《化学反应工程》教学课件

化学反应工程欢迎来到化学反应工程的世界！本课程将深入探讨化学反应的速率、机理以及反应器的设计与优化我们将从基础理论出发，结合实际案例，帮助你掌握化学反应工程的核心知识和应用技能准备好探索微观反应与宏观工程的奇妙结合了吗？让我们一起开始这段激动人心的学习之旅！课程目标与学习方法课程目标学习方法12掌握化学反应速率、反应机理课前预习，积极参与课堂讨论和反应器设计的理论基础能认真完成作业，巩固所学知识够应用所学知识解决实际工程结合实际案例，加深理解利问题培养创新思维和实践能用实验课，提高实践能力多力，为未来的科研和工程实践与老师和同学交流，共同进步做好准备考核方式3平时作业占，期中考试占，期末考试占平时作业包括课堂30%30%40%练习、课后作业和实验报告期中考试和期末考试主要考察对基本概念、原理和方法的掌握程度化学反应工程的研究对象与内容研究对象研究内容化学反应工程主要研究化学反应过程的宏观行为，包括反应速率、本课程主要内容包括反应速率、反应机理、反应器类型、反应器反应机理、反应器的设计与优化等其目标是实现化学反应过程的设计、非理想流动、反应动力学实验、反应过程强化、反应器安全高效、安全和经济运行以及生物反应工程基础等化学反应速率反应速率的定义影响反应速率的因素反应速率是指单位时间内反应物浓影响反应速率的因素包括温度、度的变化量它是描述化学反应快浓度、催化剂、反应物状态、溶剂慢程度的重要参数等速率方程速率方程是描述反应速率与反应物浓度关系的数学表达式通过速率方程可以预测反应速率，为反应器设计提供依据反应速率的定义定义数学表达式反应速率通常定义为单位时间内，单位体积内，反应物浓度的减少对于反应aA+bB→cC+dD，反应速率可以表示为-1/a d[A]/dt或生成物浓度的增加反应速率的单位通常是其中，、、、mol/L·s=-1/b d[B]/dt=1/c d[C]/dt=1/d d[D]/dt[A][B][C]分别表示反应物和生成物的浓度，表示时间[D]t影响反应速率的因素温度浓度催化剂温度升高，反应速率通反应物浓度增加，反应催化剂可以降低反应的常加快这是因为温度速率通常加快这是因活化能，从而加快反应升高会增加反应物分子为浓度增加会增加反应速率催化剂本身在反的能量，使其更容易克物分子碰撞的频率应过程中不被消耗服反应的活化能速率方程定义1速率方程是描述反应速率与反应物浓度之间关系的数学表达式它反映了反应速率对各反应物浓度的依赖性形式2对于反应，其速率方程通常可以表示为aA+bB→cC+dD r=，其中是速率常数，和分别是反应物和的反k[A]^m[B]^n km nA B应级数意义3速率方程是反应器设计的重要依据通过速率方程可以预测反应速率，从而优化反应器的运行参数简单反应的速率方程一级反应一级反应的速率与反应物浓度的一次方成正比其速率方程为r=k[A]二级反应二级反应的速率与反应物浓度的二次方成正比，或与两种反应物浓度的一次方成正比其速率方程为或r=k[A]^2r=k[A][B]零级反应零级反应的速率与反应物浓度无关其速率方程为r=k复杂反应的速率方程推导方法推导复杂反应的速率方程，通常需要进行2以下步骤确定反应机理、写出各基元反应的速率方程、应用稳态近似或速率控制定义步骤假设简化速率方程1复杂反应是由多个基元反应组成的反应其速率方程通常比较复杂，需要根据反应机理推导应用复杂反应的速率方程在反应器设计和优化中具有重要意义通过速率方程可以预测3反应速率，从而优化反应器的运行参数速率常数的活化能方程Arrhenius1描述速率常数与温度关系的方程，k=Aexp-Ea/RT活化能2反应物分子转化为产物分子所需的最小能量指前因子3与反应物分子碰撞频率相关的因子方程揭示了温度对反应速率的显著影响活化能是决定反应速率的关键参数，它代表了反应发生的能量壁垒通过理解和控制活Arrhenius化能，可以优化反应条件，提高反应效率反应机理与速率控制步骤反应机理1详细描述反应物转化为产物所经历的各个基元步骤基元步骤2反应机理中的每个独立的反应步骤速率控制步骤3决定整个反应速率的最慢的基元步骤理解反应机理是优化反应条件的关键速率控制步骤决定了反应的整体速率，因此针对速率控制步骤进行优化是提高反应效率的有效方法反应机理和速率控制步骤的确定需要实验和理论相结合反应机理的推导实验数据稳态近似同位素效应收集反应速率、产物分布等实验数据，为假设中间产物的浓度在反应过程中保持不利用同位素取代反应物中的原子，观察反推导反应机理提供依据变，简化速率方程应速率的变化，推断反应机理速率控制步骤的确定实验测定理论计算模型验证123通过实验手段，例如改变反应物浓度、利用量子化学计算等方法，计算各个根据推断的速率控制步骤，建立反应温度等，观察反应速率的变化，推断基元步骤的活化能，确定速率控制步动力学模型，与实验数据进行比较，速率控制步骤骤验证模型的准确性催化反应的速率方程机理Langmuir-Eley-Rideal机理Hinshelwood一种反应物吸附在催化剂表面，另反应物吸附在催化剂表面，发生反一种反应物直接与吸附的反应物反应，产物脱附应速率方程催化反应的速率方程通常比较复杂，需要根据反应机理推导均相催化反应定义优点缺点催化剂与反应物处于同一相的催化反应催化剂活性高，选择性好，反应条件温和催化剂与产物分离困难，催化剂易腐蚀设备多相催化反应定义优点缺点催化剂与反应物处于不催化剂易与产物分离，催化剂活性相对较低，同相的催化反应催化剂稳定性好反应条件苛刻反应器的基本类型间歇式反应器1反应物一次性加入反应器，反应过程中没有物料进出全混流反应器2反应器内物料充分混合，反应器内任何一点的浓度都相同平推流反应器3物料以活塞流的形式通过反应器，没有返混间歇式反应器特点操作简单，适用于小批量生产和反应时间较长的反应优点易于控制反应条件，可以实现较高的转化率缺点生产效率低，劳动强度大全混流反应器优点2操作稳定，易于控制特点1物料在反应器内充分混合，反应器内任何一点的浓度都相同缺点转化率相对较低3平推流反应器特点1物料以活塞流的形式通过反应器，没有返混优点2转化率相对较高缺点3对流动状态要求较高，易出现局部过热现象反应器的选择与设计反应类型1根据反应类型选择合适的反应器类型反应速率2根据反应速率选择合适的反应器尺寸操作条件3根据操作条件选择合适的反应器材质理想反应器的假设间歇式反应器全混流反应器平推流反应器反应器内物料混合均匀，温度均匀反应器内物料充分混合，反应器内任何一物料以活塞流的形式通过反应器，没有返点的浓度都相同混反应器性能方程定义重要性12描述反应器内反应物转化率与反应器设计和优化的重要依据反应器操作参数关系的数学表达式推导3根据物料衡算、能量衡算和动量衡算推导间歇式反应器的设计确定反应时间确定反应器体积根据反应速率和转化率要求确定反根据物料量和密度确定反应器体积应时间确定搅拌器功率根据搅拌强度和物料性质确定搅拌器功率全混流反应器的设计确定反应器体积确定搅拌器功率确定进料温度根据反应速率、进料量和转化率要求确定根据搅拌强度和物料性质确定搅拌器功率根据反应热和冷却能力确定进料温度反应器体积平推流反应器的设计确定反应器体积确定反应器压降确定换热面积根据反应速率、进料量和转化率要求确定反根据流动状态和物料性质确定反应器压降根据反应热和冷却能力确定换热面积应器体积反应器的组合目的1提高转化率、选择性或反应速率类型2全混流反应器串联、平推流反应器并联、全混流反应器与平推流反应器串联等设计3根据反应特性和要求选择合适的反应器组合方式全混流反应器的串联目的提高转化率特点每个反应器的浓度都不同，转化率逐渐提高设计确定每个反应器的体积，使得总转化率达到要求平推流反应器的并联特点2每个反应器的转化率相同，总处理量增加目的1提高处理量设计确定每个反应器的体积，使得总处理量达3到要求复杂反应的设计反应机理分析1分析反应机理，确定反应路径动力学模型建立2建立动力学模型，描述反应速率反应器优化3优化反应器操作条件，提高目标产物收率反应转化率与选择性转化率1反应物转化为产物的程度选择性2反应生成目标产物的程度优化3优化反应条件，提高转化率和选择性反应器优化设计Original Optimized通过优化反应器温度和压力，可以将反应转化率从

0.7提高到

0.85，从而提高生产效率非理想流动非理想流动影响描述实际反应器中，物料流动状态偏离理想状态导致反应器转化率下降、选择性降低、局部利用分布函数描述非理想流动状态的现象过热等问题非理想流动的描述停留时间分布分布函数示踪剂实验描述物料在反应器内停留时间长短的分布常用的分布函数包括E函数、F函数和C函通过示踪剂实验测定停留时间分布情况数分布函数函数函数1E2F描述出口处物料停留时间分布描述反应器内物料停留时间小的函数于某一值的比例的函数函数3C描述示踪剂在出口处的浓度随时间变化的函数模型参数的确定扩散模型串联模型混合模型利用扩散模型描述非理想流动，确定扩利用串联模型描述非理想流动，确定串利用混合模型描述非理想流动，确定混散系数联反应器个数合比例利用示踪剂实验测定停留时间分布实验方法数据处理模型验证向反应器中注入一定量的示踪剂，测量出根据测量数据计算停留时间分布函数利用停留时间分布函数验证非理想流动模口处示踪剂浓度随时间变化的情况型非理想反应器的设计考虑非理想流动选择合适模型优化反应器结构在反应器设计中考虑非选择合适的非理想流动优化反应器结构，改善理想流动的影响模型流动状态停留时间分布与转化率影响1停留时间分布影响反应器转化率计算2根据停留时间分布计算转化率优化3优化停留时间分布，提高转化率反应动力学实验目的测定反应速率常数、活化能等动力学参数方法间歇法、连续法、微分法、积分法等设备反应器、温度控制系统、取样系统、分析仪器等实验方法连续法2在连续式反应器中进行实验，测量反应器进出口物料的浓度间歇法1在间歇式反应器中进行实验，测量反应物浓度随时间变化的情况微分法测量反应速率随时间变化的情况，直接计3算反应速率常数数据分析线性回归1利用线性回归方法分析实验数据，确定反应级数和速率常数非线性回归2利用非线性回归方法分析实验数据，确定复杂反应的动力学参数模型验证3利用实验数据验证动力学模型的准确性反应器设计案例分析工业合成氨1分析工业合成氨反应的特点，设计合适的反应器乙烯氧化2分析乙烯氧化反应的特点，设计合适的反应器丙烯氨氧化3分析丙烯氨氧化反应的特点，设计合适的反应器案例工业合成氨1反应特点反应器选择工艺流程放热反应，需要低温高压通常采用轴向绝热反应器，多段冷却包括原料气制备、净化、压缩、反应和产品分离等步骤案例乙烯氧化2反应特点反应器选择12放热反应，容易发生爆炸通常采用固定床反应器，管式反应器工艺流程3包括原料气制备、反应、产品分离和回收等步骤反应过程强化定义原理通过创新方法显著提高反应过程的强化传递过程、强化反应过程、强效率、安全性和可持续性化分离过程方法采用新型反应器、新型催化剂、新型分离技术等反应过程强化的原理强化传递过程强化反应过程强化分离过程提高传热、传质效率，例如采用微通道反提高反应速率、选择性，例如采用新型催提高分离效率、降低能耗，例如采用膜分应器化剂离技术反应过程强化的方法微反应器新型催化剂膜分离采用微反应器，提高传开发新型催化剂，提高采用膜分离技术，提高热、传质效率反应速率、选择性分离效率、降低能耗微反应器技术特点1尺寸小、传热传质效率高、反应控制精确应用2用于快速反应、高选择性反应、危险反应等优势3提高反应效率、降低能耗、提高安全性反应器安全重要性确保反应器安全运行，防止事故发生预防采取安全措施，例如设置安全阀、控制温度压力等处理制定应急预案，及时处理事故反应器爆炸的预防防止物料泄漏2加强设备维护，防止物料泄漏控制温度压力1严格控制反应器温度和压力，防止超温超压设置安全阀设置安全阀，及时释放压力3反应器泄漏的处理应急预案1制定应急预案，明确处理流程隔离现场2及时隔离泄漏现场，防止扩散抢修设备3及时抢修泄漏设备，控制泄漏源生物反应工程基础酶催化反应1利用酶催化反应进行生物转化细胞反应2利用细胞进行生物转化生物反应器3用于进行生物反应的设备酶催化反应特点应用优势反应条件温和、选择性高、效率高用于食品工业、医药工业、环境工程等领降低能耗、减少污染、提高产品质量域细胞反应特点应用12可以进行复杂的生物转化，生用于生物制药、生物燃料、生产多种产物物材料等领域优势3生产成本低、环境友好、可再生光化学反应工程光化学反应原理光化学反应器设计应用利用光能引发化学反应考虑光照强度、光波长等因素用于光合成、光降解、光聚合等领域光化学反应原理光吸收光化学反应荧光和磷光反应物分子吸收光子，激发到激发态激发态分子发生化学反应，生成产物激发态分子释放能量，回到基态光化学反应器的设计光照强度光波长反应器几何形状选择合适的光源，保证选择合适的光波长，使优化反应器几何形状，足够的光照强度反应物分子能够有效吸提高光能利用率收光能电化学反应工程电化学反应原理1利用电能引发化学反应电化学反应器设计2考虑电极材料、电解质等因素应用3用于电解、电镀、电合成等领域电化学反应原理电极反应电解质电化学池反应物在电极表面发生氧化或还原反应提供离子传输的介质由两个电极和电解质组成的系统。