化学反应工程--第2章-理想反应器全解
《化学反应工程》复习题及答案全解
单选题1. 对于反应级数n ＞0的不可逆气相等温反应,为降低反应器体积,应选用_______。
（A ）（A ）平推流反应器 （B ）全混流反应器（C)平推流串接全混流反应器 （D ）全混流串接平推流反应器2. 分批式操作的完全混合反应器非生产性时间不包括下列哪一项_______.（P22）(A ）加料时间 (B)反应时间 （C ）物料冷却时间 （D)清洗釜所用时间3. 下列单位不属于反应速率的是_______。
（P13）（A)mol/(g ﹒s) (B ）m 3/s （C ）mol/（m 2﹒s) (D)mol/（m 3﹒s)4．反应 A B C →+,12.50 k s -=，则反应级数为_______。
（P 13）A ． 0 (B)1 （C ）2 （D ）35。
反应NaOH + HClNaCl + H 2O ，已知mol s l k /1.0⋅=，则反应级数n=_______。
(P 13）（A ）0 (B ）1 （C)2 （D ）36. 气相基元反应 B A →2，进料时反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，则膨胀率为_______。
(P58）(A ）-1 （B ）-0。
25 (C ）0。
25 (D)0.57。
下面反应器中不属于理想反应器的是_______。
（P21）(A ）间歇反应器 (B ）全混流反应器 （C ）平推流反应器 (D ）膜反应器8。
下面哪种反应器组合形式可以最大程度降低反应器体积_______。
（B ）（A ）平推流反应器串联 （B ）全混流反应器串联（C)平推流反应器并联 （D ）全混流反应器并联9. 在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ，0.01 /A A r C mol L s -=⋅，当C A0=1 mol/L 时,求反应至C A0=0。
01 mol/L 所需时间t=_______秒。
（P43)(A ）400 （B)460 （C)500 (D)56010. 在间歇反应器中进行等温二级反应A → B ,20.01 /A A r C mol L s -=⋅，当C A0=1 mol/L 时,求反应至C A0=0.01 mol/L 所需时间t=_______秒。
化学反应工程第二章题解
s 习 题2－1、 银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应3223222222232 4CH OH O HCHO H O CH OH O CO H O+?+?进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸汽＝2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇转化率达72％，甲醛的收率为69.2％，试计算： （1）反应的选择率； （2）反应气体出口组成。
解：（1）由Y S x =⋅得： 06920961072Y .S .x .=== (2) 以进口气体含甲醇2mol 、含空气4mol 、含水蒸汽1.3mol 为计算基准。
参加反应的甲醇的量：2×0.72＝1.44（mol ）出口气体含甲醇：2－1.44＝0.56（mol ）主反应消耗的甲醇：1.44×0.961＝1.38384（mol ） 主反应消耗的氧气：1.38384/2=0.69192（mol ） 主反应生成的甲醛：1.38384（mol ） 主反应生成的水： 1.38384（mol ）副反应消耗的甲醇：1.44×0.039＝0.05616（mol ） 副反应消耗的氧气：0.05616×1.5=0.08424（mol ） 副反应生成的二氧化碳：0.05616（mol ） 副反应生成的水份：0.05616×2=0.11232（mol ）因此，反应气体出口组成如下： 甲醇：0.56（mol ） 甲醛：1.38384（mol ）氧气：4×0.21－0.69192－0.08424＝0.06384（mol ） 氮气：4×0.79＝3.16（mol ） 二氧化碳：0.05616（mol ）水蒸汽：1.3＋1.38384＋0.11232＝2.79616（mol ）折算成摩尔百分比，出口气体含甲醇、甲醛、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸汽的分率分别为：7.0%、 17.3%、0.8%、 39.4%、0.7%、34.9%2－2 、试推导 n 级不可逆反应的反应速率常数 C p k k 和的量纲。
化学反应工程第二章解析
第二章 均相反应动力学基础均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。
在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度一、计量方程反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。
计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。
二、化学反应速率单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。
反应物：生成物：对于反应三、化学反应速率方程r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。
32223NH H N =+032223=--N H NH A A Adn r Vd d t C dt=-=-R R Rdn r Vdt dC dt==A B S R A B S Rαααα+=+SABRABSRr r r r αααα===AA AB r [k (T)][f(C ,C ,)]=有两类；双曲函数型和幂函数型。
k -化学反应速率常数； a(b)-反应级数。
(1)反应级数(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。
(2)反应速率常数k[k]: s -1·(mol/m 3)1-nE ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。
E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。
k 0 —指前因子,其单位与 反应速率常数相同；E— 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。
a b A A B r kC C=2220.512H Br HBrHBrBr k c c r c k c =+0exp[]E k k RT=-01ln ln E k k R T=-⨯ln klnk 0 slop=-E/R1/T⏹ 反应速率的温度函数关系● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。
化学反应工程--第2章-理想反应器全解
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2019年11月24日星期日
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
（-rA）=kCACB
式中：
（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004 kmol.L-1
求：
●已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应 时间分别为多少？
cR cA0xA
cS cS0 cA0 xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2019年11月24日星期日
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0 K
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。
由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T)
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
化学反应工程习题及答案二
1. 化学反应过程按操作方法分为_______、______、_______操作。
（分批式操作、连续式操作、半间歇式）2. 反应器的型式主要为（釜）式、（管）式、（塔）式、（固定）床和（流化）床。
3. 理想流动模型是指（平推流）模型和（全混流）模型。
5.间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。
6. 对于平行反应，提高反应物浓度，有利于（级数高）的反应，降低反应物浓度有利于（级数低）的反应。
化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。
7. 平行反应AP(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。
（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！8. 如果平行反应)()(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应_____。
(提高温度)9.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]8.全混流反应器的返混_______。
（最大） 平推流反应器的返混为_______。
（零）9.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法）11.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞）12.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0）13.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1）14.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）15.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
第一二章 化学反应工程基础
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式（1）2－5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解：.因，wwnAp=A，微分得RTVdaw案24网pAp，cB=BRTRT3P，其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导：在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cn.co（1）mol/[L s (kgf/cm2) 3]m（1）则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA（2）恒容下上式可转换为pA=P0所以将式（2）和式（3）代入式（1）整理得2－6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：C4H10发生变化，试求下列各项的变化速率。
（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。
解：P=3kgf/cm2，（1）课MC4H10=58，（2）w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w（3）nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cno2C2H4+H2，dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm（3）dpA1dP= dtδAdt2－9反应APS，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ，cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
反应工程答案
第二章 均向反应动力学1.在473K 等温及常压下进行气相反应：（1）3→A R 1.5R A r C = （2）2→A S0.5S Ar C =（3）→A T 2.1TA r C= 式中C A 为反应物A 的浓度（kmol/l ），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：先求出总摩尔变化数δA ，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：10.53AR R A r r C ==10.252AS S A r r C == 2.1AT T A r r C== 总反应速率为： 2.85A AR AS AT AR r r r C =++= 以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变化数为：0.50.25 2.13210.4392.85 2.85 2.85A δ=⨯+⨯+-=初始浓度为：200030.10130.5 1.28810/8.31410473A A P y C kmol l RT --⨯===⨯⨯⨯则有：2300(1) 1.288100.151.62810/110.50.4390.85A A A A A A C X C kmol ly X δ---⨯⨯===⨯++⨯⨯332.85 2.85 1.62810 4.64010/(.min)A A R C kmol l --==⨯⨯=⨯2.可逆一级液相反应PA −−←−→−，已知0,m kmol 5.0P030=⋅=-c c A ；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，A 的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力学方程式。
解：()()x c k x c k txc t c x c c x c c c c k c k c k c k tc r A02A01A0A A0P A0A A A02A 1P 2A 1AA 1d d d d )1(d d --==-=-=--=-=-=-⎩⎨⎧=====+-+-=xx t t x t txk k k xx k k k tx,0,0d )(d )(d d 2112118333.022667.01667.01)1()(ln 121e e e 0A e 0A Ae Pe 21121121=====-=-=-====+-+-t x k k K x x x c x c c c k k K t k xk k k k k ()PA A A 1211212121212102888.005776.0d d min02888.0min 05776.02/08664.086931.05.0ln 18333.02111ln 1c c tcr k k k k k k k k k k k k -=-=-⎩⎨⎧==⎩⎨⎧==+=+=+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+--- 3.液相自催化反应的动力学方程A+P-P+P 速率表达式00()/(.) c 0.95/ c 0.05/AA A P A P dc r kc c mol l h mol L mol L dt -=-===，1h 后测得速率最大值，求反应速率常数。
化学反应工程 第二章2
• 定义参数Ѳj=Nj0/NA0=Cj0/CA0=yj0/yA0(与关键反 应物的进料比，feed condition） 所以， CB=[NB0-(b/a)NA0XA]/V=NA0[ѲB-（b/a)XA]/V CC= NA0[ѲC+（c/a)XA]/V CD= NA0[ѲD+（d/a)XA]/V 式中ѲB=NB0/NA0; ѲC=NC0/NA0 ; ѲD=ND0/NA0 • 下一步只需求V与XA的关系V（XA）即可得到 Cj=h(XA)
• • 对于二级反应（-rA)=kACACB,可以得到 (-rA)=f(XA)的表达式，即： （-rA)=kACACB=kACA02(1-XA)[ѲB-（b/a)XA]
{r}= mol体积-1时间-1
• 速率常数的单位
零级（n=0) –rA=kA {kA}=mol体积-1时间-1 一级（n=1) –rA=kACA {kA}=时间-1 二级（n=2）–rA=kACA2 {kA}= 体积mol -1时间-1 n级 –rA=kACAn {kA}= {C} 1-n时间-1
Part 2、化学计量
• A+b/aB c/aC+d/aD 取反应方程式中反应物A为计算基准,即其它物 质以1molA为基准。 2.2.1间歇式反应器 批式反应器主要用于特种化学品的生产，以 及用于实验室速率数据测定。 设反应物A在反应器中起始mol数为NA0 ，转化 率为XA，则反应掉的mol数为NA0XA，未反应的mol 数为： NA=NA0-NA0XA=NA0(1-XA)
• δA: 膨胀因子，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。
《反应工程》第二章课后答案
2 反应动力学基础2.1在一体积为4L 的恒容反应器中进行A 的水解反应，反应前 A 的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL ，反应物A 的分子量为88。
在等温常压解：利用反应时间与组分A 的浓度变化数据，作出C A ～t 的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h 时该点的切线，即为水解速率。
切线的斜率为0.760.125/.6.1α-==-mol l h由（2.6）式可知反应物的水解速率为 0.125/.-==dC A r mol l h A dt2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：2423+→+CO H CH H O催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，改变进口原料气流量Q 0解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示00000(1)(1)-==-=-=-A A RA A A A A A A AdF r dV F F X Q C X dF Q C dX 故反应速率可表示为：0000(/)==A A A A A R R dX dX rQ C C dV d V Q用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R /Q 0)值α。
0.650.04 1.790.34α-==故CO 的转化速率为 40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯===⨯⨯⨯A A P C mol l RT4300 6.3810 1.79 1.1410/.min (/)--==⨯⨯=⨯A A A R dX r C mol l d V Q2.3已知在Fe-Mg 催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：20.850.4/-=⋅w CO CO r k y y kmol kg h式中y CO 和y C O2为一氧化碳及二氧化碳的瞬间摩尔分率，0.1MPa 压力及700K 时反应速率常数k W 等于0.0535kmol/kg.h 。
化学反应工程学
ｑＶ
经过t→t+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物 总量（M0）的分率为：
dN 在t t dt时间流出的示踪物量 ( )示踪物 N 示踪物总量 qV c（t）dt M0
在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在 反应器内停留时间为t→t+dt的物料在N中所占的分率为：
ｑＶ
连续操作的流动 体系
ｑＶ
在阶跃示踪法中，t秒时由出口测出的是停留时间为0→t秒的 示踪物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在t秒都会从出口 流出来，所以阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：
停留时间为 0 t秒的示踪物 c(t ) t秒内加入物料体积 t秒内进入反应器的示踪 物 停留时间为 0 t秒的分率 t秒内加入物料体积 qV c0 t E（t） dt
np a s p n A, 0 n A
收率：生成目的产物的量比加入反应物的量
a np y p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为：
y xA s
有时也用质量收率表示：
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
（二）、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类 反应类型 设备的结构 反应特性 形式
dN ( ) 物料 E（t）dt N
由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以
dN dN ( )示踪物 ( ) 物料 N N
qV c(t ) dt E (t )dt M0 qV E (t ) c(t ) M0
C(t)
t
2、阶跃示踪法
从某一时刻起连续 加入示踪物 测定示踪物浓度 c(t) 随 时间 t 的变化
根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度， 这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：
化学反应工程2
一、名词解释1.收率：生成目的产物所消耗的关键组分的物质的量与进入反应系统的关键组分的物质的量的比值。
2.转化率:反应物A的反应量-△n A与其初态量n A0之比称为转化率。
3.失活：由于各种物质及热的作用，催化剂的组成及结构渐起变化，导致活性下降及催化性能劣化。
4.停留时间分布函数：流过反应器的物料中停留时间小于t的质点的分数。
5.停留时间分布密度函数：同时进入反应器的N个流体质点中，停留时间介于t与t+dt间的质点所占分数。
6.化学膨胀因子：组分A转化1mol时，反应物系增加或减少的量，称为化学膨胀因子，用符号 A表示。
7.临界流化速度：催化床层处于由固定床向流化床转变的临界状态时相应的表观流速。
8.返混：连续流动反应器中，反应物料的参数随空间位置而变，不同空间位置的物料由于倒流、绕流、回流等流动状况，使不同年龄的质点混合。
9.内扩散有效因子单位时间内等温催化剂颗粒中实际反应量小于按外表面反应组分浓度及颗粒内表面积计算的反应量（即不计入内扩散影响的反应量），二者的比值称为“内扩散有效因子”。
10.空间速度：单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流量。
11.最佳温度：对于一定的反应物系组成，某一可逆放热反应具有最大反应速率的温度称为相应于这个组成的最佳温度。
12.宏观混合：设备尺度上的混合现象。
微观混合：一种物料微观尺度上的混合。
13.同时反应：反应系统中同时进行两个或两个以上的反应物与产物都不相同的反应。
平行反应：一种反应物同时形成多种产物。
连串反应：反应物先生成某种中间产物，中间产物又继续反应生成最终产物。
14.关键组分的选择率：生成目的产物所消耗的关键组分的物质的量与已转化的关键组分的物质的量的比值。
15.空间速度：单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流量。
接触时间：V R与进口压力、温度下初态反应混合物体积流量V0之比。
16.比孔容：每克催化剂内部孔道所占的体积。
孔隙率：催化剂孔道所占的孔隙体积与整个颗粒体积之比。
化学反应工程-6-第二章-均相理想流动反应器
求：
C A、 CB 、 CP、 CR ?
CB
nB nB 0 1 x B C B 0 1 x B 0.2(mol/ l ) v0 v0 2
A B P R
t 0 t t
n A0 n B 0 n A nB
0
0
nP nR
nA0 nA nB0 nB nB0 xB
rA kCA 设反应为一级不可逆反应：
首先讨论 QG ：
QG
rA VR rA kCA VR H rA
0Cp v0Cp
CA 0 CA k 1
CA 0 Η rA k QG Cp 1 k
VR v0
空时
1、停留时间分布的形成：
取两个微团，设同时进入反应器，由于搅拌作用，一个 微团（如上图）可能很快流出反应器，而另一个微团可 能经过更长的时间才流出来。 结论：CSTR出口处，物料是由不同停留时间的微团组 合而成，即形成停留时间分布。
平均停留时间 t ： t VR
v
v—流体在反应器中的体积流率，即出口流率。 问题： t和 之间有什么不同？
代入（1’） v0B 2 2v0B 0.2 8 0.7 0.2 1.7 0.82 100
v0 B 2(l / min)
二、CSTR的操作方程——热量衡算
热量衡算式中各项为：
第一项Qin：
Qin GCPT0
G——质量流量，kg/s； CP——定压热容，J/(kg.k)； T0——物料入口处温度。 第二项Qr：单位时间内整个反应器的反应放热量：
设开始时移热速率线是A，此时反应器定常态1，反应速 率极慢，没有实际意义；
化学反应工程复习+公式指导
化学反应工程复习总结一、知识点1.化学反应工程的研究对象与目的，研究内容。
化学反应工程的优化的技术指标。
2.化学反应动力学转化率、收率与选择性的概念。
反应速率的温度效应和活化能的意义。
反应速率的浓度效应和级数的意义。
3.理想反应器与典型反应特征理想反应器的含义。
等温间歇反应器的基本方程。
简单不可逆反应和自催化反应的特征和计算方法。
可逆反应、平行反应和串联反应的动力学特征和计算方法。
4.理想管式反应器管式平推流反应器的基本方程典型反应的计算。
停留时间、空时和空速的概念。
膨胀因子和膨胀率的概念。
5.连续流动釜式反应器全混流模型的意义。
全混流反应器的基本方程全混流反应器的计算。
循环反应器的特征与计算方法。
返混的概念、起因、返混造成的后果。
返混对各种典型反应的利弊及限制返混的措施。
6.停留时间分布与非理想流动停留时间分布的意义，停留时间分布的测定方法。
活塞流和全混流停留时间分布表达式，固相反应的计算方法。
多釜串联模型的基本思想，模型参数微观混合对反应结果的影响。
7.反应器选型与操作方式简单反应、自催化和可逆反应的浓度效应特征与优化。
平行反应、串联反应的浓度效应特征与优化。
反应器的操作方式、加料方式。
8．气固催化反应中的传递现象催化剂外部传递过程分析，极限反应速率与极限传递速率。
Da和外部效率因子的定义及相互关系。
流速对外部传递过程的影响。
催化剂内部传递过程分析，Φ和内部效率因子的定义及相互关系。
扩散对表观反应级数及表观活化能的影响。
一级反应内外效率因子的计算。
内外传递阻力的消除方法。
9.热量传递与反应器热稳定性定态、热稳定性、临界着火温度、临界熄火温度的概念。
催化剂颗粒热稳定性条件和多态特性。
全混流反应器、管式固定床反应器热稳定条件。
最大允许温差。
绝热式反应器中可逆放热反应的最优温度分布。
二、具体内容解析 一、 绪论 1．研究对象是工业反应过程或工业反应器研究目的是实现工业反应过程的优化 2． 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 3．优化指标——技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念 4．工程思维方法二、化学反应动力学1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应基本特征、分析判断2. 化学反应速率的工程表示))((反应区反应时间反应量反应速率＝3. 工业反应动力学规律可表示为：)()(T f C f r T i C i ⋅=a) 浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程度。
2第二章 反应器
一、化学反应动力学
（一）基本概念： 1、化学反应：由分子或离子碰撞导致电子转移 或原子的重新排列组合，导致反应物消失；生 成物形成的过程。 通式： xA+yB→pC+qD 2、反应速率：化学反应速率是指单位时间。单 位体积由反应物消失的数量或生成物增加的数 量。
或者说：单位时间内，反应物浓度减小或生成 物浓度增加的数值。
C0/Ci为去除率。 【例题】采用CSTR反应器作为氯化消毒池， 细菌被灭活速率为一级反应,且k＝0.92min－1，
求细菌被灭活99％时，所需时间为多少?
【解】 Ci=0.01C0，k= 0.92min－1 ，代入上式：
`
t
1 k
C0 Ci
1
t
1 0.92
C0 0.01Ci
1
107.6 min
Q·C0－Q·Ci+V·r(Ci)=0 已 时知间t：，反且应可速根率据r设(C计i)，流按量式Q即求可出求反出应反器应
容积V=Qt。
一级反应：将r(Ci)=－kCi 代人上式可得，
Q·C0－ Q·Ci－ V·k·Ci＝0
将V=Q·t代入上式并经整理得平均停留时间t ：
t
1 k
C0 Ci
1
反应器体积即可按V=Q·t求出。
`
取dx长的微元体积dxω分析，列物料平衡式：
dx dCi
dt
vCi
v(Ci
dCi ) r(Ci ) dx
dx dCi — 微元中dt内i的变化量；
dt
vCi — 微元中dt内i的输入量；
v(Ci dCi ) — 微元中dt内i的输出量；
r(Ci ) dx — 微元中dt内i的反应量；
Cn
化学反应工程原理
1 绪论1.1.3 优化的技术指标（1）反应速率（2）反应选择率（3）能量消耗1.1.4 决策变量（1）结构变量（2）操作方式（3）工艺条件1.4.1化学反应工程理论在反应过程开发中的作用要解决的问题：（1）反应器的合理选型（2）反应器操作的优选条件（3）反应器的工程放大2化学反应动力学2.2.1均相反应的条件（1）反应系统可以成为均相（2）预混合过程的时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量反应级数的工程意义是表示反应速率对于反应浓度变化的敏感程度2.3.3化学吸附的速率与平衡化学吸附可以分为活化化学吸附和非活化化学吸附。
活化化学吸附随着温度的变化服从阿伦尼乌斯方程；非活化化学吸附的活化能接近于零，吸附速率极快。
常常可以观察到化学吸附最初是非活化的，吸附进行得非常快，而随后速率变慢，且与温度有关，属于活化化学吸附1.理想吸附型理想吸附模型，基于如下假设（1）催化剂表面各处的吸附能力的均匀的，各吸附位具有相同的能量（2）被吸附物仅形成单分子层吸附（3）吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用（4）所有吸附的机理是相同的2.真实吸附模型不满足理想吸附条件的吸附，都称为真实吸附。
以焦姆金和弗隆德里希为代表提出不均匀表面吸附理论，真实吸附模型认为固体表面是不均匀的，各吸附中心的能量不等，有强有弱。
吸附时吸附分子首先占据强的吸附中心，放出的吸附热大。
随后逐渐减弱，放出的吸附热也愈来愈小。
由于催化剂表面的不均匀性，因此吸附活化能E a随着覆盖率的增加而线性增加，解吸活化能E d则随覆盖率的增加而线性降低，即2.4流固相非催化反应动力学两种反应（1）整体反应模型（2）收缩未反应芯模型3理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征常见的典型化学反应（1）简单反应（包括自催化反应）（2）可逆反应（3）伴有平行副反应的复杂反应（或平行反应）（4）伴有串联副反应的复杂反应（或串联反应）（5）自催化反应3.1.2反应器设计基本方程（1）物料衡算方程组分i 流入量=组分i 流出量+组分i反应消耗量+组分i积累量（2）热量衡算方程式带入的热焓=流出的热焓+ 反应热+ 热量的积累+ 传向环境的热量（3）动量衡算方程式动量守恒物料衡算和反应速率式是描述反应器性能的两个最基本的方程式3.2.1理想间歇反应器的特征从理想间歇反应器操作可以看到有以下特点（1）由于剧烈的搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递问题（2）由于反应器内具有足够的传热条件，反应器内各处温度始终相等，因而无需考虑反应器内的热量传递问题（3）反应器内物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
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xA
பைடு நூலகம்
1
(
k1
)
k1 k2 k1
k2
0.744
第4章 理想管式反应器
4-4 丙烷热裂化为乙烯的反应 C 3H 8 C 2H 4C H 4，反应在
772oC等温条件下进行，其反应动力学方程式为 (rA)kcA
式中k=0.4h-1，若采用理想管式反应器，p=0.1MPa,进料流
量 0 800L/h，当转化率 x A =0.5时，求所需反应器的体积
试求反应器体积是多少？
考虑1kmol气体进入反应器，并设在反应器某一位置生成的NO2为x kmol，得：
组分 NO NO2 O2 N2 total
进口处 kmol 0.09 0.01 0.08 0.82 1.00
某一位置 kmol 0.09-x 0.01+x 0.08-0.5x 0.82 1.00-0.5x
k2 =1.25104 s 1
3-23* 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应：
AB P rp2cAkm ol/(m 3h) 2A R rR0.5c2Akm ol/(m 3h)
A和B的初浓度均为2kmol/m^3,P为目的产物，试计算反应 为2h的A的转化率和产物P的收率。
(rA)1 rp 2cA (rA)2 2rR c2A
rAkcAcBkcA0(1xA)(cB0cA0xA)kcA20(1xA)(ccBA00 xA)kcA20(1xA)(xA)
(令cB0 )
cA0
当1时tcA0
xA 0
dx kcA20(1xA)2
1 kcA0
xA (1xA)
txA0.5 5.31h, txA0.9 47.7h，txA0.99 524.4h
化学反应工程 3.4 理想反应器的组合
V1 V1 1 xA dxA
FA0 vT cA0 cA0 0 rA 1
Vi Vi i xA,i dxA
FA0 vT cA,i1 cA,i1
r xA,i1
A
N
V
Vi
i 1
到，随着串联反应器的数量的增加，总体积最终会达到
PFR
5
Vi
vT k
cA0 cA1 cA1
vT k
cA1 cA2 cA2
...vT k
cAi1 cAi ... cAi
vT k
cAN 1 cAN cAN
cA0 cA1 ...cAi1 ... cAN1
cA1 cA2
cAi
cAN
cAi1 cAi
• 对此有两种例外， – 对于一级反应，CSTR与PFR串联反应器的总转化率不依赖连续反应器的 排列顺序，即每个反应器转化率并不依赖于入口浓度一样； – 对于零级反应，总的转化率也不依赖连续反应器的排列顺序，而更关系 反应器总体积。
13
ek PFR
1 x 1 x 1 x A
A,CSTR
3
• （a）计算一级反应，转化率为90%时PFR与CSTR的体积；（b）计算转化率 为90%时两CSTR反应器（等体积）的总体积
A B;rA kcA;vT k 1m3
4
两个CSTR反应器的总体积要低于一个CSTR反应器而高 于PFR反应器。
四个CSTR串联反应器在相同转化率下操作情况，可以看
FAN FA0 1 xA,R1 1 xA,R2 ...1 xA,RN
8
xA
1
FAN FA0
理想反应器
2019/1/13
反应产物 反应物
反应时间
连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2019/1/13
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 • 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） • 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 • 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
2019/1/13
理想反应器：流体的流动处于理想状况的 反应器。
特征：物料达到完全 混合，浓度、温度和 反应速度处处相等 特征:在与流动方向垂直的 截面上，各点的流速和流 向完全相同，就象活塞平推 一样，故又称“活塞流”或 “平推流” 注：工业生产中，搅拌良好 的釜式反应器可近似看成全 混流模型；长径比很大，流 速较高的管式反应器可看成 平推流模型
全混流模型——返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，
新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的 浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，
有的很短；举例——强烈搅拌的连续釜式反应器。
非理想流动模型——偏离上述两种理想流动模型，偏 离程度可通过测定停留时间分布来确定。
2019/1/13
有关反应器操作的几个工程概念 由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成 不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停 留时间分布（RTD）。 年龄分布—仍然留在反应器中的质点的RTD 寿命分布—反应器出口处质点的RTD 返混
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即： dT dxA
dt
dt
初始条件：t=0：T=T0 + β(xA-xA0)
数）
（使对t的积分变为单参
将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法 或数值法求解。
Return
3 反应容积的计算
VR Q0 t t0
t ：反应时间
t0 ：辅助时间
●若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大 小，装填系数φ=0.75，单釜生产。
解：
●求达到一定的转化率所需时间：
计量方程式中， A 1 B
A、B的初始浓度相同，则反应
动力学方程可写为：
( rA ) kCA2
由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知
xA dxA 0 (rA )
CA dCA CA0 (rA )
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
(rA ) k(T) f (C)
一般采用图解法或数 值法求解。
特例：
绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0
则：(-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容 积。
t
CA0
xA 0
dxA (rA )
CA0
xA 0
dxA kCA0 (1 xA )
1 ln 1 k 1 xA
VR
v(t
t0)
v( 1 k
ln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
T= 436+166xA
（操作方程）
t C A0
dx xAf
A
0 ( rA )
（设计方程）
-rA=kCA0(1-xA)
（动力学方程）
（1） （2） （3）
式中k是温度的函数，与温度的关系式可用下式表示：
k
k0
exp
Ea RT
联立（1）-（4）式可得反应时间t。
（4）
b2 4ac b2 4ac
b2 4ac 5.152 4 2.61 0.6575 4.434
t
4.76
104
1 3.908
4.434
ln
5.15 5.15
4.434 4.434
0.35 0.35
2 2
2.62 2.61
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
a 1 1 K
1 1 0.6575 2.92
t
1 k1cA0
xA
0 axA2
dxA bxA
c
k1cA0
2019年10月30日星期三
1
ln 2axA b
b2 4ac 2axA b
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
即：
t CA0
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。
由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T)
2019年10月30日星期三
间歇式完全混合反应器
2019年10月30日星期三
特点： 反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热
量传递问题 所有物料具有相同的反应时间
优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，
适用于小批量， 多品种，反应时间较长的产品生产 缺点：
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
2019年10月30日星期三
等温操作
等温操作（动力学k为常数） 可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。
例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为 v，动力学方程为：
（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)
由于原料液中A:B:S=1:2:1.35
1 2 1.35 4.35kg 原料液中含1kg乙酸
原料液量为： 16.23 60 4.35 4.155m3 / h
1020
2019年10月30日星期三
原料液的起始组成：
cA0
16.23 4.155
3.908mol / l
cB0
cR cA0xA
cS cS0 cA0 xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2019年10月30日星期三
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0 K
(-△Hr)(-rA)V
d (Cv TV )
dt
UA(Tm-T) + (-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
dt
符号说明：
U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）；
A----传热面积(m2)；
Cv、ρ----分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.℃、
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
下等温操作，其反应速率方程如下：
2019年10月30日星期三
rA k1cAcB cRcS K
100℃时：
k1 4.76104l /mol min
平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应 体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数为 0.75，则反应器的实际体积是多少？
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
2019年10月30日星期三
实际反应器的体积
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
2019年10月30日星期三
第二章 理想反应器 Ideal Flow Reactor
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2019年10月30日星期三
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
2019年10月30日星期三
分析：
求V
V VR
t f
求 VR
VR Q0 t t0
t0 已知
求 Q0和
已知
Q0
2019年10月30日星期三
设计方程
t
解：首先计算原料处理量 Q0
每小时的乙酸用量为：
12000 12000
M R 88 16.23kmol / h
24 xA 24 0.35
平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2019年10月30日星期三
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2019年10月30日星期三
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
（-rA）=kCACB
式中：
（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004 kmol.L-1
求：
●已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应 时间分别为多少？
求解过程：
用式（1）给定xA后求T，用参数计算式求k，然后将（2） （3）式联立即得：
t
xAf 0
dxA k(1 xA
)
xAf 0
Z
dxA
其中：
Z
1 k( 1
xA
)
利用数值法求解（梯形公式）：
解：
绝热操作时有:
T=T0+β(xA-xA0)
xA0=0
所以，
T=T0+β xA= T0+
Hr CA0
cv
xA =
T0
H r cv
C A0
xA
= (273+163) - 347.5 C A0 VR xA cv VR
T= 436+166xA
的操作设计； 3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器