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1 绪论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）（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：（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），A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 moln P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 moln O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 moln N =n N0=43.28 mol1. 1. 2 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，大部分经循环压缩原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h100kmol 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 26.82 15.49H268.25 69.78CO21.46 0.82CH40.55 3.62N22.92 10.29粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 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1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO29.82g,CO9.38g,H2 1.76g,CH42.14g,N25.38g。

《反应过程》李绍芬版第二章反应动力学基础

A

B

R
常数 r
1 dni r iV dt
r
1 d (c AV ) dc c dV A A V dt dt V dt
恒容
r
1 d V dt
dcA rA dt
2.1 化学反应速率
2. 对于流动反应器（定常态过程）：
FA0
M
Vr
取反应器内任意一个小微元 M，其体积为dVr，可认为此体积内物系参数均匀。
Temperature Dependent Term of a Rate Equation
正、逆反应活化能与反应热的关系 E 1 1nk 1nA ( ) R T

k/ k K

1 / C

( 2.25)
1
d1nk E dT RT 2

1n k 1n k 1nK p
r 0

k f ( X A ) k g( X A )
吸热反应

E＞E

dk kE dT RT 2

dk kE dT RT 2

E
2

RT
k f ( X A )＞
E
2
RT
k g( X A )
(
r E E ) xA k f ( X ) k g( X A ) A 2 2 T RT RT
可见，非基元反应的速率方程不能根据质量作用定律写出。
2.2 反应速率方程
举例2：一氧化氮氧化反应 2NO+O2→ 2NO2
反应机理（1）：反应机理（2）：
NO+NO

《反应过程》李绍芬版第八章多相反应器

化学反应工程
第八章多相反应器
第八章
第一节气液反应
多相反应器
第二节气液反应器
第三节气液固反应第四节滴流床反应器第五节浆态反应器
第一节
气液反应
气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到的多相反应，根据使用目的的不同可以分为两大类。一类是通过气液反应以制备所需的产品；另一类是通过气液反应净化气体。
第二节气液反应器
主要类型: 塔式反应器机械搅拌的釜式反应器
塔式反应器：
填料塔板式塔
鼓泡塔喷雾塔
第三节
,就是产物;
采用固体催化剂的气液反应;
三相中,有一相为惰性气体.
第四节
滴流床反应器
一、在逆流接触的气-液反应器或传质分
离设备中，气体从下往上流动。当气体的流速增大至某一数值，液体被气体阻拦不能向下流动，愈积愈多，最后从塔顶溢出，称为液泛。产生液泛时的气体速度或连续相速度称为液泛速度；这种操作状态称为液泛点。在设计设备时，必须使设备的操作不致发生液泛。
第五节
浆态反应器
机械搅拌釜环流反应器鼓泡塔三相流化床
8.1 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应,假定液相上方水蒸汽分压可不计,试按双膜模型绘出气相及液相中二氧化碳浓度分布的示意图. 解:

反应工程(总复习)word版本

任何化学反应都以一定的速率进行，通常以单位时间内单位体积反应物系中某一反应组分的反应量来定义反应速率。
=0，恒容过程
需要注意：无论按那一个反应组分计算的反应速率，其与相应的化学计量系数之比恒为定值。反应速率方程对任何化学反应的速率都发生影响的是温度和浓度这两个因素。定
量描述反应速率与温度及浓度的关系，叫做反应速率方程
催化反应和非催化反应
化学反应工程的“三传一反” 动量、热量和质量传递。
反应进度（ ξ ）的定义：任何反应组分的反应量与其化学计量系数的之比恒为定值，推广到任何反应，并表示为：
反应物取负值，反应产物取正值
永远取正值
第一章绪论
转化率：是某一反应物转化的百分率或分率，定义为：
选择关键组分（不过量）计算转化率
就是每一个反应对整个反应速率的贡献之和
组分A参加一个反应
组分A参加二个反应
组分P是反应物A的产物，又是生成物R 的反应物
反应体系存在着两个并列反应。其中各个反应都可按着单一反应来处理。
反应体系存在着相同的反应物和不同的产物，叫平行反应。
A反应的反应产物同时又是B反应的反应物，叫连串反应
第二章反应动力学基础
连续釜式反应器的物料衡算式
c 均一 T 均匀
输
输
消
累
入 = 出 + 耗 + 积 =0
间歇釜式反应器的物料衡算式
输
输
消
累
入= 出 + 耗 + 积
=0
=0
第三章釜式反应器
等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
间歇反应的操作时间由两部分组成：一是反应时间，即装料完毕后算起至达到所要求的产品收率时所需时间；另一是辅助时间，即装料、卸料及清洗等所需时间之和。

化学反应工程第一章课件

Fogler
化学反应工程研究方法（1）简化：忽略和简化事物的次要方面，简化处理后仍能反应事物的本质。（2）建模：用数学，物理，化学等基础学科，将化学和物理现象综合起来研究，了解它们之间的相互关系，掌握各种现象的规律，以及对反应的作用，找出数学关联式。（3）优化：实际反应场所（物理传递现象；化学反应动力学因素）；具体参数：浓度，温度的空间和时间分布特点 —选择适宜的反应器结构型式，操作方式和工艺条件 —最优化的技术指标学习要重点掌握典型的反应，有利的强化措施。
转化率、选择性和收率转化率：针对反应物，反应物中价值最高的组分为关键组转化量 X 该反应物（关键组分）的起始量
设A起始摩尔数NA0，反应后摩尔数NA，转化量NA0 – NA，则 XA=(NA0 - NA)/ NA0
选择性：
生成目标产物所消耗的关键组分量 S 已转化的关键组分量
•
化学反应工程的研究内容
化学反应工程化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学与反应器分析与设计。反应动力学：研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等。其中速率方程可表示为： r=f（T、C、P）（对于一定的反应物系）而言，随时间、空间变化。其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，C代表浓度，P为系统的总压。
恒容间歇反应器设计方程
例题2：计算基准：进口原料量100mol。关键组分： C2H4. 化学计量表如下：
C2H4+ 1/2O2 x 0.5x C 2H 4+ 3O2 y 3y ∑ x+y 0.5x+3y
CH2CH2O 变化量 x -0.5x 2CO2+ 2H2O 2y 2y 0 总变化量 -0.5x

《化学反应工程》教材课后习题答案李绍芬天津大学

dX A dX A C A0 dVR d (VR / Q0 )
用 XA～VR/Q0 作图，过 VR/Q0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的 dXA/d(VR/Q0)值 α。 VR/Q0min 0.12 0.148 0.20 0.26 0.34 0.45 XA% 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0
1 绪论
1.1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：
2CH 3OH O 2 2HCHO 2H 2O
2CH 3OH 3O 2 2CO 2 4H 2O
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：
2CO 4H 2 (CH 3 )2 O H 2O
CO 3H 2 CH 4 H 2O
4CO 8H 2 C4 H 9OH 3H 2O
CO H 2O CO 2 H 2
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原料气混合返回合成塔中。下图是生产流程示意图冷凝分离合成
FCO,0 FCO 26.82 4.435 16.18% FCO,0 138.4
产物粗甲醇所溶解的 CO2、CO、H2、CH4 和 N2 总量 D 为
D
(9.82 9.38 1.76 2.14 5.38)B 0.02848Bkmol / h 1000

第三章釜式反应器

��
1
= − ln 1 − ��
1 − ��
��
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积：
�� = �� + ��
式中： Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积（由生产任务决定） t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ��
��
��
1 反应时间：�� =
��
�� 1 − ��
若 �� ≠ 1
t = 1 − ��
−1
�� − 1 ��
若 �� = 1
1 �� = ��
�� = = ��
(5)
��
初始条件： t=0时，CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积分得： ∴ �� =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式（6）也可写成：
�� = �� exp − �� + ��
1 − exp − �� + ��
�� + ��
两种产物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
16

化学反应工程01

n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 0 A B R
二、转化率 X--针对反应物而言定义：
某一反应物的转化量 X 该反应物的起始量
注意：如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来的X是不一样的。
精化学反应工程品课程
关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言）针对关键组分计算，可使X最大到100%
第四节反应器的操作方式
间歇操:一次性投料，卸料。反应物系参数 (浓度或组成等)随时间变化。连续操作:原料不断加入,产物不断引出,反应器内物系参数均不随时间变化。半连续(或半间歇)兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。
精化学反应工程品课程
PVC悬浮聚合－－－间歇反应釜
精化学反应工程品课程
精化学反应工程品课程
种类特点应用范围固定床底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物用于多相反应系统
反应过程中反应器内部有固体颗粒的多相反应体系，可以提流化床悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混高传热速率合性能固体颗粒自上而下作定向移动与反应用于多相体系，催化剂流体逆向接触可以连续再生
v 0 v 0 v 0
R
A
B
v A A vB B vR R 0 nR n n nR n n
A0 A
B B
0
0
精化学反应工程品课程
2.1 反应进度
A A B B R R
( n A n A0 ) : ( n B n B 0 ) : ( n R n R 0 ) A : B : R
n A n A0 n B n B 0 n R n R 0 即： A B R

反应工程(第一章绪论)

10
第一章绪论
1.3 化学反应器的类型
管式反应器
长度远较管径大，内部中空，不设置任何构件，多用于均相反应
釜式反应器
又称反应釜或搅拌反应器，其高度一般与直径相等或者稍高，约为直径为2～3倍。釜内设有搅拌装置或者挡板、换热器等构件。应用于均相（液相）反应、气液反应、液液反应、液固反应及气液固反应。许多酯化反应、硝化反应、磺化反应以及氯化反应，用的都是此类反应器。
《反应工程》第二版，李绍芬主编，化学工业出版社
第一章：绪论
2011-2-21
引例：
化学
① 原料预处理
加
工
② 化学反应
三
步骤
③ 分离与提纯
科化的学
研反
究应
对工
象程
学
精馏反应塔
第一章绪论
化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程，包括以下两个方面的内容。
1 反应动力学
2 反应器设计与分析
反应进度（ ξ ）的定义：任何反应组分的反应量与其化学计量系数的之比恒为定
值，推广到任何反应，并表示为：
需要注意的是：ξ取值永远为正。 1.2.2 转化率
转化率：是某一反应物转化的百分率或分率，定义为：
？
5
第一章绪论
针对反应物而言，选择不过量的反应物计算转化率（关键组分），同一状态，无论按那一种反应物计算转化率，其数值都相同。关键组分转化率的高低直接影响反应过程的经济效益。计算转化率起始状态选择问题：连续反应器，以反应器进口原料的状态作为起始状态；而间歇反应器则以反应开始时的状态为起始状态。当数个反应器串联时，往往以进入第一个反应器的原料组成作为起始状态。
转化率、收率和选择性三者的关系：

反应工程李绍芬期末复习PPT课件

则:
Vr1
Q0cA0 xA1 rA1
3.299m3
三个釜体积相等, 则总体积为3.2993=9.897m3.
[例4] PFR中于923K等温进行丁烯脱氢反应:
C4H8 C4H6 + H2
(A)
(B)
(C)
反应速率方程为
rA kpA kmol/(m3 h)
原料气为丁烯与水蒸气的混合气, 丁烯摩尔分率为 10%. 操作压力恒压于105Pa. 923K时, k=1.07910-4 kmol/(hm3Pa). 要求丁烯转化率为35%, 求空时?
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cA cA0 (1 xA )
cB cB0 cA0 xA
cR cA0 xA
cS cS 0 cA0 xA
代入反应速率方程:
rA
cA0
dxA dt
k1
cA0 (1 xA )(cB0 cA0 xA ) cA0 xA (cS 0 cA0 xA ) / K
积分得: t=118.8min
cA0=3.908mol/L, cB0=10.2mol/L, cS0=17.59mol/L, cR0=0. 采用三个等体积的CSTR串联, 计算xAf=0.35的总反应体积.

《反应过程》李绍芬版第六章多相系统中的化学反应与传递现象

外扩散对复合反应选择性的影响（续1）
外扩散对多相催化反应的影响
连串反应
A k1 B k2 D
外扩散无影响时的瞬时选择性外扩散有影响时的瞬时选择性
S (k1cAG k2cBG ) 1 k2 cBG
k1c AG
k1 cAG
S 1 k2cBG (1 Da1) 1 Da2 k1cAG (1 Da2 )
外扩散对复合反应选择性的影响（续2）
推导外扩散有影响时的瞬时选择性又：
固体质量
b 床层的体积
6.1.1 固体催化剂的宏观结构及性质（续4）
定义中，三者都是单位体积中的固体质量，但差别在于体积计算不同。三种密度的大小顺序为：
床层空隙率ε与前面讲的孔隙率εp不同，
床层的空隙体积
ε 对颗粒床而言 ε=
床层体积
对单一颗粒而言
=
6.1.1 固体催化剂的宏观结构及性质（续5）
3 Re 1000 0.6 Sc 5.4
0.6 Pr 3000 30 Re 105
jD jH
6.2.2 流体与颗粒外表面间的浓度差和温度差（略） 6.2.3 外扩散对多相催化反应的影响
外扩散有效因子X的定义及外扩散对单一反应的影响
外扩散有影响时颗粒外表面处的反应速率
X 外扩散无影响时颗1
4 2 Da2
2
2
1,
X 1
2 1 4Da
外扩散对复合反应选择性的影响
外扩散对多相催化反应的影响
平行反应
AB AD
rB k1cA
rD
k2c
A
外扩散无影响时的瞬时选择性外扩散有影响时的瞬时选择性
S
1
1
k2 k1
c

《反应过程》李绍芬版第三章釜式反应器

3.2.2 最优反应时间
Vr cR FR t t0 dcR cR dt t t0 AT at a0t 0 a f Vr cR
dA T 0 dt
3.3 等温 BR 的计算
反应时间的计算
复合反应
3.3.1 平行反应 A P rP k1c A 对各组分作物料衡算(恒容条件)： A Q rQ k 2c A 对A：(k1 k2 )c A 对P：
等温CSTR 的计算
复合反应－平行反应对关键组分A有： Vr
Q0c A0 X Af (k1 k2 )c A
Q0c p k1c A ，设c p 0 0
对目的产物P有： Vr
对副产物Q有：
Vr
Q0cQ k2c A
，设cQ0 0
三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系

全混流反应器图
等温CSTR 的计算
对稳态操作，有：
dni dt
M
0
i 1,2, K
单一反应
则物料衡算通式变为：
Q0 ci 0 Qci Vr

j 1
ij r j
连续釜式反应器物料衡算式
Vr
Q0 c A0 X Af rA ( X Af )
Q0 (c A0 c A ) rA
3.1 釜式反应器设计方程

物料衡算：
3.2 等温 BR 的t计算
间歇反应器Batch Reactor 间歇操作的充分搅拌槽式反
应器。
用于液相反应。在反应过程中没有进出料。反应器内物料充分混合，器
内各点温度浓度相同。
间歇操作，需要辅助生产时
间。
3.2.1 等温 BR 的Vr计算

完整版化学反应工程课件

❖ 相似放大法：生产装置以模型装置的某些参数按比例放大，即按照相同准数对应的原则放大，称为相似放大法。
❖ 经验放大法：按照小型生产装置的经验计算或定额计算，即在单位时间内，在某些操作条件下，由一定的原料组成来生产规定质量和产量的产品。
数学模型放大法：
基础实验测试
拟订过程模型
用
电子计算
8.聚合反应：含缩聚，加成聚合，自由基聚合，离子型聚合，络合配位聚合，开环聚合，共聚
2.1.2 反应器的分类
间歇反应器 ❖ 按照操作方法分类管式及釜式连续流动反应器
半间歇反应器
平推流模型
理想流动模型
❖ 按照流动模型分类
全混流模型
非理想流动模型
❖ 间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。
着眼于反应物A： A 对于反应物B： B
L M 是连串反应
L 发生的是平行反应
M
例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应
CH3OH + ½ O2 → CH2O +H2O CH2O + ½ O2 → CO +H2O
吸热反应 ❖ 按照反应热效应分
放热反应
均相反应 ❖ 按照相态分布分
非均相反应
间歇过程
❖按照操作方法分连续过程（平推流，全混流，中间型）
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义