化学反应工程教案.doc
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课程教案
课程名称：
化学反应工程
任课教师：
所属院部：
教学班级：
化工1203-04
教学时间：
2014—2015学年第2学期
课程基本信息
课程
名称
化学反应工程
课程代码
I0101734
总计：
48学时
讲课：
48学时
实验：
学时上机：
学时
课程设计：
周
学分
3
类别
必修课（√）选修课（）理论课（√）实验课（）
任课
教师
职称
授课
对象
专业班级：
化工1203-04共2个班
课
程
简
介
（不超过1000字）
（1）课程性质、地位
本课程以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，以达到反应器的开发、设计和放大及优化操作之目的。
（2）课程目标、主要内容
通过本课程的学习，使学生较牢固地掌握化学反应工程最基本的原理和计算方法，能够理论联系实际，提高对工业反应器进行设计与分析之能力。
为今后解决化工生产过程中和科学研究中遇到的各种化学工程问题打下良好的基础。
本课程教学内容共九部分。
包括绪论和八章，从第一章到第八章主要是关于均相单一反应动力学和理想反应器，复合反应与反应器选型，非理想流动反应器，气固相催化反应本征动力学，气固相催化反应宏观动力学，气固相催化反应固定床反应器，气固相催化反应流化床反应器，气液相反应过程与反应器等内容的学习指导。
基本
教材
和主
要参
考资
料
教材：
郭锴等编，化学反应工程（第二版），化学工业出版社
参考资料：
1、朱炳辰主编，化学反应工程（第四版），化学工业出版社；
2、陈甘棠编，化学反应工程（第三版），化学工业出版社
139
绪论
第一章均相单一反应动力学和理想反应器
1.1基本概念
1.2建立动力学方程的方法
一、本次课主要内容
化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其应用。
二、教学目的与要求
了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法，熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。
三、教学重点难点
1、化学反应工程的研究目的、内容和方法。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置
书后习题第3、6、7题
绪论
一、化工生产中设备的分类
化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。
每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：
1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；
2，化工设备分为两大类
（1）不含化学反应的设备
这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。
在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用
（2）化学反应器
在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质
图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。
物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。
可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。
化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。
“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。
二、《化学反应工程》任务
“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。
1957年如开了第一次欧洲化学反应工程伎议，会议确定了化学反应工程的研究内容和任务。
“化学反应工程是化学工程的一个部分，它是科学的一个分支，它还处在发展阶段。
它的目的在于控制工业规模的化学转化率并最终达到恰当和成功的反应器设计。
有各种因素对反应器设计起着重要作用，如流动现象、质量和热量传递以及反应动力学。
首先必须对这些因素了解，工业规模反应器的开发只能从上述因素间的关系和相互作用中得到了解”。
化学反应工程的任务是研究化学反应器中质量和热量的传递过程、流动状况和反应动力学，最终目的是设计化学反应器。
三、化学反应器的特点
考察CO变换反应：
CO+H2O®CO2+H2
反应在固定床变换炉中进行，变换炉中装有固体催化剂，反应过程如下：
CO、H2O由气相主体到达颗粒外表面；
CO、H2O由颗粒外表面到达颗粒内表面；
CO、H2O在颗粒内表面上起反应；
CO2、H2由颗粒内表面到达颗粒外表面；
CO2、H2由颗粒外表面到达气相主体。
考察脱硫反应：
H2S+NH4OH
反应在吸收塔中进行，反应过程如下：
H2S由气相主体到达气-液相界面；
H2S由气-液相界面进入液相；
H2S和NH4OH在液相中反应生成NH4HS和H2O。
CO和H2O的反应区在催化剂颗粒的内表面上，而脱硫反应的反应区在液相内。
整个反应过程包含传递过程和化学反应过程，相互交织在一起，不可分割。
考察CO和H2O在变换炉中的流动状况。
变换炉直径较大，气体容易发生偏流，在同一截住面上流速分布不均匀，在变换炉中存在“死区”，这些客观存在的工程因素改变了物料的流动状况，其结果之一是同时进入变换炉的CO和H2O在变换炉中的停留时间不同。
考察H2S在吸收塔中的流动状况。
吸收塔内的填料是乱堆的，气体通道的截面积大小不规则，流速不均匀，同样也有“死区”，这些工程因素使同时进入吸收塔的H2S所经历的流动过程不同，其结果之一是在塔内的停留时间不同。
化学反应器的特点
1，包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。
2，客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时间不同。
基于化学反应器的特点，传统的研究方法----经验归纳法已不适用于化学反应过程，化学反应工程的研究方法是数学模拟方法（数学模型方法）。
四、数学模拟方法
1.数学模拟方法
数学模拟方法过程如下，由四部分组成。
真实过程
简化模型
数学模型
模型计算
实验检验
实际应用
修改
（1）将复杂的真实过程合理地抽象简化成简化模型，该简化模型等价于真实过程。
这是数学模拟方法的核心。
例如水在园管中的流动过程可以简化成平推流模型或者扩散模型。
（2）对简化模型进行数学描述，得到简化模型的数学关系式，即数学模型。
（3）采用一定的数学方法求解数学模型，得到数值解或者解析解，代研究用。
（4）通过实验检验数学模型是否正确，修正或者确定简化模型，直到供实际应用。
数学模拟方法原则
（1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型和真实过程的等效程度。
（2）针对真实过程可以按不同程度的要求简化成不同的简化模型，对于某一真实过程可以有不同的简化模型。
（3）简化模型。
数学模型和数学方法是相互联系的，应力求数学方法简单，便于数学模型的实际应用。
（4）数学模拟方法的基础：
1）积累实践经验或者实验数据，
2）学习掌握基础数学模型。
基础数学模型
（1）化学动力学模型：
排除传递过程因素后描述化学反应速率、物料温度和浓度的数学关系。
传统上是物理化学的研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工程侧重于表达三者的数学关系，而直接应用。
（2）流动模型：
描述物料在反应器内的流动状况。
理想模型：
平推流，全混流。
非理想模型：
轴向混合模型，多级串联全混流模型，组合模型等。
（3）传递模型：
描述物料间质量、热量和动量传递过程。
例如气液相间的双膜论、溶质渗透论和表面更新论等。
（4）宏观动力学模型：
是化学动力学模型、传递模型以及流动模型的综合，是化学反应工程的重要内容之一。
五、《化学反应工程》的作用
（1）改进和强化现有的反应技术和设备
（2）开发新技术、新设备
（3）指导和解决反应器的放大问题
（4）指导实现反应过程的最优化操作
六、《化学反应工程》基本内容
第一章均相单一反应动力学和理想反应器
1.1基本概念
1、化学反应式
反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述：
2、化学反应计量式
是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行运算，如将各相移至等号的同一侧。
3、反应程度（反应进度）
ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。
4、转化率
关键组分（keycomponent）：
工业反应过程的原料中各反应组分之间往往不符合化学计量数关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为~。
5、化学转化速率
定义：
单位反应体积内反应程度随时间的变化率。
常用表达：
以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。
6、化学反应动力学方程
定义：
定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式
对于均相反应：
方程多数可以写为幂函数形式；反应速率与反应物浓度的某一方次呈正比。
kc：
以浓度表示的反应速率常数，随反应级数不同有不同的因次；温度的函数，一般工业精度上，符合Arrhenius关系。
m,n：
A，B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。
若m=a并且n=b，此反应可能是基元反应。
对于非基元反应，m，n多数为实验测得的经验值。
7、半衰期
定义：
反应转化率达到50%所需要的时间。
除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。
1.2建立动力学方程的方法
一、动力学方程：
化学反应速率与反应物温度、浓度之间的关系。
而建立一个动力学方程，就是要通过实验数据回归出上述关系。
简单级数反应，在等温条件下，回归可以由简单计算手工进行。
二、建立方法：
积分法、微分法、最小方差分析法
1、积分法
（1）假设：
（-rA）=kf'（cA）；
（2）积分运算：
f（cA）=kt。
（3）代入实验数据：
ti，f（ci）
（4）绘制f（ci）–ti曲线：
过原点的直线，假设正确，斜率即为反应速率常数k。
否则重新假设，再重复上述步骤，直到得到直线。
适用：
简单级数反应
2、微分法
（1）等温下实验，绘制cA-t曲线。
（2）测量各点斜率，得到若干对不同t时刻的反应速率数据。
再将不可逆反应速率方程如线性化，两边取对数得：
（3）作-图。
斜率为反应级数n，截距为lnk，以此求得n和k值。
优点：
可得到非整数的反应级数
缺点：
图上微分，人为误差比较大。
3、最小方差分析法
线性回归：
非线性回归
教学后记：
第一章均相单一反应动力学和理想反应器
1.3化学反应器设计基础
一、本次课主要内容
化学反应器的分类、化学反应器设计的基础方程、等温条件下各理想反应器的动力学反应特征。
二、教学目的与要求
掌握化学反应速率的工程表示，化学计量学的表达。
三、教学重点难点
1、反应速率的工程表示，意义。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置
书后习题第9、11、13题
1.3化学反应器设计基础
一、化学反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容：
F根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进行反应器的选型设计；
F根据宏观反应动力学和反应器，确定操作方式，优化操作；
F反应器的机械设计。
充分考虑到机械设计、设备制造及运输、安装方面的要求和有关制约。
二、意义：
F在机械设计可行的前提下，进行改变结构尺寸和操作温度、流体流动条件对反应器的稳定操作和适应一定幅度的催化剂失活和产量、产品质量和选择率、收率等方面的工艺要求的工程分析，然后确定反应器的设计。
F反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果改进今后同一类型化学反应器的设计；
F开发新型反应器，如由固定床改为三相悬浮床，往往会提高反应效果，但在液相载体选择、结构尺寸设计等方面需要经过一定规模的工业试验，才能投入大规模生产。
三、反应器设计的基本方程
1、反应动力学方程
2、物料衡算方程
体积元：
物料衡算所针对的具体体系。
确定的边界。
物料温度、浓度必须是均匀的。
对关键组分A进行物料衡算。
用符号表示：
对于体积元内的任何物料，进入、排出、反应、积累量的代数和为0。
不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。
3、热量衡算方程
四、几个时间概念
（1）反应持续时间tr
用于间歇反应器。
定义：
指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间。
（2）停留时间t和平均停留时间
又称接触时间，用于连续流动反应器
定义：
指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。
（3）空间时间τ
定义：
反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。
即
人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间。
空间时间不是停留时间
（4）空间速度SV
有空速和标准空速之分。
定义：
单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。
即：
标准空速定义为：
五、理想反应器
在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。
根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。
从本质上讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。
但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。
简单混合：
相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。
返混：
发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。
混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化。
1、间歇反应器（BR）
间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。
特点：
在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。
2、平推流反应器（PFR）
3、理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。
特点：
在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。
物料在管内流速较快的管式反应器。
4、全混流反应器（CSTR/MFR）
连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。
特点：
在这类反应器中物料返混达最大值。
强烈搅拌的连续釜式反应器
5、非理想流反应器
特点：
物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。
偏离程度可通过测定停留时间分布来确定。
教学后记：
第一章均相单一反应动力学和理想反应器
1.4等温条件下理想反应器的设计分析
一、本次课主要内容
等温条件下各理想反应器的设计计算。
二、教学目的与要求
掌握三种理想反应器的设计方程。
三、教学重点难点
1、理想反应器的设计要点。
2、理想反应器的定义。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置
书后习题第16、20题
1.4等温条件下理想反应器的设计分析
一、间歇反应器
反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。
反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。
特点：
1、由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；
2、由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；
3、出料组成与反应器内物料的最终组成相同；
4、为间歇操作，有辅助生产时间。
一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。
间歇反应器设计方程：
反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积V’R作为衡算体系。
在单位时间内，对组分A作物料衡算：
整理得
当进口转化率为0时，分离变量并积分得
为间歇反应器设计计算的通式。
它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率xA所需的反应时间tr。
•在恒容条件下，
•上式可简化为：
•间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。
设计计算过程：
对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品要求xAf及辅助生产时间t’、动力学方程等，均作为给定的条件，设计计算出间歇反应器的体积。
•①由式计算反应时间tr；
•②计算一批料所需时间tt；tt=tr+t’
•t’为辅助生产时间
•③计算每批投放物料总量F’A；F’A=FAtt
•④计算反应器有效容积V’R；
•⑤计算反应器总体积VR。
反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部件占有体积。
通常有效容积占总体积分率为60％～85％，该分率称为反应器装填系数φ，由生产实际决定。
二、理想置换反应器
理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器，英文名称为Plug（Piston）FlowReactor，简称PFR。
1、特性：
①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；
②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；
③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。
实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。
2、理想置换反应器设计方程：
在等温理想置换反应器内，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一个截面不断变化，现取长度为dz、体积为dVR的一微元体系，对关键组份A作物料衡算，如图所示，这时dVR=Stdl，式中St为截面积。
•进入量-排出量-反应量=累积量
•故FA-（FA+dFA）-（-rA）dVR=0
•由于FA=FA0（1-xA）
•微分dFA=-FA0dxA
•所以FA0dxA=（-rA）dVR
•为平推流反应器物料平衡方程的微分式。
对整个反应器而言，应将上式积分。
•上式为平推流反应器的积分设计方程。
•对于恒容过程：
•以上设计方程关联了反应速率、转化率、反应器体积和进料量四个参数，可以根据给定条件从三个已知量求得另一个未知量。
3、变容反应过程
理想置换反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。
用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。
物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的变化。
为了表征由于反应物系体积变化给反应速率带来的影响，引入两个参数，膨胀因子和膨胀率。
膨胀因子：
•反应式：
•计量方程：
•定义膨胀因子：
•即关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数的相反数。
•膨胀因子是由反应式决定的，一旦反应式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它因素一概无关。
膨胀因子的物理意义：
关键组分A消耗1mol时，引起反应物系摩尔数的变化量。
对于恒压的气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变化。
δA>0是摩尔数增加的反应，反应体积增加。
δA<0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。
δA=0是摩尔数不变的反应，反应体积不变。
膨胀率：
•物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。
•定义膨胀率
•即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。
膨胀因子与膨胀率的关系：
•可以推导出
变容过程转化率与浓度的关系：
•恒压变容体系中各组分浓度、摩尔分率及分压可以由以下推导得到。
•对于A组分
例题
4、流体在平推流反应器中的真实停留时间
由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。
恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间τ不同。
如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。
恒容条件下，εA=0，上式还原为：
三、全混流反应器
全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。
流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。
1、特性：
①物料在反应器内充分返混；
②反应器内各处物料参数均一；
③反应器的出口组成与器内物料组成相同；
④连续、稳定流动，是一定态过程。
2、全混流反应器基本设计方程
全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积VR为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。
•整理得到：
•恒容条件下又可以简化为：
教学后记：
第一章均相单一反应动力学和理想反应器
1.5非等温条件下理想反应器的设计
一、本次课主要内容
非等温条件下各理想反应器的设计计算
二、教学目的与要求
掌握非等温条件下，理想反应器的设计方程。
三、教学重点难点
1、非等温条件下理想反应器的设计相比较于等温条件下理想反应器的设计的区别。
四、教学方法和手段
课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置
书后习题第23、24题
1.5非等温条件下理想反应器的设计
在反应过程中，有反应热产生且热量将是变化的，需要随时调节反应器与外界的热量交换，这必须靠热量横算来解决。
一、间歇反应器的热量衡算
体积元：
反应器的有效体积
例1-3某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70℃用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：
cA0=4kmol.m-3
若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：
（1）转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少?
（2）求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?
解：
（1）达到要求的转化率所需反应时间为：
xA=0.5
xA=0.6tr=3.
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