反应工程5
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第五章_催化剂与催化动力学基础
Ki 称为吸附平衡常数，是i组分吸附速率常数与脱附速率常数之比。 式（5-28）即为过程的总速率方程。由该式的分母可知，反应物和产物 均被吸附。分母的方次表明该反应是在A、B两个活性中心之间进行的。
若控制步骤为可逆反应 过程总速率：
Aσ + Bσ
k1
k2
Rσ + Sσ
r k k A 1 A B 2 R S
第五章 催化剂与催化动力学基础
5.1 催化剂
能够改变化学反应速率而本身在反应前后不发生组成变化的物质。 （1）类型 金属（良导体）、金属氧化物和硫化物（半导体）以及盐类和 酸性催化剂（大多数是绝缘体） （2）载体 活性炭、硅胶、活性白土、硅藻土、沸石（分子筛）、骨架Ni、 活性Al2O3、 Fe等 （3）性能要求 活性好、选择性高、寿命长。 （4）结构
k k K K 1 A B
K
k1K A KB k2 KR KS
比较式（5-28）和式（5-30）可见，表面反应为控制步骤时，可逆反 应与不可逆反应速率式的分母相同，区别在于分子。可逆反应的分子上有两 项，不可逆反应只有一项。
A在吸附时解离 A + 2σ B + σ 2A1/2σ + Bσ Rσ Sσ 按上述方法可得到
几种常用催化剂的结构
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形
环形
多孔柱形 车轮形
比表面积
破碎强度
压降
独石形
金属独石形
Foam
（5）制备方法
① 混合法
② 浸渍法 ③ 沉淀法或共沉淀法 ④ 共凝胶法 ⑤ 喷涂法及滚涂法 ⑥ 溶蚀法 ⑦ 热熔法
5.3 气固相催化反应动力学
气-固相反应速率的定义式
化学反应工程-第5章-复习
• 1、以催化剂体积定义反应速率 、
1 dnA −3 −rA = − kmol ⋅ s−1 ⋅ mcat VS dt
• 2、以催化剂质量定义反应速率 、
1 dnA −1 −rA = − kmol ⋅ s−1kgcat mS dt
• 3、以催化剂内表面积定义反应速率 、
1 dnA −2 −rA = − kmol ⋅ s−1mcat SV dt
吸附过程） 3）反应物在催化剂上吸附 （吸附过程） 表面反应过程） 4）发生反应 （表面反应过程） 脱附过程） 5）产物从催化剂表面脱附 （脱附过程） 产物从催化剂孔内→孔外（内扩散） 6）产物从催化剂孔内→孔外（内扩散） 产物从催化剂孔外→气流中（外扩散） 7）产物从催化剂孔外→气流中（外扩散） 哪一步的阻力大，就是速率控步骤。 哪一步的阻力大，就是速率控步骤。
第五章 催化剂与催化动力学基础
漳州师范学院化学与环境科学系
陈建华
气固相催化过程
• 气固相：反应物和产物均为气相，催化剂为固 气固相：反应物和产物均为气相， 相。 • 催化剂参与反应，但在反应过程中不消耗。 催化剂参与反应，但在反应过程中不消耗。 • 催化剂的加入可以改变反应速率。 催化剂的加入可以改变反应速率。 • 催化剂的加入，不能改变反应的平衡。催化剂 催化剂的加入，不能改变反应的平衡。 以同样的比例同时改变正逆反应的速率。 以同样的比例同时改变正逆反应的速率
影响随即消除。 影响随即消除。
γA
G0
图中 G≥ G0 时无外扩散的影响 适用于： R = d pµρ / µ = 适用于： ep
G
dG
µ
> 50
减小化剂颗粒的直径，可消除内扩散得影响。 减小化剂颗粒的直径，可消除内扩散得影响。 在恒定的质量流速下， 无内扩散的影响。 在恒定的质量流速下，当dp<dp*时，无内扩散的影响。
化学反应工程英文课件Chapter 5
XA 0 XA dXA dXA CA0 0 ( r )(1 X ) ( rA )V0 (1 A XA ) A A A
(5)
化学反应工程
In one form or another, Eqs.2 to 5 have all been encountered in Chapter 3. They are applicable to both isothermal and nonisothermal operations. For the latter the variation of rate with temperature, and the variation of temperature with conversion, must be known before solution is possible. Figure 5.2 is a graphical representation of two of these equations.
accumulati on of A, moles/time
dNA d [ N A0 (1 X A )] dX A N A0 dt dt dt
化学反应工程
By replacing these two terms in Eq.1, we obtain
( rA )V N A 0
rate of loss of reactant A or within reactor due to chemical reaction rate of accumudation of reactant A within the reactor (1)
In the treatment to follow it should be understood that the term V, called the reactor volume, really refers to the volume of fluid in the reactor. When this differs from the internal volume of reactor, then Vr ‘designates(指明,任命) the internal volume of reactor while V designates the volume of reacting fluid. For example, in solid catalyzed reactors with voidage (空 隙率) we have V = Vr For homogeneous systems, however, we usually use the term V alone.
化学反应工程教案5(化工13)
化学反应工程课程教案
从本质上说，物理过程不改变反应过程的动力学规律。
也就是说，反应的动力学方程并不因为物理过程的存在而发生变化。
但是，流体的流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的浓度和温度在时间、空间上的分布，从而影响实际反应场的浓度和温度在时间、空间上的分布，从而影响反应的最终结果。
对某个具体反应，选择反应器、操作条件和操作方式主要考虑化学反应本身的特征与反应器特征，最终选择的依据将取决于所有过程：一是反应器的大小，二是产物分布济性。
过程的经济性主要受两个因素影响；而对于复合反应，首先要考虑产物分布。
2.1单一不可逆反应过程与反应器
2.1.1单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较
在反应器设计评比中,只考虑如何有利于反应速率的提高。
当然,其中一个重要因素是,考察反应器的大小.
一、理想流动反应器的体积比较
基本条件：
和反应温度均相同；等容过程。
V R ，V RP ，V RM 分别表示间歇反应器体积、平推流反应器
体积和全混流反应器体积，则：
当转化率越大，则两者的差距
较大，所以可采用低转化率操作。
1、对同一单一的正级
数反应，在相同工艺
00,,A Af V C x Af A 0A00A x R dx V V C r =⎰Af A 0A00A x Rp
dx V V C r =⎰00()A Af RM A f
V C x V
r =0000[]
[]
Rp A RM A V V C OABD V V C OCBD ==1
<RM RP
V V。
化学反应工程第五版课后习题答案
第一章在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为%。
试计算（1）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。
解：（1）由（）式得反应的选择性为：（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：（摩尔比），当A P醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数nA 、nP和nc分别为：nA =nA0(1-XA)= molnP =nA0YP= molnC =nA0(XA-YP)= mol结合上述反应的化学计量式，水（nW ）、氧气（nO）和氮气（nN）的摩尔数分别为：nW =nW0+nP+2nC= molnO =nO0-1/2nP-3/2nC= molnN =nN0= mol1.1.2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩Bkg/h 粗甲醇 100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO H 2 CO 2 CH 4 N 2粗甲醇的组成为CH 3OH %,(CH 3)2O %,C 3H 9OH %,H 2O %,均为重量百分率。
在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg 粗甲醇而言，其溶解量为CO 2 ,CO ,H 2 ,CH 4 ,。
若循环气与原料气之比为（摩尔比），试计算：（1） （1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （2） （2） 甲醇的单程收率和全程收率。
解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h ，则根据已知条件，计算进料原料其中xi =yi i i i m i iM’m =∑yiMi=又设放空气体流量为Akmol/h，粗甲醇的流量为Bkg/h。
化学反应工程陈甘棠第五章第一节
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4）BET模型
对于物理吸附的情况：
式中：c为常数，
p0为在该温度下吸附组分的饱和蒸汽压， 应用此式来测定参数。
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3、气-固催化反应动力学方程
反应:
A的吸附：
B的吸附： 表面反应：
R的脱附：
S的脱附：
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适用于低覆盖率的情况
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3）焦姆金模型（Temkin型） 吸附和脱附速率分别为：
其中：
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吸附达到平衡时：
式中：
适用于中等覆盖率的情况，在合成氨及硫酸工业中应用较多
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把催化剂夹在框架中快速回转,从而排 除外扩散的影响和达到气相完全 混合及反应器等温的目的。使全混流式数据的计算和处理较方便。
③流动循环（无梯度）反应器：
将反应后的部分气体循环回去的反应器,使床层进出口的转化率达到一 致，一种全混流式反应器。
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④脉冲反应器： 将反应器和色谱仪结合起来，将试料脉冲式的注入载
一、气-固催化反应的本征动力学
1、多相催化作用
均相催化 ： 反应在同一相中进行称为均相催化
催化反应
比如：脱水、水合、酯的水解等
多相催化 ： 反应在两界面上进行称为多相催化
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比如：甲醇的合成
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要求催化剂具备一定的活性、选择性高、寿命长。 固体催化剂由三部分组成：主催化剂、助催化剂和载体
反应工程概论 教材 南京工业大学专用(5-6)
第五章流化床反应器流化床反应器是应用流化态技术建立的一种气固相或液固相反应装置，即通过气体（或液体）的流动使固体颗粒象流体一样流过反应器并完成化学反应过程，在工业生产中，流化床反应器是常用的气固相反应器，在化工，冶金，硅酸盐和能源等行业都已经获得成功应用。
流化床反应器中气固两相的混合和流动，传热和传质过程决定了化学反应过程的结果。
而床的结构又影响着上述过程，因此本章从介绍流化床的类型入手，首先讨论流化床中的气固流动问题，然后讲解流化床的传热和传质，最后介绍流化床的数学模型。
第一节流化床的类型一、散式流化床与聚式流化床流态化现象是指固体颗粒依靠气体或液体而像流体一样流动的现象。
根据流体种类及其流速变化可以看到不同的流态化现象。
如图（5-1-1）所示。
图5-1-1 流态化类型当流体向上流过固体颗粒床层时，如果流速较低，则流体从颗粒间隙流过，固体颗粒不动，称为固定床。
如果流速逐渐增大，则颗粒间空隙开始增大，床层体积膨胀，称为膨胀床；当流速增大到某个值时，床层刚刚被流体托动，固体颗粒开始流化时的流体线速度称临界（或最小）流化速度U mf。
对于液固系统，由于液体与固体颗粒的密度相差不大。
U mf较小便可以使流体流化。
当流速提高时，床层膨胀均匀且波动很小。
固体颗粒比较均匀的分布在液体中，称为散式流化床。
对于气固系统，由于气固两相密度相差很大，在气体流速超过U mf后，将出现气泡。
气体流速越高，气泡引起的扰动越剧烈，造成床层频繁波动，这种形态的流化床称为聚式流化床。
后面只讨论聚式流化床。
在聚式流化床中，随着气流速度的加大，床层的湍动程度也跟着加剧，故又称湍动床，床面以下部分称为密相床。
床面以上部分只有少量固体颗粒被抛掷和夹带上去，气体称为连续相，故称为稀相床。
密相床中颗粒不断翻腾，如同沸腾的水，故又称为沸腾床。
气固系统的聚式流化态过程中常常出现一些不正常现象。
例如：当气体流速超过U mf时床层尚未流化态，但有部分床层被气流冲出一层沟渠，称为沟流，其余部分的床层称为死床。
化学反应工程第五版复习资料
1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当甲醛和二氧化碳的摩尔数、和分别为：0(1)=7.672 018.960()=0.7672结合上述反应的化学计量式，水（）、氧气（）和氮气（）的摩尔数分别为：0238.300-1/23/20.8788 0=43.281. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+ 24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与粗甲醇 100 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（）组分 原料气 冷凝分离后的气体 26.82 15.49 H2 68.25 69.78 2 1.46 0.82 4 0.55 3.62 N2 2.92 10.29粗甲醇的组成为3 89.15%,(3)2O 3.553H9 1.102O 6.20%,均为重量百分率。
在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1粗甲醇而言，其溶解量为2 9.82g 9.38g2 1.76g4 2.14g25.38g 。
天津大学复试反应工程习题答案5停留时间分布与反应器
=150
（4）
（4）
由于返混很小，故可用
σ
2 θ
≈
2/
Pe ，所以：
（3）由（5.20）式可得模型参数 N 为： N = 1/ σθ2 = 1/ 0.01333 = 75
0
σ
2 θ
=
∞
θ
E(θ )dθ
−θ
=
1.2 2.5θ 2 dθ −1 = 0.01333
0.8 ∫ ∫
2
2
由式（5.23）可得方差：
E(θ )dϑ θ E(θ )dϑ
(f) 0 ∫ ∫
∞
∞
(3) 若该反应器为一个非理想流动反应器，试求
(2)若该反应器为全混流反应器，试求 （a）F(1)(b)E(1)(c)F(0.8)(d)E(0.8)(e)E(1.2)
（a） （a） F(1)(b)E(1)(c)F(0.8)(d)E(0.8)(e)E(1.2)
(f) 0
θ E(θ )dϑ
=1 ∫
∞
（ a ） F( ∞ )=1 (b)F(0)=0 (c)E( ∞ )=0 (d)E(0)>1 (e) 0
（3） 因是一个非理想流动反应器，故可得：
（5.33-5.36）式可得： （ a ） F(1)=1-e-1=0.6321 (b)E(1)=e-1=0.3679 (c)F(0.8)=1- -0. e 8=0.5507 (d)E(0.8)= e-0.8=0.4493 (e)=E(1.2)=0.3012
（2）
（2）
数学期望 θ
及方差
σ
2 θ
。
（1） （1） 该反应器的停留时间分布函数 F(θ)及分布密度函数 E(θ)。
试求：
化学反应工程Chapter 5
Constant Density
A 0
V X A C A0 C A FA0 rA CA0 rA
V C A0 X A C A0 C A v rA rA
Figure 5.4
Figure 5.6
PFR-- Mean Residence Time
mean residence time of t flowing material in the reactor
FA0dX A rA dV
FA0 dV dX A rA
v v0 1 A X A
P5.28
P5.29
Example 5.1
One liter per minute of liquid containing A and B (CA0 = 0.10 mol/liter, CB0 = 0.01 mol/liter) flow into a mixed reactor of volume V = 1 liter. The materials react in a complex manner for which the stoichiometry is unknown. The outlet stream from the reactor contains A, B, and C (CAf = 0.02 mol/liter, CBf = 0.03 mol/liter, CCf = 0.04 mol/liter), as shown in Fig. E5.1. Find the rate of reaction of A, B, and C for the conditions within the reactor.
反应工程5
FA0 FA (rA )VR 0
FA0 C A0v0 , FA FA0 (1 x A )
物料衡算式变为：
FA0 FA0 (1 x A ) ( rA )VR FA0 x A (rA )VR
此时，反应器体积： =v0CA0
FA0 x A v0 (C A0 C A ) VR ( rA ) (rA )
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分 割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。 连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。 当串联釜数足够多时，连续多釜串联的操作性 能就很接近理想管式反应器的性能。
例5-1和例5-2
可选例题:某二级液相反应A+B→C，已知 CAo=CB0 ，在间歇反应器中达到x=0.99，需反 应的时间为10min,问在全混流反应器中进行时， 应为多少的影响 由间歇操作转为连续操作时应当考虑 反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而 显著增强。
在工程放大中产生的问题 放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返 混程度的变化，给反应器的放大计算带来很大 的困难。因此，在分析各种类型反应器的特征 及选用反应器时都必须把反应器的返混状况作 为一项重要特征加以考虑。
对于恒容过程， A＝0 C A0 C A ＝ k
b. 一级反应
rA k CA C A0 x A x A (1 x A ) C A0 (C A0 C A ) k CA k (1 x A ) k CA (C A0 AC A )
对于恒容过程， A＝0 C A0 C A xA ＝ k (1 x A ) k CA C A0 k 或，x A＝ , CA 1 k 1 k
化学反应工程第五版答案
化学反应工程第五版答案【篇一：化学反应工程第一章习题参考答案】txt>1-1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇:空气:水蒸气＝2:4:1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72％，甲醛的收率为69.2％。
试计算：（1）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成解一：（1）由（1-17）式得反应的选择性为：s???0.9611?96.11%x0.720（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为设甲醇的转化率为ap醛和二氧化碳的摩尔数na、np和nc分别为： na=na0(1-xa)=7.672 molnp=na0yp=18.96 molnc=na0(xa-yp)=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（nw）、氧气（no）和氮气（nn）的摩尔数分别为：nw=nw0+np+2nc=38.30 molno=no0-1/2np-3/2nc=0.8788 molnn=nn0=43.28 mol解二：（1）根据定义：目的产物收率目的产物选择率y=消耗于主产物l上的关键组分a的量进入反应系统的a的初始量 s=消耗于主产物l上的关键组分a的量转化了的关键组分a的量反应物的转化率 xa＝转化了的关键组分a的量进入反应系统的a的初始量转化率、收率和选择率的关系y=xas已知：xch3oh= 72%yhcho = 69.2%s?则yhchoxch3oh?69.2%72%?96.11%（2）为方便计算，设进入反应器的甲醇的物质的量为2mol，则即反应后混合气体中：nch3oh = 2*(1-72%) =0.56molnhcho = 2*69.2%=1.384molnh2o =1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molnco2 = 2*(72%-69.2%)=0.056moln空气 = 4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中no2 = 4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molnn2 = 4*79%=3.16mol）总物质的量为：nt = 0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：ych3oh=0.56/8.02*100%=6.98%y空气= 3.224/8.02*100%=40.20%（其中yo2=0.80%,yn2=39.4%） yhcho=1.384/8.02*100%=17.26%yh2o=2.796/8.02*100%=34.86%yco2 = 0.056/8.02*100%=0.70%解：（1）?dnadna?kvrfa；??kwfa； dvrdwvr??b??bdvr?dw??dnadna????bkwfa dwdvr?b或者vr?sissdndna?p?w?i?pdvr?dw??a???i?p?kwfa dwsvsvdvrsvsi?psv即kvrsgsi??b?kw??p?kw?kw或 svsivr?sisdnadnasi?w?idvr?dw??????kwfa dwsgsgdvrsgsisgkvrsgsi??b?kw??p?kw?kw svsi（2）?dna?kwfa?kffa dw?kdnap?kcca?kca?cpa?kppa dwrgtrgtdnapyap?kcca?kc?kcya?kyya dwrgtrgt?对于理想气体，f接近于p，所以有kc?rgt?kp?rgt?kf?rgt?kw?rgtp?ky?dna?kwfa?kffa?kf?apa dwrgtp?ky kc?rgt?kp?rgt?kf?rgt?a?kw?1-6 有如下平行反应，0p为目的产物，各反应均为一级不可逆放热反应，反应活化能依次为e2e1e3，kj为j反应的指前因子，证明最佳温度top?e3?e2 k30(e3?e1)rln0k2(e1?e2)k1?k10e证明：?e1rte2rtncancanca0k2?k2e?k3?k30e因n相同，所以p的选择率 e?3rts??rprp?rs?rt1 1?s?trprp10k2k30(e1?e3)/rt(e1?e2)/rt1?0e?0ek1k1?令ds?0 dt所以0k30(e1?e3)/rtk2(e1?e2)/rtd(1?0e?0e)0k1k1k2e1?e2(e1?e2)/rtk3 0e1?e3(e1?e3)/rt???0e?0e?022dtk1rtk1rt1d()ds??dtdt0k2e1?e2(e1?e2)/rtk30e3?e1(e1?e3)/rte?0e整理，得022k1rtk1rtk30e3?e1e(e1?e2)/rt?0 (e1?e3)/rtk2e1?e2et?即ope3?e2k30(e3?e1) rln0k2(e1?e2)【篇二：化学反应工程作业答案】解： a?b?c?dra?k?c设a的转化率为xa，b的转化率为xb a?cbxa?na0?na??nanb0?nb??nb??xb? na0na0nb0nb0∵na0?nb0 ， ?na??nb ，∴ca?cb xaft=ca0?0dxa=ca0raxaf?011dxak=-=169.6 min2kc(1?x)ck?caa0afa0t与反应体积无关。
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c A0 n A0 / VR 1/ 0.559 1.79kmol/ m3
t cA0
x Af
0
dx A 1 x Af ( ) 2 k c c A k c c A 0 1 x Af
将xAf＝0.5、0.9、0.99分别代入上式计算可得
t 0.5 0.535h
t 0.9 4.81h
x A dx xA xA tm dxA dxA A , tm 0 (r ) 0 kc (1 x ) 0 k(1 x ) c A0 A V A0 A A
ln(1 x A ) ln(1 0.7) tm 1.31( h) k 0.92 VR V0t m 10 1.31 13.1( m3 )
rA kc A kcA0(1 x A ), km ol/(m3 h) - 7448.4 1 k 9.52 10 exp( ), h T c A0 2.30 km ol/ m3 , cR 0 0
9
解：50℃的反应速率常数为： 7448 .4 9 k 9.52 10 exp( ) 0.92(h 1 ) 273 50 反应器内的停留时间和反应器的体积为：
间歇反应器 (强烈搅拌的 间歇釜式反应器) 反应器 平推流 连续流动反应器 全混流 中间型 半间歇半连续型反应器
理想反应器
第一节 间歇釜式反应器
一、间歇釜式反应器的特点：
⑴由于剧烈搅拌，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 递对反应的影响 ⑵由于反应器内具有足够强烈的传热条件，反应器内各 处温度相等，因而无需考虑反应物料内的热量传递问 题 ⑶反应物按一定比例一次性加入反应器，反应后一次性 将物料排出，反应器内物料同时开始和停止，所有物 料具有相同的反应时间
c A0 t kc
x Af
0
dxA f ( xA )
1. 反应浓度 的影响
零级反应：t与初浓度CA0正比
一级反应：t与初浓度CA0无关
二级反应：t与初浓度CA0反比 零级反应：残余浓度随t直线下降
2. 残余浓度
一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
【例3－1】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器 中生产乙酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol 的A和4.96kmol的B，已知反应速率 2 (rA )V 1.045c A kmol/(m3 h) 试求乙酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。 已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3 解： CH3COOH C4H9OH CH3COOC4H9 H2O 对1kmol A而言，投料情况是： 乙酸(A) 1kmol 60kg 60/960=0.0625m3 正丁醇(B) 4.96kmol 368kg 368/740=0.496m3 该反应为液相反应，反应过程中体积不变，对1kmol A 而言，每次投料体积为：VR＝0.0625+0.496＝0.559m3
化学反应工程
第3章 理想反应器
反应工程研究的内容： 反应 反应器：反应器的设计和开发 反应器开发的任务： (1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式 (2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优 化设计 反应器特性： 流体的流动状态 流体的混合状态 反应器的结构和尺寸有关 反应器内的传热性能 (3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸
VR Q 0 (t t 0 )
★反应器实际体积V＞VR
V＝VR / f 其中 f 为装料系数：沸腾发泡的液体：0.4－0.6 其他液体一般：0.75－0.85 【例3－2】在间歇釜式反应器中进行如下的一级不可逆 液相反应：A=2R rA = kCA kmol/(m3· h) 其中： 7448 .4 1 9
c A cA0(1 xA )
x Af 0 c Af dc dxA A c A 0 (r ) (rA )V A V
t c A0
理想的间歇式反应器中反应时间和转化率以及反应物浓 度间的关系：
c A0
xA 0
t＝
dxA (rA )V
(一般式) (恒容)
dc A c A 0 (r ) A V
dx A 1 1 t cA0 ln 0 k c CA k c 1 x Af 7448 .4 k 9.52 10 9 exp( ) 0.92(h 1 ) 273 50 1 1 t ln 1.31h 0.92 1 0.7
x Af
则每批操作实际所需要的操作时间为：
第二节 平推流反应器
平推流反应器：又称活塞流反应器（PFR，Plug Flow Reactor）。假设物料以稳定流量流入反应器，在反应 器中平行地、像气缸活塞一样地向前运动，这样的反 应器称为平推流反应器 一、平推流反应器的特点： ⑴在连续定态条件下操作时，反应器在流动方向的径向 截面上物料的各种参数，如浓度、温度等只随物料流 动方向变化，不随时间而变化 ⑵由于径向具有均匀的流速，也就是径向不存在浓度分 布，反应速率随空间位置的变化只限于轴向 ⑶由于径向速度均匀，反应物料在反应器内具有相同的 停留时间，即返混为0
k 9.52 10 exp( T )( h )
CR0=0，R的分子量MR=60，CA0＝2.30 kmol/m3 反应终了A的转化率xA为0.70，装置的生产能力为 50000kg产物R/天。该生产的辅助时间为t0=0.75h，试 求在50℃下进行等温操作所需的反应器的有效体积
解：等温操作下反应时间t的计算
管式反应器的长远大于管径，且物系处于湍流状态时 接近于平推流流动，可看作是理想反应器 如果反应物系是液相的，在等温反应过程中，物料摩 尔流量有无变化，物系的密度均可视为不变，即等容 过程
★等容过程的平均停留时间tm
t m VR /V0
其中 VR：反应器的体积 V0：液相物系进口体积流量
二、平推流均相管式反应器的数学模型（设计方程） ★等温平推流均相反应器 取反应器内一微元体积 dVR进行物料衡算： 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 流入量 V0CA0 (1 xA ) 流出量 V C (1 x dx ) 0 A0 A A
V0CA0 (1 xA ) V0CA0 (1 xA dxA ) rAdVR
反应量
累积量
(rA )V dVR
0
V0CA0 (1 xA ) V0CA0 (1 xA dxA ) (rA )V dVR 0
V0CA0dxA (rA )V dVR
积分整理，可得达到一定转化率 xAf 所需的反应体积为：
t t 0 1.31 0.75 2.06h
反应终了时R的浓度为： CR 2C A0 x A 3.22kmol/ m3
Q0 50000 kg 1 1 50000 1 1 10.783m 3 / h 24h M R CR 24 60 3.22
VR Q0 (t t 0 ) 10.783 2.06 22.2m3
二、间歇釜式反应器的数学模型(基本设计方程) 对整个反应器进行物料衡算：
单位时间流出反应器A的量 单位时间 进入反应 器A的量
=
单位时间反应消失的A的量 单位时间反应器A的累积量
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 0 = 0 + （rA)V VR + dnA /dt
（rA)V VR + dnA /dt=0
习题3：醋酸与丁醇反应生成醋酸丁酯，反应式为 CH3COOH+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O (A) (B) (P) (S) 当反应温度为100℃并以硫酸作为催化剂时，动力学方 程式为(-rA)=kCA2 ，此时反应速率常数为k=17.4×10－ 3 L/(mol· min)。已知在一个理想间歇反应器中进行。 若进料中的醋酸的初浓度分别为0.9 mol/L和1.8 mol/L， 试计算： (1)反应的初始速率 (2)醋酸转化率xA=0.5所需的反应时间 (3)若反应釜料液为100L，则各得到多少千克醋酸丁酯 （醋酸转化率xA=0.5）
空速SV：
SV VS 0 / VR
其中 VS0为STP状态下的初态体积流量 标准接触时间 接触时间
VR 1 0 SV VS 0
VR V0
而平均停留时间tm只适用于等温等容反应
【例3－3】计算平推流反应器中的反应时间 一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在50℃ 反应转化率达70%所需的空时。若V0=10m3/h，求反应 器体积VR。 已知： A R
c Af
1.等温等容液相单一不可逆反应
dc A (rA )V k c f (c A ) dt
c Af dcA dcA t c A 0 (r ) c A 0 k f (c ) A V c A c Af
由于等容过程中
c A cA0(1 xA )
c Af cA0(1 xAf )
t 0.99 52.9h
计算结果表明，转化率从0.9提高到0.99时，反应时间从 4.81 h延长到52.9 h，说明大量反应时间花在高转化率上
2.等温等容液相单一可逆反应(要考虑到化学平衡)
3.等温等容液相多重反应
由间歇反应器的设计方程可得出结论： 反应物达到一定的转化率所需要的反应时间，只取决 于过程的反应速率或动力学因素，与反应器的大小无 关； 反应器的大小由反应物料的处理量决定 ★工程放大的时候，只要保证大型设备中的反应条件和 设备结构(如搅拌装置合理放大)与小型设备相同，便 可达到相同的反应效果 三、间歇釜式反应器的有效体积VR的计算方法： VR与单位时间反应物料处理体积Q0和操作周期有关 操作周期＝反应时间t +辅助时间t0