化学反应工程第5章
化学反应工程陈甘棠第五章第二节
1
dyA N A RT
dl 1
DK P
分子:
NA
DAB
P RT
dy A dl
2
yA N A
NB
dyA P N A yA N A N B
dl 2 RT
DAB
2024年10月13日星期日
把分子扩散和努森扩散看成是串联过程，则扩散的总推动力
dyA dyA dyA dl dl 1 dl 2
反应级数为正: 反应级数为负:
x 1 x 1
2024年10月13日星期日
设为α级反应，外表面的浓度为cs，气相主体的浓度为 cg，对于等温定态过程：
kGa cg cs kvcs
定义:
Da kvcg 1 kGa
化学反应速率 外扩散速率
---- 丹克莱尔准数
2024年10月13日星期日
kv一定时，Da , kGa ,外扩散影响越小
散模数φL
L L
kV
c
m1 S
De
式中：
颗粒体积 L 颗粒的扩散表面积
=
2024年10月13日星期日
片状，δ为催化剂厚度
2
R 圆柱状，R为圆柱的半径 2
R 球形颗粒 3
2 L
代表了表面反应速率与内扩散速率之比
对片、柱、球状催化剂等温物料衡算
1 ln
d dl
l n
dc dl
rc
De
其中：
➢ 当 ，0等温反应， 1
➢ 当 ，0吸热反应， 1, 愈负，S愈大时，愈小
➢ 当 ，0放热反应，η有可能大于1，因为粒内温度增
高的影响可能超过浓度降低的影响。
2024年10月13日星期日
4、外扩散的影响
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。
化学反应工程复习题
《化学反应工程原理》复习思考题第一章绪论1、了解化学反应工程的研究内容和研究方法。
2、几个常用指标的定义及计算：转化率、选择性、收率。
第二章化学反应动力学1、化学反应速率的工程表示，气固相催化反应及气液相非均相反应反应区的取法。
2、反应速率常数的单位及其换算。
3、复杂反应的反应速率表达式（可逆、平行、连串、自催化）。
4、气固相催化反应的步骤及基本特征。
5、物理吸附与化学吸附的特点。
6、理想吸附等温方程的导出及应用（单组分吸附、解离吸附、混合吸附）。
7、气固相催化反应动力学方程的推导步骤。
8、不同控制步骤的理想吸附模型的动力学方程的推导。
9、由已知的动力学方程推测反应机理。
第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征1、反应器设计的基本方程式。
2、理想间歇反应器的特点。
3、理想间歇反应器等温、等容一级、二级反应反应时间的计算及反应器体积的计算。
4、自催化反应的特点及最佳工艺条件的确定及最佳反应器形式的选择。
5、理想间歇反应器最优反应时间的计算.7、可逆反应的反应速率，分析其浓度效应及温度效应。
8、平行反应选择率的浓度效应及温度效应分析。
9、平行反应反应器形式和操作方式的选择。
10、串连反应反应物及产物的浓度分布，t opt C p.max的计算。
11、串连反应的温度效应及浓度效应分析。
第四章理想管式反应器1、理想管式反应器的特点。
2、理想管式反应器内进行一级、二级等容、变容反应的计算。
3、空时、空速、停留时间的概念及计算。
4、膨胀率、膨胀因子的定义，变分子数反应过程反应器的计算。
第五章理想连续流动釜式反应器1、全混流反应器的特点。
2、全混流反应器的基础方程及应用。
3、全混釜中进行零级、一级、二级等温、等容反应时的解析法计算。
4、全混釜的图解计算原理及图解示意。
5、全混流反应器中的浓度分布与返混，返混对反应的影响。
6、返混产生的原因及限制返混的措施。
7、多釜串联反应器进行一级、二级不可逆反应的解析法计算。
第五章 非均相反应动力学
气固相催化反应模型和控制步骤
化学吸附速率和吸附模型 表面化学反应
反应本征动力学
3
4
化学反应工程
5.2.1 气固相催化反应模型和控制步骤
①气体分子A的外扩散过程 ②气体分子A的内扩散过程 ③反应物分子的吸附
④表面化学反应
⑤产物分子的脱附 ⑥产物的内扩散 ⑦产物分子的外扩散
化学反应工程
5.2.1 气固相催化反应模型和控制步骤
（5-40）
由于吸附和脱附达到平衡，将前述的 代入上式，得：
' r rS k S A k S B pR
k S ( A kS ( kS
化学反应工程
B pR
KS
)
（5-41）
K A pA p K B pB R ) 1 K A p A K B pB K S 1 K A p A K B pB
当化学反应达到平衡时：
（5-38） 即： （5-39）
化学反应工程
5.2.4 反应本征动力学
⑷利用平衡方程及 ，将速率方程中各表面浓度变换为 气相组分的分压的函数，即得速率方程。 ①表面反应过程控制
若表面反应是控制步骤，则本征反应速率为：
' r rS k S A k S B pR
（3）催化剂的正常维护
表5-2 触媒还原温度和孔容及比表面积的关系 还原温度℃ 孔隙容积 ml/g 总表面积 m2/g
化学反应工程
450
500
600
700
0.1033
0.1041
0.1255
0.1327
11.5
12.4
4.1
2.0
5.1.4 催化剂的使用
图5-2
化学反应工程第五章
5.2.1 停留时间（寿命）分布密度函数E（t）
• 如图5.2-1所示，t=0时瞬间进入的N个流体质点 中，寿命介于t →t+dt之间的质点数dN所占总质 点数N的分率dN/N=E(t)dt，E(t)dt为一微分的分 率，E(t)= dN/N dt，其量纲为[时间]-1，称为停 留时间（寿命）分布密度函数。
• 当t→∞时，t→0同时进入反应器的N个质点全 部流出反应器，故有：
F (t ) t E (t )dt 1
0
dF (t ) E (t ) dt
或
dF (t ) E (t )dt
• 停留时间分布积累函数F(t)有以下性质： • t=0时，F(t)=0；t=∞时，F(t)=1，所以， 0≤F(t)≤1，即，F(t)是一个单调不减函数； • dF(t)/dt=E(t) ，F(t)为一无因次数
t 0
• 例如某一次的考试成绩分布如下：
则平均成绩 M=∑MiXi=60*5%+70*15%+80*65%+90*15%=79 可见平均成绩是各级成绩的加权平均值。
• 流体质点在反应器中的停留时间可能值为0→∞， 停留时间为t的流体质点所占的分率为E(t)dt， 故： 平均停留时间 t 0 tE (t )dt tE (t )t 0 为避免实验结果带来的系统误差，对于离散型 数据可以除于 E (t )t i
t
tE (t )t E (t )t
0 0
0
i
ti 相同
tE (t ) E (t )
0 0
脉冲示踪法
tC (t ) C (t )
0 0
i
陈甘棠主编化学反应工程第五章
⑵选择性 指？
高选பைடு நூலகம்性可节约原料、减化工艺。
影响选择性的因素很多，有物理的和化学的。
就催化剂的构造而言，主要有：活性组分在
表面上的定位和分布、微晶粒度大小、载体 的孔结构、孔径和孔容等。
当遇到转化率和选择性的要求不能同时满
足时： a：如果反应原料昂贵或者产物和副产物分 离困难时，宜采用高选择性的催化系统 b：若原料价格便宜，且产物与副产物分离 不困难，则采用高转化率操作。
（4）共凝胶法
与沉淀法类似，将两种溶液混合生成凝 胶。如合成分子筛就是将水玻璃（硅酸钠）与 铝酸钠的水溶液与浓氢氧化钠溶液混合，在一 定的温度和强烈搅拌下生成凝胶，再静臵相当 长时间使之晶化、然后过滤、水洗、干燥得到。 得到的分子筛表面含有大量的正离子，部分是 容易解离的，则可与过渡金属离子（镁离子、 钙离子、锂离子）等进行交换，在硅酸盐表面 形成具有高活性、高选择性的交换型分子筛， 并有良好的抗毒性和耐热性。在炼油工业中用 量很多。
法。 均匀沉淀法是首先使待沉淀溶液与沉淀剂母体 充分混合，形成十分均匀的体系，然后调节温 度使沉淀剂母体加热分解转化为沉淀剂，从而 使金属离子产生均匀沉淀，比如尿素。 采用此方法得到的沉淀物，由于过饱和度在整 个溶液中都比较均匀，所以，沉淀颗粒粗细较 一致而且致密，便于过滤和沉淀。
沉淀法的影响因素
（3）沉淀法 借助沉淀反应，用沉淀剂将可溶性的催化剂
组分转化为难溶化合物，再经分离、洗涤、 干燥、焙烧、成型等工序制得成品催化剂。
沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之一，
广泛用于制备高含量的非贵金属、金属氧化 物、金属盐催化剂或催化剂载体。
对于要求特别均匀的催化剂，可采用均匀沉淀
反应工程复习题摘要
反应工程复习题摘要第一章绪论．1 ．化学反应工程是一门研究＿_ _ _ _ ＿的科学。
2 ．化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以＿_ ＿作为研究对象，又以_ _ _ ＿为研究对象的学科体系。
3 . _ _ ＿是化学反应工程的基础。
4 ．化学反应困呈按操作方法分为＿_ ＿、＿_ ＿、＿_ ＿操作。
5 ．化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指、、。
6 ．不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称。
第二章均相反应动力学一、填空1 ．均相反应是指。
5 ．活化能的大小直接反映了对温度的敏感程度。
P （主）6 ．平行反应A S （副）均为一级不可逆反应，若E E >副主，选择性P S 与无关，仅是的函数。
8 . 一级连串反应 12K K A P S ??→??→在全混流釜式反应器中，则目的产物P 的最大浓度max pC =＿＿＿apv t =＿＿＿＿9 . 一级连串反应 12K K A P S ??→??→在平推流反应器中，则目的产物P 的最大浓度max p C =＿＿＿apv t =＿＿＿＿二、选择题1 ．化学反应222222NO H N H O +?+，其中化学反应计量系数为+2的是哪种物质＿。
A.NOB.H2C.N2D.H2O 2 .对于一非恒容均相化学反应B A B A αα?，反应组分A的化学反应速率A r -=＿。
A ．Vdt dn r A A -=- B. Vdt dn r A A =- C. dt dC r A A =- D.dt dC rB A =-3 ．对于反应aA + bB 一pP ＋sS ，则P r ＿＿＿＿()A r - A.a pB.a pC. p aD. p a4 ．气相反应43A B R S +→+进料时无惰性气体，A 与B 以3：1的摩尔比进，则膨胀因子A δ= ＿＿＿＿A.1/4B.2/3C.-1/4D.-2/35 . 气相反应2423CO H CH H O ++?进料时无惰性气体，CO 与2H 以1：2摩尔比进料，则膨胀因子CO δ=＿＿＿A.-2B.-1C.1D.2 7 . 反应4102422C H C H H →+，12.0k s -=，则反应级数n=＿＿＿＿。
化学反应工程陈甘棠答案
化学反应工程陈甘棠答案【篇一：反应工程第五章习题答案】xt>5.1乙炔与氯化氢在hgcl2-活性炭催化剂上合成氯乙烯的反应c2h2?hcl?c2h3cl (a)(b) (c)其动力学方程式可有如下种种形式：(1) r??(papb?pc/k)/(1?kapa?kbpb?kcpc) (2)r??kakbpapb/(1?kbpb?kcpc)(1?kapa) (3)r??kapapb/(1?kapa?kbpb)(4) r??kbpapb/(1?kbpb?kcpc)2试说明各式所代表的反应机理和控制步骤。
解：（1） a???a?b???b?a??b??c??? （控制步骤） c??c??（2） a??1?a?1b??2?b?2a?1?b?2?c?2??1（控制步骤） c?1?c??1（3）a???a?b???b?a??b?c?? （控制步骤）（4） b???b?a?b??c? （控制步骤） c??c??5.2 在pd-al2o3催化剂上用乙烯合成醋酸乙烯的反应为c2h4?ch3cooh?12实验测得的初速率数据如下[功刀等，化工志，71，2007（1968）.] 115℃, pacoh?200mmhg，po?92mmhg。
2pc2h4(mmhg)r0?10(mol/hr?g催化剂)570 100 195 247 315 4653.94.4 6.0 6.6 7.255.4注：1mmhg=133.322pa如反应机理设想为acoh???acoh?c2h4???c2h4?acoh?c2h4?hc2h4oac???o2?2??2o?hc2h4oac??o??c2h3oac??h2o? (控制步骤)c2h3oac??c2h3oac??h2o? ?h2o+?试写出反应速率并检验上述部分数据能与之符合否。
解：c2h4?ch3cooh?12o2?ch2cooc2h3?h2o（a）（b）（c）（e）（f） ?a?kapa?v?b?kbpb?v?c?v?f?kfpf?v ?d?ks1kakbpapb?v ?e?kep?ev?v??k2?k3par?ks2?d?c??k1pa(k2?k3pa)2r0??pa(k2?k3pa)2pc2h4(mmhg)70 100 195 247 315 465r0?10(mol/hr?g催化剂)53.94.4 6.0 6.6 7.255.41.3410?31.51 1.80 1.932.08 2.93pa作图，基本上为一直线。
化学反应工程陈甘棠第五章第一节
第11页，共37页。
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。
05/44./0250.23023
第12页，共37页。
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
05/44./0250.23023
第9页，共37页。
3）焦姆金模型（Temkin型） 吸附和脱附速率分别为：
其中：
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第10页，共37页。
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。
05/44./0250.23023
第34页，共37页。
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
第1页，共37页。
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
反应工程考试习题库及答案
第一章 绪论1。
化学反应工程是一门研究______________的科学。
(化学反应的工程问题） 2. 化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。
（化学反应、工程问题) 3。
_______是化学反应工程的基础.（ 三传一反)4。
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、半分批式）5. 化学反应工程中的“三传一反"中的三传是指_______、_______、_______.(传质、传热、动量传递）6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述,也就要用数学式来表达个参数间的关系,简称_______.(数学模型)7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。
（累积量=输入量—输出量）8。
“三传一反”是化学反应工程的基础,其中所谓的一反是指_______。
（D ）A ．化学反应B 。
反应工程 C. 反应热力学 D 。
反应动力学 9.“三传一反”是化学反应工程的基础,下列不属于三传的是_______。
（A ）A 。
能量传递 B. 质量传递 C 。
热量传递 D. 动量传递 第二章 均相反应动力学1. 均相反应是指_。
（参与反应的物质均处于同一相）2。
aA + bBpP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。
（a p）3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。
（00K KK K n n n -=χ）4。
当计量方程中计量系数的代数和等于零时,这种反应称为_______，否则称为_______。
（等分子反应、非等分子反应)5。
化学反应速率式为βαB AC A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K .（)()(βα+RT ）6。
《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。
化学反应工程第二版课后答案
第一章习题1化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。
2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。
基元反应符合质量作用定律。
基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。
基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。
一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。
非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。
非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。
3若将反应速率写成tc rd d AA -=-，有什么条件? 答：化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。
4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器?答：在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。
5 现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。
(1)A+2B →C (2)A+2B →C (3)2A+2B →CA+C →D B+C →D A+C →D C+D →E 解(1)D4C A 3D D 4C A 3C 22BA 1C C22B A 1B D4C A 3C 22B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-=(2)E6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22BA 1C D4C B 3C 22B A 1B C22B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-=(3)D4C A 3D D 4C A 3C 22B2A 1C C22B 2A 1B D 4C A 3C 22B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-=6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65×104m 6kmol -2s -1。
化学反应工程习题-第五章：非均相反应动力学
第五章 非均相反应动力学1.工业催化剂所必备的三个主要条件是：_______、_______、_______。
（活性好、选择性高、寿命长）2.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的，而化学吸附是靠_______结合的。
（范德华力、化学键力）3.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是_______分子层的，而化学吸附是_______分子层的。
（多、单）4.气体在固体表面上发生吸附时，描述在一定温度下气体吸附量与压力的关系式称为_______。
（吸附等温方程）5. _______吸附等温方程式是假定吸附热是随着表面覆盖度的增加而随幂数关系减少的。
（Freundlich ）6._______吸附等温方程式是按吸附及脱附速率与覆盖率成指数函数的关系导出的。
（Temkin ）7.固体催化剂的比表面积的经典测定方法是基于_______方程。
（BET ）8.在气—固相催化反应中，反应速率一般是以单位催化剂的重量为基准的，如反应A →B ，A 的反应速率的定义为_______。
（dt dn W r A A ⋅-=-1） 9.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_______和_______的影响。
（内扩散、外扩散）10.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变催化剂装量和进料流量，但保持_______不变。
（0A F W ）11.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变_______和_______，但保持0A F W 不变。
（催化剂装量、进料流量）12.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的_______，在恒定的0A F W 下测_______，看二者的变化关系。
[粒度（直径p d ）、转化率]13.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的粒度（直径p d ），在恒定的_______下测转化率，看二者的变化关系。
（0A F W ） 14.催化剂回转式反应器是把催化剂夹在框架中快速回转，从而排除_______影响和达到气相_______及反应器_______的目的。
化学反应工程第五章
成比例提高生产能力
2．串联 一级反应
A 0
第一釜
C Ao C A1 C Ao C A1 C Ao i k i 1 (rA ) kC A1 C A1
第二釜
C A1 C A2 C A1 i k i 1 kCA2 C A2
…… 第N釜
C An1 i 1 C An
两边除 dl 取 dl 0消去S 有
dCA d 2C A U DA (rA ) 0 2 dl dl
令 则
l z L
L V t u v
dCA dCA dz 1 dCA dl dz dl l dz
d 2 C A 1 d 2 C A dz 1 d 2 C A 2 2 2 l dz dl l dz dl
t
C A0 k C A0
(
X A1 1 X A1
X A1 1 X A2
X A2 1 X A2
)
一级：
(1 X A1 ) X A1 (1 X A1 ) 2
1 0 1 X A2
(1 X A1 ) 2 1 X A2 X A1 1 1 X A2
定时（h） 空速（h-1）
s
1
二.等容过程（constant volume）
C Af C Ao
(1 xAf )
C Ao C Af rAf
有 C Ao x Af C Ao C Af 一级:
rAf kCAf
代入上式
k
C Ao C Af C Af
即
相并联的意义也不大，只能提高其生产能 力，可对旧设备进行利用 。
反应工程(第三)第五章答案停留时间分布与反应器
5 停留时间分布与反应器5.1设F(θ)及E(θ)分别为闭式流动反应器地停留时间分布函数及停留时间分布密度函数,θ为对比时间.（1）（1）若该反应器为活塞流反应器,试求（a）（a）F(1)(b)E(1)(c)F(0.8)(d)E(0.8)(e)E(1.2)(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)(3) 若该反应器为一个非理想流动反应器,试求（a）F(∞)(b)F(0)(c)E(∞)(d)E(0)(e)(f)解：（1）因是活塞流反应器,故符合理想活塞流模型地停留时间分布,由（5.33-5.36）式可得：(a)F(1)=1.0(b)E(1)=∝(c)F(0.8)=0(d)E(0.8)=0(e)E(1.2)=0（2）（2）因是全混流反应器,故符合理想全混流模型地停留时间分布,由（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- e-0.8=0.5507(d)E(0.8)= e-0.8=0.4493 (e)=E(1.2)=0.3012（3）（3）因是一个非理想流动反应器,故可得：（a）F(∞)=1 (b)F(0)=0 (c)E(∞)=0 (d)1>E(0)>0 (e)=1 (f) =5.2用阶跃法测定一闭式流动反应器地停留时间分布,得到离开反应器地示踪剂与时间地关系如下：试求：（1）（1）该反应器地停留时间分布函数F(θ)及分布密度函数E(θ). （2）（2）数学期望及方差.（3）（3）若用多釜串联模型来模拟该反应器,则模型参数是多少？（4）（4）若用轴相扩散模型来模拟该反应器,则模型参数是多少？（5）若在此反应器内进行一级不可逆反应,反应速率常数k=1min-1,且无副反应,试求反应器出口转化率.=C(∝)=1.0,而F(θ)=F(t)=C(t)/ C(∝),所以：解：（1）由图可知C如下图所示：由（5.20）式可得平均停留时间：即为上图中阴影面积.由（5.5）式得：所以：如右图所示：（2）由于是闭式系统,故,所以由式（5.23）可得方差：（3）由（5.20）式可得模型参数N为：（4）（4）由于返混很小,故可用,所以：（5）用多釜串联模型来模拟,前已求得N=75,应用式（3.50）即可计算转化率：同理,亦可用扩散模型即（5.69）式得X=0.9146.两种方法计算结果相当吻合.A5.3用阶跃法测定一闭式流动反应器地停留时间分布,得到离开反应器地示（1）（2）若在该反应器内地物料为微观流体,且进行一级不可逆反应,反应速率常数k=0.05s-1,预计反应器出口处地转化率.（3）若反应器内地物料为宏观流体,其它条件均不变,试问反应器出口处地转化率又是多少？解：（1）由式（5.17）计算出反应器地停留时间分布,即：F(t)=C(t)/ C(∝)=C(t)/7.7根据由右图可知,可用试差法得到,使两块阴影面积相等.由图试差得.（2）因进行地是一级反应,故可采用离析流模型预计反应器出口转化率.由式（3.12）可得间歇反应器中进行一级不可逆反应时转化率与反应时间地关系：代入离析流模型可得反应器出口处平均转化率：（A）采用图解积分法对（A）式进行积分,其中不同时间t下地F(t)如上表所示, 地（3）（3）由于是一级反应,所以混合态对反应速率无影响,故反应器出口转化率#与微观流体时相同,即.5.4为了测定一闭式流动反应器地停留时间分布,采用脉冲示踪法,测得反试计算：（1）（1）反应物料在该反应器中地平均停留时间和方差.（2）（2）停留时间小于4.0min地物料所占地分率.解：（1）根据题给数据用（5.13）式即可求出E(t),其中m可由（5.14）式求得.本题可用差分法.然后按照（5.20）和（5.21）式算出平均停留时间和方差.此处用差分法,即：（A）(B)为了计算和,将不同时间下地几个函数值列与下表中：（2）以E(t)～t作图（略）,用图解积分法地：所以,停留时间小于4.0min地物料占地分率为36.2%.5.5已知一等温闭式液相反应器地停留时间分布密度函数E(t)=16texp(-4t),min-1,试求：（1）（1）平均停留时间;（2）（2）空时；（3）（3）空速；（4）（4）停留时间小于1min地物料所占地分率；（5）（5）停留时间大于1min地物料所占地分率；（6）若用多釜串联模型拟合,该反应器相当于几个等体积地全混釜串联？（7）若用轴向扩散模型拟合,则模型参数Pe为多少？（8）若反应物料为微观流体,且进行一级不可逆反应,其反应速率常数为6min-1,C=1mol/l,试分别采用轴向扩散模型和多釜串联模型计算反应器出口转A0化率,并加以比较；（9）若反应物料为宏观流体,其它条件与上述相同,试估计反应器出口转化率,并与微观流体地结果加以比较？解：（1）由（5.20）式得：（2）因是闭式系统,所以：（3）（3）空速为空时地倒数,所以：（4）所以,停留时间小于1min地物料所占地分率为90.84%.（5）.停留时间大于1min地物料占9.16%.（6）先计算方差：根据多釜串联模型参数与方差地关系得：(7)因,所以返混程度较大,故扩散模型参数Pe与方差关系应用：采用试差法得：Pe=2.56.（8）因是一级不可逆反应,所以估计反应器出口转化率既可用扩散模型,也可用多釜串联模型或离析流模型,其结果应近似.采用多釜串联模型,由（3.50）式得：所以有：采用扩散模型,前已得到Pe=2.56,所以：代入（5.69）式得：所以有：（9）用离析流模型,因一级不可逆反应,故间歇反应器地,所以：反应器出口转化率为XA=0.84,计算结果同前题用多釜串联模型与扩散模型结果相近.5.6微观流体在全长为10m地等温管式非理想流动反应器中进行二级不可逆液相反应,其反应速率常数k为0.266l/mol.s,进料浓度CA0为1.6mol/l,物料在反应器内地线速度为0.25m/s,实验测定反应器出口转化率为80%,为了减小返混地影响,现将反应器长度改为40m,其它条件不变,试估计延长后地反应器出口转化率将为多少？解：当反应器长度L=10m时,其空时为已知有XA =0.80 所以：1- XA=0.20.由上述与1- XA值,利用图5.23可查得：Da/UL=4.所以轴向有效扩散系数：当反应器长度改为40m,其空时应为所以,而反应器长度改变,轴向有效扩散系数Da值不变,所以：再利用图5.23,由与值查得：1-XA=0.060.所以反应器出口转化率应为：XA=1-0.060=0.94.显然是由于反应器长度加大后,轴向返混减小,致使出口转化率提高.5.7在一个全混流釜式反应器中等温进行零级反应A→B,反应速率rA =9mol/min.l,进料浓度CA0为10mol/l,流体在反应器内地平均停留时间为1min,请按下述情况分别计算反应器出口转化率：（1）（1）若反应物料为微观流体；（2）（2）若反应物料为宏观流体.并将上述计算结果加以比较,结合题5.5进行讨论.解：（1）因是微观流体,故可用全混流反应器地物料衡算式（5.24）,且又是闭式系统,,所以：解得：（2）宏观流体且是零级反应,故只能用离析流模型（5.38）式,先确定式中CA(t)与t地关系.在间歇反应器中：积分上式得：上式中t=10/9min为完全反应时间.而全混流反应器地停留时间分布为：代入（5.38）式中得：所以出口转化率由此可见,对于零级反应,其他条件相同,仅混合态不同,则出口转化率是不同地.且宏观流体地出口转化率为0.604,低于同情况下微观流体地出口转化率.但习题5.5是一级反应,所以混合态对出口转化率没有影响.5.8在具有如下停留时间分布地反应器中,等温进行一级不可逆反应A→P,其反应速率常数为2min-1.试分别采用轴向扩散模型及离析流模型计算该反应器出口地转化率,并对计算结果进行比较.解：（1）用轴向扩散模型,故先确定模型参数Pe.为此需确定该反应器地停留时间分布特征--与.而迭代解得：Pe=6.8.代入（5.69）式中,得：所以有：反应器出口转化率为：X=1-0.0542=0.9458A（2）用离析流模型,对于一级反应：所以：反应器出口转化率为：X=1-0.04511=0.9549A上述两种计算方法极为近似,这是由于在反应器中进行地是一级不可逆反应,混合态对其无影响.。
反应工程
反应工程第一章：1：反应物的化学计量系数为负值，反映产物则为正值。
2：任何反应组分和其化学计量系数之比为反映进度ξ（永远为正值）。
3：转化率X 对应反应物，收率Y 对应反应产物。
4：选择性S ：Y=SX 。
5：化学反应器的类型： 管式反应器 釜式反应器 塔式反应器 固定床反应器 流化床反应器 移动床反应器 滴流床反应器 6：化学反应器的操作方式： 间歇操作 连续操作半间歇（半连续）操作 7：反应器设计的基本方程：描述浓度变化的物料衡算式（连续方程） 描述温度变化的能量衡算式（能量方程） 描述压力变化的动量衡算式 描述器内反应速率（动力学方程） 计算某些参数（参数计算式） 8：守恒定律：输入=输出+消耗+积累ξνννννν=-=-=-=---RR R B B B A A A R B A R R B B A A n n n n n n n n n n n n 000000::)(:)(:)(即：ξνi i i n n =-0普遍化：∑==-Mj jij i i n n 10ξν对多个反应：该反应物的起始量某一反应物的转化量=X 0i i n X ξν-=关键组分的起始量反应产物的生成量R A R Y νν=已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的＝S 关键组分的起始量关键组分量生成某一产物所消耗的或：=Y第二章：1：反应速率恒为正值 2：恒容过程：3：流动体系：4：多相反应系统反应速率表示形式：以相界面积定义反应速率： 以催化剂重量定义反应速率：对于采用固体催化剂的反应：5：反应速率方程：基元反应：非基元反应：反应机理未知：幂函数形速率方程：可逆反应：6：正逆反应活化能的关系：r Rr r r RBBAA常数==-=-νννdtdc r A A -=rA A dV dF r -=dtdn V r i i ν1=dtd V r ξ1=dadF r A A-='dWdF r A A -=''Ab A V A r r a r '''ρ==BA BA A c kc r νν=7：可逆放热反应的最佳反应温度：8：复合反应的基本类型：并列反应平行反应浓度高有利于反应级数大的反应温度升高有利于活化能大的反应连串反应9：反应速率方程的变换与积分、第三章：1：釜式反应器特征：反应器内各处温度和浓度均一且与出口一致2：物料衡算式：1：连续釜式反应器：2：间歇釜式反应器：3：等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）：1：反应时间：2：反应体积：3：反应器体积：4：等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）：1：平行反应：解：2：连串反应：以目的产物P 的收率最大为优化目标可得最佳反应时间：5：连续釜式反应器的反应体积：6：空时与空速的概念：1：空时：（因次：时间） 2：空速：空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。
反应工程习题库
反应工程习题库第五章非均相反应动力学1.工业催化剂所必备的三个主要条件是:_______、_______、_______。
(活性好、选择性高、寿命长)2.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的，而化学吸附是靠_______结合的。
(范德华力、化学键力)3.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是_______分子层的，而化学吸附是_______分子层的。
(多、单)4.气体在固体表面上发生吸附时，描述在一定温度下气体吸附量与压力的关系式称为_______。
(吸附等温方程)5. _______吸附等温方程式是假定吸附热是随着表面覆盖度的增加而随幂数关系减少的。
(Freundlich)6._______吸附等温方程式是按吸附及脱附速率与覆盖率成指数函数的关系导出的。
(Temkin)7.固体催化剂的比表面积的经典测定方法是基于_______方程。
(BET)8.在气—固相催化反应中，反应速率一般是以单位催化剂的重量为基准的，如反应A?B，A的反应速率的定义为_______。
dn,1Ar,,,AWdt()9.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_______和_______的影响。
(内扩散、外扩散)WFA010.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变催化剂装量和进料流量，但保持_______不变。
()WFA011.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变_______和_______，但保持不变。
(催化剂装量、进料流量)WFA012.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的_______，在恒定的下测_______，看二者的变化关系。
dp[粒度(直径)、转化率]dp13.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的粒度(直径)，在恒定的_______下测转化率，看二者的变WFA0化关系。
()14.催化剂回转式反应器是把催化剂夹在框架中快速回转，从而排除_______影响和达到气相_______及反应器_______的目的。
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活性组分 • 以金属为主，根据不同的用途，有金属氧化物及硫化物等等。 • 一个成功的催化剂往往是主催化剂和助催化剂及载体的完美结合。 • 活性组分的选择，根据目前的知识水平只能有一个大致的方向，尚不能
预先选择。
6
载体 • 以多孔物质为主，如硅藻土、三氧化二铝等。 • 根据不同的需要，有不同的孔径和比表面。 • 强度高，是对所以载体的要求。 助催化剂 • 加入的量小，增加催化活性，增加选择性，延长催化剂寿命
的分布不同。 • 只有孔径大于反应物分子的孔才有催化意义。 • 测定方法：压汞法和氮吸附法 • 典型的孔径分布曲线
10
• 孔径分布
分率
孔径Å
11
三、吸附与脱附
1、吸附：一种物质在两相界面上浓度升高的现象。 • 吸附作用：固体（催化剂）与气体（反应物）间的一种相互作用，有吸
引和排斥的作用。 • 吸附过程也是反应物与催化剂间对立统一的运动。
件
分子引力 低
化学键 高
吸附情 况
多层吸附
单层吸附
速率
快，随T提高而下降，很快达 到平衡
慢，随T提高而加 快
选择性
几乎没有
明显
吸附热
小，8～25KJ/mol
大，40～ 200KJ/mol
14
3.化学吸附速率表达式
• 化学吸附只能发生在活性中心上。 • 活性中心：固体催化剂表面能够与气相分子发生反应的原子。以符号σ
7
2.催化剂的比表面积、孔体积和孔体积分布
比表面积 Sg 单位质量催化剂具有的表面积m2g1 Sg S内＋S外 S内 （因为S内 S外） 通常介于5 1000m2g1之间。注意因次 测定方法：BET
8
孔体积孔容Sg cm3g1单位质量催化剂内部微孔的体积
孔容与催化剂颗粒强度为一对矛盾，孔容大则强度下降。 在多数情况下，希望孔容大一些。
第五章
气固相催化反应本征动力学
1
第一节催化作用基础
• 气固相：反应物和产物均为气相，催化剂 为固相。
• 一、催化剂及催化作用 • 1.催化剂：一种物质或几种物质能显著加快
化学反应速率，而本身在反应前后其数量 及化学性质没有变化的物质。
2
•2.催化作用的原理
•（1）催化剂以某种形式参与反应；
•（2）催化剂的加入，降低了反应的活化能， 从而改变了化学反应速率。
吸附 脱附
12
•2、吸附的种类：物理吸附和化学吸附 •物理吸附－吸附剂与被吸附物靠范德华力结合 •化学吸附－吸附剂与被吸附物之间可视为发生
化学反应
物理吸附
化学吸附
选择性 吸附温度
吸附热
弱 通常低于 沸点温度 接近被吸附 物的冷凝热
强 可高于 沸点温度 接近反应热
13
影响因 素
物理吸附
化学吸附
引力 温度条
16
既然吸附过程可以视为化学反应（基元反应）： （1）吸附速率式为：
ra
ka 0
exp
Ea RT
pAV
(2)脱附速率式为：
rd
kd0
exp
Ed RT
A
(3)表观速率(净吸附速率)：
rБайду номын сангаас
ra
rd
ka 0
exp
Ea RT
pAV
kd0
exp
Ed RT
A
17
（4）吸附平衡方程 达到平衡时，吸附与脱附速率相等
•（3）催化剂不能起动反应。
GT ,P 0
•（4）催化剂的加入，不能改变反应的平衡 常数。催化剂以同样的比例同时改变正逆反 应的速率。
G0 RT ln KP
3
• （5）催化剂具有选择性。可以在复杂的反应系统，有选择地加速某些反 应。
• 同样的反应物
在不同催化剂
•
的生品如作成。果用不希下同望可的催以产化剂充分发挥作C用O，应H当2尽 可能CFu增,eNZ,Cni,加oAl反应物与烃催C类化HC混H3剂O合4的H物接触。
r ra rd 0
ka 0
exp
Ea RT
pAV
kd0
exp
Ed RT
A
平衡常数KA :
•
KθA难A 于测kk量da00，e不xp便应E用dR。T可E利a 用吸附kk模da00型e求xp得θAR。qT
A pAV
上式称吸附平衡方程,A K APAV
式中：q Ed Ea
18
4.吸附等温线模型
表示。 • 吸附式可以表示为如下型式：
A+ σ→A σ A－反应物， σ－活性中心， Aσ－吸附了反应物的活性中心
15
吸附率(覆盖率)：
A
被A组分覆盖的活性中心数 总活性中心数
如果有多种组分被吸附，则有
B，C，
，等等
D
空位率（裸露分率）：
未被覆盖的活性中心数
V
总活性中心数
自然有 n i V 1 i1
Rh络合物
CH2OHCH2OH
Ru
固体石蜡
4
二、固体催化剂
• 1.固体催化剂的组成及组分选择 • 固体催化剂由三部分组成，即活性组分（核心）、载体（兼做稳定剂和分散剂）、
助催化剂（结构性和调变性）和抑制剂。 • 好的固体催化剂必须具有高活性、高选择性、高强度、和长寿命等特点。 • 通常对活性组分的要求： • 具有尽可能高的催化活性，选择性和抗毒性。 • 通常对载体的要求： • 高强度，高比表面。
Ea RT
p
AV
ka pAV
脱附速率
rd
kd0
exp
Ed RT
A
kdA
表观速率：
r ra rd ka pAV kdA ka pA 1A kdA 吸附达到平衡时，r 0，ka pA 1A kdA
令KA ka kd ，为吸附平衡常数
A
KA pA 1 KA pA
Langmuir 吸附等温式
（1）Langmuir 吸附模型
基本假定：
• 1 催化剂表面活性中心的分布是均匀的； • 2 吸、脱附活化能与表面覆盖率无关； • 3 每个活性中心只能吸附一个分子(单层吸附)； • 4 吸附的分子之间互不影响。
称为理想吸附模型。
19
• 基于以上假定，对
k1
Aσ
Aσ
k2
吸附速率
ra
ka
0
exp
20
对解离吸附(对A组分在吸附时发生解离)：
A2
2σ
ka kd
2Aσ
吸附速率
ra
ka
pA
2 V
脱附速率
rd
kd
2 A
表观速率：
r
ra
rd
ka
pAV2
kd
2 A
ka
pA
1A
2
kd
2 A
吸附达到平衡时，r 0，ka pA 1A 2 kdA2
固体密度真密度s g cm3单位催化剂固体物质 不包括孔体积体积的质量
颗粒密度p g cm3单位催化剂颗粒体积的质量(包括孔体积）
孔隙率p 催化剂孔体积占总体积的分率
以上参数之间互有换算关系。
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• 孔径分布（孔体积分布） • 催化剂是多孔物质，其孔的大小当然是不规则的。不同的催化剂孔大小