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1、化学反应工程 Chemical Reaction Engineering,吴卫生 博士、副教授 上海交通大学化学工程系 Tel.:021-54747454 E-mail: ,什么是化学反应工程学,“三传（动量、热量和质量传递）一反（化学反应工程）”是化学工程学的理论基础。 化学反应工程学是研究化学反应的工程问题的科学，其内容包括两个方面，即反应动力学和反应器设计与分析。 反应动力学主要研究化学反应的机理和速率。 反应器设计与分析主要研究反应器影响因素的变化规律，寻找最优工况和反应器的最好型式，以获得最大的经济效益。,化学反应工程学涉及的一些学科,化学热力学 反应动力学 传递工程 催化剂 设备型
2、式、操作方法和流程 工程控制（化工系统工程）,数学模型在化学反应工程中的应用,动力学方程式 物料衡算式 热量衡算式 动量衡算式 参数计算式,化学反应工程的研究方法,实验研究和理论分析并重 计算机的应用 模型的建立、修正和验证,化学反应工程的学科体系 （化学反应过程的分类）,按操作方法分： 分批式、连续式、半分批式,按相态分：,按反应装置的结构型式分：,管式、塔式、釜式、固定床、流化床,均相反应、非均相反应,第二章 均相反应的动力学基础,基本概念 单一反应速率式的解析 复合反应 链（锁）反应,均相反应的基本概念（1）,均相反应：参与反应的各物质处于同一相内,均相反应动力学：研究各种因素如温度、压
3、力、催化剂、反应物组成等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。,均相反应的基本概念（2）,化学计量方程：表示各反应参与物（反应物、生成物）在反应过程中量的变化关系的方程,需要指出：,化学计量方程本身与反应的实际历程无关；,计量方程的计量系数之间不应含有除1以外的任何公因子；,单一反应：一个计量方程 复合反应：两个或更多个计量方程,均相反应的基本概念（3）,化学反应速率：,单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率,反应速率大于（或等于）零,在反应工程研究中，一般选择某个组分k作为关键组分（或称为着眼组分），组分
4、k既可以是反应物，也可以是生成物。,上述定义仅适用于分批式操作的反应,均相反应的基本概念（4）,反应转化率：,反应程度：,均相反应的基本概念（5）,反应速率方程,双曲函数型反应速率方程,幂函数型反应速率方程,均相反应的基本概念（5）（续）,反应级数a,b,反应级数表明组分浓度对反应速率的影响程度，或者说反应速率对组分浓度的敏感程度；,反应级数可正可负，可以是整数，也可以是分数。,反应速率常数k,反应级数与反应机理无直接关系，也不等于个组分的计量系数；,#Arrhenius公式：,均相反应的基本概念（6）,反应机理式,反映某个反应实际历程的反应方程式（组）,几个基本假设：,反应历程由依次进行的一
5、系列基元反应组成；,速率控制步骤某基元反应较之其它反应慢许多；,拟定常态所有中间产物的浓度在反应过程中保持恒定。,基元反应：反应级数与计量系数相等,单一反应速率式的解析（1）,不可逆反应,可逆反应,#反应速率的微分式,#反应速率的积分式,#反应速率的微分式,#反应速率的积分式,式（2-2-13,14,15,17）,单一反应速率式的解析（2）,均相催化反应,#反应速率的微分式,#反应速率的积分式,催化剂C的浓度保持恒定,单一反应速率式的解析（3）,自催化反应,#反应速率的微分式,反应产物具有催化作用,#反应速率的积分式,其中,复合反应（1）,复合反应：两个或更多个独立计量方程,平行反应,平行-串
6、联反应,串联反应,主反应、副反应、主产物、副产物,复合反应（2）,# 几个重要概念,收率,得率,选择性,复合反应（2）(续）,反应程度、收率、得率、转化率之间的关系,复合反应（3）,具有相同反应级数的不可逆平行反应,一级反应,一级反应,比较：一级不可逆单一反应,复合反应（4）,具有不同反应级数的不可逆平行反应,复合反应（5）,可逆平行反应,复合反应（6）,串联反应,存在最高点,存在拐点,图2-3-4(a),复合反应（7）,平行-串联反应,自学,链（锁）反应,链（锁）反应：一经“激发”可连锁发生的反应,链（锁）反应的速率方程：,链（锁）反应的三个阶段：,* 链的传播（pervasion）,* 链
7、的引发（initiation）,* 链的终止（termination）,链（锁）反应举例,HBr的合成反应：,该反应的反应机理：,#链的引发：,#链的传播：,#链的终止：,链（锁）反应举例（续）,根据拟定常态假定：,链（锁）反应举例（又续）,又,HBr的生成速率：,把CH、CHBr的表达式代入，整理得到：,第三章 理想反应器,分批式操作的完全混合反应器 半分批式操作的釜式（完全混合）反应器 连续操作的完全混合反应器 多釜串联的全混流反应器 平推流反应器 反应器形式与操作方式的选择,本章的预备知识,1.反应器的开发：,.依据反应动力学特性选择合适的反应器型式；,.反应器几何尺寸的确定及反应器的经
8、济评价。,.结合动力学和反应器两方面特性确定操作方式和优化操作设计；,2.反应器的特性：,反应器内的流动状态、混合状态、传热性能等,浓度分布、温度分布、流速分布、停留时间分布,返混：不同停留时间的微团之间的混合,本章的预备知识（续）,3.理想反应器,.理想混合（完全混合）反应器,.平推流（活塞流）反应器,返混为零,返混为无限大,分批式操作的完全混合反应器（1）,分批式操作的完全混合反应器的反应时间,分批式操作的完全混合反应器（2）,分批式、变温操作的完全混合反应器的温度与反应时间的关系,分批式操作的完全混合反应器（3）,分批式、绝热操作的完全混合反应器的温度与反应时间的关系,分批式操作的完全混
9、合反应器（3）,分批式操作的完全混合反应器的优化,目标函数一：反应器的平均生产速率,目标函数二：生产费用,半分批式操作的完全混合反应器（1）,半分批式操作：某一反应组分连续加入反应器，或者某一反应产物连续从反应器排出，其它的反应组分则一次性加入反应器，或者反应产物一次性从反应器排出,半分批式操作的目的：控制反应速率或者抑制副反应,半分批式操作的完全混合反应器（2）,半分批式操作的完全混合反应器的反应物和产物浓度与反应时间的关系,连续操作的完全混合流反应器（全混流反应器）CSTR（1）,全混流反应器：反应物料以恒定的流速流入完全混合的反应器，又以恒定的流速从反应器排出,全混流反应器的设计方程：,
10、全混流反应器（2）,几个重要概念,反应时间：反应开始到反应达到某一程度（如某个转化率）时所需要的时间。,平均停留时间：反应器的有效容积与反应器内物料体积流速之比。,停留时间：反应物从进入反应器到离开反应器的时间。,全混流反应器（3）,不同空时下全混流反应器的物料组成,推导依据：物料衡算+速率方程,表3-3-1,分批式反应器与全混流反应器的比较,分批式反应器：反应速率随反应物的浓度而变,全混流反应器：反应速率为反应器出口浓度下的反应速率，为定值。,分批式反应器与全混流反应器的比较（续）,全混流反应器的容积效率,全混流反应器的热量衡算式操作方程式,单位时间内反应放热量Q1+单位时间流体带入的热量Q
11、2=单位时间流体带走的热量Q3+单位时间通过传热面散发的热量Q4,全混流反应器操作的稳定性及其判据,全混流反应器的放热速率,全混流反应器的移热速率,全混流反应器操作的稳定性及其判据（续）,全混流反应器操作的定常态,#非稳定的定常态操作点不能自动回复,#稳定的定常态操作点能自动回复,全混流反应器热稳定性的判据：,多釜串联的全混流反应器,单个全混流反应器,多个全混流反应器串联操作,多釜串联的全混流反应器（续）,多釜串联的全混流反应器的,平推流反应器（PFR）（1）,平推流反应器的两个特征：,与流动方向垂直的截面上没有流速分布；,流体流动方向不存在流体质点的混合，即无返混现象。,离开平推流反应器的流
12、体质点具有相同的停留时间，且停留时间等于反应时间。,恒容过程：,平推流反应器（2）,平推流反应器的设计方程,恒容过程的平推流反应器与分批式完全混合反应器的设计方程完全一致,平推流反应器（3）,平推流反应器的操作方程,注意：A为单位管长的传热面积,反应放出的热量=通过传热面散发的热量+反应物料温度升高的热量,沿管长方向（轴向）T的变化,沿管长方向（轴向）xA的变化,平推流反应器（4）,循环操作的平推流反应器,PFR,平推流反应器（5）,循环操作的平推流反应器的设计方程,平推流反应器（6）,循环操作的平推流反应器的设计方程（续）,对于一级不可逆反应：,平推流反应器,全混流反应器,反应器型式与操作方
13、法的选择（1）,反应器型式：完全混合反应器、平推流反应器,操作方法：分批式、连续式,# 分批式完全混合反应器及平推流反应器（恒容）：,反应器型式与操作方法的选择（2）,# 连续式完全混合反应器（全混流反应器）：,注意：-rA是在CA下的反应速率,反应器型式与操作方法的选择（3）,# 多釜串联的全混流反应器：,注意：-rA,i是在CA,i下的反应速率,反应器型式与操作方法的选择（4）,目标函数,# 反应器能力（反应速率、反应器体积）,# 产品分布（选择性、收率）,反应器型式与操作方法的选择（5）,单一反应不存在产物分布，考虑反应速率,# 反应器选型,# 最优操作温度,不可逆反应 、可逆吸热反应、
14、可逆放热反应,反应器型式与操作方法的选择（6）,复合反应存在产物分布,复合反应的产物分布取决于三方面因素：,反应的类型（平行、串联、平行+串联）,反应器型式（分批式完全混合反应器、CSTR、多釜串联的CSTR、PFR）,反应动力学特性（ -rA 的表达式）,反应器型式与操作方法的选择（7）,复习几个概念（恒容过程）：,反应器型式与操作方法的选择（8）,串联反应,一级不可逆反应：,反应器型式与操作方法的选择（9）,串联反应（续）,# 分批式完全混合反应器或平推流反应器,# 全混流反应器,反应器型式与操作方法的选择（10）,平行反应 P A S,本章 复习要点,掌握理想混合（完全混合）反应器和平推
15、流反应器的特点； 重点掌握分批式操作的完全混合反应器、连续式操作的完全混合反应器、多釜串联的全混流反应器以及平推流反应器的物料衡算（设计方程）； 能够根据物料衡算以及-rA的表达式，写出不同反应级数的不可逆等温反应，采用不同型式反应器的体积计算公式； 掌握分批式操作的完全混合反应器（或平推流反应器）与连续式操作的完全混合反应器（全混流反应器）的体积比较；,本章 复习要点（续）,了解各类理想反应器的热量衡算（操作方程）； 了解循环操作的平推流反应器的设计方程； 掌握 示意图； 其它,第四章 非理想流动 引言,两种理想流动模式：,#理想混合流：反应器内流体处于完全混合状态；反应流体的混合时间可以忽
16、略；反应器内具有完全相同的温度和浓度且等于反应器出口物料的温度和浓度；返混无限大。,#平推流：与流动方向垂直的截面上不存在流速分布；在流体流动方向不存在流体质点间的混合，即无返混现象；反应器出口的流体质点具有相同的停留时间，且等于反应时间。,第四章 非理想流动 引言（续）,两个重要概念：,# 物料年龄：物料在反应器内已停留的时间,# 物料寿命：物料在反应器内的停留时间,停留时间分布（1）,停留时间分布的密度函数,在定常态下的连续流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器的流体，在反应器出口流体的质点中在反应器内停留了t与t+dt之间的流体质点所占的分率为E(t)dt,E(t)的归一化性质：,停留时间分布（2）,停留时间分布函数,在定常态下的连续流动系统中，相对于某瞬间t=0流入反应器的物料，在反应器出口中停留时间小于t的物料所占的分率。,停留时间分布（3）,年龄分布密度函数,年龄分布函数,停留时间分布（4）,平均停留时间E(t)的数学期望,停留时间分布（5）,停留时间分布的方差,停留时间分
