《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》解析
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反应工程课件 第二章_均相反应的动力学反应基础
• 化学组分：任意具有确定性质的化合物或元素 • 反应物质：反应器内（或化学反应过程）物料的总
和 • 反应物：参加反应的物质（反应物、产物） • 伴随物：存在于系统，但本身不发生化学变化的物
质。溶剂、稀释剂、惰性物质、催化剂、杂质等 • 反应器、反应容积、反应设备：指在其中实施化学
反应的设备 • 反应体积：指反应器中反应物质所占据的体积 • 反应场所（有效反应体积）：反应器中确实发生化
本章重点和难点
掌握化学反应速率的概念、各种表示方式及其相 互关系，会设计实验-处理数据-建立动力学方程。
掌握转化率、收率、得率和选择性的概念，了解 其在反应器设计计算中的应用。
理解温度和浓度对反应速率的影响。 理解可逆反应、平行反应及连串反应的动力学特
征，并学会根据动力学特征控制反应参数优化产 品组成。
mol m3 s
rB
1 V
dnB dt
;
rs
1 V
dns dt
;
rR
1 V
dnR dt
(2-1-பைடு நூலகம் )
2.1.1 化学反应速率及其表示——化学反应速率
可见，同一反应按不同组分计算得到的反应速率在 数值上可能并不相等，但根据反应分子数的计量关 系，各组分反应速率之间存在如下关系：
rA rB rR rS
对任一化学反应 AA + B B R R + S S
t=0, =0 t=t, =
na,0
nb,0
na
nb
nr,0
ns,0
nr
ns
化学反应的通式 0 vBB
nB,0和nB分别代表任一组分B在起始和t 时刻的物质的量。vB是
化学计量系数
和 • 反应物：参加反应的物质（反应物、产物） • 伴随物：存在于系统，但本身不发生化学变化的物
质。溶剂、稀释剂、惰性物质、催化剂、杂质等 • 反应器、反应容积、反应设备：指在其中实施化学
反应的设备 • 反应体积：指反应器中反应物质所占据的体积 • 反应场所（有效反应体积）：反应器中确实发生化
本章重点和难点
掌握化学反应速率的概念、各种表示方式及其相 互关系，会设计实验-处理数据-建立动力学方程。
掌握转化率、收率、得率和选择性的概念，了解 其在反应器设计计算中的应用。
理解温度和浓度对反应速率的影响。 理解可逆反应、平行反应及连串反应的动力学特
征，并学会根据动力学特征控制反应参数优化产 品组成。
mol m3 s
rB
1 V
dnB dt
;
rs
1 V
dns dt
;
rR
1 V
dnR dt
(2-1-பைடு நூலகம் )
2.1.1 化学反应速率及其表示——化学反应速率
可见，同一反应按不同组分计算得到的反应速率在 数值上可能并不相等，但根据反应分子数的计量关 系，各组分反应速率之间存在如下关系：
rA rB rR rS
对任一化学反应 AA + B B R R + S S
t=0, =0 t=t, =
na,0
nb,0
na
nb
nr,0
ns,0
nr
ns
化学反应的通式 0 vBB
nB,0和nB分别代表任一组分B在起始和t 时刻的物质的量。vB是
化学计量系数
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编第八章气液两相反应器PPT课件
（8-14）
定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即
NA(rA )d SA n dtD LA ddA czz0
将A的浓度分布对z求导后代入上式得
式中，
N A( rA )D L LA cA 1 i b D L L D c B c B A AL i kLc A Ai
k LA
DLA L
，称为液膜传质系数。
（8-16）
1 DLBcBL bDLAcAi
，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气
液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率 kLAcAi 之比。 13
式（8-15）中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将 其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，
N AkG(A p Ap A)i( rA )kLc A A 1 ib D L L D c c B B A A L i
第八章 气液两相反应器
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
8.1 概述
气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型： （1）化学吸收： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品
a.
b.
c.
（淤浆床）
A ( g b) l) B P(( r A ) k A c B c
定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，对组分
A作物料衡算：
D Ld A dAc z( rA )d z D Ld A d c zAd dAc d z z
整理得
DLAdd2cz2A kcAcB 0
《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》ppt
B
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工
化学反应工程陈甘棠第三章课件
假设B间歇投料，A缓慢连续加料，则：
cB cB0
rAkcB0cA kcA
2019/9/23
对A进行物料衡算：
输入 = v0cA0
输出 = 0
积累 = dVR cA
dt
反应 = rAVRkcAVR
v0cA 0rAV RdV d R cA t
v0cA0kcA VRdV d RcA t
2019/9/23
第三节 全混流反应器
1 、物料衡算
输入 = v0cA0
积累 = 0
输出 = v0cA
A的反应量 = rAVR
v 0 c A 0 v 0 c A ( r A )V R 0
v0cA 0v0cArA V R
2019/9/23
VR
v0
cA0cA rA
例 3-1
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
C3H CO O C2H H 5OH C3H CO2H O 5H C 2O 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℃ 下等温操作，其反应速率方程如下：
用直接迭代法或牛顿-拉夫森法求得满足上述关系的t值
2019/9/23
2.以生产费用最低为目标
AT
ata0t0aF VRCRMR
a 0 ：辅助操作费用
a ：单位时间内反应操作费用
a F ：固定费用 AT ：单位质量产品的总费用
2019/9/23
dA T dt
1
MRVR
acR
ata0t0
cB cB0
rAkcB0cA kcA
2019/9/23
对A进行物料衡算：
输入 = v0cA0
输出 = 0
积累 = dVR cA
dt
反应 = rAVRkcAVR
v0cA 0rAV RdV d R cA t
v0cA0kcA VRdV d RcA t
2019/9/23
第三节 全混流反应器
1 、物料衡算
输入 = v0cA0
积累 = 0
输出 = v0cA
A的反应量 = rAVR
v 0 c A 0 v 0 c A ( r A )V R 0
v0cA 0v0cArA V R
2019/9/23
VR
v0
cA0cA rA
例 3-1
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
C3H CO O C2H H 5OH C3H CO2H O 5H C 2O 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℃ 下等温操作，其反应速率方程如下：
用直接迭代法或牛顿-拉夫森法求得满足上述关系的t值
2019/9/23
2.以生产费用最低为目标
AT
ata0t0aF VRCRMR
a 0 ：辅助操作费用
a ：单位时间内反应操作费用
a F ：固定费用 AT ：单位质量产品的总费用
2019/9/23
dA T dt
1
MRVR
acR
ata0t0
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
床层或反应器内宏观动力学模型(或简称床层动力学模型) 各种类型反应器内的催化剂床层，计入反应气体与催化剂颗粒的相 互流动状况，和使用过程中催化剂失活影响的诸多因素，即处于介 尺度的宏观动力学。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
化学反应工程陈甘棠第一章
银催化剂
CH2 CH2 CHCH
加氢 CH2 CH2 氧化
（微量） CH CH H2 H2CC2H H2
CHCH
O
H2C CH2
C H C H H 2O
O
用于能源过程
400c
Ca2C C l H 3OH 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
CH3-OH
低压
C a C l2·2 H3C -O H 1500C
按操作方式分类 间歇操作 连续操作 半连续操作 按反应器除热方式分类
T 0C
绝热式
L
2019/11/4
间壁换热式 自热式 冷激式
相变式
2019/11/4
L
L
T℃
L
T℃
t (hr)
按反应物相态分类
均相反应 非均相反应
非催化反应 大部分气相反应 快速反应（燃烧等）
经济学
化学热力学——讨论反应进行的方向和限度，平衡问题 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率
反应动力学——阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、 浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 —— 决定能否实际应用的关键所在
2019/11/4
•反应器中流体流动、混合传热与传质 ——影响反应速率的外因 如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等 ——“放大效应“产生的直接原因 •设备结构及参数设计 如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、 操作方式（连续、分批） ——考虑经济上的合理性
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2019/11/4
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
化学反应工程陈甘棠第三章课件
的几何尺寸并进行某些经济评价。
2020/3/30
间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
2020/3/30
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。
2020/3/30
1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA)VR
积累 dn A dVR cA
dt
dt
2020/3/30
t 0 ,c A c A 0 ,x A 0 ,T T 0
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U0
积分：
2020/3/30
ddT tcH vrcA0ddA xt
t 0 ,T T 0 ,xAxA 0
TT 0 c H vrcA 0xAxA 0
3 反应容积的计算
V RQ 0tt0
t ：反应时间 t 0 ：辅助时间
求反应时间
2020/3/30
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
c A c A 0 1 x A cBcB 0cA 0cA
cRcA0xA
cScS0cA 0xA
代入速率方程，整理后得：
式中：
2020/3/30
r A k 1 a 2 b x A c x c A 0 2
2020/3/30
间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
2020/3/30
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。
2020/3/30
1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA)VR
积累 dn A dVR cA
dt
dt
2020/3/30
t 0 ,c A c A 0 ,x A 0 ,T T 0
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U0
积分：
2020/3/30
ddT tcH vrcA0ddA xt
t 0 ,T T 0 ,xAxA 0
TT 0 c H vrcA 0xAxA 0
3 反应容积的计算
V RQ 0tt0
t ：反应时间 t 0 ：辅助时间
求反应时间
2020/3/30
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
c A c A 0 1 x A cBcB 0cA 0cA
cRcA0xA
cScS0cA 0xA
代入速率方程，整理后得：
式中：
2020/3/30
r A k 1 a 2 b x A c x c A 0 2
化学反应工程陈甘棠第一章
200-3000c
2019/10/7
六、反应工程的前沿领域
•新材料合成
•能源化工
•环境化工
•新反应器
•操作方式
作业：反应工程的前沿之一
2019/10/7
——对×××××××××的综述
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
HO C C CH3
H2 H
(叔丁醇)
2019/10/7
b ：高纯硅生产
化学 纯 Si
Si
光谱 纯 Si
Si
SiF 4 (G ) SiF 4 (G )
SiSiF4 2SiF2
2019/10/7
反应用于净化原料
银催化剂
CH2 CH2 CHCH
加氢 CH2 CH2 氧化
（微量） CH CH H2 H2CC2H H2
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
2019/10/7
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
反应器中流体
流动、混合传
热和传质
反应
化 化学热力 学 学与反应
动力学
反应 过程 分析
过程动 态特性与 反应系统
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
设备结构及 参数控制
优化
2019/10/7
1 Ca2B H r2O CaO2 H B r
2 CaO B r 2 Ca2Br12O2
700-7500c 500-6000c
3 3Fe2B 4H r2O F2O e46 H B r + H2
550-6500c
4 Fe2O4 8 H B r 3Fe2B 4H r2O B r 2
CHCH
《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。
化学反应工程陈甘棠第二章第一节-PPT课件
——已知一组分的转化率求其他组分的转化率
2019/2/20
3）膨胀因子 等分子反应：当计量方程中计量系数的代数和
等于零时，即：
化学反应
i
s
i
0
非等分子反应：
i
s
i
0
如：恒温、恒压下连续的气相 均相反应或气-固催化反应
2019/2/20
对于非等分子反应定义：
k i k
i1
2、化学计量方程
a A a A a A 0 1 1 2 2 s s
a A
i 1 i
s
i
0
几点说明： 产物的计量系数为正，反应物的计量系数为负 计量方程式仅仅表示反应物间的质量变化，与反应历程无关。
2019/2/20
计量方程的写法统乘以非零因子都成立，即： a i Ai 0
一、基本概念和术语
1.均相反应
均相反应： 参予反应的各物质均在同一相内进行的化学反应。
如：烃类的高温气相裂解反应，一般的酯化、皂化 反应等 均相反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和 压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并 确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关
系的速率方程。
2019/2/20
s
意义：每反应掉1kmol的反应物k所引起反应体系总摩尔数的
变化量
其他表达方法：
n n0 n n0 k n0 y k 0 xk nk 0 xk
n n0 1 yk 0 xk
2019/2/20
n n y x 1 0 k k 0 k
——由xk和δ k求着眼组分k的摩尔数表达式 又根据转化率的定义：
2）反应程度 各组分在反应前后摩尔数变化与其计量系数的比值， 用ξ 表示
2019/2/20
3）膨胀因子 等分子反应：当计量方程中计量系数的代数和
等于零时，即：
化学反应
i
s
i
0
非等分子反应：
i
s
i
0
如：恒温、恒压下连续的气相 均相反应或气-固催化反应
2019/2/20
对于非等分子反应定义：
k i k
i1
2、化学计量方程
a A a A a A 0 1 1 2 2 s s
a A
i 1 i
s
i
0
几点说明： 产物的计量系数为正，反应物的计量系数为负 计量方程式仅仅表示反应物间的质量变化，与反应历程无关。
2019/2/20
计量方程的写法统乘以非零因子都成立，即： a i Ai 0
一、基本概念和术语
1.均相反应
均相反应： 参予反应的各物质均在同一相内进行的化学反应。
如：烃类的高温气相裂解反应，一般的酯化、皂化 反应等 均相反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和 压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并 确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关
系的速率方程。
2019/2/20
s
意义：每反应掉1kmol的反应物k所引起反应体系总摩尔数的
变化量
其他表达方法：
n n0 n n0 k n0 y k 0 xk nk 0 xk
n n0 1 yk 0 xk
2019/2/20
n n y x 1 0 k k 0 k
——由xk和δ k求着眼组分k的摩尔数表达式 又根据转化率的定义：
2）反应程度 各组分在反应前后摩尔数变化与其计量系数的比值， 用ξ 表示
化学反应工程-1-第一章-均相反应动力学
例2：NO和H2在适合的条件下可发生反应生成N2和H2O，其计量方程为： ： 2 NO + 2 H 2 = N 2 + 2 H 2 O r 由实验测得其速率方程为：N 2 = kC 2 C H 2 No 显然，该反应的反应级数与计量系数不相一致，试设定能满足这一实 验结果的反应机理式。
解：至少可以设定两种机理符合实验结果： 机理1： NO和H2的反应由以下两个基元反应组成：
推导出的方程和由实验获得的方程形式一致，假设的机理可能是 正确的。
三、链反应机理 由无限个基元反应组合而成，它们像链那样一个接一个传递下去。如：
H 2 + Br2 → 2 HBr 其机理如下：
Br 2 + M 1 → 2 Br ⋅ + M ⋯ ⋯ (1 )
k
Br ⋅ + H
H ⋅ + Br 2 → HBr + Br ⋅ ⋯ ⋯ (3 ) k4 H ⋅ + HBr → H 2 + Br ⋅ ⋯ ⋯ (4 ) k5 2 Br ⋅ + M → Br 2 + M ⋯ ⋯ (5 )
= kC m C n A B
2、速率常数k 速率常数k
Ea k = k 0 exp − RT
Ea的含义：反映了反应速率对温度的敏感程度。 活化能：40—400KJ/mol。 E a < 40 KJ ⋅ mol −1，反应瞬间完成；当 Ea > 100KJ ⋅ mol−1 ，须加热 当 才能进行。 二、双曲函数型 通常由所设定的机理而导出的，如：
1.拟平衡态假设： 拟平衡态假设： 拟平衡态假设 • 在一系列基元反应中，其中一个基元反应速率最慢，是整个过程的控 制步骤，整个反应速率可以由它来代表。而其它基元反应很快，视其 处于“拟平衡状态”。 2.拟定常态假设： 拟定常态假设： 拟定常态假设 •各个基元反应速率的数量级相同，中间产物的浓度在整个过程中恒定。
化学反应工程陈甘棠第五章第一节
微分反应器的优点 :
可以直接求出反应速率，催化剂用量 少，转化率又低，容易做到等温，但 分析精度对应的要高的多。
*
STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
催化剂回转式反应器 ：
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。
G
适用于：
图中
*
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，当dp<dp*时，无内扩散的影响。
rA
dp
dp*
2)实验用反应器
实验时改变流量，测定转化率， 作图可得代表反应速率的等温线。
积分反应器:
①固定床积分反应器和微分反应器
指一次通过后转化率较大(xA>25%)的情况
宏观速率 :
整个反应过程的速率
排除内外扩散影响的速率
本征动力学 ：
反应速率
2、吸附与脱附
1）兰格缪尔模型Langmuir型
假定：
① 催化剂表面各处的吸附能力是均一的，即均匀表面 ② 被吸附分子间的作用力可略去不计（无作用力） ③ 单分子吸附 ④ 吸附的机理均相同。
A
B
C
脱附速率为：
当吸附达到平衡时：
则：
余各其步都达到了平衡状态
控制步骤
*
令：
iii）脱附控制
若
01.
为控制步骤
02.
其余各步都达到了平衡状态
03.
*
令：
令
2）幂数型的反应速率式
控制步骤
合成氨的机理模型
01
由焦姆金德吸附等温式可知：
可以直接求出反应速率，催化剂用量 少，转化率又低，容易做到等温，但 分析精度对应的要高的多。
*
STEP4
STEP3
STEP2
STEP1
催化剂回转式反应器 ：
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。
G
适用于：
图中
*
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，当dp<dp*时，无内扩散的影响。
rA
dp
dp*
2)实验用反应器
实验时改变流量，测定转化率， 作图可得代表反应速率的等温线。
积分反应器:
①固定床积分反应器和微分反应器
指一次通过后转化率较大(xA>25%)的情况
宏观速率 :
整个反应过程的速率
排除内外扩散影响的速率
本征动力学 ：
反应速率
2、吸附与脱附
1）兰格缪尔模型Langmuir型
假定：
① 催化剂表面各处的吸附能力是均一的，即均匀表面 ② 被吸附分子间的作用力可略去不计（无作用力） ③ 单分子吸附 ④ 吸附的机理均相同。
A
B
C
脱附速率为：
当吸附达到平衡时：
则：
余各其步都达到了平衡状态
控制步骤
*
令：
iii）脱附控制
若
01.
为控制步骤
02.
其余各步都达到了平衡状态
03.
*
令：
令
2）幂数型的反应速率式
控制步骤
合成氨的机理模型
01
由焦姆金德吸附等温式可知：
化学反应工程陈甘棠第四章课件
cA 81.3333
c A dt
0
2019/10/29
Et 4 0.0492
t5 81.3333
t
Ft Etdt
0
F t
5
t5 E t
0
dt
15 81.33330
cAdt
77 81.3333
0.9467
tc A dt
o
留在系统中的量 VRCA00tI(t)dt
2019/10/29
t
t
v0cA01Ftd tVRcA0Itdt
0
0
1 F t It tIt EtdIt
dt
有时采用
强度函数
t1
Et It
表示两者的关系:
t1
t t 2 E t dt t 2 0
t
t
2
Etdt
t2Etdtt2
E t dt
0
0
0
2019/10/29
令：无因次时间: t t
则： 无因次平均停留时间 t 1
t
Ed1Etdt
0
0
E()dE(t)dt t
t
EEt EtEt
t
FFt dF dF t
2019/10/29
若以
2
表示以为自变量的方差，则它与
2 t
的关系为：
2 12Ed
0
0
t t
2
1
Ed
t
0
0 dt
F t 0
反应工程课件 第三章_均相反应过程4
c 在298K~T范围内，近似计算时，可取平均热容， pi
C p
ni C pi
product
n Ci pi reactant
i
i
原料A
产物P
H r H 0r,298
T
298 C pdT
T
Hr
HR 原料在降温过程中的焓变。 HP 产品在升温过程中的焓变。
HR
HP
H 0r
298
298
3.3.4 循环反应器
xA1 1 xA2
VR FA10
xA2 xA1
dxA (rA )
FA0 (1
)
xA2
dxA
1
xA2
(rA )
v0cA0 (1 )
xA2
1 xA2
dxA (rA )
3.3.4 循环反应器——讨论
(1) 0,
VR FA0
xA2 dxA , 0 (rA )
定义：反应过程中某一反应组分连续地缓慢 加入反应器，或某一反应物连续不断地从反 应器内排出，而其他反应组分或反应产物则 象分批式操作那样是一次投入或一次从反应 器内排出。
vt V0
半连续(间歇)操作的目的： • 控制反应器内温度； • 抑制某一副反应的反应速率以期改善反应的产物分布； • 提高某些可逆反应的产品收率，不断移走反应产物。
3.3.6 半连续操作的釜式反应器(变体积)
以二级不可逆反应为例：
vt
A+B R (A是流加组份)
V0
( -rA) = k’cAcB k’ cB0cA=kcA 求cA(t)，cR(t)
拟一级不可逆反应
3.3.6 半连续操作的釜式反应器(变体积)
A的加料速率（体积/小时），假定是恒定的。
反应工程课件 第三章_均相反应过程3
进口流
V 40L V 20L
V 40L V 20L
支 线A 支 线B
出口流
解：如上图所示，对于支线A，其反应器总体积为：
VA=40L+40L=80L 对于支线B，两个串联的反应器总体积为：
VB=20L+20L=40L 为使两支线上转化率相同，应有VA/FA=VB/FB，
FA/FB=VA/VB =80/40=2 所以，总进料流中进入支线A的分率为2/3。
3.3.2 具有相同或不同体积的N个CSTR串联
cA1
cA0
V1
cA0 cA1 cA3
cAf
cAi Vi
图 多级CSTR浓度分布图
cAN VN
反应器轴向长度
3.3.2 具有相同或不同体积的N个CSTR串联
对串联反应器中第i 釜反应物组分A作物料恒算：
流入量 = 流出量 + 反应量 +累积量
vicAi-1=FAi-1 vicAi=FAi (-rA)iVi
cA,i1 cA,i
ki
c
n A,i
用图解法求各釜的出口浓度
参考42页 图3-9
cA，i-1 cA0
cA,i1 cA,i ikicAn,i
cA，i-1~ cAi
45º对角线
cA1
cA2 cA1
cA3
cAi
图 天多道级酬CS勤TR串联的图解计算法11
3.3.2 具有相同或不同体积的N个CSTR串联
（2） 图解法
i
Vi
cA,i1 cA,i rA,i
cA,i1 cA,i
ki
c
n A,i
对动力学数据仅是表格或曲线表示时，可用图解法求。
(-rA)
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化
学
工
程
系
理想间歇反应器中简单反应的结果
反应速率式
反应级数
转化率式 kt=cA0xA
零级
rA=k rA=kcA rA=kcA
2
一级
1 kt ln 或xA＝ 1 －e kt 1 xA
二级
cA0 kt xA cA0 kt 或xA＝ 1 xA 1+cA0 kt
化
学
工
程
系
例3-1 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反 应：ClCH2CH2OH＋NaHCO3→ OHCH2CH2OH ＋NaCl＋CO2 乙二醇产量为 20kg／h。使用 15 ％的 NaHCO3水溶 液及30％(均为质量)的氯乙醇水溶液作原料，摩尔 比为1∶1，混合液密度为1.02kg/L。该反应对氯乙 醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率 常数等于 5.2L／(mol· h)。要求氯乙醇转化率达到 95％。 (1) 若辅助时间为 0.5h，试计算反应器的有效体积。 (2) 若装填系数取 0.75 ，试计算反应器的实际体积。
化
学
工
程
系
根据流动模型，理想反应器分为：
理想反应器 全混流反应器 平推流反应器
化
学
工
程
系
3.1 间歇操作的完全混合反应器
特点 釜式反应器结构： 加热方式 搅拌器形式 温度测量
化
学
工
程
系
一、间歇反应器特点 1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需 要一定非生产性时间； 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化，产品质量不易稳定； 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。
化
学
工
程
系
3.2 平推流反应器（丙烷分解）
一、平推流反应器的特征 1.通过反应器的物料质点， 轴向上以同一流速流动， 在流动方向上没有返混。 2.径向上物料浓度、温度 相同。 3.所有质点在反应器中 的 停留时间都相同。
CA CA0
CAout 管长 Z/2 CA CA0 0 Z/2 Z 时间 图 3.4-1 平推流反应器图示 Z
3.均相理想反应器
化
学
工
程
系
反应器内流体的流动与混合状态 返混：不同停留时间的流体微团之间的混 合称之为返混。
停留时间： 空时和空速：
化
学
工
程
系
返混无穷大： 理想混合，是指反应流体在反应器内的 混合瞬间完成，混合所需的时间可以忽略。 反应器内各点的物料具有相同的温度和浓度 且等于反应器出口物料的温度和浓度。 返混为零： 反应物料在反应器内以同一流速和沿同 一方向流动，所有的物料质点在反应器内的 停留时间都相同，不存在返混。
FA0
FA
r A VR
0
FA0 －FA = rAVR
VR FA0 FA C A0 x A rA v0 v0 rA
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3. 反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 F A0 v0 T0 CA F A v Tout
T m，out G
VR T=Tout Ci=Ci，out
T m， in G
dxA rA
xA0
xAf xA
若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反 应，则平均停留时间是否与空时相等？
化
学
工
程
系
例2
应用管径为12.6cm的管式反应器进行一级不 可逆气体热解反应：A→R+S，速率方程为 rA=kCA;k=7.80×109exp[-19220/RT];
原料为纯气体 A ，反应压力为 5atm ，反应温 度为500℃，等温恒压反应。若要转化率为0.9， 原料气处理量为1.55kmol/h。试计算所需反应器 管长。
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
夹ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ式蒸汽加热反应釜
内外盘管式加热不锈 钢反应釜
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
装配式热电偶
化
学
工
程
系
铠装热电偶WRNK
化
学
工
程
系
仿进口杆式传感器
化
学
工
程
系
仿进口可调节压簧螺钉式热电偶
化
学
工
程
系
二、间歇反应器计算
1.反应时间的计算 根据物料衡算
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
CAout
化
学
工
程
系
二、平推流反应器时间的计算
流入量＝流出量＋反应量＋累积量
FA FA dFA
rAdVR
0
dFA rAdVR
dFA FA0dxA
xA2 dx VR A cA0 xA1 r v0 A
化
学
工
程
系
平推流反应器图解计算
1 rA
/ C A0
x Af
xA 0
0
0
rAV R
dn A dt
dn 即： rAV R A dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
x Af
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
化
学
工
程
系
全混流反应器浓度-时间图
CA0
CA
t0
t
t
化
学
工
程
系
二、全混流反应器的设计方程
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
化
学
工
程
系
1 rA
间歇釜反应器图解
dCA t C A0 r A
C Af
CAf
CA0
CA
化
学
工
程
系
1 rA
t / C A0
dxA x A0 r A
x Af
xA0
xAf
xA
化
学
工
程
系
2. 反应器有效体积VR的计算 一个操作周期时间：(t＋t0) 物料处理量为v0(m3/h) ∴反应器的有效体积 VR=v0 (t＋t0) 式中：
t0－ 辅助生产时间，包括加料、排料、 洗反应器和 物料的升温、冷却。 v0 －平均每小时反应物料的体积处理量。
化
学
工
程
系
3.反应器实际体积V的计算
反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实际 体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
VR V
Ф是装料系数，一般为0.4～0.85，
不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85， 起泡、沸腾物料取0.4～0.6。