《化学反应工程概述》课件

化学反应工程概述欢迎来到化学反应工程的世界！本课程将带您深入了解化学反应的本质，掌握反应器设计的核心原则，以及化学反应工程在工业中的广泛应用通过本课程的学习，您将能够运用所学知识解决实际工程问题，为化学工业的发展贡献力量课程介绍什么是化学反应工程？化学反应工程是一门研究化学反应过程的科学，它综合运用化学、简而言之，化学反应工程是关于如何有效地进行化学反应的科学与物理、数学等学科的知识，解决化学反应过程中的设计、优化和控工程它旨在提高反应效率、降低生产成本、保障生产安全，最终制问题它不仅关注反应本身，还关注反应器及其操作条件对反应实现化学工业的可持续发展的影响化学反应工程的重要性及应用工业生产的核心技术创新的关键12化学反应是化工生产的基础，新型反应器和反应工艺的开发反应工程直接影响产品的质量、是推动化工技术进步的重要动产量和成本力可持续发展的保障3优化反应过程，减少废物排放，实现绿色化工是反应工程的重要目标本课程的学习目标掌握基本概念掌握设计方法理解反应动力学、反应器类型和流能够设计理想和非理想反应器，解动模式等基本概念决实际工程问题应用工程实践了解反应工程在石油化工、精细化工等领域的应用课程大纲及内容安排化学反应动力学基础1反应速率、速率方程、反应级数、阿伦尼乌斯方程等理想反应器2间歇反应器、全混流反应器、推流反应器的设计与分析非理想反应器3停留时间分布理论、分散模型、槽式模型等多相反应工程4气固相反应、液固相反应、气液相反应等参考书目与学习资源《化学反应工程原理》，

1.Octave Levenspiel《化工原理》，天津大学化工原理编写组

2.《反应工程学》，袁渭康

3.相关学术期刊和网络资源

4.第一章化学反应动力学基础反应速率的定义单位时间内反应物浓度的变化量质量作用定律反应速率与反应物浓度的关系速率常数反应速率与温度的关系反应速率的定义与影响因素影响因素2温度、浓度、压力、催化剂等定义1单位时间内反应物浓度的变化量重要性反应工程设计的基础3质量作用定律与速率方程速率方程1r=k[A]^m[B]^n质量作用定律2反应速率与反应物浓度成正比质量作用定律是化学反应动力学的基础，它描述了反应速率与反应物浓度之间的关系速率方程是质量作用定律的数学表达式，可以用来定量地描述反应速率速率常数的意义及单位意义1反映反应速率的快慢单位2与反应级数有关影响因素3温度、催化剂等速率常数是反应速率方程中的一个重要参数，它反映了在一定温度下反应速率的快慢速率常数的单位与反应级数有关，可以通过实验测定反应级数的确定方法反应级数是反应速率方程中的一个重要参数，它反映了反应速率对反应物浓度的依赖程度常用的反应级数确定方法有初始速率法、积分法和半衰期法，不同的方法适用于不同的反应类型简单反应的动力学模型（一级、二级）一级反应二级反应反应速率与反应物浓度的一次方成正比反应速率与反应物浓度的二次方成正比简单反应是指反应物直接转化为产物的反应，常见的简单反应有一级反应和二级反应一级反应的反应速率与反应物浓度的一次方成正比，二级反应的反应速率与反应物浓度的二次方成正比复杂反应的动力学模型（平行、连串）平行反应反应物同时发生多个反应，生成不同的产物连串反应反应物经过多个步骤，逐步转化为最终产物复杂反应是指反应物经过多个步骤才能转化为产物的反应，常见的复杂反应有平行反应和连串反应平行反应是指反应物同时发生多个反应，生成不同的产物；连串反应是指反应物经过多个步骤，逐步转化为最终产物阿伦尼乌斯方程与活化能阿伦尼乌斯方程活化能12，描述了反应速率常数与温度的关系，反应发生的最低能量要求k=Aexp-Ea/RT Ea阿伦尼乌斯方程是化学反应动力学中的一个重要方程，它描述了反应速率常数与温度的关系活化能是反应发生的最低能量要求，活化能越高，反应速率越慢影响反应速率的催化剂作用催化剂正催化剂改变反应速率，但不改变反应平衡加快反应速率负催化剂减慢反应速率催化剂是一种能够改变反应速率，但不改变反应平衡的物质正催化剂可以加快反应速率，负催化剂可以减慢反应速率催化剂通过降低反应的活化能来加快反应速率第二章理想反应器理想间歇反应器，反应物一次性加入，反应结束后一次性取出Batch Reactor理想全混流反应器，反应物连续加入，反应物料充分混合CSTR理想推流反应器，反应物连续加入，反应物料呈推流状态PFR理想间歇反应器（）Batch Reactor优点2操作简单，适用于小批量生产特点1反应物一次性加入，反应结束后一次性取出缺点生产效率低，不适用于大规模生产3理想间歇反应器是一种反应物一次性加入，反应结束后一次性取出的反应器它的优点是操作简单，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，不适用于大规模生产理想全混流反应器（）CSTR出口浓度1与反应器内浓度相同均匀混合2反应物料充分混合理想全混流反应器是一种反应物连续加入，反应物料充分混合的反应器它的特点是反应器内浓度均匀，出口浓度与反应器内浓度相同理想推流反应器（）PFR浓度梯度1反应物浓度沿反应器长度方向逐渐降低推流状态2反应物料呈推流状态，无返混理想推流反应器是一种反应物连续加入，反应物料呈推流状态的反应器它的特点是反应物浓度沿反应器长度方向逐渐降低，反应物料呈推流状态，无返混反应器设计的基本原则安全性经济性效率性反应器设计的基本原则是安全性、经济性和效率性安全性是指反应器在运行过程中必须保证人员和设备的安全；经济性是指反应器的投资和运行成本必须尽可能低；效率性是指反应器的生产效率必须尽可能高反应器选择的考量因素反应动力学经济性安全性反应速率、反应级数等投资成本、运行成本等操作风险、环境影响等反应器选择的考量因素包括反应动力学、经济性和安全性反应动力学是指反应速率、反应级数等；经济性是指投资成本、运行成本等；安全性是指操作风险、环境影响等反应器操作的优化压力控制流量控制温度控制优化反应压力，提高反应速率和平衡转化优化反应物流量，提高反应器生产能力优化反应温度，提高反应速率和选择性率反应器操作的优化包括温度控制、压力控制和流量控制通过优化反应温度、压力和流量，可以提高反应速率和选择性，提高反应器生产能力间歇反应器的设计与分析物料衡算1计算反应物和产物的浓度随时间的变化能量衡算2计算反应器内温度随时间的变化间歇反应器的设计与分析包括物料衡算和能量衡算物料衡算用于计算反应物和产物的浓度随时间的变化，能量衡算用于计算反应器内温度随时间的变化全混流反应器的设计与分析体积计算根据反应速率和转化率计算反应器所需体积停留时间计算反应物在反应器内的平均停留时间全混流反应器的设计与分析包括体积计算和停留时间计算体积计算用于根据反应速率和转化率计算反应器所需体积，停留时间计算用于计算反应物在反应器内的平均停留时间推流反应器的设计与分析积分方程转化率求解反应器体积所需的积分方程计算反应器出口的反应物转化率推流反应器的设计与分析包括积分方程求解和转化率计算积分方程求解用于计算反应器体积，转化率计算用于计算反应器出口的反应物转化率第三章非理想反应器分散模型2考虑轴向分散的反应器模型停留时间分布1，描述反应物在反应器内的停留时RTD间分布槽式模型将反应器视为多个全混流反应器的串联3非理想反应器是指实际反应器中存在的非理想流动现象，如返混、短路等常用的非理想反应器模型有停留时间分布模型、分散模型和槽式模型非理想流动的成因与类型返混1部分反应物料逆向流动短路2部分反应物料未经充分反应即流出反应器非理想流动的成因包括反应器结构、进料方式、搅拌强度等常见的非理想流动类型有返混和短路返混是指部分反应物料逆向流动，短路是指部分反应物料未经充分反应即流出反应器停留时间分布（）理论RTDEt1出口浓度随时间的变化曲线Ft2累计分布函数，描述反应物在反应器内的停留时间分布停留时间分布（）理论是一种描述反应物在反应器内的停留时间分布的理论常用的函数有和是出口浓度随时间的变RTD RTDEt FtEt化曲线，是累计分布函数，描述反应物在反应器内的停留时间分布Ft的测量方法RTD常用的RTD测量方法有脉冲示踪法和阶跃示踪法脉冲示踪法适用于各种反应器，阶跃示踪法适用于连续反应器利用分析反应器性能RTD平均停留时间方差反映反应物在反应器内的平均停留时间反映反应物在反应器内的停留时间分散程度利用可以分析反应器的平均停留时间和方差，从而评价反应器的性能平均停留时间反映反应物在反应器内的平均停留时间，方差反映反RTD应物在反应器内的停留时间分散程度分散模型与槽式模型分散模型考虑轴向分散的反应器模型，适用于描述返混程度较小的反应器槽式模型将反应器视为多个全混流反应器的串联，适用于描述返混程度较大的反应器分散模型是一种考虑轴向分散的反应器模型，适用于描述返混程度较小的反应器槽式模型是一种将反应器视为多个全混流反应器的串联的模型，适用于描述返混程度较大的反应器非理想反应器的设计与模拟模型选择参数估计12根据反应器特性选择合适的模根据实验数据估计模型参数型模拟计算3利用模型计算反应器性能非理想反应器的设计与模拟包括模型选择、参数估计和模拟计算根据反应器特性选择合适的模型，根据实验数据估计模型参数，利用模型计算反应器性能第四章多相反应工程气固相反应液固相反应反应物为气相和固相反应物为液相和固相气液相反应反应物为气相和液相多相反应是指反应物处于不同相态的反应，常见的有气固相反应、液固相反应和气液相反应多相反应广泛应用于化工生产中多相反应的特点与分类传质过程速率控制反应物需要从一个相转移到另一个相反应速率可能受传质速率控制多相反应的特点是存在传质过程，反应物需要从一个相转移到另一个相才能发生反应反应速率可能受传质速率控制，也可能受化学反应速率控制气固相反应表面反应2吸附的反应物在催化剂表面发生反应吸附1气相反应物吸附到固体催化剂表面脱附产物从催化剂表面脱附3气固相反应是指反应物为气相和固相的反应，如催化反应气固相反应通常包括吸附、表面反应和脱附三个步骤液固相反应传质1液相反应物向固体催化剂表面传质反应2反应物在催化剂表面发生反应液固相反应是指反应物为液相和固相的反应，如固体酸催化反应液固相反应通常包括传质和反应两个步骤气液相反应溶解1气相反应物溶解到液相反应2反应物在液相中发生反应气液相反应是指反应物为气相和液相的反应，如吸收反应气液相反应通常包括溶解和反应两个步骤多相反应的传质过程多相反应的传质过程是指反应物从一个相转移到另一个相的过程，包括膜扩散和孔扩散等步骤传质速率受传质系数影响多相反应的速率控制步骤传质控制反应控制传质速率远小于化学反应速率化学反应速率远小于传质速率多相反应的速率控制步骤可能是传质控制，也可能是反应控制传质控制是指传质速率远小于化学反应速率，反应控制是指化学反应速率远小于传质速率多相反应器的设计与分析传质模型1考虑传质过程的反应器模型反应模型2考虑化学反应过程的反应器模型多相反应器的设计与分析需要考虑传质过程和化学反应过程常用的多相反应器模型有传质模型和反应模型第五章催化反应工程多相催化催化剂与反应物处于不同相态均相催化催化剂与反应物处于同一相态催化反应工程是指利用催化剂提高反应速率的工程，包括多相催化和均相催化催化剂的选择和反应器的设计是催化反应工程的关键催化剂的种类与特性金属催化剂氧化物催化剂分子筛催化剂具有高活性和选择性具有良好的稳定性具有择形催化作用常用的催化剂有金属催化剂、氧化物催化剂和分子筛催化剂金属催化剂具有高活性和选择性，氧化物催化剂具有良好的稳定性，分子筛催化剂具有择形催化作用催化剂的活性、选择性和稳定性选择性2催化剂选择性地催化目标产物生成的能力活性1催化剂加快反应速率的能力稳定性催化剂在反应条件下保持活性的能力3催化剂的活性、选择性和稳定性是评价催化剂性能的重要指标活性是指催化剂加快反应速率的能力，选择性是指催化剂选择性地催化目标产物生成的能力，稳定性是指催化剂在反应条件下保持活性的能力催化反应的机理吸附1反应物吸附到催化剂表面表面反应2吸附的反应物在催化剂表面发生反应脱附3产物从催化剂表面脱附催化反应的机理通常包括吸附、表面反应和脱附三个步骤反应物吸附到催化剂表面，吸附的反应物在催化剂表面发生反应，产物从催化剂表面脱附催化反应的动力学模型Langmuir-Hinshelwood1考虑吸附平衡的动力学模型Eley-Rideal2不考虑吸附平衡的动力学模型常用的催化反应动力学模型有模型和模型模型考虑吸附平衡，模型Langmuir-Hinshelwood Eley-Rideal Langmuir-Hinshelwood Eley-Rideal不考虑吸附平衡催化反应器的设计与分析常用的催化反应器有固定床反应器和流化床反应器固定床反应器适用于气固相反应，流化床反应器适用于大规模气固相反应第六章反应工程的工业应用石油化工精细化工环境工程裂解、重整、烷基化等药物合成、染料合成等废水处理、废气处理等反应工程广泛应用于石油化工、精细化工、环境工程等领域在石油化工中，反应工程用于裂解、重整、烷基化等过程；在精细化工中，反应工程用于药物合成、染料合成等过程；在环境工程中，反应工程用于废水处理、废气处理等过程石油化工中的反应工程应用裂解烷基化将重质油裂解为轻质油和烯烃生成高辛烷值汽油组分重整提高汽油辛烷值在石油化工中，反应工程应用于裂解、重整、烷基化等过程裂解是将重质油裂解为轻质油和烯烃，重整是提高汽油辛烷值，烷基化是生成高辛烷值汽油组分精细化工中的反应工程应用药物合成染料合成12合成各种药物合成各种染料香料合成3合成各种香料在精细化工中，反应工程应用于药物合成、染料合成、香料合成等过程精细化工产品种类繁多，生产工艺复杂，对反应工程的要求较高环境工程中的反应工程应用废水处理废气处理去除废水中的污染物去除废气中的污染物固体废物处理将固体废物转化为有用物质在环境工程中，反应工程应用于废水处理、废气处理、固体废物处理等过程环境工程的目标是保护环境，实现可持续发展，对反应工程的要求也越来越高反应工程在新能源开发中的应用生物质转化将生物质转化为燃料和化学品太阳能转化将太阳能转化为电能或化学能氢能生产利用化学反应生产氢气在新能源开发中，反应工程应用于生物质转化、太阳能转化、氢能生产等过程新能源开发是解决能源危机和环境问题的重要途径，对反应工程提出了新的挑战和机遇反应工程在生物工程中的应用细胞培养2培养细胞生产目标产物酶催化反应1利用酶作为催化剂进行反应生物反应器设计设计适合生物反应的反应器3在生物工程中，反应工程应用于酶催化反应、细胞培养、生物反应器设计等过程生物工程具有绿色、高效等优点，对反应工程提出了新的要求反应工程的最新进展微反应器技术过程强化技术具有高传质传热效率提高反应效率，降低能耗反应工程的最新进展包括微反应器技术和过程强化技术微反应器技术具有高传质传热效率，过程强化技术可以提高反应效率，降低能耗第七章反应器安全与风险评估安全操作规程规范反应器的操作步骤，防止事故发生风险评估方法识别反应器运行过程中存在的风险，并进行评估反应器安全与风险评估是反应工程的重要组成部分安全操作规程用于规范反应器的操作步骤，防止事故发生；风险评估方法用于识别反应器运行过程中存在的风险，并进行评估反应器安全操作规程操作前检查操作中监控12检查反应器设备是否完好监控反应器运行参数，防止异常情况发生操作后处理3清理反应器，做好维护保养反应器安全操作规程包括操作前检查、操作中监控和操作后处理操作前检查用于检查反应器设备是否完好，操作中监控用于监控反应器运行参数，防止异常情况发生，操作后处理用于清理反应器，做好维护保养反应器风险评估方法HAZOP FMEA危险与可操作性分析失效模式与影响分析ETA事件树分析常用的反应器风险评估方法有、和是危险与可操作性HAZOP FMEA ETA HAZOP分析，是失效模式与影响分析，是事件树分析FMEAETA事故案例分析与预防措施案例分析分析事故原因，总结经验教训预防措施制定预防措施，防止类似事故再次发生通过事故案例分析，总结经验教训，制定预防措施，防止类似事故再次发生安全第一，预防为主课程总结与复习难点解答2解答同学们提出的问题重点回顾1回顾本课程的重点内容知识梳理梳理本课程的知识体系3本课程总结与复习将回顾本课程的重点内容，解答同学们提出的问题，梳理本课程的知识体系，帮助同学们更好地掌握本课程的内容考试形式与评分标准期末考试1占总成绩的70%平时成绩2占总成绩的30%本课程的考试形式为期末考试和平时成绩，期末考试占总成绩的，平时成绩占总成绩的平时成绩包括课堂参与、作业完成情况等70%30%答疑与讨论欢迎同学们积极提问，共同讨论，加深对本课程内容的理解感谢大家的参与！。