化学反应工程第二章
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化学反应工程第二章
14
五、转化率与反应程度的关系 • 结合二者定义式，简单推导可得： 结合二者定义式，简单推导可得： nA0 − nA xA = nA = nA0 +αAξ nA0 • 得到： 得到：
−αA xA = ξ nA0
15
反应程度与转化率比较： 反应程度与转化率比较：
反应程度 转化率
对 于 任 何 一 种 反应程度相同 转 化 率 不 一 反应物或产物 定相同 对 能 够 达 到 的 表示不够明确 表示明确 最大值 因次 有 无
• 必有
1 1 − rA = (− rB ) = (rC ) = (rD ) 2 2
−r I r= −αI
• 当I为反应物时， 为反应物时， 为反应物时 • I为产物时， 为产物时， 为产物时
r=
αI
19
r I
• 用转化率表示反应速率： 用转化率表示反应速率： nA0 dx A kmol －rA = 一般式 3 V dt m s • 用浓度表示反应速率： 用浓度表示反应速率：
3.基元反应和质量作用定律 基元反应和质量作用定律
• 单一反应：只用一个化学反应式和一个动力学 单一反应： 方程式就能描述的反应； 方程式就能描述的反应； • 复合反应：有几个反应同时进行，要用几个动 复合反应：有几个反应同时进行， 力学方程式才能描述的反应。 力学方程式才能描述的反应。 • 基元反应：若反应物微粒在碰撞中一步直接转 基元反应： 化为产物，则该反应为之。 化为产物，则该反应为之。基元反应是最基本 的单一反应。 的单一反应。 • 质量作用定律：对于基元反应，在一定温度下， 质量作用定律：对于基元反应，在一定温度下， 反应速率与反应物浓度的乘积成正比， 反应速率与反应物浓度的乘积成正比，且各反 应物浓度的方次等于各反应物的计量系数。 应物浓度的方次等于各反应物的计量系数。
五、转化率与反应程度的关系 • 结合二者定义式，简单推导可得： 结合二者定义式，简单推导可得： nA0 − nA xA = nA = nA0 +αAξ nA0 • 得到： 得到：
−αA xA = ξ nA0
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反应程度与转化率比较： 反应程度与转化率比较：
反应程度 转化率
对 于 任 何 一 种 反应程度相同 转 化 率 不 一 反应物或产物 定相同 对 能 够 达 到 的 表示不够明确 表示明确 最大值 因次 有 无
• 必有
1 1 − rA = (− rB ) = (rC ) = (rD ) 2 2
−r I r= −αI
• 当I为反应物时， 为反应物时， 为反应物时 • I为产物时， 为产物时， 为产物时
r=
αI
19
r I
• 用转化率表示反应速率： 用转化率表示反应速率： nA0 dx A kmol －rA = 一般式 3 V dt m s • 用浓度表示反应速率： 用浓度表示反应速率：
3.基元反应和质量作用定律 基元反应和质量作用定律
• 单一反应：只用一个化学反应式和一个动力学 单一反应： 方程式就能描述的反应； 方程式就能描述的反应； • 复合反应：有几个反应同时进行，要用几个动 复合反应：有几个反应同时进行， 力学方程式才能描述的反应。 力学方程式才能描述的反应。 • 基元反应：若反应物微粒在碰撞中一步直接转 基元反应： 化为产物，则该反应为之。 化为产物，则该反应为之。基元反应是最基本 的单一反应。 的单一反应。 • 质量作用定律：对于基元反应，在一定温度下， 质量作用定律：对于基元反应，在一定温度下， 反应速率与反应物浓度的乘积成正比， 反应速率与反应物浓度的乘积成正比，且各反 应物浓度的方次等于各反应物的计量系数。 应物浓度的方次等于各反应物的计量系数。
化学反应工程(第三版)第二章
2.40
2.42
1/T
11
2.1.2 均相反应动力学方程
k0 e16.58 1.587 10 6
k
1.857
106
85800
e RT
注意：① k0，E在一定温度范围内可以当着常数，若实际反应温度超 出实验温度范围时，将会产生误差。② k仅是温度的函数，其量纲与
反应的总级数有关。③ 气相反应用分压表示浓度时， k kp pA pB
（1）反应速率前冠以负号，避免反应速率出现负值；
（2）各组分反应速率的关系：
rA rP
A P
Baidu Nhomakorabea
（3）以上定义式仅适用于分批式操作的反应速率。
4
2.1 基本概念及术语
2.1-3 反应转化率和膨胀因子
一、转化率：
xk
nk 0 nk nk 0
反应掉的 K的物质的量 反应开始时 K的物质的量
由定义式可得：
（4）若单一反应的各计量系数满足 i 0 ，则称为等分子反应。
3
2.1 基本概念及术语
2.1-2 反应速率的定义
单位时间、单位反应容积内着眼组分K的物质的量的变化。
对单一反应
A
P
反应物A消耗速率
rA
dnA Vdt
恒容过程
rA
dcA dt
产物生成速率 注意：
化学反应工程-第2章
第二章
均相反应动力学基础
2.1 概述 2.2 等温恒容过程 2.3 等温变容过程
2.1 概述
第二章 均相反应动力学基础
均相反应是指在均匀的液相或气相中进行的反应。 均相反应动力学研究各种外界因素对反应速率和反应产物分布 的影响以及它们之间的定量关系。这种数学关系称为速率方程，或 本征（经典、固有、微观）动力学方程。
即：
ln
C Ae
C A0 C Ae C A C Ae
1 k1 1 t K
代入2-20式得：
将实验测得的CA-t数据，按照上式 C
ln
C A0
A
C Ae C Ae
与t作图可以得一条直线，斜率为k1+k2, 又因为k1/k2可知，因此可以求出 k1,k2 值。
2.1 概述
⑴
第二章 均相反应动力学基础
反应速率的量纲 反应速率常数的量纲与反应速率和f（Ci）的量纲有关：
kc ri
f Ci
ri的量纲为M.t-1.L-3。 f(Ci)的量纲取决于反应速率方程。例如，反应速率方程
为：
r kcC C i
a A
b B
浓度Ci的量纲为M.L-3，则浓度函数的量纲为(M.L-3)a+b。
2.1.1 化学反应速率
N 3H 2 NH 化学反应速率是指单位时间、单位物质量的物料数量的变 化量。 物质量：容积、质量或表（界）面积 物料：反应物或产物 对均相反应，物质量取容积，因此，均相反应速率定义为：
均相反应动力学基础
2.1 概述 2.2 等温恒容过程 2.3 等温变容过程
2.1 概述
第二章 均相反应动力学基础
均相反应是指在均匀的液相或气相中进行的反应。 均相反应动力学研究各种外界因素对反应速率和反应产物分布 的影响以及它们之间的定量关系。这种数学关系称为速率方程，或 本征（经典、固有、微观）动力学方程。
即：
ln
C Ae
C A0 C Ae C A C Ae
1 k1 1 t K
代入2-20式得：
将实验测得的CA-t数据，按照上式 C
ln
C A0
A
C Ae C Ae
与t作图可以得一条直线，斜率为k1+k2, 又因为k1/k2可知，因此可以求出 k1,k2 值。
2.1 概述
⑴
第二章 均相反应动力学基础
反应速率的量纲 反应速率常数的量纲与反应速率和f（Ci）的量纲有关：
kc ri
f Ci
ri的量纲为M.t-1.L-3。 f(Ci)的量纲取决于反应速率方程。例如，反应速率方程
为：
r kcC C i
a A
b B
浓度Ci的量纲为M.L-3，则浓度函数的量纲为(M.L-3)a+b。
2.1.1 化学反应速率
N 3H 2 NH 化学反应速率是指单位时间、单位物质量的物料数量的变 化量。 物质量：容积、质量或表（界）面积 物料：反应物或产物 对均相反应，物质量取容积，因此，均相反应速率定义为：
化学反应工程第二章
rA dCA dt kCACB k C A
k kC B 0
二级反应变成拟一级反应。
（2）可逆反应 正、逆反应都是一级，CP0 ﹦0
A P k
2
k1
rA
dC A dt
dC A dt
k1C A k2CP k1C A k2 C A0 C A
第2章 均相反应动力学基础
2.1 概述
均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均 处同一个相内进行的化学反应。
烃类的高温裂解为气相均相反应，酸碱中 和、酯化反应为典型的液相均相反应。
2.1.1化学反应速率及其表示
化学反应速率 ：单位时间、单位反应体积、组分A 的摩尔数变化量称为A组分的反应速率。 例 反应物
利用微分法求出的反应速率，以lg（﹣rA）对lg （CA）作图，应得到一条直线，直线的斜率等于a， 截距等于lgk。
对于动力学方程
方程两边取对数
( rA )
dC A dt
kC A C B
a b
lg rA lg k a lg C A b lg C B
y a 0 a1 x1 a 2 x 2
C AC B 0
1 CB0 C A0
ln
C BC A0 C AC B 0
1 C B 0 C A0
k kC B 0
二级反应变成拟一级反应。
（2）可逆反应 正、逆反应都是一级，CP0 ﹦0
A P k
2
k1
rA
dC A dt
dC A dt
k1C A k2CP k1C A k2 C A0 C A
第2章 均相反应动力学基础
2.1 概述
均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均 处同一个相内进行的化学反应。
烃类的高温裂解为气相均相反应，酸碱中 和、酯化反应为典型的液相均相反应。
2.1.1化学反应速率及其表示
化学反应速率 ：单位时间、单位反应体积、组分A 的摩尔数变化量称为A组分的反应速率。 例 反应物
利用微分法求出的反应速率，以lg（﹣rA）对lg （CA）作图，应得到一条直线，直线的斜率等于a， 截距等于lgk。
对于动力学方程
方程两边取对数
( rA )
dC A dt
kC A C B
a b
lg rA lg k a lg C A b lg C B
y a 0 a1 x1 a 2 x 2
C AC B 0
1 CB0 C A0
ln
C BC A0 C AC B 0
1 C B 0 C A0
化学反应工程 第二章习题答案
化学反应工程课后答案
化工103班
2-1 银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应 O H HCHO O OH
CH 223222+=+
O H CO O OH CH 22234232+=+ 进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气=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）反应的总选择性； （2）反应器出口组成。
解：根据甲醇：空气：水蒸气=2：4: 1.3（摩尔比），以100mol 进料为基准 。 设 χ y 分别为HCOH 和2co
生成量 O H HCHO O OH CH 223222+=+
O H CO O OH CH 22234232+=+
111
1
)1(---
=
-n A n A
c O
c c t k n ⇒ ⎪⎪⎭⎫- ⎝⎛-=--1101111n A n A
c c c n k ① ①式为无量纲对数形式可判别出c k 的单位
()
1
13---⋅s
m mol n
同理
⎪⎪⎭⎫- ⎝⎛-=--1101111n A n A
p p p n t k p k 的单位11--⋅s pa n 2-4 在间歇反应器中进行等温二级、一级、零级均相反应，求出转化率由
0变为0.9所需的时间，与转化率由0.9变为0.99所需时间之比。 解：
等温二级反应
111A A c c kt -= A
A c c kt 1
122-=
9.0=A
x 99.0=A x
91A kc t =
902A kc t =
10:1:2
1=t t
等温一级反应 A
A t
c c k 0ln
=
同上 解得 k
t t 10
化学反应工程第2章
边界条件（无死区）： R = Rp时，C A C As dC A R 0 时， 0 dR
Pellet 小球 颗粒
不同基准下反应速率常数的关系 式：
以反应体积为基准，称为体积速率常数kv 以反应面积为基准，称为表面速率常数ks 两者关系的推导： 1 dnA 1 dnA n
V dt kv C A , S dt
进入＝离开＋反应
圆柱状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分 方程
进入＝离开＋反应
dC dC DAeff A 2 ( R dR) L DAeff A (2 RL ) (2 RdRL )rA dR RdR dR R
kv d 2CA 1 dCA f (CA ) 2 dR R dR Deff
kv f (C A ) AdZ
kv d CA f (CA ) 2 dZ Deff
2
边界条件（无死区）： R = Rp时，C A C As dC A R 0 时， 0 dR
Z Z+dZ
R R+dR
圆柱状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分 方程
圆柱状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分 方程
n ks C A
kv：浓度为1时，单位时间单位体积的反应量 ks：浓度为1时，单位时间单位面积的反应量 假如单位体积里包含的表面积为Si,由述结论， 则显然有：kv ＝ks Si
化学反应工程__第2章_理想反应器讲解
例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
dt
即： dT dxA
Βιβλιοθήκη Baidu
dt
dt
初始条件：t=0 T=T0 xA=xA0
将上式积分得：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
2020年8月15日星期六
间歇式完全混合反应器
2020年8月15日星期六
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
化学反应工程第二章
2.1 反应宏观过程（3）
二 反应组分的浓度催化剂孔道的分布
无死区时浓度分布
存在死区时浓度分布
2.1 本征动力学与表观动力学（2）
三 本征动力学方程与宏观动力学方程 (Intrinsic kinetics and global kinetics)
反应速率由实际进行场所的浓度和温度决定的，采用幂函 数动力学方程时：
催化剂
• • • • • • • •
颗粒
2.1 反应宏观过程（2)
2.1 反应宏观过程（2)
一 催化剂表面反应过程 (Surface reaction)
在多孔催化剂上进行的气固相催化反应，由反应物在位于催化剂内表 面的活性位上的化学吸附、活化吸附态组分进行化学反应和产物的脱 附三个连串步骤组成，因此，气固相催化反应本征动力学的基础是化 学吸附。
5.1 过程为单组分反应物的化学吸附控制
n rA raA rdA ka p A 1 i kd A i 1
其中
i 1
n
i
是反应物和产物的表面覆盖度之和
2.2 气固催化本征动力学（12）
n 1 1 i 1 b p* b p* b p* b p* i 1 A A B B L L M M * b p A A A * * * * 1 b p b p b p b p A A B B L L M M
化学反应工程第二章均相反应动力学基础
2.1.5 反应动力学方程
即有：
(rA ) a k A (rB ) b k B
对于气相反应，速率方程常用分压表示：
（2-14）
（2-15） 式中 （2-16）
2.1.5 反应动力学方程
反应级数是指动力学方程中的浓度项的幂数，如式（213）中的α 、β ，通常把n=α +β 叫反应的总级数，n为 几则为几级反应，一般说来，一级和二级反应比零级和
下：
2.92 F 10.29%
解得：F=28.38kmol/h
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
因为循环气和新鲜原料气之比为7.2，故进合成塔的循环 气为720（kmol/h），出分离器的总气量为 720+28.38=748.38（kmol/h）
根据单程转化率的定义求得：
(26.8272015.49%) 748 .3815.49% x单 16.2% 26.8272015.49%
则把该反应叫单一反应或简单反应。
2.1.2 单一反应和复杂反应
如果在反应系统中发生两个或两个以上的化学反应，则 称为复杂反应，可大致分为下述几类。 ⑴可逆反应：
aA+bB
⑵平行反应： A A
rR+sS
（2-4）
B C
（2-5） （2-6）
2.1.2 单一反应和复杂反应
⑶连串反应： A ⑷自催化反应： B C （2-7）
《化学反应工程》(朱炳辰 第四版)课后习题第二章 答案详解
DA,CH 4 0.0032
DA,Ar 0.0030
又
M NH 3 17; (V ) NH 3 20.7;
1
n
[
y j yAN j / NA ]
DAm
jA
DAj
yNH 3 0.09;
西南科技大学应化 0902
2011-10-31
1
n
[
y j yA
MA /M j ]
DAm
j A
DAj
10
15
C
2 A
(
RT
)2
mol
/(g s)
7.696
10 15
8.314
2
773 2
10
12
C
2 A
3.1787
10
5
C
2 A
[
mol
/( g
s)]
k w 3.1787 10 5 [cm6 /(mol g s)]
kV P kw 0.8 3.1787105[cm3 /(mol s)]
DP
DP2
2
4
DP2
2.543105 1.5766 105 0.025
2.543105 1.5766105 1.0553 0.025
th(3
)
e 3 e 3
e 3 e 3
1
《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+O2
2NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数
2
kC=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=
dcA2
cB=2.65×104cA
dt
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 2
rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApB
RT RT
p表示的动力学方程。
解：
.因，
w
w
nAp
=A，微分得RTV
daw
案
2
4
网
pAp
，cB=B
RTRT
3P，其动力学方程为( rA)=
dnAn
=kA。试推导：在恒容下以总压VdtV
δA=
3 1
=21
dnA1dpA
=
VdtRTdt
代入原动力学方程整理得
w
dpA
=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
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（1）
mol/[L s (kgf/cm2) 3]
m
（1）
则
nA=nA0
1
(n n0)δA
1
(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。
《化学反应工程》第二章
若cAS=0，则
4k S c 1 1 S i Ag kG S e
(rA ) g kG SecAg
第二节 催化剂颗粒内气体的扩散
2-4 催化剂中气体扩散的形式
大孔径的分子扩散（容积扩散）孔径小于分子自由程（努森扩散） 孔径d<0.1μ m
构型扩散 孔径d=0.5~1nm
dnA dc dcA dc D S A D SS P D P SS A dt dxL d (l ) dl dcA dl De : 以颗粒外边面为基准的 有效扩散系数。 De S S
2-9 曲折因子的实验测定 曲折因子的测定方法： 1.定态隔膜法： 适用于圆柱形及单孔环柱形催化剂。
综合扩散系数 DAe(cm2/s)：
DAe 1 1 / DKA (1 y A ) / DAB
: 扩散通量系数， 1 N B / N A , N B、N A为A, B的扩散通量m ol/(m 2 / s);
y A : 气相中A组分的摩尔分数。
定态双组分扩散：
D 1 1 / DK 1 / DAB
cAC ≈ c* A Rp 0 内扩散影响强烈时 反应物A的浓度分布
3.外扩散控制
1 1 k G S e k S S i
* (rA ) g kG Se (cAg c* ) k S ( c c AS G e Ag A)
4k S c 1 1 S i Ag kG S e
(rA ) g kG SecAg
第二节 催化剂颗粒内气体的扩散
2-4 催化剂中气体扩散的形式
大孔径的分子扩散（容积扩散）孔径小于分子自由程（努森扩散） 孔径d<0.1μ m
构型扩散 孔径d=0.5~1nm
dnA dc dcA dc D S A D SS P D P SS A dt dxL d (l ) dl dcA dl De : 以颗粒外边面为基准的 有效扩散系数。 De S S
2-9 曲折因子的实验测定 曲折因子的测定方法： 1.定态隔膜法： 适用于圆柱形及单孔环柱形催化剂。
综合扩散系数 DAe(cm2/s)：
DAe 1 1 / DKA (1 y A ) / DAB
: 扩散通量系数， 1 N B / N A , N B、N A为A, B的扩散通量m ol/(m 2 / s);
y A : 气相中A组分的摩尔分数。
定态双组分扩散：
D 1 1 / DK 1 / DAB
cAC ≈ c* A Rp 0 内扩散影响强烈时 反应物A的浓度分布
3.外扩散控制
1 1 k G S e k S S i
* (rA ) g kG Se (cAg c* ) k S ( c c AS G e Ag A)
化学反应工程+第二章
一、吸附的基本理论
物理吸附：由分子间力——范德华力产生；无明显选择 性；单分子层、多分子层；吸附、脱附速率快；热效应较 小；T ，吸附量 （只在较低温度下进行）。
化学吸附：由固体表面与吸附分子间化学键产生；有显 著选择性；单分子层；热效应与反应热同数量级；被吸附 分子结构发生变化，成为活性态吸附分子，活化能低（在 较高温度下更有利）。
1
p
1
t
1
p
Vg p
（补充内容结束）
*孔径及其分布：
微孔(micropore): 孔半径1nm；活性炭、沸石分子筛
中孔（mesopore）：孔半径1——25nm；多数催化剂 中的大部分孔（气体吸附法测分布）
大孔（macropore）：孔半径大于25nm；硅藻土（汞 压法测分布）
平行孔模型：催化剂中孔道是由一系列互不相交、内壁 光滑、半径不等的平行圆柱状孔所组成。
子与催化剂固体表面碰撞，其中只有一部分才能碰上空着的活
性位，这个碰撞概率为f( ) A
吸附速率: ra A pA f (A) exp[Ea /(RT)] A 是比例常数
脱附速率： ① 与表面覆盖率有关，用函数 f '(A) 表示， ② 与脱附活化能Ed有关，与exp[-Ed/(RT)]成正比。
化学吸附速率： ① 气体分子对固体表面的碰撞频率愈大，吸附速率也愈大，根据
化学反应工程课件—第二章（反应速率）（ＰＤＦ）
意
算结果均是如此)，对于复杂反应Φ ≠ x
¾ 收率也有单程和全程之分（循环物料系统）
¾ 无论是收率还是选择性，还有其它的定义(结果不
一样，但说明同样的问题)
¾ 转化率x只能说明总的结果， Φ 说明在转化的反
应物中生成目的产物的比例。
选择性S
S
=
生成产物P的量 生成产物S的量
得率
Xp
=
生成产物P的量 反应物的起始量
2）乘以一非零的系数λi后，可得新的计量方 程。
S
∑ λiα i Ai = 0
i =1
3）与化学反应方程不同，方程表示的方向， 而计量方程表示的是量。
4）单一反应；复合反应。
2009-5-3
5
二、 化学反应速率的定义 1.间歇系统
化学反应速率是以单位时间，单位反应区内着眼 (或称关键)组分K的物质量摩尔数变化来定义K组 分的反应速率。
则反应的选择性为： S = 1.504 = 75.24% 1.999
S = Y = 10.3 = 75.24% x 13.33
由此可见，乙烯转化率和环氧乙烷收率都很低,实 际生产中是将反应器出来的气体用水吸收以除去环 氧乙烷，用碱吸收除去二氧化碳，余下的气体用循 环压缩机压缩后与新鲜乙烯和氧相混合，送入反应 器中继续反应，这样便构成了一个循环反应过程。
它是表示各反应物、生成物在反应过程的变
第二章 化学反应工程基础
第二章化学反应工程基础
本章学习重点：
（1）如何根据反应的特点与反应器的性能特征来正确选择反应器的形式与操作方式（2）造成非理想流动的原因及其测定描述，非理想流动对化学反应的影响。
第一节化学反应和反应器的分类
第二节均相反应动力学
第三节理想反应器的设计
第四节理想混合反应器的热稳定性
第五节连续流动反应器的停留时间分布
第六节流动模型
第七节停留时间分布与化学反应
第一节化学反应和反应器分类
1、化学反应的分类
2、反应器的分类
3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态
1、化学反应的分类
（1）按化学反应的特性分类
（2）按反应物料的相态分类
（3）按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
（2
（3
2
（1）按物料相态分类的反应器种类
（2）按反应器的结构型式分类
夹套式蒸汽加热反应釜
内外盘管式加热不锈钢反应釜管式反应器
鼓泡塔反应器
固定床反应器
厌氧流化床反应器
（3）按操作方式分类
间歇反应器特点：
1、反应物料一次加入，产物一次取出。
2、非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。
3、同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。
连续反应器特点：
1、反应物料连续加入，反应产物连续引出。
2、稳态操作，反应器内任一点的组成不随时间改变
半连续反应器特点：
1、某些反应物料一次加入，其余物料连续加入，或者将某种产物连续取出。
2、非稳态操作。
3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态
平推流反应器特点：
1、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料浓度不随时间变化。
2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。
2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应速率随空间位置改变，即反应速率的变化只限于反应器的轴向。
化学反应工程2(第二章-均相反应动力学基础)
反应开始时总mol数（单位体积）：CM0= CA0+ CC0
两参数是无法积 分的，设法变为 单参数微分形式
任何时刻：CC=CC0+（CA0-CA）=CM0- CA
rA
dCA dt
kCA CM 0
CA
积分得C
MO
k
t
ln
C C
A CM 0 A0 CM
C A0 0 CA
rA
kc
C
Aa C
b B
C
l L
C
m M
rA k p PAa PBb PLl PMm
rA
k
y
y
a A
y
b B
y
l L
y
m M
kc、ky、kp之间的关系为：
kc
k p RTn1
k
y
RT P
n1
习题：推导kc、ky、kp之间的关系。
return
§2.2 化学反应速率方程式的解析形式 ●等温恒容过程（以液相恒密度反应为主）
●幂函数型
对反应：AA+BB
kC
LL+MM
kC'
rA
kcCAaCBbCLl CMm
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第一节 气－固相催化反应的宏观过程
2－2 内扩散有效因子与总体速率 1.内扩散有效因子ζ 在催化剂颗粒内部，反应物的内扩 散过程和化学反应过程同时进行， 扩散－反应过程的表观结果是使A的 浓度下降，A的浓度分布见图2－1 当为等温过程，即整个颗粒上温度 是均匀的，颗粒外表面的浓度比颗 粒内部任一点的都要大，所以按颗 粒外表面浓度计算的反应速率最大， 越到颗粒内部越小。
பைடு நூலகம்
多相催化化学反应过程步骤
⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸
A
cAS
cAG
⑹ ⑺
B
A （g）
B（g）
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； 2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内 扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联 而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附 4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。 第1、5步称为外扩散过程，第2、4步称为内扩散过程，第3 步称为本征动力学过程。 在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的， 相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。
* CAg CA (rA )g = 1 1 kG Se ks Si ζ
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
上式的物理含义为：
过 程 的 总 推 动 力 () r = A g 外 扩 散 阻 的 力 " 内 扩 散 反 应 " 的 阻 力
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
在稳定状态下，反应物由颗粒外表面扩散进入颗粒内 部的速率等于反应物在整个颗粒内部的反应速率，因 此，ζ 可以改写为
按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 梯 度 计 算 的 反 应 速 率 ζ = 按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 计 算 的 反 应 速 率
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
宏观动力学 气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相主体、 固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率 的“总和”，称之为总体速率。 气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过 程，称之为宏观动力学，其速率称为总体速率。 本章主要内容 讨论 气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内 容有以下几方面。 1）催化剂颗粒内气体的扩散； 2）催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散 有效因子； 3）宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
2－1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布 设某反应的关键组分为A； 催化剂为球形，关径Rp；颗粒内活性组分均匀分布； 颗粒外表面有滞流边界层； A在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为CAg 、 CAs、 CAc；平衡浓度为CA*。 外扩散过程 扩散推动力：CAg －CAs CA 是直线分布 扩散－反应过程 CA为内扩散过程和反应过程的表观浓度，是一条曲线。 在以后的学习过程中会得到证明。
3 C H C H C H N H 2 3 3 2O 2
从上述反应可以得出气－固相催化反应的特点。
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
反应特点 1）反应物和产物均为气体； 2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面。 反应步骤 反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应 过程组成的，反应分5步进行。
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
2.总体速率通式 在稳定状态下，反应组分A从气相主体扩散通过滞 流边界层到达颗粒外表面的速率和整个催化剂颗粒 的实际反应速率相等，即总体速率的通式如下：
式中：
(rA ) g
( r ) = k f () C S ζ = k S ( C C ) A g s A si G eA g A s
为总体速率； 为外扩散传质系数； 为单位床层体积颗粒的外表面积。
kG
S
e
上式又称为气－固相催化反应宏观动力学方程通式。
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
3.一级可逆反应的总体速率方程 颗粒的本征动力学方程若为一级可逆反应，则有下式：
f (C A) C A r C A k s f( A) kC s A (r k S C C A) g= G e( A g A s)=kC s A sS i ζ
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
概述
在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。
C H HO 4 2 C O H 2 N 3 H 2 2 C O 3 H 2 H C H O + HO 2 C H C H C N3 HO 2 2 C HO 3 H 2 N H 3
C HO + 0 .5 O 3 H 2
于是得到：
* f( C ) C C A A A * C — 平 衡 浓 度 A— * r k f ( C ) k ( C C ) A s A s A A * ( r ) = k S ( C C ) = k ( C C )S Ag G e A g A s s A s A i ζ
CA
CA
g
CAS CAC 距离
0
Rp
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
ζ 的定义： 单颗粒催化剂上实际反应速率和按颗粒外表面浓度CAs计 算的理论反应速率之比值，称之为内扩散有效因子，或 内表面 利用率，记作ζ 。
ζ=
Si
k s f (C A ) ds
k s f (C As ) S i
式中，ks为按单位内表面积计算的催化反应速率常数； f( )为动力学方程中的浓度函数，CA随径向距离而变 化；Si为单位体积催化床中催化剂的内表面积。 上式中，分子项是催化剂颗粒内各活性点的反应速率 的总和，由于不可能建立f(CA)与S之间的函数关系， 分子项是无法解析计算的。
1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； 2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附 4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。