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化学反应工程 北京化工大学 绪论 化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。 对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。 为了这一目标，化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。 工业规模的化学反应较之实验室规模要复杂得多，在实验室规模上影响不大的质量和热量传递因素，在工业规模可能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程，又有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透，有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相径庭。 工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。 从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。 化学反应和反应器的分类 化学反应和反应器的分类方法很多，常按下列四种方法进行分类。 一、按反应系统涉及的相态分类，分为 1． 均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。 2． 非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液—固相反应等。 二、按操作方式分类，分为 1 ．间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。 2 ．连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。 3 ．半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。 三、按反应器型式来分类，分为 1． 管式反应器，一般长径比大于30 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之间 四、按传热条件分类，分为 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。 2． 绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。 化学反应工程的基本研究方法 化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。 数学模型法 1．建立简化物理模型 对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理简化，设想一个物理过程(模型)代替实际过程。简化必须合理，即简化模型必须反映客观实体，便于数学描述和适用。 2．建立数学模型 依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理模型的数学方程及其初始和边界条件。 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律 利用数学模型解决化学反应工程问题 基本步骤为： 1．小试研究化学反应规律； 2．大型冷模实验研究传递过程规律； 3．利用计算机或其它手段综合反应规律和传递规律，预测大型反应器性能，寻找优化条件； 4．热模实验检验数学模型的等效性。 第一章 均相单一反应动力学和理想反应器 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时,该定量关系式称为化学反应式: 化学反应计量式 化学反应计量式（化学反应计量方程） 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。 化学反应计量式只表示参与化学反应的各组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因子。具体写法依习惯而定， 与 均被认可，但通常将关键组分（关注的、价值较高的组分）的计量系数写为1。 反应程度（反应进度） 引入“反应程度”来描述反应进行的深度。 对于任一化学反应 定义反应程度 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度的度量。 ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩尔数与反应程度的关系为： 转化率 目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学反应进行的程度。 定义 组分A的选取原则 A必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。 转化率与反应程度的关系，结合 得到： 亦可