化学反应工程陈甘棠第三章
化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案【整理版】
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 A+C ↔ D (2)A+2B ↔C B+C ↔D C+D →E(3)2A+2B ↔CA+C ↔D 解(1)D4C A 3D D 4C A 3C 22BA 1C C22B A 1B D 4C 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。
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图 7-14 分布器的若干形式
（2）设计或选择分布板的基本要求 气体分布均匀，防止积料， 结构简单，材料节省，压降合理。
35cmH2O pd 10% ~ 20%pB
二、内部构件 （1）种类 垂直管、水平管、多孔板、水平挡网、斜片百叶窗挡板，等。 （2）作用 传热，控制气泡聚并，改变气-固相流动和接触状况，减少颗 粒带出。
定的范围。
（2）带出速度 当气速增大到一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等， 则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终 端速度。 颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以 下公式计算：
ut
2 dp ( p ) g
18
2 2 1 3
Rep 0.4
三、流化床反应器的重要应用
石油催化裂化 丙烯-氨氧化制丙烯腈 萘氧化制邻苯二甲酸酐
煤燃烧与转化 金属提取和加工
7.2 流化床中的气、固运动
7.2.1 流化床的流体力学 二个特征速度：临界流化速度、带出速度 （1）临界流化速度 （umf） 刚刚能使粒子流化起来的气体空床流速。 确定umf的方法 a. 实验测定
0.4 Rep 500
（7-14） （7-15） （7-16）
4 ( p ) g ut dp 225
3.1d p ( p ) g ut
1 2
500 Rep 200000
注意：以上各式求得的ut也都需代入到Rep中检验。 存在大量颗粒的流化床中，粒
（ii）细颗粒床层中，气体操作流速的范围更宽。 （iii）实用操作气速的确定 a. 流化数 b.
u0 1.5 ~ 10 umf
u0 0.1 ~ 0.4 ut
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a. 对具有一定筛分的颗粒要用调和平均直径 。
dp 1 xi / d pi
式中, xi——颗粒各筛分的重量百分数； dPi——颗粒各筛分的平均直径；
dPi d1 d2 或 dPi (d1 d2 ) / 2
d1，d2 ——上、下筛目的尺寸。 b. 雷诺数中特性尺寸是颗粒的直径，密度和粘度是气体的物性。 d Pumf ρ Re P μ c.计算所得到的 u mf 要代入到雷诺数中，检验选用的公式是否符合规
（v）气泡占床层的体积分率 假设：进入床层的气流分为两个部分，一部分是以ub流动 的气泡，另一部分则以umf在乳相中流动。床层达到临界流态化 以后，床层高度增加的部分完全是气泡所作的贡献。 对气流进行物料衡算 （7-45）
u0 ubb umf (1 b ab )
故 或
（7-46） （7-47）
整理得
（7-2）
mf 是临 式中， S 是颗粒的形状系数，部分颗粒的 S 值可由手册查取。
界空隙率，其值与颗粒直径和形状等有关，也可由手册查取。若查不
到，可由以下二式估算。
1
3 S mf
14 ,
1 mf
2 S
3 mf
11
（7-5）
式（7-5）代入式（7-2）可导出
定的范围。
（2）带出速度 当气速增大到一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等， 则粒子将会被气流带走，此时气体的空床速度即带出速度，或称终 端速度。 颗粒的带出速度等于其自由沉降速度，对球形固体颗粒，可用以 下公式计算：
ut
2 dp ( p ) g
18
2 2 1 3
Rep 0.4
0.36
化学反应工程陈甘棠第三章课件
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
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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
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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
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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
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dA T dt
1
MRVR
acR
ata0t0
陈甘棠版化学反应工程第三章习题
1、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间t0不包括下列哪一项( )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2、在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，当slmolCrAA⋅=-/01.02时，求反应至所需时间t为多少秒.A. 8500B. 8900C. 9000D. 99003、在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间4、空间时间的定义是（）A 停留时间与非生产时间的和B 实际反应时间与真实停留时间的和C 反应器有效容积与入口体积流率的比值D 反应物微元在反应器内经历的时间5、返混的定义是（）A 不同空间位置的粒子的混合B 不同停留时间的粒子的混合C 参与不同反应的粒子的混合D 不同反应器内粒子的混合6、反应器的类型不同，则( )也将有不同。
A．反应动力学B．传递特性C．反应的相态D．反应的可逆性7、平推流反应器中诸参数不随（）而变A 反应物的组成B 反应器的轴向位置C 反应器的空间时间D反应器的径向位置8、等温一级不可逆液相反应，采用下列三种方案进行：(1)一个间歇反应釜，容积V1(仅考虑反应时间所需)，(2)一个平推流反应器，容积V2，(3)二个等体积全混流反应器串联，总容积为V3。
上述三种情况反应温度、物料处理量及转化率均相同，则容积比较为( )A．V1<V2<V3 B．V1=V2<V3C．V2<V1<V3 D．V2<V1=V39、对反应级数大于零的单一反应，对同一转化率，其反应级数越小，全混流反应器与平推流反应器的体积比（）。
A 不变B 变大C 变小D 不好说10、等温恒容下进行各步均为一级不可逆串联反应若保持相同的转化率x A，调节反应温度使k2/k1降低，则P的收率将( )A.增大B．减小C．不变D．先增后减11、全混流反应器进行放热反应时，要使反应器操作在稳定定常态，则必须满足条件( )A (dQ r/dt)>(dQ g/dt)B (dQ r/dt)<(dQ g/dt)C (dQ r/dt)=(dQ g/dt)D 二者没有关系12、全混流反应器中有个稳定的定常态操作点。
化学反应工程第三章习题答案
1.理想反应器包括___平推流反应器、__全混流反应器_ 。
2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_全混流__反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应按_平推流_反应器处理。
3.全混流反应器的空时τ是_反应器的有效容积____与___进料流体的容积流速_之比。
4.全混流反应器的返混__∞__，平推流反应器的返混为_零__。
5.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为_循环操作_的平推流反应器6.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为___平推流__反应器，而当β→∞时则相当于_全混流___反应器。
7. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时反应器内返混为_零_，而当β→∞时则反应器内返混为_∞_。
8.对于反应级数n＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_全混流__反应器为宜。
9.对于反应级数n＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_平推流__反应器为宜。
10.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___B____。
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11.在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__D_____秒。
A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进行等温一级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__B_____秒。
A. 400B. 460C. 500D. 56013.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为__A__。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间14.一级不可逆液相反应，，出口转化率，每批操作时间，装置的生产能力为50000 kg产物R/天，=60，则反应器的体积V为__C__。
A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.415.对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调增大，则最适合的反应器为___A____。
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3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为 l ，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到 95%。
试问：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，所需的反应时间又是多少？解：（ 1）(2)因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ㎏/h ，使用 15%（重量）的 NaHCO3水溶液及 30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为 1：1，混合液的比重为。
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，要求转化率达到 95%。
（1）（ 1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（ 2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。
62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（ 2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于 50℃等温下进行该反应的实验。
反应开始时两反应物的摩尔比为 1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。
不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的 90%。
试计算反应器的反应体积。
假定（ 1）原料装入以及加热至反应温度（ 50℃）所需的时间为 20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为 10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
化学反应工程 第三章习题答案
3-1 在反应体积为31m 的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.981-h，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/3m ，环氧丙烷的最终转化率为90%。
若辅助时间为0.65h ，一天24h 连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？ 解 32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H( A ) ( B ) 一级反应h x k C C k t Af Af A 35.29.011ln 98.0111ln 1ln 10=-=-==h m h m t t V v /31)65.035.2(13300=+=+=丙二醇日产量=Af A x C v 0024=天/12.159.01.23124kmol =⨯⨯⨯kmol k /g 76M B=丙二醇日产量天/kg 2.111492.11576Q =⨯= 3-2一个含有A 和B 液体)/0.04molc /10.0c (B00L L mol A ==、 以体积流量2L/min 流入容积V R =10L 的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A →2B+C 。
已知由反应器流出的物料中含有A 、B 和C ，L mol c Af /04.0=。
试求：在反应器内条件下，A 、B 和C 的反应速率？解 空时min 5min/2100===L Lv V R τmin5/)04.01.0(00L mol C C r r C C AfA Af AfAfA -=-==-ττmin /012.0∙=L molmin)/(024.02∙==L mol r r Af Bfmin)/(012.0∙==L mol r r Af Cf3-3 一个液相反应： A+B →R+S其中，min)/(71∙=mol L k ，min)/(32∙=mol L k 。
使用的陈甘棠第三版第三章
dx A dt
t n A0
xA
0
dx A rA V
3-5
间歇反应器计算的通式
表达了在一定操作条件下为达到所要求转化 率需要的时间
反应时间图示
恒容条件下（间歇反应器的多数情况）
t c A0
xA
0
dx A rA
or
dc A t c A 0 r A
cA 0
dC A rA
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x
t
CAf
CA0
CA
t C A0
XA
0
XA dX A dX A ln（1 - X A） C A0 0 rA kC A0 1 X A） （ k
ln （1 0.7) 1.31h 0.92
2、每批次实际操作时间 实际操作时间=反应时间 t + 辅助时间 t′ 辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。
装料系数为0.75，则反应器体积 1.63 VR 2.17 m 3 0.75
VR v0 t总 171 9.5h 1630L 1.63m
3
4、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化
（1）工程放大 由题可得一个重要的结论：反应物达到一定 的转化率所需的反应时间，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。 反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。 由此可见，上述计算反应时间的表达式，既 适用于小型设备又可用于大型设备，只要保证 相同的反应条件和装臵的合理放大，即可达到 同样的反应效果
x A 0.9 xA 1 1 0.9 t 19 h kc A0 1 x A 1.97 0.004 1 0.9
《化学反应工程》课程教学大纲
《化学反应工程》课程教学大纲课程名称：化学反应工程课程类型：必修课，专业课总学时：54 讲课学时：54 实验学时：0学分：3.0适用对象：化学工程、化学工艺先修课程：物理化学、化工工艺学、化工原理、化工热力学一、课程性质、目的和任务课程性质：化学反应工程是以化学反应器原理为要紧线索，要紧研究化学反应过程需要解决的工程问题，是化工生产的龙头、关键和核心，是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科，其内容要紧涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型结构、数学建模方法、操作分析及反应器设计，具有高度综合性、广泛基础性和自身专门性。
课程目的与任务：一是培养学生将物理化学、传递过程、化学工艺、化工热力学、操纵工程等学科知识用之于化学反应工程学的综合能力；二是使学生把握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿；三是使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力二、教学差不多要求通过本课程的教学，要使学生系统地把握化学反应动力学规律、传递过程对化学反应的阻碍规律，把握反应器设计、过程分析及最佳化方法。
四、课程的重点和难点绪论重点是化学反应工程的研究内容和方法。
第一章均相单一反应动力学和理想反应器重点：①化学反应动力学方程②理想反应器设计方程难点：动力学方称的建立；反应器设计运算第二章复合反应与反应器选型重点：复合反应动力学方程表达法；复合反应动力学特点分析；平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。
难点：可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析；循环反应器设计方程的数学推导；复合反应（包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应）在PFR 和CSTR反应器的优化设计运算第三章非理想流淌反应器重点：停留时刻分布的概率函数及特点值；停留时刻分布的实验测定；解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。
《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》教学大纲
《化学反应工程》教学大纲课程编号：01100730 课程性质：必修课程名称：化学反应工程学时/ 学分：48/3英文名称：Chemical Reaction Engineering 考核方式：闭卷笔试选用教材：《化学反应工程》朱炳辰化学工业出版社《化学反应工程原理》张濂等华东理工大学出版社大纲执笔人：XXXX先修课程：物理化学、化工原理、高等数学大纲审核人：XXXX适用专业：化学工程与工艺及相近专业一、教学目标通过本课程的理论教学和实验训练，使学生具备下列能力：1、能够运用数学、物理、物化和化工原理知识表达反应工程问题，建立反应器和传递过程的数学模型，并正确求解。
2、能运用反应工程的思维方法，判断反应器变量对评价指标的影响，提出优化的解决方案。
3、能够针对反应过程的特性，确定反应器选型和操作条件，进行工业反应器的设计优化。
4、能设计并实施与化学反应工程相关的热模或冷模实验，分析实验结果，验证或拟合模型参数，获取有效结论。
5、能应用专业软件模拟和解决反应器设计和操作的问题，了解模拟计算的原理及其局限性。
二、课程目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程目标1、工程知识1、能将数学、自然科学、工程基础和专业知识运用到复杂化工问题的恰当表述中；教学目标1 2、能针对一个系统或过程建立合适的数学模型，并利用恰当的边界条件求解。
2、问题分析1、能识别和判断复杂化工问题的关键环节和参数教学目标2 2、能认识到解决问题有多种方案可选择4、能正确表达一个工程问题的解决方案3、设计/开发解决方案3、能够通过建模进行工艺计算和设备设计计算教学目标3 4、能够集成单元过程进行工艺流程设计，对流程设计方案进行优选，体现创新意识。
4、研究2、能够基于专业理论，根据对象特征，选择研究路线，设计可行的实验方案。
教学目标44、能正确采集、整理实验数据，对实验结果进行关联，建模、分析和解释，获取合理有效的结论。
5、使用现代工具2、能正确选用专业模拟软件，对化工过程进行模教学目标5拟和优化，理解其局限性。
化学反应工程第三版陈甘棠课后习题答案
化学反应工程第三版陈甘棠课后习题答案【篇一：化学反应工程教案4(化工13)-胡江良】t>12345【篇二：化学反应工程教案】程名称：化学反应工程任课教师：所属院部：教学班级：教学时间：化工1203-04 2014 —2015 学年第2学期课程基本信息1绪论第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.1 基本概念1.2 建立动力学方程的方法一、本次课主要内容化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其应用。
二、教学目的与要求了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法，熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。
三、教学重点难点1、化学反应工程的研究目的、内容和方法。
四、教学方法和手段课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。
五、作业与习题布置书后习题第3、6、7题2绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。
每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。
在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。
物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。
可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。
化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。
化学反应工程三级项目
Aspen plus模拟RCSTR和RStoic反应器的操作与计算学院：环境与化学工程学院专业： 11化工工艺学生姓名：苏亮学号： 110110010026指导教师：李建军I化学反应工程三级项目任务书学院：环境与化工学院系级教学单位：化工系学号110110010026学生姓名苏亮专业班级11化工工艺题目题目名称Aspen plus模拟RCSTR和RStoic反应器的操作与计算题目性质理论研究主要内容1.反应器的选型；2.输入输出物料参数的设定；3.物性方法的选择；4.计算收敛过程优化；5.计算结果输出；6.项目报告基本要求写出2000字的报告；报告主体应有反应器基本原理、参数设定、计算过程及计算结果输出、结果与讨论。
参考资料1.《化学反应工程》第三版陈甘棠化学工业出版社2.《化工流程模拟实训--Aspen Plus教程》孙兰义化学工业出版社指导教师：李建军职称：副教授系级教学单位审批：年月日说明：如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。
II前言：Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。
Aspen Plus在整个工艺装置的从研发、工程到生产生命周期中，提供了经过验证的巨大的经济效益。
它将稳态模型的功能带到工程桌面，传递着无与伦比的模型功能和方便使用的组合。
利用Aspen Plus可以设计、模拟、故障诊断和管理有效益的生产装置。
Aspen Plus具有最先进的流程收敛方法。
Aspen Plus具有最先进的数值计算方法，能使循环物流和设计规定迅速而准确地收敛。
这些方法包括直接迭代法(Wegstein)、正割法(Secant)、拟牛顿法、Broyden法等。
这些方法均经AspenTech进行了修正。
例如，修正后Secant法可以处理非单调的设计规定。
Aspen Plus可以同时收敛多股撕裂（Tear）物流、多个设计规定，甚至收敛有设计规定的撕裂物流。
这些特点对解决高度交互影响的问题时特别重要。
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第三章_均相等温反应器
1
y2i1 2
1
y2i yn
式中， x x2 x1 称为积分步长。n是分区数，一般取偶数。 n
计算方法：（1）计算 xi xi1 x 处的函数值 yi
（2）将函数值代入Simpson公式计算积分值。
本题取 n = 4 ，步长 Δx = 0.8÷4 = 0.2，计算过程列于下表
代入Simpson公式得
1/ 2
cA0
xA
dxA
0
0.2c1A/02
1 1
xA xA
1/
2
5 65.650.5
0.8 0
1 1
xA xA
dxA
用 Simpson 法则求积分 Simpson 公式 对函数 y = f（x），积分
I x2 f (x)dx x1 0
可表示为
n
x
2
n 1 2
I
3
y0 4
量
（2）空时与空速
空时
V v0
反应器容积 反应器入口处物料的体
积流量
空速
SV
v0 V
1
FA0 cA0V
讨论：
（1）间歇反应器 t t ，不存在空时概念。
（2）连续操作反应器
恒容过程
t t
非恒容过程
t t
（3）连续操作的反应器出口处，每个微元内反应物的转化率不同。实 际测量的转化率只是所有微元转化率的平均值。 （4）流体微元内部反应仅取决于反应的动力学特性，而整个流体的反 应结果不仅与动力学特性有关，还与流动特性有关。
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
(rA )V
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CH 3COOH C2H5OH k2 CH 3COOC 2H 5 H 2O
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：
2021年2月14日星期日
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0k
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
a 1 1 1 1 0.6575
k
2.92
t
1 k1c A0
xA
0 axA2
dxA bxA
c
k1c A0
2021年2月14日星期日
1
ln 2axA b
b2 4ac 2axA b
t0 已知
t0
求
Q0和
t
已知
Q0
2021年2月14日星期日
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
由于原料液中A:B:S=1:2:1.35
1 2 5 4.35kg 原料液中含1kg乙酸
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U 0
积分：
2021年2月14日星期日
dT H r cA0 dxA
dt
cv
dt
t 0,T T0, xA xA0
T
T0
H r cA0
cv
xA
xA0
3 反应容积的计算
VR Q0 t t0
t ：反应时间 t0 ：辅助时间
Q0 ：辅助时间单位时间内处理的反应物料的体积
dt
T
H r
rA VR
d cv VRT
dt
对于恒容过程 ：
cv VR
dT dt
rA VR Hr UATm
T
dT dt
rA Hr UA
cv
cv VR
Tm
T
H r cA0
cv
dxA dt
UA
cv VR
Tm
T
——变温操作热衡算式，操作方程
2021年2月14日星期日
对于非等温操作：
t 0, cA cA0 , xA 0,T T0
求反应时间
2021年2月14日星期日
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
cA cA0 1 xA cB cB0 cA0cA
cR cA0xA
cS cS0 cA0xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
2021年2月14日星期日
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2021年2月14日星期日
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
2021年2月14日星期日
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：
2021年2月14日星期日
第三章 理想反应器
第一节 间歇式完全混合反应器
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
2021年2月14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
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
2021年2月14日星期日
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 dnA d VR cA
原料液量为：
16.23 60 4.35 4.155m3 / h
1020
2021年2月14日星期日
原料液的起始组成：
cA0
16.23 4.155
3.908mol / l
cB0
3.908 60 46
2
10.2mol
/
l
cS 0
3.908 601.35 18
17.59mol
/
l
由
t cA0
xA dxA 0 rA
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2021年2月14日星期日
第一节 间歇式完全混合反应器
2021年2月14日星期日
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：
dt
dt
2021年2月14日星期日
rA VR
d VRcA
dt
VRcA nA nA0 1 xA
d VRcA
dt
nA0
dxA dt
rAVR
rA
nA0 VR
dxA dt
积分得：
nA0
xA dxA 0 VR rA
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
2021年2月14日星期日
2 热量衡算
单位时间 内输入的 热量
_
单位时间 内输出的 _ 热量
单位时间 的反应热
=
单位时间 内累积的 热量
对于间歇式反应器：
输入热量 UATm T
输出的热量=0
单位时间的反应热 rA VR H r
2021年2月14日星期日
积累 d cv TVR
UATm
b2 4ac b2 4ac
b2 4ac 5.152 4 2.61 0.6575 4.434
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
的几何尺寸并进行某些经济评价。
2021年2月14日星期日
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）
2021年2月14日星期日
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，
rA k1 cAcB 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，若反应器填充系数去 0.75，则反应器的实际体积是多少？
2021年2月14日星期日
分析：
求V
V VR f
求 VR
VR Q0 t