 率。
过程制
实时监测和调控反应过程以确保 稳定性。
结论和总结
通过本课程，您将掌握化学反应工程的核心知识，并能在实际应用中应用所 学。

床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介 尺度的宏观动力学。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
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固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
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Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
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Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相

k n1
A0
t
（2.2-12） （2.2-13）
表2-2-1 列出了反应级数为整数单一反应速率方程积分形式。应 知道实际反应动力学方程中，反应级数大多数不是整数，不易得到解
析解，这时可采取图解积分或数值积分方法求解。
由
t
cA cA0
dcA rA
cA0
xA 0
dxA rA
作1/(-rA)~cA或1/(-rA)~xA曲线，由曲线下边面积求得t。
3.709RTcA2
k 3.709 8.314 103 400 12.34 [l / mol h]
得
dnA Vdt
12.34cA2
[mol/L h]
第14页
2.2 单一反应速率式解析
反应速率定义式是微分式，将其与动力学方程关联并积分，可
得到反应物浓度随时间改变关系。该过程称为反应速率式解析。
dt Adt
（C）
第30页
将（B）和（C）式代入（A）式整理得
dp
第21页
可逆反应计算中常引入化学平衡数据，这里假设
（1）
（1）
表2-2-2列出其它可逆反应速率方程积分形式。要求能够依据详细 反应正确选择方程式进行计算。
第22页
第23页
2.2-3 均相催化反应
A+C
R+ C
速率方程
rA
dcA dt
(kcC )cA
积分得
(kcC )t
ln
cA cA0
ln 1 1 xA
mol/l h
速率常数等于多少？
第13页
dpA dt
3.709
p
2 A
MPa/h
解：（1）k单位是

粒带出。
23/90
7.3 流化床中传递过程
7.3.1 床层与外壁间传热 床层内传热主要包含：固体颗粒之间、颗粒与流体之间、床层与
换热面之间传热。因床内温度均一，前二项可忽略。
床层与换热面之间传热系数由下式定义
q hw AwT
（7-59）
式中，Aw —— 传热面积；ΔT —— 床层与壁面间平均温差。
隙率，其值与颗粒直径和形状等相关，也可由手册查取。若查不到，
可由以下二式估算。
5/90
1
S
3 mf
14 ,
1 mf
2 S
3 mf
11
（7-5）
式（7-5）代入式（7-2）可导出
d pumf
33.72
0.0408
d
3 p
(
p 2
)
g
1/
2
33.7
（7-6）
小颗粒，ReP<20时，欧根公式中第一项可忽略，式（7-2）简化为：
14/90
（3）气泡云与尾涡 （i）气泡云相对厚度
RC Rb
2
ubr ubr
uf uf
RC Rb
3
ubr 2u f ubr u f
(二维床） (三维床）
式中，
为乳相中真实气速。
注意：气泡云实际厚度为RC－Rb。
（ii） 气泡中气体穿流量
q 4umf Rb 4u f mf Rb q 3umf Rb2 3u f mf Rb2
（2）计算床层中心垂直管壁给热系数
床层中心：cR=1，将数据代入式（7-63）计算得
hw d P
0.01844(1)(1
0.7)
1.003
0.5
0.43

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

由于 物料分子在反应器中的停留时间分布完全 是一个随机过程。不能对单个分子考察停留时间 研究的流体一般是指由一堆分子组成的流体粒子 或微团。
• 流体粒子包含的分子足够多，其具有确切的 统计平均性质
• 讨论的系统为封闭系统： • 系统进口处有进无出，系统出口处有出无进
• 停留时间分布理论不仅是化学反应工程学 科的重要组成部分，而且还广泛地应用于吸 收、萃取、蒸馏及结晶等分离过程与设备的 模拟。一方面通过测定分布来分析工况、来 检查设备是否存在死区或短路等情况；另一 方面可以建立合适的流动模型，作为物料衡 算、热量衡算等的基础。
t V
反应器容积
v 通过反应器物料的流体率积
• 物料在反应器中的流动与混合情况，按照 流体流动的机理，一般区分为层流与湍流 两种流型。如在层流时，在圆形导管横截 面上呈抛物线的速率分布。流速不同，说 明物料颗粒在反应器中的停留时间不一。
返 混：不同停留时间的流体颗粒之间的
混合 • 返混改变了反应器内物料浓度的分布，
△N=C（t）v 0△t
注入反应器的示踪剂的总量为N
Nv0C（t） t NN
E（t） v0C（t） N
Et :停留时间分布密度函数，
t0时： Et0

t0时： Et0且 Etdt 1
0

E t t
N 1
t 0
N
0 E td t1
从加入红色粒子时算起，第4分钟至第6分钟间，出 口流中红色粒子的数目为30，因此可以说100个红色 粒子中有18%的停留时间介于4min至6min之间
停留时间分布的定量描述
（1）停留时间分布密度函数
出 口 中 红 色 粒 子 数
16