聚合反应工程(华东理工大学)4.1化学反应工程基础（总）

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1、第四章聚合反应工程4.1化学反应工程基础4.1化学反应工程基础4.1.1均相反应动力学4.1.2理想流动和理想反应器的设计4.1.3连续流动反应器的停留时间分布4.1.4流动模型4.1.5返混对化学反应的影响4.1.6混合态对化学反应的影响化学反应过程是一门研究化学反应的工程问题的科学。研究对象——以工业规模进行的化学反应过程；研究目的——实现工业反应过程的优化。化学反应工程中的优化问题包括设计优化操作优化绪论——化学反应工程化学反应工程范围示意图工程控制传递工程化学化学工艺化学反应工程反应过程解析反应技术开发反应器的设计反应器中流体流动混合传热传质反应热

2、力学反应动力学催化反应工艺反应工艺路线流动与设备反应过程动态特征与测量与控制最佳化绪论——化学反应工程化学反应工程的研究目标决策变量反应器形式、结构、尺寸的选择反应器操作方式的选择反应工艺和操作条件的选择技术目标转化率选择率能耗经济目标原料费用设备费用操作费用绪论——化学反应工程化学反应工程工作者的任务各类化学反应各类反应器化学反应规律传递规律结合反应结果绪论——化学反应工程绪论——化学反应工程反应工程的基础定量的数学描述是反应工程的基本方法，其数学模型可包括：动力学方程式物料衡算（连续性方程）热量衡算动量衡算参数计算三传一反化学反应的形式均相气相管式(N

3、O→NO2，石脑油高热裂解)液相管式（一些聚合反应）釜式（多数精细化工反应）（聚合反应）塔式（NH3、CO2→尿素）化学反应的形式非均相两相三相气液液固气固固定床（丁烯脱氢、氨合成）移动床（煤气化、矿石燃烧）流化床（石油裂解、丙烯氨氧化）气流床（煤气化）搅拌釜（有机化工：苯氯化）填料塔（脱碳、硫……）板式塔（脱碳、硫……）湍球塔（脱硫）釜式（酸介、碱介）塔式塔式(碳化塔)淤浆床(石油加氢、煤加氢)涓流床(丁炔二醇加氢)4.1.1均相化学反应动力学均相化学反应动力学均相化学反应动力学主要研究均相系统化学反应的速率以及各种不同因素对化学反应速率的影响。虽然化学

4、反应动力学不因宏观的传递过程而发生变化，但研究化学反应动力学对于研究传递过程对化学反应过程的影响具有典型意义。化学反应动力学是微观化学随机变化规律的统计表述。化学反应的速率1．化学反应速率的定义反应系统中，某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量:在反应物的反应速率前取负号，表示反应物的消失速率;限定组分(着眼组分)，是表示在多组分反应系统中的某一组分(昂贵的组分或含量相对最少的限定组分)，由于它的含量相对最少，反应将因其耗尽而中止。均相反应动力学均相反应动力学特点：反应过程中，反应物和生成物的量发生变化，反应速率是指某一瞬间的瞬时反应速率，表示方法随场所

5、的不同而不同。采用不同基准时的表示：两相流体，以相界面积S表示流固相，单位固体表面、cat内表面S流固相，以单位固体质量W转换关系：W＝ρbVRS=SiV2．化学反应动力学的表达式影响化学反应速率的最主要因素是反应物料的浓度和反应温度，可写成：式中：ri——组份I的反应速率；C——反应物料的浓度向量；T——反应温度。对于多组分多反应的系统，由于化学计量关系的约束，在反应过程中只要某一组分的浓度确定，其它各组分的浓度也将随之而定:式中：Cj——某组分j的浓度。均相反应动力学大量实验测定结果表明，在多数情况下上式的反应速率式可表示为：温度效应浓度效应均相反应动

6、力学影响化学反应速度的温度效应温度效应项经常用一反应速率常数k表示,即：式中k——反应速率常数；k。——频率因子；E——反应活化能；R——气体普适常数阿累尼乌斯（Arrhenius）公式均相反应动力学吸热反应和放热反应的能量示意图反应活化能（E）:使反应物分子“激发，所需给予的能量。均相反应动力学以阿累尼乌斯（Arrhenius）公式对温度求导，整理可得：上式表明活化能愈大，温度对反应速率的影响就愈显著。说明：（1）活化能E与反应热效应无直接的关系；（2）活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感度。（3）对于同一反应，即当活化能E一

7、定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的升高而降低。均相反应动力学影响化学反应速度的浓度效应均相不可逆反应：aA+bB=pP+sS反应动力学通常表示为：(-rA)=kCAαCBβ即：反应级数不等于反应分子数如果上述反应确实是在a个A分子人和b个B分子同时碰撞时发生，那么根据质量作用定律，反应速率应当是：(-rA)=kCAaCBb均相反应动力学对每一个基元反应而言，其级数就等于反应的分子数，但反应总速率的级数却未必等于该简单反应的反应分子数。从式（3）的基元反应可知，B的生成速率为：例：最简单的单分子反应：按活化络合物理论，反应实际步骤:（1）（2）（3）（

8、4）均相反应动力学代人（4）式：此时B的生成速率与A的浓度的一次方