化工反应工程学课件（上）

化工反应工程学导论欢迎来到化工反应工程学课程！本课程旨在深入探讨化学反应工程学的核心概念、原理和应用我们将一同探索反应速率、反应机理、反应器设计等关键领域，并学习如何将这些知识应用于实际的化工生产过程中课程介绍课程概述教学方法12本课程全面介绍化工反应工程本课程采用理论讲授、案例分学的基本原理和方法，包括反析、实验操作相结合的教学方应动力学、反应器设计、反应法，注重培养学生的实践能力过程优化等通过本课程的学和创新思维我们将深入研究习，学生将掌握化学反应工程实际案例，理论与实践结合的基本理论，具备解决实际化工生产中反应工程问题的能力考核方式3课程考核包括平时成绩、期中考试和期末考试平时成绩包括课堂参与、作业完成情况和实验报告期中考试和期末考试主要考察学生对基本概念、原理和方法的掌握程度课程目标掌握基本概念掌握设计方法解决实际问题理解反应速率、反应机掌握间歇式、连续搅拌能够运用所学知识解决理、反应器类型等基本釜式和活塞流反应器的化工生产中遇到的反应概念，为后续学习打下设计方法，能够根据不工程问题，例如反应器坚实的基础同的反应特点选择合适优化、反应条件选择的反应器类型等课程内容概述反应动力学1介绍反应速率、反应机理、反应级数、反应速率方程等基本概念和理论反应器设计2介绍间歇式反应器、连续搅拌釜式反应器和活塞流反应器的设计方法多重反应3介绍平行反应、串联反应和独立反应的选择性和收率非理想流动4介绍停留时间分布（RTD）的概念和测量方法，以及RTD模型的应用化学反应工程的重要性优化反应过程降低生产成本保护环境化学反应工程能够帮助我们理解和优化通过优化反应过程，可以降低生产成化学反应工程在环境保护方面也发挥着化学反应过程，提高反应效率和产品质本例如，通过选择合适的催化剂，可重要作用通过对反应过程的优化，可量通过对反应速率、反应机理、反应以降低反应温度和压力，从而降低能源以减少有害物质的排放例如，通过选器设计等方面的研究，我们可以找到最消耗通过优化反应器设计，可以减少择合适的催化剂，可以将有害物质转化佳的反应条件和反应器类型，从而提高原料浪费，提高产品收率，从而降低生为无害物质，从而保护环境生产效率产成本反应速率反应速率的定义反应速率的表示方法反应速率是指单位时间内反应物反应速率可以用反应物浓度随时浓度或产物浓度的变化量反应间的变化来表示，也可以用产物速率是描述化学反应进行快慢的浓度随时间的变化来表示对于物理量，其大小受多种因素的影同一个反应，用不同的物质表示响的反应速率可能不同，但它们的绝对值是相等的影响反应速率的因素影响反应速率的因素包括温度、浓度、催化剂、反应物表面积等这些因素通过影响反应物分子的活化能、碰撞频率等来影响反应速率反应速率的定义反应速率定义为反应物浓度随时间的变化率对于反应aA+bB→cC+dD，反应速率可以表示为v=-1/a d[A]/dt=-1/b d[B]/dt=1/c d[C]/dt=1/d d[D]/dt其中，[A]、[B]、[C]、[D]分别代表反应物A、B和产物C、D的浓度，t代表时间，a、b、c、d为反应计量系数负号表示反应物浓度随时间减少，正号表示产物浓度随时间增加影响反应速率的因素温度温度升高，反应速率通常加快这是因为温度升高增加了反应物分子的平均动能，使得更多的分子能够克服活化能，发生有效碰撞浓度浓度增大，反应速率通常加快这是因为浓度增大增加了反应物分子之间的碰撞频率，从而提高了反应速率催化剂催化剂能够降低反应的活化能，从而加快反应速率催化剂本身在反应过程中不消耗，但它能够改变反应的途径，使得反应更容易进行反应物表面积对于多相反应，反应物表面积越大，反应速率越快这是因为表面积越大，反应物分子之间的接触面积越大，碰撞频率越高温度对反应速率的影响温度对反应速率的影响可以用阿伦尼乌斯方程来描述k=A exp-Ea/RT其中，k为反应速率常数，A为指前因子，Ea为活化能，R为气体常数，T为绝对温度从阿伦尼乌斯方程可以看出，温度越高，反应速率常数越大，反应速率越快活化能越低，温度对反应速率的影响越小浓度对反应速率的影响浓度对反应速率的影响可以用反应速率方程来描述反应速率方程的一般形式为v=k[A]^m[B]^n其中，v为反应速率，k为反应速率常数，[A]、[B]为反应物A、B的浓度，m、n为反应物A、B的反应级数从反应速率方程可以看出，浓度越高，反应速率越快反应级数越大，浓度对反应速率的影响越大催化剂对反应速率的影响催化剂的作用机理催化剂的类型催化剂的选择性催化剂通过改变反应的途径，降低反应催化剂分为均相催化剂和多相催化剂催化剂的选择性是指催化剂能够选择性的活化能，从而加快反应速率催化剂均相催化剂与反应物处于同一相，多相地催化某一特定的反应，而抑制其他反本身在反应过程中不消耗，但它能够参催化剂与反应物处于不同的相常见的应催化剂的选择性取决于催化剂的结与反应，形成中间产物，最终又从中间催化剂包括金属、金属氧化物、酸碱构和性质，以及反应物的性质产物中释放出来，恢复原状等反应机理反应机理的定义反应机理的重要性反应机理是指化学反应的详细步了解反应机理有助于我们理解反骤和中间产物反应机理描述了应的本质，优化反应条件，选择反应物如何转化为产物，以及反合适的催化剂，以及设计新的反应过程中发生的各种化学键的断应过程反应机理的研究对于化裂和形成学反应工程的发展具有重要意义反应机理的确定方法反应机理的确定需要通过实验和理论计算相结合的方法实验方法包括动力学研究、同位素示踪、光谱分析等理论计算方法包括量子化学计算、分子动力学模拟等简单反应机理简单反应是指一步完成的反应，也称为元反应简单反应的反应速率方程可以直接由反应计量系数确定例如，对于简单反应A+B→C，反应速率方程为v=k[A][B]简单反应的反应机理比较容易确定，通常可以通过实验直接观察到反应物和产物的变化复杂反应机理复杂反应的特点速控步骤中间产物复杂反应是指由多个步骤组成的反应，在复杂反应中，有一个步骤的速率最在复杂反应中，有一些物质在反应过程也称为非元反应复杂反应的反应速率慢，称为速控步骤速控步骤决定了整中生成，但最终又被消耗掉，这些物质方程不能直接由反应计量系数确定，需个反应的速率因此，要加快复杂反应称为中间产物中间产物对于反应机理要通过实验和理论计算相结合的方法来的速率，关键是加快速控步骤的速率的研究具有重要意义确定反应级数反应级数的定义反应级数的确定方法反应级数的意义反应级数是指反应速率方程中各反应物浓反应级数可以通过实验方法确定，例如积反应级数对于反应器设计、反应过程优化度项的指数之和反应级数反映了浓度对分法、微分法、初始速率法等反应级数等具有重要意义了解反应级数有助于我反应速率的影响程度也可以通过理论计算方法确定，例如量子们选择合适的反应条件，提高反应效率化学计算、分子动力学模拟等零级反应零级反应的反应速率与反应物浓度无关零级反应的反应速率方程为v=k零级反应的特点是反应速率恒定，不受反应物浓度变化的影响典型的零级反应包括某些光化学反应、催化剂表面反应等一级反应一级反应的定义一级反应的特点典型的一级反应一级反应的反应速率与反应物浓度成正一级反应的特点是反应速率随反应物浓典型的一级反应包括放射性衰变、某些比一级反应的反应速率方程为度的降低而减慢一级反应的半衰期与化学分解反应等初始浓度无关v=k[A]二级反应二级反应的定义二级反应的类型二级反应的反应速率与两个反应v=k[A][B]或v=k[A]^2物浓度的乘积成正比，或者与一个反应物浓度的平方成正比二级反应的反应速率方程为二级反应的特点二级反应的特点是反应速率随反应物浓度的降低而减慢二级反应的半衰期与初始浓度有关反应速率方程反应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反应速率方程的一般形式为v=k[A]^m[B]^n其中，v为反应速率，k为反应速率常数，[A]、[B]为反应物A、B的浓度，m、n为反应物A、B的反应级数反应速率常数反应速率常数的定义反应速率常数的单位反应速率常数的意义反应速率常数是反应速率方程中的比例反应速率常数的单位取决于反应级数反应速率常数对于反应器设计、反应过常数，它反映了反应的快慢程度反应对于零级反应，反应速率常数的单位为程优化等具有重要意义了解反应速率速率常数越大，反应速率越快反应速mol/L·s；对于一级反应，反应速率常常数有助于我们选择合适的反应条件，率常数与温度有关，符合阿伦尼乌斯方数的单位为1/s；对于二级反应，反应速提高反应效率程率常数的单位为L/mol·s积分法求反应速率方程积分法是一种通过对反应速率方程进行积分，得到反应物浓度与时间之间关系的实验方法通过将实验数据与积分方程进行比较，可以确定反应级数和反应速率常数积分法适用于简单反应微分法求反应速率方程微分法的原理微分法的优点微分法是一种通过测量不同时间微分法的优点是不需要对反应速点的反应速率，然后对反应速率率方程进行积分，可以直接得到与反应物浓度进行拟合，得到反反应速率方程微分法的缺点是应速率方程的实验方法微分法需要测量多个时间点的反应速适用于复杂反应率，实验操作比较复杂微分法的应用微分法广泛应用于复杂反应的反应机理研究和反应速率方程确定半衰期半衰期的定义半衰期是指反应物浓度降低到初始浓度一半所需的时间半衰期是描述反应速率快慢的重要参数不同级数反应的半衰期不同级数反应的半衰期与初始浓度的关系不同对于一级反应，半衰期与初始浓度无关；对于二级反应，半衰期与初始浓度成反比；对于零级反应，半衰期与初始浓度成正比半衰期的应用半衰期广泛应用于放射性衰变、药物代谢等领域了解半衰期有助于我们预测反应的进程，选择合适的反应时间反应器的分类间歇式反应器连续搅拌釜式反应器（CSTR）活塞流反应器（PFR）间歇式反应器是指反应物一次性加入反连续搅拌釜式反应器是指反应物连续加活塞流反应器是指反应物连续加入反应应器，反应一段时间后，将产物一次性入反应器，产物连续取出，反应器内物器，在反应器内沿轴向流动，无轴向混取出间歇式反应器的特点是操作简料充分混合CSTR的特点是反应器内物合PFR的特点是反应器内物料浓度沿轴单，适用于小批量生产料浓度均匀，适用于液相反应向变化，适用于气相反应间歇式反应器间歇式反应器的特点间歇式反应器的设计间歇式反应器的应用间歇式反应器的特点是操作简单，适间歇式反应器的设计主要包括反应器间歇式反应器广泛应用于精细化工、用于小批量生产间歇式反应器的反体积的确定、反应时间的确定、搅拌医药化工等领域应时间较长，生产效率较低器的选择等间歇式反应器的设计需要考虑反应速率、反应热、物料性质等因素连续搅拌釜式反应器（）CSTRCSTR的特点CSTR的设计CSTR的应用CSTR的特点是反应器内物料浓度均匀，CSTR的设计主要包括反应器体积的确CSTR广泛应用于石油化工、高分子化工适用于液相反应CSTR的反应时间较定、进料速率的确定、搅拌器的选择等领域短，生产效率较高等CSTR的设计需要考虑反应速率、反应热、物料性质等因素活塞流反应器（）PFRPFR的特点PFR的设计PFR的特点是反应器内物料浓度PFR的设计主要包括反应器体积沿轴向变化，适用于气相反应的确定、进料速率的确定、反应PFR的反应时间较短，生产效率器直径的确定等PFR的设计需较高要考虑反应速率、反应热、物料性质等因素PFR的应用PFR广泛应用于石油化工、煤化工等领域反应器选择的原则反应类型对于液相反应，CSTR是常用的选择；对于气相反应，PFR是常用的选择；对于固相反应，间歇式反应器或CSTR是常用的选择反应速率对于反应速率较快的反应，PFR或CSTR是常用的选择；对于反应速率较慢的反应，间歇式反应器是常用的选择生产规模对于小批量生产，间歇式反应器是常用的选择；对于大规模生产，PFR或CSTR是常用的选择物料性质对于易挥发、易燃、易爆的物料，需要选择安全性较高的反应器均相反应器设计均相反应器是指反应物和产物都处于同一相的反应器均相反应器设计需要考虑反应速率、反应热、物料性质等因素均相反应器设计的目标是实现高转化率、高选择性和低成本间歇式反应器设计方程基本方程设计步骤设计考虑间歇式反应器设计方程的基本形式为间歇式反应器设计的主要步骤包括确间歇式反应器设计需要考虑反应速率、定反应速率方程、确定反应器体积、确反应热、物料性质等因素dV/dt=r定反应时间、选择搅拌器、确定传热面积等其中，V为反应器体积，t为反应时间，r为反应速率设计方程CSTRCSTR设计方程CSTR设计方程CSTR设计方程的基本形式为V=F0X/-rCSTR设计方程其中，V为反应器体积，F0为进料速率，X为转化率，r为反应速率设计方程PFRPFR设计方程PFR设计方程PFR设计方程PFR设计方程的基本形式为V=∫F0dX/-r其中，V为反应器体积，F0为进料速率，X为转化率，r为反应速率空时空时是指反应器体积与进料体积流量之比，它表示反应物在反应器内的平均停留时间空时是反应器设计的重要参数空时越小，反应器体积越小，但转化率也越低；空时越大，反应器体积越大，但转化率也越高转化率转化率的定义转化率的计算转化率的表示转化率是指反应物转变为产物的比例转化率可以用反应物浓度或产物浓度来X=反应物初始浓度-反应物最终浓度/转化率是衡量反应进行程度的重要指计算转化率的计算公式为反应物初始浓度标体积变化对反应速率的影响体积变化的影响体积变化的处理对于气相反应，如果反应过程中在反应器设计中，需要考虑体积气体的摩尔数发生变化，则反应变化对反应速率的影响可以通器内的体积也会发生变化体积过引入体积变化因子来修正反应变化会影响反应物的浓度，从而速率方程影响反应速率体积变化方程体积变化因子定义为反应后体积与反应前体积之比体积变化因子可以用反应物的转化率和反应计量系数来表示多重反应多重反应的定义多重反应是指同时发生多个反应的体系多重反应包括平行反应、串联反应和独立反应多重反应的特点多重反应的特点是反应路径复杂，产物种类多，反应速率方程复杂多重反应的设计多重反应的设计需要考虑选择性和收率，以获得目标产物平行反应平行反应的定义平行反应的特点选择性平行反应是指同一个反应物同时发生多平行反应的特点是反应物消耗速率相平行反应的选择性是指目标产物的生成个反应，生成不同的产物平行反应也同，但产物生成速率不同速率与所有产物的生成速率之比选择称为竞争反应性是平行反应设计的重要指标串联反应串联反应的定义串联反应的特点串联反应是指一个反应的产物作串联反应的特点是反应物先转化为另一个反应的反应物，连续发为中间产物，然后中间产物再转生多个反应串联反应也称为连化为最终产物续反应收率串联反应的收率是指目标产物的生成量与初始反应物的消耗量之比收率是串联反应设计的重要指标独立反应独立反应的定义独立反应是指多个反应同时发生，但彼此之间没有直接的化学关系独立反应之间没有共同的反应物或产物独立反应的特点独立反应的特点是每个反应都可以独立进行，互不干扰独立反应的设计独立反应的设计可以分别对每个反应进行设计，然后将各个反应器组合在一起多重反应的选择性选择性的定义影响选择性的因素提高选择性的方法选择性是指在多重反应中，目标产物的影响选择性的因素包括反应速率、反应提高选择性的方法包括优化反应条件、生成速率与所有产物的生成速率之比温度、反应物浓度、催化剂等选择合适的催化剂、控制反应物浓度选择性是衡量反应器性能的重要指标等收率收率的定义影响收率的因素收率是指目标产物的生成量与理影响收率的因素包括反应速率、论产量的比值收率是衡量反应反应温度、反应时间、反应物浓器性能的重要指标度、副反应等提高收率的方法提高收率的方法包括优化反应条件、抑制副反应、提高反应速率等能量守恒能量守恒定律能量守恒在反应器设计中的应用能量守恒与反应热能量守恒定律是指能量既不会凭空产生，也能量守恒在反应器设计中主要应用于反应热反应热是指化学反应过程中吸收或放出的热不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另的计算和反应器热平衡的分析通过能量守量放热反应释放热量，吸热反应吸收热一种形式，或者从一个物体转移到另一个物恒分析，可以确定反应器需要的加热或冷却量反应热的大小取决于反应物和产物的焓体，在转化或转移的过程中，能量的总量保量，以及反应器的稳定性变持不变反应热反应热的定义反应热的计算反应热的应用反应热是指化学反应过程中吸收或放出反应热可以用标准生成焓来计算反应反应热广泛应用于反应器设计、反应过的热量放热反应释放热量，反应热为热等于产物的标准生成焓之和减去反应程优化等领域了解反应热有助于我们负值；吸热反应吸收热量，反应热为正物的标准生成焓之和选择合适的反应条件，控制反应温度值绝热反应温度绝热反应的定义绝热反应温度的计算绝热反应是指反应过程中没有热绝热反应温度可以用能量守恒定量与外界交换的反应绝热反应律来计算绝热反应温度等于反的特点是反应器内的温度会随着应物初始温度加上反应热与反应反应的进行而发生变化物和产物的热容之比绝热反应温度的应用绝热反应温度广泛应用于燃烧、爆炸等领域了解绝热反应温度有助于我们预测反应的最高温度，防止事故发生非绝热反应非绝热反应的定义非绝热反应是指反应过程中有热量与外界交换的反应非绝热反应的特点是反应器内的温度可以通过控制与外界的热量交换来保持恒定或在一定范围内变化非绝热反应的分类非绝热反应分为等温反应和非等温反应等温反应是指反应过程中反应器内的温度保持恒定的反应；非等温反应是指反应过程中反应器内的温度发生变化的反应非绝热反应的设计非绝热反应的设计需要考虑反应热的移除或加入，以及反应器温度的控制反应器的热效应热效应的定义热效应的控制热失控热效应是指化学反应过程中吸收或放出热效应的控制是反应器设计的重要内如果反应器内的热量积累过多，导致温的热量对反应器温度的影响放热反应容可以通过控制反应物浓度、进料温度急剧升高，可能会引发热失控，造成会使反应器温度升高，吸热反应会使反度、冷却或加热介质等方法来控制反应安全事故因此，需要采取有效的措施应器温度降低器的温度来防止热失控的发生反应器的稳定性稳定性的定义影响稳定性的因素反应器的稳定性是指反应器在受影响稳定性的因素包括反应速到外界扰动后，能够自动恢复到率、反应热、反应器类型、控制原状态的能力反应器的稳定性系统等是反应器安全运行的重要保证稳定性的分析稳定性的分析可以通过线性稳定性分析、非线性稳定性分析等方法进行多重稳态多重稳态的定义多重稳态是指在相同的反应条件下，反应器可以存在多个不同的稳定状态多重稳态的存在会使反应器的控制变得复杂多重稳态的产生多重稳态的产生通常是由于反应速率对温度的非线性依赖关系造成的放热反应更容易产生多重稳态多重稳态的控制多重稳态的控制可以通过改变反应条件、优化控制系统等方法进行反应器控制控制目标控制变量控制方法反应器控制的目标是使反应器在最佳状常用的控制变量包括反应物浓度、进料常用的控制方法包括PID控制、模型预测态下运行，实现高转化率、高选择性和速率、反应器温度、压力等控制、专家控制等低成本反应器控制还需要保证反应器的安全稳定运行非理想流动理想流动非理想流动的特点理想流动是指在反应器内，物料非理想流动的特点是反应器内物的流动符合理想模型，例如完全料的浓度分布不均匀，停留时间混合或活塞流实际反应器中，分布不一致，导致反应器的转化由于各种因素的影响，物料的流率和选择性下降动往往偏离理想模型，称为非理想流动非理想流动的研究非理想流动的研究对于反应器的设计和优化具有重要意义可以通过停留时间分布（RTD）来描述非理想流动停留时间分布（）RTDRTD的定义RTD的测量RTD的应用停留时间分布（RTD）是指在反应器内，RTD可以通过脉冲示踪法、阶跃示踪法等RTD可以用于评价反应器的流动特性，诊物料的停留时间分布的概率密度函数实验方法测量示踪剂的选择需要考虑其断反应器存在的问题，以及建立非理想流RTD能够描述反应器内物料的流动特性化学性质和物理性质，以及对反应的影动模型响的测量方法RTD脉冲示踪法阶跃示踪法示踪剂的选择脉冲示踪法是指在反应器入口加入一个阶跃示踪法是指在反应器入口加入一个示踪剂的选择需要考虑其化学性质和物脉冲信号的示踪剂，然后测量反应器出阶跃信号的示踪剂，然后测量反应器出理性质，以及对反应的影响示踪剂应口的示踪剂浓度随时间的变化脉冲示口的示踪剂浓度随时间的变化阶跃示该易于检测，且不影响反应踪法适用于各种类型的反应器踪法适用于CSTR模型的应用RTDRTD模型的类型分散模型常用的RTD模型包括分散模型、分散模型是一种将非理想流动看槽串模型等这些模型能够描述作是理想活塞流叠加轴向分散的非理想流动对反应器性能的影模型分散模型的参数包括分散响系数和平均停留时间槽串模型槽串模型是一种将非理想流动看作是由多个CSTR串联而成的模型槽串模型的参数包括CSTR的个数和每个CSTR的体积分散模型分散模型的特点分散模型能够较好地描述轴向分散对反应器性能的影响分散模型的参数可以通过RTD实验数据拟合得到分散模型的应用分散模型广泛应用于管道反应器、填充床反应器等反应器的设计和优化分散模型的局限性分散模型不能描述径向混合不均匀的情况，也不适用于复杂流动的情况槽串模型槽串模型的特点槽串模型的应用槽串模型的局限性槽串模型能够较好地描述旁路、短路等槽串模型广泛应用于搅拌釜反应器、流槽串模型不能描述轴向分散的情况，也现象对反应器性能的影响槽串模型的化床反应器等反应器的设计和优化不适用于复杂流动的情况参数可以通过RTD实验数据拟合得到催化反应催化反应的定义催化反应的特点催化反应是指在催化剂的作用下催化反应的特点是反应速率快，进行的化学反应催化剂能够降选择性高，反应条件温和低反应的活化能，从而加快反应速率催化反应的应用催化反应广泛应用于石油化工、精细化工、环境保护等领域催化剂的类型均相催化剂均相催化剂是指与反应物处于同一相的催化剂均相催化剂的特点是活性高，选择性好，但分离困难，易腐蚀设备多相催化剂多相催化剂是指与反应物处于不同相的催化剂多相催化剂的特点是易于分离，不易腐蚀设备，但活性较低，选择性较差生物催化剂生物催化剂是指酶或微生物生物催化剂的特点是反应条件温和，选择性高，但活性较低，易失活催化剂的活性活性的定义影响活性的因素活性位催化剂的活性是指催化剂催化反应的能影响活性的因素包括催化剂的组成、结催化剂的活性位是指催化剂表面能够吸力活性越高，催化剂催化反应的速率构、表面积、孔径、酸碱性等附反应物分子并进行反应的特殊位置越快活性位的数量和性质决定了催化剂的活性催化剂的选择性选择性的定义影响选择性的因素催化剂的选择性是指催化剂选择影响选择性的因素包括催化剂的性地催化某一特定反应的能力组成、结构、表面酸碱性、孔道选择性越高，催化剂催化目标产结构、反应物浓度、反应温度物的能力越强等提高选择性的方法提高选择性的方法包括改变催化剂的组成、结构、表面酸碱性、孔道结构，以及优化反应条件等催化剂的失活失活的定义失活的原因防止失活的方法催化剂的失活是指催化剂的活性和选择失活的原因包括中毒、烧结、积炭、机防止失活的方法包括选择抗中毒性强的性随着时间的推移而降低的现象失活械磨损等催化剂、控制反应温度、定期再生催化会降低反应器的性能，增加生产成本剂等。