化学反应工程 教案（1-3章）

第一章 绪 论

1.1 化学反应工程学的范畴和任务

1.1.1化学反应工程发展简述

自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类，物理过程不牵涉化学反应，但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素综合体。

远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称。

1.1.2 化学反应工程的范畴和任务

化学反应工程学：是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体系。

一、研究的范畴

1. 化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等），看化学反应是否能进行及其反应程度。

2. 反应动力学：专门阐明学反应速率与各项物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系。为实现某一反应，要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处理能力等，这些都依赖于对反应动力学特性的认识。 3. 催化剂

4. 设备型式、操作方法和流程 有小试到扩是出现放大效应，因此工业装置的反映条件必须结合工程上的考虑才能合理的确定。

反应器型式：管式、釜式、塔式、固定床或流化床等。 操作方式：分批式、连续式或半连续式。

反应器的型式与特性表

型式 搅拌槽 管式 空塔或搅拌塔 鼓泡塔或挡板鼓泡

塔 填料塔

板式塔 喷雾塔 固定床 流化床

适用反应

液相、液—液、液—固相

气相、液相 液相、液—液相 气—液相，气—液—固相

液相、气—液相 气—液相 气—液相快速反应

气—固相

气—固相，特别是催化剂失活很

快的反应

优缺点

适用性大，操作弹性大，温度、浓度

易控制，产品质量均一

返混小，反应器容积小，比传热面大 结构简单，返混程度与高/径比及搅拌

有关，轴向温差大

气相返混小，液相返混大，温度较易调节，气体压降大，流速有限制 结构简单，返混小，压降小，有温差，

填料装卸麻烦

逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，常另加传热面 结构简单，液体表面积大，停留时间受塔高限制，气流速度有限制 返混小，催化剂用量少，不易磨损，

装卸麻烦，传热控温不易 传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大，磨损大，返混大，对转

化率不利，操作条件限制大

移动床 滴流床 蓄热床 喷嘴式

同上 气—液—固相 气相，以固相为热载体 气相，高速反应的液相

固体返混小，固气比可变性大，床内

温差大，调节困难

催化剂带出少，分离易，气液分不要

均匀，温度调节困难

结构简单，调节范围较广，切换频繁，

温度波动大，收率低

传热、传质速度快，流体混合好，反

应物急冷易

分批式（或间歇）操作：是指一批反应物料投入反应器内后，让它经过一定的反应，然后再取出的操作方法。通常在实验室及产量较小的一些情况下采用。

连续式操作：反应物料是连续的通过反应器的操作方式，它一般用于产品比较单一而产量较大的场合。

半分批（或半连续）式操作：指反应器中有一些是分批地加入或取出的，而另一些则是连续的通过的，但反应过程比较复杂。

5. 传递工程

装置中有动量、热量、质量传递（三传），当规模放大时，出现放大效应。 “三传一反”是三传和反应动力学。 6. 工程控制

二、反应过程的分析、反应技术的开发和反应器的设计

是对各种反应过程进行工程分析，进行为技术开发所需要的各项研究，制定出最合理的技术方案和操作条件以及进行反应器或反应系统的设计。 1.2 化学反应工程的基本方法

无论是设计、放大或控制， 都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参考数字间的关系，简称数学模型。

包括：1. 动力学方程

2. 物料衡算式 3. 热量衡算式 4. 动量衡算式 5. 参数衡算式 其关系如下：

在建立这些方程式时，有些是需要经过实验才能解决的，依靠试验获得数据。依据这些资料，就写出物料、热量、动量衡算式，其一般形式如下：

累计量 = 输入量 — 输出量

在设计反应器时，流体通过反应器前后的压力差不太大时，动量衡算式可以不列。 对于等温过程，只凭物料衡算就可以算出反应器的大小，不过往往是非等温，需物料、

热量衡算式联立求解。

化学反应工程数学模拟发放大法的示意：

建立数学模型，不能把各种因素都考虑进去， 要合理的简化。 1.3 化学反应工程的学科系统和编排 一. 按操作方法分：分批式操作、连续式、半分批操作

二. 按反应装置的结构型式分：管式、塔式、釜式、固定床、流化床

三. 按化学反应的相态分：气相、液相的均相过程，气—固相、气—液相、液—

液相等非均相过程

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：是指在均一的液相或气相中进行的反应。

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，并确定表达这些因素与反应速率间定量关系的速率方程。 2.1-1 化学计量方程

它是表示各反应物、生成物在反应过程的变化关系的方程。如

N2+3H2===2NH3 一般形式为： 2NH3- N2-3H2== 0 有S个组分参与反应，计量方程：

?1A1??2A2????SAS?0

或 i?1 式中: Ai表示i组分

αi为 i 组分的计量系数 反应物αi为负数，产物为正值。

注意: 1. 化学计量方程仅是表示由于反应而引起的各个参与反应的物质之间量的变化关系，计量方程本身与反应的实际历程无关。

2. 乘以一非零的系数λi后，可得一个计量系数不同的新的计量方程: i?1

3. 只用一个计量方程即可唯一的给出各反应组分之间的变化关系的反应体系——单一反应；必须用两个(或多个)计量方程方能确定各反应组分在反应时量的变化关系的反应，成为复合反应。

CO+2H2=CH3OH CO+ 3H2=CH4+ H2O

2.1-2 化学反应速率的定义

??AiSi?0???AiiSi?0化学反应速率是以单位时间，单位反应容积内着眼(或称关键)组分K的物质量摩尔数变化来定义K组分的反应速率。

?AA??BB??SS??RR

dnA（由于反应而消耗的A的摩尔数）?Vdt(单位体积)(单位时间) 1dnA1dnB1dnS1dnR?rA???rB??rS?rR?Vdt Vdt Vdt Vdt

dnA反应物速率前应冠以负号，避免出现dt < 0，各反应速率间的关系：

?rA???rA?A??rB?B?rS?S?rR?R

dni?dCiV当V恒定时，

dCSdCdCdCR?rA??A?rB??BrS?dt dt dt γR =dt

即以各组分的摩尔浓度的变化速率来表示反应速率，上式仅适用于分批式操作。 2.1-3 反应转化率和反应程度

1. 1. 用着眼组分K的转化率?K来表示反应进行的程度。定义为：

组分K反应掉的摩尔数nK0?nK?组分K的起始摩尔数nK0 ?K=

2. 2. 反应程度是用个组分在反应前后的摩尔数变化与计量系数的比值来定义的，

用ζ表示。 n?nn?ni0nK?nK0??110???i??1?i?K 对于任一组分ζ值均一致，恒为正。

ni0

?n?i?iK0?K?Kni0或

?i??i??K??K?nK0

3. 3. 当计量系数的代数和为零时（则为非等分子反应。定义为：

??iSi?），这种反应称为等分子反应，否

i?1

4. 4. 膨胀因子：每反应掉一个摩尔的组分K所引起反应物系总摩尔数的变化量。即：

(n?n0)n?n0n?n0?K???n0yK0?KnK0?nKnK0?K

式中：n，n0分别为物系的起始总摩尔数和反应后的总摩尔数

yk0为着眼组分K的起始摩尔分率

?K???i/?KS