化學(xué)反應(yīng)工程

1、化學(xué)反應(yīng)工程Chemical Reaction Engineering Tel.:E-mail: 1什么是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)“三傳（動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞）一反（化學(xué)反應(yīng)工程）”是化學(xué)工程學(xué)的理論基礎(chǔ)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的科學(xué)，其內(nèi)容包括兩個(gè)方面，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和速率。反應(yīng)器設(shè)計(jì)與分析主要研究反應(yīng)器影響因素的變化規(guī)律，尋找最優(yōu)工況和反應(yīng)器的最好型式，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。2化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)涉及的一些學(xué)科化學(xué)熱力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)傳遞工程催化劑設(shè)備型式、操作方法和流程工程控制（化工系統(tǒng)工程）3數(shù)學(xué)模型在化學(xué)反應(yīng)工程中的應(yīng)用動(dòng)力學(xué)方程式物料衡

2、算式熱量衡算式動(dòng)量衡算式參數(shù)計(jì)算式4化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法實(shí)驗(yàn)研究和理論分析并重計(jì)算機(jī)的應(yīng)用模型的建立、修正和驗(yàn)證5化學(xué)反應(yīng)工程的學(xué)科體系（化學(xué)反應(yīng)過程的分類）按操作方法分： 分批式、連續(xù)式、半分批式按相態(tài)分： 按反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)型式分： 管式、塔式、釜式、固定床、流化床 均相反應(yīng)、非均相反應(yīng) 6第二章 均相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)基本概念單一反應(yīng)速率式的解析復(fù)合反應(yīng)鏈（鎖）反應(yīng)7均相反應(yīng)的基本概念（1）均相反應(yīng)：參與反應(yīng)的各物質(zhì)處于同一相內(nèi)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)：研究各種因素如溫度、壓力、催化劑、反應(yīng)物組成等對反應(yīng)速率、反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，并確定表達(dá)這些影響因素與反應(yīng)速率之間定量關(guān)系的速率方程。8均相反應(yīng)的基

3、本概念（2）化學(xué)計(jì)量方程：表示各反應(yīng)參與物（反應(yīng)物、生成物）在反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系的方程需要指出：化學(xué)計(jì)量方程本身與反應(yīng)的實(shí)際歷程無關(guān)；計(jì)量方程的計(jì)量系數(shù)之間不應(yīng)含有除1以外的任何公因子；單一反應(yīng)：一個(gè)計(jì)量方程 復(fù)合反應(yīng)：兩個(gè)或更多個(gè)計(jì)量方程9均相反應(yīng)的基本概念（3）化學(xué)反應(yīng)速率： 單位時(shí)間、單位反應(yīng)容積內(nèi)組分的物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）的變化稱之為該組分的反應(yīng)速率反應(yīng)速率大于（或等于）零在反應(yīng)工程研究中，一般選擇某個(gè)組分k作為關(guān)鍵組分（或稱為著眼組分），組分k既可以是反應(yīng)物，也可以是生成物。上述定義僅適用于分批式操作的反應(yīng)10均相反應(yīng)的基本概念（4）反應(yīng)轉(zhuǎn)化率：反應(yīng)程度：11均相反應(yīng)的基本概念（5

4、）反應(yīng)速率方程雙曲函數(shù)型反應(yīng)速率方程冪函數(shù)型反應(yīng)速率方程12均相反應(yīng)的基本概念（5）（續(xù)）反應(yīng)級(jí)數(shù)a,b反應(yīng)級(jí)數(shù)表明組分濃度對反應(yīng)速率的影響程度，或者說反應(yīng)速率對組分濃度的敏感程度；反應(yīng)級(jí)數(shù)可正可負(fù)，可以是整數(shù)，也可以是分?jǐn)?shù)。反應(yīng)速率常數(shù)k反應(yīng)級(jí)數(shù)與反應(yīng)機(jī)理無直接關(guān)系，也不等于個(gè)組分的計(jì)量系數(shù)；#Arrhenius公式：13均相反應(yīng)的基本概念（6）反應(yīng)機(jī)理式反映某個(gè)反應(yīng)實(shí)際歷程的反應(yīng)方程式（組）幾個(gè)基本假設(shè)：反應(yīng)歷程由依次進(jìn)行的一系列基元反應(yīng)組成；速率控制步驟某基元反應(yīng)較之其它反應(yīng)慢許多；擬定常態(tài)所有中間產(chǎn)物的濃度在反應(yīng)過程中保持恒定?；磻?yīng)：反應(yīng)級(jí)數(shù)與計(jì)量系數(shù)相等14單一反應(yīng)速率式的解析（

5、1） 不可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)#反應(yīng)速率的微分式#反應(yīng)速率的積分式#反應(yīng)速率的微分式#反應(yīng)速率的積分式式（2-2-13,14,15,17）15單一反應(yīng)速率式的解析（2）均相催化反應(yīng)#反應(yīng)速率的微分式#反應(yīng)速率的積分式催化劑C的濃度保持恒定16單一反應(yīng)速率式的解析（3）自催化反應(yīng)#反應(yīng)速率的微分式 反應(yīng)產(chǎn)物具有催化作用 #反應(yīng)速率的積分式 其中 17復(fù)合反應(yīng)（1）復(fù)合反應(yīng)：兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立計(jì)量方程平行反應(yīng)平行-串聯(lián)反應(yīng)串聯(lián)反應(yīng)主反應(yīng)、副反應(yīng)、主產(chǎn)物、副產(chǎn)物18復(fù)合反應(yīng)（2）# 幾個(gè)重要概念收率得率選擇性19復(fù)合反應(yīng)（2）(續(xù)）反應(yīng)程度、收率、得率、轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系20復(fù)合反應(yīng)（3）具有相同反應(yīng)級(jí)數(shù)的不

6、可逆平行反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)比較：一級(jí)不可逆單一反應(yīng)21復(fù)合反應(yīng)（4）具有不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的不可逆平行反應(yīng)22復(fù)合反應(yīng)（5）可逆平行反應(yīng)23復(fù)合反應(yīng)（6）串聯(lián)反應(yīng)存在最高點(diǎn)存在拐點(diǎn)圖2-3-4(a)24復(fù)合反應(yīng)（7）平行-串聯(lián)反應(yīng)自學(xué)25鏈（鎖）反應(yīng)鏈（鎖）反應(yīng)：一經(jīng)“激發(fā)”可連鎖發(fā)生的反應(yīng)鏈（鎖）反應(yīng)的速率方程：鏈（鎖）反應(yīng)的三個(gè)階段：* 鏈的傳播（pervasion）* 鏈的引發(fā)（initiation）* 鏈的終止（termination）26鏈（鎖）反應(yīng)舉例HBr的合成反應(yīng)：該反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理：#鏈的引發(fā)：#鏈的傳播：#鏈的終止：27鏈（鎖）反應(yīng)舉例（續(xù)）根據(jù)擬定常態(tài)假定：28鏈（鎖）反應(yīng)舉例

7、（又續(xù)）又HBr的生成速率：把CH、CHBr的表達(dá)式代入，整理得到：29第三章 理想反應(yīng)器分批式操作的完全混合反應(yīng)器半分批式操作的釜式（完全混合）反應(yīng)器連續(xù)操作的完全混合反應(yīng)器多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器反應(yīng)器形式與操作方式的選擇30本章的預(yù)備知識(shí)1.反應(yīng)器的開發(fā)：.依據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性選擇合適的反應(yīng)器型式；.反應(yīng)器幾何尺寸的確定及反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)評價(jià)。.結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性確定操作方式和優(yōu)化操作設(shè)計(jì)；2.反應(yīng)器的特性：反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)、混合狀態(tài)、傳熱性能等濃度分布、溫度分布、流速分布、停留時(shí)間分布返混：不同停留時(shí)間的微團(tuán)之間的混合31本章的預(yù)備知識(shí)（續(xù)）3.理想反應(yīng)器.理想混合（完

8、全混合）反應(yīng)器.平推流（活塞流）反應(yīng)器返混為零返混為無限大32分批式操作的完全混合反應(yīng)器（1）分批式操作的完全混合反應(yīng)器的反應(yīng)時(shí)間33分批式操作的完全混合反應(yīng)器（2）分批式、變溫操作的完全混合反應(yīng)器的溫度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系34分批式操作的完全混合反應(yīng)器（3）分批式、絕熱操作的完全混合反應(yīng)器的溫度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系35分批式操作的完全混合反應(yīng)器（3）分批式操作的完全混合反應(yīng)器的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)一：反應(yīng)器的平均生產(chǎn)速率目標(biāo)函數(shù)二：生產(chǎn)費(fèi)用36半分批式操作的完全混合反應(yīng)器（1）半分批式操作：某一反應(yīng)組分連續(xù)加入反應(yīng)器，或者某一反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)從反應(yīng)器排出，其它的反應(yīng)組分則一次性加入反應(yīng)器，或者反應(yīng)產(chǎn)物一次性從反

9、應(yīng)器排出半分批式操作的目的：控制反應(yīng)速率或者抑制副反應(yīng)37半分批式操作的完全混合反應(yīng)器（2）半分批式操作的完全混合反應(yīng)器的反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系38連續(xù)操作的完全混合流反應(yīng)器（全混流反應(yīng)器）CSTR（1）全混流反應(yīng)器：反應(yīng)物料以恒定的流速流入完全混合的反應(yīng)器，又以恒定的流速從反應(yīng)器排出全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程：39全混流反應(yīng)器（2）幾個(gè)重要概念反應(yīng)時(shí)間：反應(yīng)開始到反應(yīng)達(dá)到某一程度（如某個(gè)轉(zhuǎn)化率）時(shí)所需要的時(shí)間。平均停留時(shí)間：反應(yīng)器的有效容積與反應(yīng)器內(nèi)物料體積流速之比。停留時(shí)間：反應(yīng)物從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間。40全混流反應(yīng)器（3）不同空時(shí)下全混流反應(yīng)器的物料組成推導(dǎo)依據(jù)：物料衡算

10、+速率方程表3-3-141分批式反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較分批式反應(yīng)器：反應(yīng)速率隨反應(yīng)物的濃度而變?nèi)炝鞣磻?yīng)器：反應(yīng)速率為反應(yīng)器出口濃度下的反應(yīng)速率，為定值。42分批式反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較（續(xù)）全混流反應(yīng)器的容積效率43全混流反應(yīng)器的熱量衡算式操作方程式單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)放熱量Q1+單位時(shí)間流體帶入的熱量Q2=單位時(shí)間流體帶走的熱量Q3+單位時(shí)間通過傳熱面散發(fā)的熱量Q444全混流反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性及其判據(jù)全混流反應(yīng)器的放熱速率全混流反應(yīng)器的移熱速率45全混流反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性及其判據(jù)（續(xù)）全混流反應(yīng)器操作的定常態(tài)#非穩(wěn)定的定常態(tài)操作點(diǎn)不能自動(dòng)回復(fù)#穩(wěn)定的定常態(tài)操作點(diǎn)能自動(dòng)回復(fù)全混流反應(yīng)器熱穩(wěn)

11、定性的判據(jù)：46多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器單個(gè)全混流反應(yīng)器多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作47多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器（續(xù)）多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器的48平推流反應(yīng)器（PFR）（1）平推流反應(yīng)器的兩個(gè)特征：與流動(dòng)方向垂直的截面上沒有流速分布；流體流動(dòng)方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)的混合，即無返混現(xiàn)象。離開平推流反應(yīng)器的流體質(zhì)點(diǎn)具有相同的停留時(shí)間，且停留時(shí)間等于反應(yīng)時(shí)間。恒容過程：49平推流反應(yīng)器（2）平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程恒容過程的平推流反應(yīng)器與分批式完全混合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程完全一致50平推流反應(yīng)器（3）平推流反應(yīng)器的操作方程注意：A為單位管長的傳熱面積 反應(yīng)放出的熱量=通過傳熱面散發(fā)的熱量+反應(yīng)物料溫度升高的熱量沿管長

12、方向（軸向）T的變化沿管長方向（軸向）xA的變化51平推流反應(yīng)器（4）循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器PFR52平推流反應(yīng)器（5）循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程53平推流反應(yīng)器（6）循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程（續(xù)）對于一級(jí)不可逆反應(yīng)：平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器54反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（1）反應(yīng)器型式：完全混合反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器操作方法：分批式、連續(xù)式# 分批式完全混合反應(yīng)器及平推流反應(yīng)器（恒容）：55反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（2）# 連續(xù)式完全混合反應(yīng)器（全混流反應(yīng)器）：注意：-rA是在CA下的反應(yīng)速率56反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（3）# 多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器：注意：-rA,i是在C

13、A,i下的反應(yīng)速率57反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（4）目標(biāo)函數(shù)# 反應(yīng)器能力（反應(yīng)速率、反應(yīng)器體積）# 產(chǎn)品分布（選擇性、收率）58反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（5）單一反應(yīng)不存在產(chǎn)物分布，考慮反應(yīng)速率 # 反應(yīng)器選型# 最優(yōu)操作溫度 不可逆反應(yīng) 、可逆吸熱反應(yīng)、可逆放熱反應(yīng)59反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（6）復(fù)合反應(yīng)存在產(chǎn)物分布 復(fù)合反應(yīng)的產(chǎn)物分布取決于三方面因素：反應(yīng)的類型（平行、串聯(lián)、平行+串聯(lián)）反應(yīng)器型式（分批式完全混合反應(yīng)器、CSTR、多釜串聯(lián)的CSTR、PFR）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性（ -rA 的表達(dá)式）60反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（7）復(fù)習(xí)幾個(gè)概念（恒容過程）：61反應(yīng)器型式與操作方法的

14、選擇（8）串聯(lián)反應(yīng)一級(jí)不可逆反應(yīng)：62反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（9）串聯(lián)反應(yīng)（續(xù)）# 分批式完全混合反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器# 全混流反應(yīng)器63反應(yīng)器型式與操作方法的選擇（10）平行反應(yīng) P A S 64本章 復(fù)習(xí)要點(diǎn)掌握理想混合（完全混合）反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)；重點(diǎn)掌握分批式操作的完全混合反應(yīng)器、連續(xù)式操作的完全混合反應(yīng)器、多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器以及平推流反應(yīng)器的物料衡算（設(shè)計(jì)方程）；能夠根據(jù)物料衡算以及-rA的表達(dá)式，寫出不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的不可逆等溫反應(yīng)，采用不同型式反應(yīng)器的體積計(jì)算公式；掌握分批式操作的完全混合反應(yīng)器（或平推流反應(yīng)器）與連續(xù)式操作的完全混合反應(yīng)器（全混流反應(yīng)器）的體積比較

15、；65本章 復(fù)習(xí)要點(diǎn)（續(xù)）了解各類理想反應(yīng)器的熱量衡算（操作方程）；了解循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程；掌握 示意圖；其它66第四章 非理想流動(dòng) 引言兩種理想流動(dòng)模式：#理想混合流：反應(yīng)器內(nèi)流體處于完全混合狀態(tài)；反應(yīng)流體的混合時(shí)間可以忽略；反應(yīng)器內(nèi)具有完全相同的溫度和濃度且等于反應(yīng)器出口物料的溫度和濃度；返混無限大。#平推流：與流動(dòng)方向垂直的截面上不存在流速分布；在流體流動(dòng)方向不存在流體質(zhì)點(diǎn)間的混合，即無返混現(xiàn)象；反應(yīng)器出口的流體質(zhì)點(diǎn)具有相同的停留時(shí)間，且等于反應(yīng)時(shí)間。67第四章 非理想流動(dòng) 引言（續(xù)）兩個(gè)重要概念：# 物料年齡：物料在反應(yīng)器內(nèi)已停留的時(shí)間# 物料壽命：物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)

16、間68停留時(shí)間分布（1）停留時(shí)間分布的密度函數(shù) 在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，相對于某瞬間t=0流入反應(yīng)器的流體，在反應(yīng)器出口流體的質(zhì)點(diǎn)中在反應(yīng)器內(nèi)停留了t與t+dt之間的流體質(zhì)點(diǎn)所占的分率為E(t)dtE(t)的歸一化性質(zhì)：69停留時(shí)間分布（2）停留時(shí)間分布函數(shù) 在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中，相對于某瞬間t=0流入反應(yīng)器的物料，在反應(yīng)器出口中停留時(shí)間小于t的物料所占的分率。70停留時(shí)間分布（3）年齡分布密度函數(shù)年齡分布函數(shù)71停留時(shí)間分布（4）平均停留時(shí)間E(t)的數(shù)學(xué)期望72停留時(shí)間分布（5）停留時(shí)間分布的方差73停留時(shí)間分布（6）對比停留時(shí)間（無因次停留時(shí)間）74停留時(shí)間分布（7）停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測定物理示蹤法 將某種易檢測、無反應(yīng)活性的物質(zhì)（示蹤劑）加入穩(wěn)定流動(dòng)體系，觀測該示蹤劑在系統(tǒng)出口的