化学反应工程讲义1、2.ppt

1、化学工程，教师：武汉理工大学化学工程学院，第一章，徐，无论是化学工业还是冶金、炼油、能源加工等工业过程，都是用化学方法将原材料加工成有用的产品。生产过程包括以下三个部分：第一部分和第二部分属于单元操作的研究范围；另一部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。化学反应工程是一门涉及广泛领域的复杂学科。它广泛应用了化学热力学、化学动力学、流体力学、传递动力学和生物学的研究成果，使其不同于其他化学工程领域，并在近50年发展成为一门系统学科。化学反应工程的目的是将实验室发现的化学反应可靠地移植到工业生产中，并根据确定的反应和预期的生产能力设计反应器的形状、尺寸和操作方式。第一节化学反应工程1。化

2、学反应工程研究对象化学反应工程是化学工程的一个重要分支，主要包括反应动力学和反应器设计分析两个方面。反应动力学-研究化学反应的机理和速率，以获得工业反应器设计和操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程和反应活化能等。速率方程可以表示为：r=f(T，p)(对于某一反应物体系随时间和空间而变化)，其中r是反应体系中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量，p是反应器设计的系统分析研究反应器中上述因素的变化规律，找出最佳工作条件和合适的反应器类型和尺寸。化学反应的分类(反应工程)自然界和实际生产过程中都有各种各样的化学反应。化学反应通常为了研究和应用的方便而分类。下表列出了常见化学反应的分类、方法

3、和种类，其中一些可能同时属于两种或多种反应。例如，它是气固催化反应。3.反应过程的例子一般来说，反应过程包括：个物理现象传递现象(热量、动量和质量传递过程)化学现象化学反应被概括为三个传递和一个反应。例如，实际的反应过程可能包括：反应物和产物的扩散过程(内部和外部)表面反应过程。无论是放热过程还是吸热过程，催化剂和反应气体之间都存在温差。就整个反应器而言，如果反应器中的浓度和温度随位置而变化，就有必要综合考虑化学反应和转移现象。化学反应工程在化学产品的开发和加工以及反应器的设计和扩大中发挥着重要作用。利用化学反应工程的知识，我们可以：提高反应器的放大倍数，缩短试验和开发周期，优化现有反应装置的

4、操作条件，提高生产效率，开发环境友好的绿色生产路线和工艺。5.化学反应工程的建立化学反应工程是以数学、物理、化学等基础学科为基础的具有自身特点的应用学科的一个分支，是化学工程学科的一个组成部分。它自成立以来经历了一个漫长的过程。第二节化学反应器的类型反应器的类型有很多种，根据反应器的工作原理可以总结如下：第三节反应器的运行方式间歇运行：一次性进料和卸料。反应物系统的参数(浓度或组成等。)随着时间而改变。在连续操作：中，原料被连续添加，产品被连续导出，并且反应器中的系统参数不随时间改变。半连续(或半间歇)具有上述两种过程的特点，而且情况更加复杂。第四节反应器设计和基本工艺反应器设计的基本内容一般

5、包括：选择合适的反应类型，确定最佳操作条件，根据操作负荷和规定的转化程度确定反应器的体积和大小。为了完成上述任务，需要以下三个基本设计方程：物质平衡方程(描述浓度变化)-连续性方程能量平衡方程(描述温度变化)动量平衡方程(描述压力变化)。这三个方程相互耦合，具体方法将在后面的章节中详细阐述。第五节提出了工业反应器的放大：在造船、大坝建设等许多领域，基于相似理论和量纲分析的相似放大方法是非常有效的，但是相似放大方法在化学反应器的放大中无能为力，主要是因为它不能同时保持物理和化学的相似性。目前使用的化学反应器放大方法有：逐步经验放大法(主要依靠经验)数学模型法。放大倍数可以提高。半经验放大法费时费

6、力，但数学模型放大法往往因对过程缺乏深入了解而失败。目前，实际反应器放大介于两者之间，包括数学模型放大法和经验处理法的理论分析。可以预见，随着人们对反应过程基本规律认识的加深，数学模型放大法将逐渐取代现有的经验和半经验方法，成为反应器放大法的主流。第2章化学反应动力学，内容第1节化学计量学第2节化学反应速率的表达第3节多反应系统的关键组分和关键反应第4节动力学方程第5节均相气体反应和液体反应的动力学方程第6节多相催化反应第7节均相催化反应第8节温度对反应速率和最佳温度的影响第9节固体催化剂的失活第1节化学计量比-化学计量比公式：也可写成：或： 第二反应度：对于间歇体系中的某一反应，如果反应混合

7、物中某一组分的起始物质的量为ni0，反应后该组分的物质的量为ni，则定义的反应度为：或写成：三重转化率：关键组分A反应的物质的量与开始时的物质的量之比是等摩尔反应： 三重化学膨胀因子：如果反应在恒温恒压下连续进行，在气相均相反应或气固催化反应前后总物质的量发生变化，必然会引起系统体积流量的变化。 反应过程中的瞬时体积流量v应等于初始体积流量V0和化学反应引起的体积流量变化v之和。对于反应：由反应引起的摩尔数变化是：并且因为T和P是常数，所以V完全是由化学反应前后物质数量的变化引起的。假设反应物A、B和惰性组分I的初始浓度分别为cA0、cB0和cI0，在某一时刻，各组分的浓度为：根据化学膨胀因子

8、的定义，当组分A的转化率为xA时，体系的摩尔数变化为：那么，组分A的瞬时浓度为：膨胀率为组分A完全反应引起的体系体积变化的比值.化合物反应的产率和选择性：化合物反应包括：同时反应、平行反应、串联反应、并串联反应1。同时反应：在反应系统中同时进行两个或多个具有不同反应物和产物的反应，例如：2。平行反应：一种反应物同时形成多种产物，如：3。系列反应：中间产物继续反应产生最终产物，如：4。平行串联反应：最终产品可通过几个串联过程或直接通过一个步骤生产，如：对于目标产品，产率定义为：为了表示已反应成目标产品的关键组分的分数，确定的选择率如下：转化率定义为：所以有：第2节化学反应速率表达式化学反应速率表

9、达式化学反应动力学是定量描述化学反应随时间变化的基本理论，即化学反应速率。它表达了反应速率与其影响参数之间的函数关系。当化学反应在均相(气相或液相)中进行时，通常有以下影响因素：反应物浓度、绝对压力、温度以及催化反应发生时催化剂的类型和浓度。在某些情况下，除了高粘度液体，反应速率也受扩散过程的影响。化学反应速率是指单位时间内单位体积反应混合物中产生的反应物或产物的量。由于反应体系不同，它们的表达方式也不同。如间歇系统和连续系统。下面分别介绍：分批系统的基本概念分批系统：1反应体积VR是指反应器中反应物所占的体积。2间歇反应：将反应物一次性加入密闭容器中。在特定的反应条件下，反应物达到所需的反应

10、速率或转化率后，反应混合物一次排出，反应混合物的浓度随反应时间而变化。然而，由于良好的搅拌，反应器中没有浓度和温度梯度。在间歇系统中，反应速率可以表示为反应物A的反应量或每单位反应体积每单位反应时间的产物产量。也就是说，在多相体系中，反应速率可以用单位相界面积(两相流体体系)、单位固体表面积(流体-固体非催化反应)、单位催化剂内表面积(流体-固体催化反应)或单位固体或催化剂质量(流体-固体体系)来表示，其通式可以表示为：其中b可以是s或w。 反应过程中反应混合物的体积变化可以忽略，因此，对于反应：有：或写成：两个连续系统的反应物和产物在整个反应器中处于连续流动状态。 系统达到稳定状态后，材料不

11、会在反应器中累积，系统中的浓度和温度等参数固定在特定位置，即它们不会随时间变化。因此，对于连续系统，系统中的每个参数都是空间位置的函数。连续体系中的反应速率可以表示为每单位反应体积中某种反应物或产物的摩尔流量的变化。也就是说，它也可以表示为每单位反应表面积的特定反应物或产物的摩尔流速的变化。也就是说，它也可以表示为每单位质量固体(或催化剂)的特定反应物或产物的摩尔流速的变化。也就是说，对于均相反应，反应体积是指反应器中反应混合物所占的体积；对于气固催化反应，反应体积是指反应器中催化剂床的体积。三个连续系统中通常使用的两个重要概念1)空速：每单位反应体积可处理的反应混合物的体积流量，表示为VSP

12、。在反应器的不同位置，气体混合物的体积流量随操作条件(压力和温度)而变化，一些反应也可能由于反应前后总摩尔数的变化而引起体积流量的变化。因此，工业上经常使用无产物的反应混合物的初始组成和标准条件来计算体积流量，该体积流量表示为VS0。，2)接触时间：空速的倒数，对于连续体系，反应物A的转化率可由下式定义：那么，在连续体系中，组分A的反应速率表示为：那么：所以：第三节多反应体系的关键组分和关键反应1。什么是多重反应系统？A1，Ai，An，这N个成分，第二，如何确定多反应系统的关键成分和关键反应1。为了计算所有气体成分的摩尔变化，我们至少应该知道有多少化学物质发生了变化。这些物质被称为关键成分。至

13、少需要多少个反应方程式来解释所有组分摩尔数的变化，这些反应被称为关键反应。多反应系统的计量描述：在一个封闭的系统中有N种化学物质A1、Ai、An和L元素。如果它是组分Ai分子式中元素J的系数，镍是组分Ai的摩尔数。然后，根据每个元素的原子总数守恒原理，确定整个反应混合物中元素j的摩尔数bj，j1，2和l写成矩阵公式，系数矩阵称为原子矩阵。当化学反应发生时，组分Ai的摩尔数发生变化(Ni0是反应开始时的摩尔数)，但每种元素的原子总数保持不变，因此：j1，2，l如果所有参与化学反应的化学物质Ai的表达式都是已知的，则有一个确定的原子矩阵LXn。上述公式是一个具有l个未知数的齐次线性方程组，其系数为

14、。通常，n总是大于l，所以方程组是不确定的(方程组的数目小于未知数的数目)。线性相关是线性独立的。根据线性代数规则，系数矩阵的秩应该在求解不定方程时确定，即所谓的约束未知数，它是其他(n)个未知数的函数。这些(n)个未知数被称为自由未知数。这里，它们表示关键组分的摩尔数的变化；如果这些变化是已知的，其他组分的摩尔数变化，即约束未知数，可以通过解方程得到。因此，关键成分分数r可由以下公式表示：2。关键反应的确定N种物质之间独特化学反应的一般形式可以写成：一般化学计量系数对反应物取负值，对产物取正值。对于每一个化学反应，每一个元素都必须遵守质量守恒定律，所以有：j1，2，L *。请注意将此方程组与

15、之前的方程组进行比较，但请使用它。假设齐次方程的通解表示为：(由一组线性独立的特殊解组成)，矩阵称为度量系数矩阵。它可以用来表达群体的关键反应。显然，那是关键组分数或自由未知数。*总而言之，关键响应可以通过找到齐次方程的特殊解来确定。讨论：1自由未知数的不同选择导致不同的关键反应。两组线性独立的特殊解向量不是唯一的。*通过关键反应方程式的线性组合，可以获得所有可能的反应方程式。这个过程通常是相反的，关键的反应方程式可以从一组假想的方程式中推导出来。具有一个n维向量组。如果有一组数不全为零，就说向量组是线性相关的；如果上述公式仅在全零存在时成立，那么向量组是线性独立的。在矩阵A中，取任意K个行和

16、列，在这些行和列的交叉点上的K个元素，它们不改变它们在A中的位置顺序，形成一个K阶的行列式，称为矩阵A的K阶子公式。如果矩阵A的非零子公式的最高阶是R，那么矩阵的秩是R.第四部分是动力学方程动力学方程的含义。对于反应，如果是基本反应，反应速率可以表示为：如果是均相反应，如果是气固催化反应，反应速率可以用幂函数形式表示：其中：kc，kc，kp，kp分别是正向和反向反应的速率常数。反应速率常数的单位取决于正向和反向反应的总顺序。该值取决于反应体系的性质和温度，与反应组分的浓度无关。n=a b l m是正反应的总级数，可以是正的也可以是负的，可以是分数n=a；B l m是反向反应的总顺序，可以是正的或负的，也可以是分数。对于基本反应，当反应达到平衡时，反应速率为0，则存在：对于非基本反应，当反应达到平衡时，存在：气固催化反应速率也可以表示为双曲函数：反应速率常数可以理解为当反应物体系中各组分的浓度为1时的反应速率。当反应物体系中各组分的浓度为1时，正反应速率称为正反应速率常数。当反应物体系中每种组分的浓度为1时，反相反应速率称为