绪论均相反应动力学均相反应器课件

化学反应工程基础江苏工业学院

张卫红2006.2化学反应工程基础江苏工业学院1第一章

绪论1.1概述一、反应工程的研究内容二、反应工程与其他学科的关系三、化学反应工程的学科发展1.2化学反应器

一、化学反应的分类二、化学反应器的类型三、反应器的操作方式1.3化学反应工程的研究方法第一章绪论2图1.1典型的化学加工过程图1.1典型的化学加工过程3化学反应工程主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。

化学反应工程主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计4

5时间标志性成果代表人物20世纪30年代（萌芽阶段）对扩散、流体流动和传热对反应过程的影响丹克来尔(DamhÖhler)

梯尔（Thiele）

史尔多维奇20世纪40年代

（系统化）《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散与传热》对学科形成奠定了基础霍根（Hougen）

华生（Waston）20世纪50年代

（学科确立）学科第一次国际性的学术会议在欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一术语丹克沃茨

（Dankwerts)

泰勒（Taylor）

烈文斯彼尔

(Levenspiel)20世纪60年代

(学科发展壮大)石油化工的发展要求生产的大进化，产品的多样化和深加工促进了实验研究和生产实际的结果，产品研发周期缩短

20世纪80年代到90年代中期(学科交叉和新技术运用)计算机和微电子技术普遍应用实现了反应器的精确控制问题；通过与其它学科的交叉形成了一系列新的学科；反应与分离过程的结合出现了多功能反应器

20世纪90年代环境保护对化学反应工程学科提出了新的要求。新的环境友好、原子经济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存放利用的贡献

时间标志性成果代表人物20世纪30年代（萌芽阶段）对扩6绪论均相反应动力学均相反应器课件7绪论均相反应动力学均相反应器课件8绪论均相反应动力学均相反应器课件9第二章均相反应动力学

2.1化学反应速率及动力学方程式2.1.1化学反应速度

2.1.2动力学方程2.1.3动力学方程的建立2.2可逆反应

2.3自催化反应

2.4复合反应

2.5变分子气相反应第二章均相反应动力学2.1化学反应速率及动力学方程式10建立动力学方程的方法：1、积分法半衰期法2、微分法3、初速度法建立动力学方程的方法：11化学反应动力学-化学反应速率和反应机理微观动力学或本征动力学：排除了一切物理传递过程的影响2.1化学反应速率及动力学方程式2.1.1化学反应速度化学反应动力学-化学反应速率和反应机理12均相反应速率的定义：单位时间，单位体积混合物中着眼于某一反应组分的物质的量的变化率。

aA+bB→pP+sS均相反应速率的定义：单位时间，单位体积混合物中着眼于某一反应13绪论均相反应动力学均相反应器课件14（5）转化率？X--针对反应物而言

（5）转化率？X--针对反应物而言15（1）反应速率恒为正值，反应物组分速率的“-”（2）不同组分计算的反应速率之间的换算关系：（3）当混合物的体积（即密度）一定时，对于理想气体，（*等温恒容）

，

（1）反应速率恒为正值，反应物组分速率的“-”，16绪论均相反应动力学均相反应器课件17反应时间tNH3/molO2/mol0812t1

47t2

02反应时间tNH3O20812t147t202182.1.2动力学方程（化学反应速率方程式）

影响反应速率的因素有：组成（浓度）、温度、压力、催化剂的种类及性质。对于均相反应，通常ri=f(T,C)

化学反应速率方程式的形式

aA+bB→pP+sS幂函数型：2.1.2动力学方程（化学反应速率方程式）191.动力学参数①级数-基元反应与非基元反应对各组分的级数、，反应的总级数n=+②速率常数k-与温度、催化剂有关量纲-[浓度]1-n[时间]-1,∴可以根据量纲判断反应的级数。如，一级反应，量纲为[时间]-11.动力学参数20对于气相反应，

kp量纲：[浓度][压强]-n[时间]-1kp与k的换算：对于气相反应，21Arrhenius方程：

Arrhenius方程：222.1.3动力学方程的建立

单一反应：用一个化学计量方程即能表达各反应物间量的关系的反应；复合反应：用两个或两个以上的化学计量方程才能表达各反应物间量的关系的反应；不可逆反应：反应向一个方向进行；可逆反应：反应同时向正、逆两个方向进行的反应，歧化/对峙反应。

2.1.3动力学方程的建立单一反应：用一个化学计量方程即能23一、建立动力学方程的方法

1、积分法在等温恒容条件下，

一、建立动力学方程的方法1、积分法24例：有一反应，在一间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80%，经过18min后，转化掉90%，求表达此反应的动力学方程式。例：有一反应，在一间歇反应器中进行，经过8min后，反应物25解：已知t1=8min时，x1=80%t2=18min时，x2=90%设为零级反应，解：已知t1=8min时，x1=80%26设为一级反应，（0.699≠0.444）设为一级反应，（0.699≠0.4427设为二级反应，设为二级反应，28故此反应为二级不可逆反应。且故此反应为二级不可逆反应。且29半衰期法：

半衰期法：302、微分法单一不可逆反应，2、微分法单一不可逆反应，31二、最小二乘法适用于可线性化的方程。例如，二、最小二乘法适用于可线性化的方程。例如，32绪论均相反应动力学均相反应器课件33绪论均相反应动力学均相反应器课件34绪论均相反应动力学均相反应器课件35绪论均相反应动力学均相反应器课件362.2可逆反应一级可逆反应：已知：t=0时，CA=CA0，CR=CR0。动力学方程的积分形式

2.2可逆反应一级可逆反应：37初速度法①CR0=0下，改变CA0，测定（-rA）0，确定动力学参数和k1。

②CA0=0下，改变CR0，测定（-rA）0确定动力学参数和k2。

初速度法①CR0=0下，改变CA0，测定（-rA）0382.3自催化反应

定义：反应的某一产物对反应有催化作用。

如：设对各反应组分均为一级。在t=0时，CA=CA0，CP=CP0和CR0=0动力学方程的积分形式。

2.3自催化反应定义：反应的某一产物对反应有催化作用。39（-rA）C0/2CA0（-rA）C0/2CA0402.4复合反应

平行反应：

连串反应：

2.4.1表征产物分布的术语1.收率（得失之比）瞬时收率φ总收率φP

2.4复合反应平行反应：412.得率XP

得率XP=收率×转化率xA

3.选择性2.得率XP422.4.2平行反应

等温恒容下一级平行反应的浓度分布：

初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CS=0

2.4.2平行反应等温恒容下一级平行反应的浓度分布：

43图2.4-1平行反应组成随时间的变化关系图2.4-1平行反应组成随时间的变化关系44绪论均相反应动力学均相反应器课件452.4.3连串反应

2.4.3连串反应46图2.4-2连串反应组成随时间的变化关系图2.4-2连串反应组成随时间的变化关系472.5变分子气相反应

等温气相反应变分子恒压——变容变分子恒容——变压2.5.1术语1.膨胀因子物理意义：

2.5变分子气相反应等温气相反应482.膨胀率2.膨胀率49n级反应注意：一级反应，n级反应注意：一级反应，502.5.3等温等容变压过程总压法测定气相反应的速度常数

2.5.3等温等容变压过程总压法测定气相反应的速度常数512.5.2等温等压变容过程2.5.2等温等压变容过程52第三章均相等温反应器

3.1概述

3.2简单反应器3.2.1间歇反应器（BR）3.2.2平推流反应器3.2.3全混流反应器（CSTR）3.3组合反应器3.3.1多个全混釜串联3.3.2平推流反应器的串、并联

第三章均相等温反应器3.1概述533.3.3循环反应器

3.3.4半连续反应器（半间歇反应器）

3.4反应器的选型与操作方式

3.3.3循环反应器543.1.1反应器中的流动问题

返混：停留时间不同的流体质点（微元）之间的混合。平推流与全混流

平推流的特点：所有物料质点在反应器中的停留时间相同，不存在返混，也无流速分布。全混流的特点：返混达到最大。

3.1.1反应器中的流动问题553.1.2生产操作中的常用术语

1.反应时间与停留时间反应时间停留时间停留时间的分布——平均停留时间

2.空时与空速空时：空速：

3.1.2生产操作中的常用术语1.反应时间与停留时间563.2简单反应器反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式+热量衡算式+流动方程式等温恒容过程反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式物料衡算通式：

3.2简单反应器反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式573.2.1间歇反应器（BR）

一、基础设计方程式恒容时，

3.2.1间歇反应器（BR）58二、设计式的应用：1.反应时间的计算：（1）一级反应

等温恒容下：（2）二级反应等温恒容下：

二、设计式的应用：592.反应器体积的计算：实际的反应器体积为：对于沸腾或易发泡液体物料，对于一般流体

2.反应器体积的计算：

60例3-1某厂用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下进行缩聚反应生产醇酸树脂。反应在70℃间歇釜中进行。已知（-rA)=kCA2kmol／(L·min)，k=1.97L／(kmol·min)，CA0=0.004kmol／L

，求⑴xA=0.5、xA=0.6、xA=0.8、xA=0.9所需反应时间⑵若每天处理2400kg已二酸，转化率为80%，每天操作的非生产时间为1h，计算反应器体积为多少？设装料系数为0.75。例3-1某厂用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下进行缩613.2.2平推流反应器一、基础设计方程简化：（1）⊿t任取（2）⊿V取dV

（3）积累量=0更一般的通式：

3.2.2平推流反应器更一般的通式：62恒容时，二、设计方程的应用1.解析法：以一级反应为例2.图解法：图3.2-53.数值法：（Simpson）(奇数点、偶数段)

恒容时，633.2.3全混流反应器（CSTR）一、基础设计方程式简化：（1）⊿t、⊿V任取（2）

（3）积累量=0恒容时，

3.2.3全混流反应器（CSTR）恒容时，641.应用一级反应：一级平行反应：

1.应用65一级连串反应：一级连串反应：66

3.3组合反应器3.3.1多个全混釜串联1.设计式3.3组合反应器1.设计式672.应用①解析法：一级反应，若各釜的温度和容积均相等，则第n个釜的出口浓度为：

二级反应，p44图3.4-4

参变量，无因次数群一级反应k二级反应kCA02.应用68②图解法：

②图解法：693.3.2平推流反应器的串、并联1.

PFR的串联对第一个PFR作物料衡算：

对第二个PFR作物料衡算：对第n个PFR作物料衡算：

3.3.2平推流反应器的串、并联702.PFR的并联

2.PFR的并联713.3.3循环反应器最佳循环比

3.3.3循环反应器最佳循环比723.3.4半连续反应器（半间歇反应器）

3.3.4半连续反应器（半间歇反应器）733.4反应器的选型与操作方式

3.4.1单一反应：反应器大小的比较

结论：完成同一生产任务（相同），

，3.4.2复合反应：产物量的多少

3.4反应器的选型与操作方式74不同类型反应器P出口浓度的计算PFR：CSTR：

不同类型反应器P出口浓度的计算75例3-2同例3-1的条件，若转化率xA=0.8，试计算：⑴单个CSTR的体积；⑵2-CSTR的体积；⑶4-CSTR的总体积以及xA1，xA2和

xA3；⑷PFR的体积例3-2同例3-1的条件，76k=1.97L／(kmol·min)=118.2L／(kmol·h)CA0=0.004kmol／Lv0=171.25L／hk=1.97L／(kmol·min)=118.2L／(k77例：苯醌（A）和环戊二烯（B）在298K下进行液相加成反应，反应方程式为A+B→P，动力学方程为（-rA)=kCACB。如果反应在两个等体积串联的全混釜进行，其反应速度常数为k=9.92×10-3m3／(kmol·s)，已知CA0=0.08kmol／m3

，CB0=0.1kmol／m3

，求xA=0.95时，两釜总的反应时间。例：苯醌（A）和环戊二烯（B）在298K下进行液相加成反应，78化学反应工程基础江苏工业学院

张卫红2006.2化学反应工程基础江苏工业学院79第一章

绪论1.1概述一、反应工程的研究内容二、反应工程与其他学科的关系三、化学反应工程的学科发展1.2化学反应器

一、化学反应的分类二、化学反应器的类型三、反应器的操作方式1.3化学反应工程的研究方法第一章绪论80图1.1典型的化学加工过程图1.1典型的化学加工过程81化学反应工程主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。

化学反应工程主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计82

83时间标志性成果代表人物20世纪30年代（萌芽阶段）对扩散、流体流动和传热对反应过程的影响丹克来尔(DamhÖhler)

梯尔（Thiele）

史尔多维奇20世纪40年代

（系统化）《化学过程原理》和《化学动力学中的扩散与传热》对学科形成奠定了基础霍根（Hougen）

华生（Waston）20世纪50年代

（学科确立）学科第一次国际性的学术会议在欧洲召开，第一次使用了化学反应工程这一术语丹克沃茨

（Dankwerts)

泰勒（Taylor）

烈文斯彼尔

(Levenspiel)20世纪60年代

(学科发展壮大)石油化工的发展要求生产的大进化，产品的多样化和深加工促进了实验研究和生产实际的结果，产品研发周期缩短

20世纪80年代到90年代中期(学科交叉和新技术运用)计算机和微电子技术普遍应用实现了反应器的精确控制问题；通过与其它学科的交叉形成了一系列新的学科；反应与分离过程的结合出现了多功能反应器

20世纪90年代环境保护对化学反应工程学科提出了新的要求。新的环境友好、原子经济的绿色反应工艺的出现，对能源开发和存放利用的贡献

时间标志性成果代表人物20世纪30年代（萌芽阶段）对扩84绪论均相反应动力学均相反应器课件85绪论均相反应动力学均相反应器课件86绪论均相反应动力学均相反应器课件87第二章均相反应动力学

2.1化学反应速率及动力学方程式2.1.1化学反应速度

2.1.2动力学方程2.1.3动力学方程的建立2.2可逆反应

2.3自催化反应

2.4复合反应

2.5变分子气相反应第二章均相反应动力学2.1化学反应速率及动力学方程式88建立动力学方程的方法：1、积分法半衰期法2、微分法3、初速度法建立动力学方程的方法：89化学反应动力学-化学反应速率和反应机理微观动力学或本征动力学：排除了一切物理传递过程的影响2.1化学反应速率及动力学方程式2.1.1化学反应速度化学反应动力学-化学反应速率和反应机理90均相反应速率的定义：单位时间，单位体积混合物中着眼于某一反应组分的物质的量的变化率。

aA+bB→pP+sS均相反应速率的定义：单位时间，单位体积混合物中着眼于某一反应91绪论均相反应动力学均相反应器课件92（5）转化率？X--针对反应物而言

（5）转化率？X--针对反应物而言93（1）反应速率恒为正值，反应物组分速率的“-”（2）不同组分计算的反应速率之间的换算关系：（3）当混合物的体积（即密度）一定时，对于理想气体，（*等温恒容）

，

（1）反应速率恒为正值，反应物组分速率的“-”，94绪论均相反应动力学均相反应器课件95反应时间tNH3/molO2/mol0812t1

47t2

02反应时间tNH3O20812t147t202962.1.2动力学方程（化学反应速率方程式）

影响反应速率的因素有：组成（浓度）、温度、压力、催化剂的种类及性质。对于均相反应，通常ri=f(T,C)

化学反应速率方程式的形式

aA+bB→pP+sS幂函数型：2.1.2动力学方程（化学反应速率方程式）971.动力学参数①级数-基元反应与非基元反应对各组分的级数、，反应的总级数n=+②速率常数k-与温度、催化剂有关量纲-[浓度]1-n[时间]-1,∴可以根据量纲判断反应的级数。如，一级反应，量纲为[时间]-11.动力学参数98对于气相反应，

kp量纲：[浓度][压强]-n[时间]-1kp与k的换算：对于气相反应，99Arrhenius方程：

Arrhenius方程：1002.1.3动力学方程的建立

单一反应：用一个化学计量方程即能表达各反应物间量的关系的反应；复合反应：用两个或两个以上的化学计量方程才能表达各反应物间量的关系的反应；不可逆反应：反应向一个方向进行；可逆反应：反应同时向正、逆两个方向进行的反应，歧化/对峙反应。

2.1.3动力学方程的建立单一反应：用一个化学计量方程即能101一、建立动力学方程的方法

1、积分法在等温恒容条件下，

一、建立动力学方程的方法1、积分法102例：有一反应，在一间歇反应器中进行，经过8min后，反应物转化掉80%，经过18min后，转化掉90%，求表达此反应的动力学方程式。例：有一反应，在一间歇反应器中进行，经过8min后，反应物103解：已知t1=8min时，x1=80%t2=18min时，x2=90%设为零级反应，解：已知t1=8min时，x1=80%104设为一级反应，（0.699≠0.444）设为一级反应，（0.699≠0.44105设为二级反应，设为二级反应，106故此反应为二级不可逆反应。且故此反应为二级不可逆反应。且107半衰期法：

半衰期法：1082、微分法单一不可逆反应，2、微分法单一不可逆反应，109二、最小二乘法适用于可线性化的方程。例如，二、最小二乘法适用于可线性化的方程。例如，110绪论均相反应动力学均相反应器课件111绪论均相反应动力学均相反应器课件112绪论均相反应动力学均相反应器课件113绪论均相反应动力学均相反应器课件1142.2可逆反应一级可逆反应：已知：t=0时，CA=CA0，CR=CR0。动力学方程的积分形式

2.2可逆反应一级可逆反应：115初速度法①CR0=0下，改变CA0，测定（-rA）0，确定动力学参数和k1。

②CA0=0下，改变CR0，测定（-rA）0确定动力学参数和k2。

初速度法①CR0=0下，改变CA0，测定（-rA）01162.3自催化反应

定义：反应的某一产物对反应有催化作用。

如：设对各反应组分均为一级。在t=0时，CA=CA0，CP=CP0和CR0=0动力学方程的积分形式。

2.3自催化反应定义：反应的某一产物对反应有催化作用。117（-rA）C0/2CA0（-rA）C0/2CA01182.4复合反应

平行反应：

连串反应：

2.4.1表征产物分布的术语1.收率（得失之比）瞬时收率φ总收率φP

2.4复合反应平行反应：1192.得率XP

得率XP=收率×转化率xA

3.选择性2.得率XP1202.4.2平行反应

等温恒容下一级平行反应的浓度分布：

初值条件为：t=0时，CA=CAO，CP=0，CS=0

2.4.2平行反应等温恒容下一级平行反应的浓度分布：

121图2.4-1平行反应组成随时间的变化关系图2.4-1平行反应组成随时间的变化关系122绪论均相反应动力学均相反应器课件1232.4.3连串反应

2.4.3连串反应124图2.4-2连串反应组成随时间的变化关系图2.4-2连串反应组成随时间的变化关系1252.5变分子气相反应

等温气相反应变分子恒压——变容变分子恒容——变压2.5.1术语1.膨胀因子物理意义：

2.5变分子气相反应等温气相反应1262.膨胀率2.膨胀率127n级反应注意：一级反应，n级反应注意：一级反应，1282.5.3等温等容变压过程总压法测定气相反应的速度常数

2.5.3等温等容变压过程总压法测定气相反应的速度常数1292.5.2等温等压变容过程2.5.2等温等压变容过程130第三章均相等温反应器

3.1概述

3.2简单反应器3.2.1间歇反应器（BR）3.2.2平推流反应器3.2.3全混流反应器（CSTR）3.3组合反应器3.3.1多个全混釜串联3.3.2平推流反应器的串、并联

第三章均相等温反应器3.1概述1313.3.3循环反应器

3.3.4半连续反应器（半间歇反应器）

3.4反应器的选型与操作方式

3.3.3循环反应器1323.1.1反应器中的流动问题

返混：停留时间不同的流体质点（微元）之间的混合。平推流与全混流

平推流的特点：所有物料质点在反应器中的停留时间相同，不存在返混，也无流速分布。全混流的特点：返混达到最大。

3.1.1反应器中的流动问题1333.1.2生产操作中的常用术语

1.反应时间与停留时间反应时间停留时间停留时间的分布——平均停留时间

2.空时与空速空时：空速：

3.1.2生产操作中的常用术语1.反应时间与停留时间1343.2简单反应器反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式+热量衡算式+流动方程式等温恒容过程反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式物料衡算通式：

3.2简单反应器反应器的设计方程式=动力学方程式+物料衡算式1353.2.1间歇反应器（BR）

一、基础设计方程式恒容时，

3.2.1间歇反应器（BR）136二、设计式的应用：1.反应时间的计算：（1）一级反应

等温恒容下：（2）二级反应等温恒容下：

二、设计式的应用：1372.反应器体积的计算：实际的反应器体积为：对于沸腾或易发泡液体物料，对于一般流体

2.反应器体积的计算：

138例3-1某厂用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下进行缩聚反应生产醇酸树脂。反应在70℃间歇釜中进行。已知（-rA)=kCA2kmol／(L·min)，k=1.97L／(kmol·min)，CA0=0.004kmol／L

，求⑴xA=0.5、xA=0.6、xA=0.8、xA=0.9所需反应时间⑵若每天处理2400kg已二酸，转化率为80%，每天操作的非生产时间为1h，计算反应器体积为多少？设装料系数为0.75。例3-1某厂用已二酸（A）和已二醇（B）在硫酸催化下进行缩1393.2.2平推流反应器一、基础设计方程简化：（1）⊿t任取（2）⊿V取dV

（3）积累量=0更一般的通式：

3.2.2平推流反应器更一般的通式：140恒容时，二、设计方程的应用1.解析法：以一级反应为例