华东理工大学化学反应工程阶段辅导

《化学反应工程》阶段辅导（1）工业反应过程的优化研究对象—工业反应过程、工业反应器研究目的—优化优化—在一定范围内（约束条件）选择一组合适的变量，使系统对评价标准（优化指标）达到最优。绪论技术指标选择性—原料消耗，成本能耗—操作费用反应速率—反应器大小,设备投资设计型优化类型操作型转化率xA转化率x恒容时某一反应物转化的百分率——总转化率x

选择性

Selectivity选择性β（S）aAsS（副产物）pP（主产物）一般地瞬时选择性

收率

Yield收率单耗＝１/收率molＰ／molＡkgＰ/kgＡ决策变量操作方式—连续性、加料方式工艺条件—T、C、t、Sv、ug等结构变量—结构、型式、尺寸化学反应工程的研究内容：反应→动力学反应+流体流动→返混反应+传质→效率因子反应+传热→热稳定性、灵敏度化学反应工程在过程开发中的作用反应器的工程放大过程开发要解决三个问题反应器选型优惠工艺条件过程开发方法逐级经验放大方法数学模型方法化学反应速率的工程表示反应量：molkmol反应场所（反应区）：VR，VCAT.，kgCAT

，m2表面等

（-rA)：kmol/（m3.h），kmol/（kg.h），等等 “-”消失速率-rA “+”生成速率rp化学反应动力学对于多组分反应一般C、T影响是相互独立的（经验）

—反应速率的温度效应

—反应速率的浓度效应反应动力学表达式反应速率与温度、浓度的关系—动力学方程例如反应动力学反应速率常数（温度项）包含反应级数的浓度项k的因次与n有关：n=1,k=[时间]-1温度项式中 k——反应速率常数

k0——频率因子

T——温度K E——反应活化能J/mol，cal/mol R——气体普适常数—阿累尼乌斯(Arrhenius)公式影响化学反应速率的温度效应⑴E的本质—反应速率对温度变化的敏感程度理论思维：E的工程意义—反应速率对温度变化的敏感程度T不变…E越大，ΔT小E不变…T越大，ΔT大速率常数提高一倍所需提高的温度直观理解：⑵与反应热ΔH的关系⑶活化能的数量级

40~200kJ/mol如果E<40kJ/mol，或<10kcal/mol，可能有传质影响扩散系数扩散活化能ED=（1~3）kcal/mol活化能的计算A.理论上已知两点温度下反应速率，可估算EB.图解法——根据斜率求Elnk1/TC.线性回归——最小二乘法求E影响化学反应速率的浓度效应反应速率的浓度效应表达形式：⑴幂函数型 ⑵双曲线型 ⑶经验型常用气固相催化反应幂函数型优点：适应性强，数据整理、运算方便 是最常用的浓度效应的函数形式对反应⑴反应级数（动力学）不同于反应分子数（化学计量学）基元反应两者等同反应级数由实验测定，通常0、1、2级，或非整数级总级数通常反应速率对浓度变化的敏感程度⑵反应级数工程意义放大n倍级数越大，敏感理想化学反应器定义：—排除工程因素影响的反应器

—反应结果由动力学决定分类：*间歇搅拌釜式反应器（BR） *管式流动反应器（PFR）理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征反应类型简单反应A→P可逆反应串联反应：A→P→SPS平行反应A理想间歇反应器计算解法：⑴解析解，定量计算 ⑵图解法，定性判断恒容时；n级不可逆反应

图解法恒容时；自催化反应

自催化反应指的是反应产物本身具有催化作用，能加速反应的进行。工业生产上的发酵过程是一类典型的自催化反应过程。

特征：⑴反应存在启动过程—产物的催化作用 ⑵存在最大速率小∵初期CA大，CP小大∵中期CA≈CP小∵后期CA小，CP大计算：解析解图解法自测题特征：平衡一级可逆反应分析一级假定理想间歇反应器中的可逆反应平衡状态当ΔHr〉0，可逆吸热，当ΔHr〈0，可逆放热，TΔHr〉0ΔHr〈0工业过程受平衡的限制（热力学）改变平衡状态的措施： ①改变K—吸热，受材质限制；

—放热，受动力学限制。 ②改变体系浓度——反应、分离组合APAP可逆反应速率表达式积分式：t（k1+k2）浓度效应与温度效应浓度效应：T不变，K不变，温度效应：T↑可逆吸热，可逆放热，动力学因素热力学因素需要对吸热、放热两种情况分别讨论SO2氧化反应

—典型的可逆放热反应T低时，动力学因素占主导地位T高时，热力学因素占主导地位必然存在最优温度理想间歇反应器中的平行反应k1

k2APS类型：k1

k2A+BPS平行反应CA、CP、CS设t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0则t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等当n1=n2时，当n1=n2=1时，有：瞬时选择性或：—存在温度效应与浓度效应...平均选择性

与的关系图解法：CafCA0CA平均选择性—对反应前后的计算=平行反应选择性的温度效应不变理论分析E的本质—反应速率对温度变化的敏感程度结论：温度升高有利于活化能高的反应。平行反应选择性的浓度效应理论分析n的本质—表达了反应速率对浓度变化的敏感程度。等温下与无关结论：浓度升高有利于级数高的反应。理想间歇反应器中的串连反应设各步反应均为一级对A：设t=0，CA=

CA0，CP0=CS0=0则t=t，CA+CP+CS=CA0

恒等

（与平行反应相同）

存在最优，对应最大（与平行反应不同）特征：串连反应的选择性和收率浓度效应：任何使串连反应的反应物浓度下降、产物 浓度上升的因素，对串连反应总是不利的β的特征：⑴反应初期，β最大=1 ⑵t↑→CA↓CP↑→β↓βt1温度效应结论：温度升高有利于活化能高的反应。T最优转化率最优收率（均为k1，k2的函数）最优反应时间令最优反应时间解：最大收率最优转化率平推流活塞流反应器理想管式反应器平推流反应器（PFR）流入量＝流出量＋反应量＋累积量对微元作物料衡算：空时（与间歇反应器的反应时间关系式相同）（如果不计辅助时间，则反应器体积完全一样）v0—进料的体积流量PFR基本方程：适用等温、变温、等容、变容等积分式恒容自催化反应、可逆反应、平行反应、串联反应等温下简单不可逆反应的计算关系积分式：可逆反应自催化反应积分式：串联反应积分式：平行反应k1

k2APS积分式：按反应动力学积分空速与空时v0—在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积单位——m3/hr,l/min…规定条件——标准状态，进口状态膨胀因子—每消耗1molA时，系统总mol数的变化对A：对P：>0增大

<0减小=0不变

膨胀因子气相反应

膨胀率—假