《化学反应过程与设备》电子课件 项目二任务2到3
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化工反应原理与设备(第二版)PPT杨西萍李倩主编 模块七
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
一、生化反应器的类型
①按操作方式分
①间歇操作：适用对象，特点 ②连续操作：适用对象，特点
分
③半间歇操作：适用对象，特点
类
方 ②按反应器结构方式分：釜式、管式、塔式、膜式等
法
③按能量输入方式分：机械搅拌式、气体提升式、 液体喷射环流式等
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
悬
按使 固 体 颗 粒
浮 的 方 式 分 类
①机械搅拌悬浮式 ②气体鼓泡搅拌淤浆反应器 ③三相流化床反应器 ④三相输送床反应器
⑤具有导流筒的内环流反应器
石油化学工程系
二、滴流床三相反应器
《专业技能取证实训》
①床层内为两相流体(气体和液体)
滴
流
②气液两相可以并流，也可以逆流，但在实际中
床
以并流操作为多数。
三
③流向的选择取决于物料处理量、热量回收以及
相
传质和化学反应的推动力。
反 应 器
④逆流时流速会受到液泛现象的限制，而并流 则无此限制，可以允许采用较大的流速。
特
⑤滴流床反应器一般都是绝热操作。如果是放
点
热反应，轴向有温升。为防止温度过高，一般
总是使气体或部分冷却后的产物循环。
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
模块七: 其它反应《器专业简技介能取证实训》
目标要求： 1 了解气液固三相反应器、生化反应器、电化学 反应器和聚合反应器的分类和基本特征。 2 理解气液固三相反应器、生化反应器、电化学 反应器和聚合反应器中流体流动、传质与传热的 特点。 3 掌握常见气液固三相反应器、生化反应器、电 化学反应器和聚合反应器的特点和工业应用。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
k A0 exp( E ) RT
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
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2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
化学反应过程与设备课件03反应器中的流体流动模型
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。
这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。
所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。
流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。
一般将流动模型分为两大类型，即理想流动模型和非理想流动模型。
非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。
è 理想置换流动模型¢含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。
与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。
¢特点在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。
所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。
¢反应器内浓度变化¢长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。
è理想混合流动模型¢含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。
反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。
反应器内物料质点返混程度为无穷大。
¢特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。
¢反应器内浓度变化¢搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。
è非理想流动理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。
对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
化学反应过程ppt课件
nAnA0(1xA) 当反应体积不变时： CACA0(1xA) 用转化率表示反应速率： rAV 1ddA ntV 1nA0 ddtA x 用转化率表示反应进度： nA0 xA
A
.
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续 流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累， 系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不 随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同 的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函 数 连。续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反 应物或产物的摩尔流量的变化。即：
为ni，则定义反应进度为： ξni ni0
m ol
νi
或写成：
nini0 ni iξ
则：
dd A n A d B n B d S n S
用反应进度表示反应速率： r d
V dt 所有反应物和产物的反应进度都是相等的。
.
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
xAnAn 0 A0nA nn A0 AnA A0
ri
dqn,i dVR
[mo/(m l 3s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
.
化学反应速率的表示方式
也可以表示为单位反应表面积上某一反应物或产物的摩尔 流量的变化。即：
ri dd qS n,i [m/o(m l2s)]
h3
CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3 AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2 SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土 H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂 H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛
A
.
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续 流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累， 系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不 随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同 的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函 数 连。续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反 应物或产物的摩尔流量的变化。即：
为ni，则定义反应进度为： ξni ni0
m ol
νi
或写成：
nini0 ni iξ
则：
dd A n A d B n B d S n S
用反应进度表示反应速率： r d
V dt 所有反应物和产物的反应进度都是相等的。
.
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
xAnAn 0 A0nA nn A0 AnA A0
ri
dqn,i dVR
[mo/(m l 3s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
.
化学反应速率的表示方式
也可以表示为单位反应表面积上某一反应物或产物的摩尔 流量的变化。即：
ri dd qS n,i [m/o(m l2s)]
h3
CrO3,MoO2,TiCl4-Al(C2H5)3 AlCl3,FeCl3,CuCl2,HgCl2 SiO2-Al2O3,SiO2-MgO,沸石分子筛，活性白土 H2SO4,H3PO4,HgSO4,分子筛，离子交换树脂 H3PO4/硅藻土，AlCl3,BF3,SiO2-Al2O3,沸石分子筛
化学反应过程与设备课件资料
降低热点温度 减少轴向温差 的措施： 入口处附近放置一定高度惰性载体 稀释的催化剂或已部分老化催化剂。
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
化学反应过程及设备
从实验室开发到工业生产存在放大效应。
在工业反应器中实际进行的过程不
但包括有化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混和和
传递等，所有这些传递过程使得反应器内
产生温度分布和浓度分布，从而影响反应
的最终结果。
5/21/2020
➢ 化学动力学特性的研究 ：在实验室的小反应器内进行， 完全排除传递过程的影响。
a s
(rS
)
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
或可说，我们用不同的着眼级分来描述化学反应速 率，那么反应速率与计量系数之比是相等的。
rA rB rr rs a b rs
若以浓度表示则为：
1 dCA 1 dCB 1 dCR 1 dCS a dt b dt r dt s dt
( r ) k P P
A
A ,P A B
5/21/2020
（3）单一反应 ✓— 可逆—反反应速应率级方程数的表示
对于： aA+bB rR+sS
( r ) kC B kC B
A
AA B
ARS
反应级数的大小反映了该物料浓度对反应速率
影响的程度。级数愈高，则该物料浓度的变化
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
对于(恒容)气相反应，由于分压与浓度成正比，也可用 分压来表示。
( r )
1
dn A
k
P P
A V dt
pA B
注意各参数的量纲单位要一致 ，若分压的单位为Pa，
则kp的单位：
mol ( m3 s Pa)
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
对于均相反应aA+bB=rR+sS反应速率定义为：
化学反应过程与设备说课
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
原料 予处理
化学 反应
产物 后处理
核心
化学反应器 —进行化学反应的场所
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
2、课程主要内容
1、化学反应动力学特性的研究 反应机理
反应工程学的 主要任务之一
研究
动力学特性
动力学方程
2、流体流动、传递过程对反应的影响 流体流动 传 质 影响 反应器内浓度和 温度在时间和空 影响 间 上 的 分 布 反应结果
化学反应过 程与设备
说课
《化学反应过程与设备》说课
主讲教师：
程永高
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
说课主要内容：
1
一、说课程
2
二、说教法
三、说学法
3
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
一、说课程
1.教材与教参
教材采用教育部高职 高专规划教材，教材的难 度适中，相比本科教材，
其特点是复杂的理论分析
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
工程因素： •流体流动
•质量传递 对反应过程的影响
•热量传递
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
工程因素
反应场所
反应结果
C、T
物理因素 化学因素
主讲教师：程永高
化学反应过 程与设备
说课
化学因素与物理因素的结合
•反应→动力学 •反应+流体流动→返混 •反应+传质→效率
间相互影响；
3.人为规定了决策序列—认为小试优
惠条件与大设备一样；
《化工反应原理与设备》课件—01绪论
内
容
反应器的操作
化工反应原理与设备与相邻学科的关系
传递工程
流体流动
传质与传热
学化
物 理 化 学
热学 力动 学力
学
化学反应 工程
化
测
态 特 性
量 与 控 制
工 程 控 制
动
工艺路线
催化剂 反应条件
流程、设备
最佳化
化学工艺
化工反应原理与设备的研究方法
数学模型法
１模型方法：建立简化物理模型，建立数学模型 讨论特性规律
反应速率与影响反应 速率的影响因素之 间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程 非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间 的变化率。或单位时间单位体积物料数量的变化。
反应速率
变化量
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
nt= ∑ ni = nA +nB+ nR+ ns
反应器计算中常用的几个物理量
3、膨胀因子和膨胀率
生
nA
nA0
A ( A )
nA0 xA
nB
nB0
B ( A)
nA0 xA
产
中 的 三
nR
nR0
R ( A )
nA0 xA
nS
nS 0
S ( Aபைடு நூலகம்
)
nA0
x
A
率
nt
nt 0
( A
B R ( A )
S ) nA0 xA
当且仅当基元反应时，反应级数=化学计量系数总反
化学反应过程与反应器课件
1 kt ln
1 xA
C
A0
k
t
1
xA x
A
6.3、活塞流反应器
1、活塞流反应器的结构
这种反应器的结构非常简单，一般是直 管，要求有足够大的长径比（L/d > 50）。反应物料从管的一端送入，一边 流动一边反应，从管的另一端引出时， 已达到预定的转化率。
2、管式反应器的特点
（1）活塞 流
分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物 料的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输
出而其余则为分批加入或卸出的操作。 连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程
2、据反应器结构分
a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式 塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾 塔；（g）固定床反应器；h）流化床反应器； （i）移动床反应器；（j）滴流床反应器
等容过程
VR
qV 0
CA0
dx xAf
A
0 rA
dC C A 0
A
CAf (rA )
与间歇反应器的公式相同
4、停留时间、反应时间、返混 的概停念留时间(τ)
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时 间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
反应时间 （t）
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的 时间；是对已经离开反应器的物料质点而言 的。
3、反应物料具有相同的停留时间。
无反 混
3. 活塞流反应器的计算：
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
化学反应原理与设备(杨西萍)模块二-PPT文档资料
视镜主要是为了观察反应器内物料 的混合情况及反应情况
石油化学工程系
釜式反应器的搅拌装置
《专业技能取证实训》
搅拌器的作用，通过搅拌达到物料的充分混合，增强 物料分子碰撞，强化反应器内物料的传质传热
搅 Evaluation only. 类拌 ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 型器 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.
B
1/(-RA）
dx dc A A t c A 0 ( r ) ( r ) A A 0 c A 0
x A
c A
A
面积
X X
A A1
t c A0
X
A2
0
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
• 已知：在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸 树脂。（-rA)＝kcA2kmol(A)/L.min) k=1.97L/(kmol.min) • CA0=0.004kmol/L t´=1h =0.75若每天处理2400kg己二酸 • 求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间． • 求xA=0.8，0.9时，所需反应器体积 • 解: x A
ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 • xA=0.5时 Copyright 1 2019-2019 0 . 5 Aspose Pty Ltd.
t 1. 2 9 (min) 6 2 . 1 ( h 0 ) 1 . 9 7 0 . 00 ( 1 0 4 . 5 )
基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
石油化学工程系
釜式反应器的搅拌装置
《专业技能取证实训》
搅拌器的作用，通过搅拌达到物料的充分混合，增强 物料分子碰撞，强化反应器内物料的传质传热
搅 Evaluation only. 类拌 ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 型器 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.
B
1/(-RA）
dx dc A A t c A 0 ( r ) ( r ) A A 0 c A 0
x A
c A
A
面积
X X
A A1
t c A0
X
A2
0
石油化学工程系
《专业技能取证实训》
• 已知：在间歇釜中己二酸和己二醇以等摩尔比反应生产醇酸 树脂。（-rA)＝kcA2kmol(A)/L.min) k=1.97L/(kmol.min) • CA0=0.004kmol/L t´=1h =0.75若每天处理2400kg己二酸 • 求xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间． • 求xA=0.8，0.9时，所需反应器体积 • 解: x A
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基本结构：壳体结构、搅拌器、密封装置、换热装置
化学反应过程及设备
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（3）单一反应 ——反应级数
反应级数――指动力学方程中浓度项的幂数，如式中的 α和β， α和β分别称作组分A和组分B的反应级数α+β=n，n是基 元反应的总反应级数。
( rA ) k ACA CB
mol ,( 3 ) m s
–rA=kACA
A R与2A 后者 –rA=kACA2
冪数型动力学方程和双曲型动力学方程 1）幂数型动力学方程
aA+bB=rR+sS反应速率定义为： 实验研究得知，均相反应速率取决于物料的浓度和温度， 反应速率符合下述方程，称乊为冪数型动力学方程，是 经验方程。
式中kA称作反应速率常数；α 、β 是反应级数。
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（2）化学反应速率及其表示
• 均相反应－－在均一液相戒气相中进行的反应 • 均相反应动力学是解决均相反应器的选型、操
作与设计计算所需的重要理论基础
！研究均相反应的首先掌握反应动力学
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（2）化学反应速率及其表示
对于均相反应aA+bB=rR+sS反应速率定义为：
rA
1 dnA 由于反应而消耗的A物质的量 V dt （单位体积）（单位时间)
如：氢气与溴反应生成溴化氢
(rHBr )
实验得知
H2＋Br2
1/ k1CH 2 CBr22
k2 C HBr / CBr2
2HBr
此反应系由以下几个基元反应组成：
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（2）化学反应速率及其表示
实验得知H2和Br2反应生成溴化氢反应由几个基元反应组成
计量方程
计量方程仅表示参与反应的各物 质间的量的变化关系与实际反应 历程（反应机理）无关
化学反应过程与设备
任务2 鼓泡塔反应器设计
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行鼓泡塔反应器的工艺设计。
化学工业中最为常用的气液相反应器是 鼓泡塔反应器和填料塔反应器，此外还有 板式塔反应器、喷雾塔反应器和降膜反应 器等。
一、气液相反应器的种类与工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
1、气液相反应的特点
气液相反应侧重于研究传质过程如何影响化 学反应的转化率、选择性及宏观速率，以求经济、 合理地利用气体原料生产化学产品，即着眼于化 学反应，故称其为气液相反应。 2、气液相反应的工业应用
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第一节 模拟式显示仪表
其他模拟式显示仪表：
动圈式显示仪表 采用灵敏度较高的磁电系测量机构将被测信号转换为指
针的角位移，实质上是一种利用偏差法测量电流的仪表。
光柱式显示仪表 将输入信号通过由许多发光二极管组成的光柱显示出
来，具有显示醒目、形象直观、精度稳定的特点。
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任务1 气液相反应器的选择
1000
150
0.15
喷淋塔
1200
60
0.05
鼓泡塔
20
高存液量
搅拌釜
200
20
0.98
200
0.90
二、鼓泡塔反应器结构 化学工业所遇到的鼓泡反应器，按其结构可
分为：空心式、多段式、气提式和液体喷射式。
三、气液相反应器的选择 1、具备较高的生产能力 2、有利于反应选择性的提高 3、有利于降低能量消耗 4、有利于反应温度的控制 5、能在较少液体流率下操作
在化学工业中，气液相反应广泛地应用于加氢、 磺化、卤化、氧化等化学加工过程。
（二）气液相反应器的基本类型与特点 1、气液相反应器的基本类型
常用气液相反应器的特性参数
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本征动力学方程的型式
（1）双曲线型本征动力学方程：见表1-11
（2）幂函数型本征动力学方程
如焦姆金导出的铁催化剂上氨合成反应动力学方程
为：
rNH3
k1 pN2
p1.5 H2
pNH3
k2
pNH3 p1.5
H2
在实际应用中常常以幂函数型来关联非均相动力学参
数
三、固定床反应器计算 在固定床中进行催化反应，流体必须进行 流动；催化反应的同时还会进行传质、传 热过程。 流体流动、传质、传热过程会影响床层中 的浓度、温度分布，最终将影响反应过程， 因此必须了解这些过程。
以上七个步骤是前后串联的：
速率控制步骤：某一步骤的速率与其他各步的速率相比 要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率。 （外扩散控制、内扩散控制、表面过程控制）
当反应过程达到定态时，各步骤的速率应该相等，且 反应过程的速率等于控制步骤的速率。
(三)本征动力学方程
气固相反应本征动力学就是研究不受扩散干扰条件下 的固体催化剂与其相接触的气体之间的反应动力学。
n
dP xidi i 1
调和平均直径
1 n xi
dP d i1 i
在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均 直径较为符合实验数据。
3、空隙率
固定床内流体是通过催化剂颗粒构 成的床层而流动，了解催化剂床层的性 质很必要。
空隙率是床层的重要特性之一， 对流体通过床层的压力降、床层的有效 导热系数等都有重大的影响。
非球形颗粒的比表面积为：
SV AP /VP
比表面积等于S的球形颗粒有如下关系式：
SV
d
2 S
/
1 6
d
3 S
6/ dS
dS 6VP / AP
在固定床的流体力学研究中，非球形颗粒的直径常常 采用体积相当直径，在传热传质的研究中，常常采用面积 相当直径。
S
(4)形状系数 S
S AS / AP
(一)固定床反应器内的流体流动 1、催化剂颗粒的直径和形状系数 (1)体积相当直径:即采用体积相同的球形颗粒直径来表示
非球形颗粒直径。
1
dV 6VP / 3
(2)面积相当直径:即采用外表面积相同的球形颗粒直径来 表示非球形颗粒直径。
1
da AP / 2
(3)比表面相当直径：即采用比表面积相同的球形颗粒 直径来表示非球形颗粒的直径。
(二)工业催化剂的制备 1、沉淀法 2、浸渍法 3、混合法 4、熔融法 5、离子交换法 6、催化剂的成型
二、气固相催化反应动力学基础
(一)气固相催化反应速率的表示
反应速率
反应量 (反应区域)(反应时间)
上式中的反应区域，气固相催化反应有几种选择：
(1)选用催化剂体积，反应速率单位为 kmol /(m3催化剂.h)
压降计算
P
fM
f u02
dS
1
3 L
fM
150 ReM
1.75
ReM
dS f u0 f
2、反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递（内扩 散过程）；
3、反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程）；
4、在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程）；
5、反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）；
6、反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩 散过程）；
7、反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过 程）。
(1)空隙率的含义 ε ：催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总
体积之比
(2)影响空隙率的因素
影响因素
颗粒形状
越接近球形
颗粒装填方式
越紧密
颗粒的粒度分布
越不均匀
颗粒表面的粗糙度
越光滑
ε 越小 越小 越小
越小
(3)床层空隙率沿径向的分布
器壁对ε分布的这种影响及由此造成对流体流 动、传质和传热的影响，称为壁效应。
任务2 固定床反应器设计
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行固定床反应器的工艺设计。
一、固体催化剂基础知识
（一）催化作用与催化剂 1、定义：催化剂是一种物质，它能够加速反应的速率而
不改变该反应的标准自由焓的变化，这种作用称为催 化作用。 2、催化剂组成与功能 绝大多数固体催化剂工业催化剂有三类可以区分的组分， 即：①活性组分；②助催化剂；③载体。 3、催化剂性能与标志 必须具备高活性，合理的流体流动性质及长寿命这三个条 件。
AS dV2 与非球形颗粒等体积圆球的外表面积。
S 即与非球形颗粒体积相等的圆球的外表面积与非球形
颗粒的外表面积之比。
对于球形颗粒， S =1，对于非球形颗粒， S ＜1
形状系数说明了颗粒与圆球的差异程度。 三种相当直径用联系起来，有如下关系：
3
dS S dV S 2 da
2、混合颗粒的平均直径及形状系数 算术平均直径
影响固定床压力降的因素 （1）属于流体的：流体的粘度、密度等物
理性质和气流速度★。
流体的物理性质是由操作工艺确定的； 降低气流速度，可以降低床层压降。 （2）属于床层的
床层的高度、床层空隙率和颗粒特性如形状、粒度等 （3）当 dt/dp 小于8时，壁效应对压降的影响不容忽视。
生产中由于流体的压头有限，一般固定床中的压降不宜 超过床内压力的15%。
(2)选用催化剂质量，反应速率单位为 kmol /(kg催化剂.h) (3)选用催化剂堆积体积，即反应器中催化剂床
层体积，反应速率单位为 kmol /(m3床层.h)
(二)气固相催化反应过程 一般而言，气固相催化反应过程经历以下七个步骤： 1、反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递（外扩
散过程）；
流体流动由两部分合成： ➢ 一部分为流体以平均流速沿轴向作理想置换式流动； ➢ 另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散
5、 流体流过固定床层的压力降
压力降产生原因 （1）摩擦阻力：由于流体与颗粒表面之间的摩
擦产生。 （2）局部阻力：流体在孔道内的收缩、扩大
及再分布所引起的。 ➢ 低流速时，摩擦阻力为主； ➢ 高流速及薄床层中流动时，以局部阻力为主。
壁效应产生出床层径向截面上流速、温度及 反应速率都不均匀，恶化了反应器的操作性能。
dt/dp越大，壁效应的影响越小，一般当达8 时，可不计壁效应。
4、流体在固定床中的流动特性
在床层径向，空隙率分布的不均匀造成了流速分布 不均匀（不同于空管）
流体在流动过程中对颗粒的撞击及孔道的缩小或扩 大，使得流体不断分散和汇合，造成径向、轴向混合同 时存在。