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反应工程(单语)课件-第一章-PPT文档资料
Willingness to make estimates and assumptions Must be constantly aware of the difference between the
idealized conditions under which the basic knowledge was obtained and the real conditions of their design and its environment Fearless, embraces new challenges
解决实际问题 追求效率最大化 追求资源利用最大化 经济评价指标
Engineering & Engineers
Solve practical problems
Scientists solve the problems they can, but Engineers try to solve the problems they have to;
Analysis of complex system Comprehensive usage of a broad range
of knowledge
Chemical Reactor: Definition
General:
An equipment or device that serves to conduct chemical reactions, i.e. convert molecules from one form to another
P. V Danckwerts
Education: Winchester College; Balliol College, Oxford University; Massachusetts Institute of Technology. BA (chemistry) Oxon, 1938; SM (Chemical Engineering Practice), MIT, 1948; MA Cantab 1948. Held a post in the small chemical company of Fullers Earth Union Ltd, Redhill, 1939-1940.
idealized conditions under which the basic knowledge was obtained and the real conditions of their design and its environment Fearless, embraces new challenges
解决实际问题 追求效率最大化 追求资源利用最大化 经济评价指标
Engineering & Engineers
Solve practical problems
Scientists solve the problems they can, but Engineers try to solve the problems they have to;
Analysis of complex system Comprehensive usage of a broad range
of knowledge
Chemical Reactor: Definition
General:
An equipment or device that serves to conduct chemical reactions, i.e. convert molecules from one form to another
P. V Danckwerts
Education: Winchester College; Balliol College, Oxford University; Massachusetts Institute of Technology. BA (chemistry) Oxon, 1938; SM (Chemical Engineering Practice), MIT, 1948; MA Cantab 1948. Held a post in the small chemical company of Fullers Earth Union Ltd, Redhill, 1939-1940.
普通化学实验(大连理工大学)
实验
(需要自备坐标纸、实验开始前须写好一、二、三内容，报告可以双面打印)
学院专业班级姓名
实验地点日期指导教师学号
一、实验目的：
二、实验原理：
（1）化学反应热的测定
实验测定原理，绝热条件下，反应放热使热量计及所盛装物质的温度升高，从系统反应前后温度的变化及有关物质的质量热容，可计算出该反应放出的热量。
在定压条件下，测定反应的反应热：
为了使反应完全，使用的锌粉要。
计算公式为：
在测定反应热之前，必须先测定热量计的质量定压热容。
质量定压热容的计算公式为：
三、实验初探（论述）
锌置换硫酸铜的反应与酸碱中和反应（HCl和NaOH）有什么不同之处，在测量反应热
的过程中，本实验采用了那些措施来减小误差。
四、实验记录与处理
（1）热量计质量定压热容的测定
冷水的温度
热水的温度
混合后的水的温度
热量计的质量定压热容计算：（2）反应热的测定
反应前溶液的温度
反应过程中温度变化记录
时间（s）
温度（℃）
外推反应温度
反应前后温度差
（3）反应标准摩尔焓变的计算。
大连理工大学普通化学5(稻香书屋)
NOg O3gT500KNO2 g O2 g 为元反应
则 r kcNO cO3
5.2.3 复合反应的速率方程
复合反应：由两个或两个以上的反应组合而成 的总反应。在复合反应中,可用实验检测到中 间产物的存在,但它被后面的一步或几步反应 消耗掉,因而不出现在总反应方程式中。
如：NO2 g COgT500KNOg CO2 g
1/ T
3.41103 3.35103 3.30 103
3.25103
3.19 103 3.14 103
lnk
–10.659 –9.967 –9.280 –8.612 –7.924 –7.371
k-T 关系图：
k-T 图
lnk-1/T 图
Arrhenius方程：
k k0eEa / RT（指数形式）
3.3.2 Arrhenius方程的应用
1.已知T1—k1， T2—k2，求Ea
T T1时，ln k1 ln k0 Ea / RT1 T T2时，ln k2 ln k0 Ea / RT2
两式相减，整理得到：
ln
k2 k1
Ea R
1 T1
1 T2
通常活化能的数值在40 ~400 kJ·mol-1 之间，多数为60~250 kJ·mol-1 。
根据光谱学研究提出的反应机理是：
① 2 NO
k1 k-1
N2O2
(快,
平衡)
②N2O2 H2 k2 N2O H2O (慢)
③N2O H2 k1 2N2 H2O (快)
依据这一反应机理推断其速率方程式， 并确定相关物种的反应级数。
解：按照速率控制步骤(最慢的一步)
r k2cN2O2 cH2
5.4.3 活化能与反应速率
则 r kcNO cO3
5.2.3 复合反应的速率方程
复合反应：由两个或两个以上的反应组合而成 的总反应。在复合反应中,可用实验检测到中 间产物的存在,但它被后面的一步或几步反应 消耗掉,因而不出现在总反应方程式中。
如：NO2 g COgT500KNOg CO2 g
1/ T
3.41103 3.35103 3.30 103
3.25103
3.19 103 3.14 103
lnk
–10.659 –9.967 –9.280 –8.612 –7.924 –7.371
k-T 关系图：
k-T 图
lnk-1/T 图
Arrhenius方程：
k k0eEa / RT（指数形式）
3.3.2 Arrhenius方程的应用
1.已知T1—k1， T2—k2，求Ea
T T1时，ln k1 ln k0 Ea / RT1 T T2时，ln k2 ln k0 Ea / RT2
两式相减，整理得到：
ln
k2 k1
Ea R
1 T1
1 T2
通常活化能的数值在40 ~400 kJ·mol-1 之间，多数为60~250 kJ·mol-1 。
根据光谱学研究提出的反应机理是：
① 2 NO
k1 k-1
N2O2
(快,
平衡)
②N2O2 H2 k2 N2O H2O (慢)
③N2O H2 k1 2N2 H2O (快)
依据这一反应机理推断其速率方程式， 并确定相关物种的反应级数。
解：按照速率控制步骤(最慢的一步)
r k2cN2O2 cH2
5.4.3 活化能与反应速率
Chemical Engineering - 大连理工大学化工原理及实验精品课程
Chapters distillation absorption liquid—liquid extraction drying Membrane separation
teaching hours 15 12 5 6 2 40 2 weeks
course design Design a distillation column
Shell and tube exchangers, the condensation of vapors and boiling liquids.
Mass transfer unit operation:separation
Distillation (l--v) Absorption(吸收)（adsorption 吸附）(v--l) Liquid—liquid extraction (l--l) Drying (s—v) Evaporation Filtration Gas cleaning Sedimentation crystallization
Chemical Engineering
Second Semester
Principle of chemical engineering
Operation process
Unit Operation
chemical process
( fluid flow )
Crude material ( heat transfer) Reaction
separation processes
pure refinery products by products
purification
types of process:
Fluid dynamics: principle of momentum Heat transfer: principle of energy Mass transfer: principle of mass
无机化学(大连理工)第七章。ppt教材
配平步骤：
①用离子式写出主要反应物和产物(气体、纯 液体、固体和弱电解质则写分子式)。
②分别写出氧化剂被还原和还原剂被氧化的半 反应。
③分别配平两个半反应方程式，等号两边的各 种元素的原子总数各自相等且电荷数相等。
④确定两半反应方程式得、失电子数目的最 小公倍数。将两个半反应方程式中各项分别乘以 相应的系数，使得、失电子数目相同。然后，将 两者合并，就得到了配平的氧化还原反应的离子 方程式。有时根据需要可将其改为分子方程式。
• 1) 2Mg(s)+O2(g) = 2MgO(s) 与氧结合
• 2) Mg→Mg2+ + 2e
电子转移
• 3) 2P(s)+2Cl2(g) = 2PCl3(l) 电子偏移
氧化还原反应—— 有电子得失或电子转移的反
Cu应2+。(aq) + Zn(s) Zn2+ (aq) + Cu(s) 得失电子
H2(g）+ Cl2（g） 2HCl（g）
例1：配平反应方程式
KMnO4 (aq) + K2SO3(aq) 酸性溶液中 MnSO4 (aq) + K2SO4 (aq)
①
MnO
4
+
SO
2 3
SO
2 4
+
Mn 2+
②
MnO
4
+ 8H +
+ 5e
=
Mn 2+
+
4H 2O
①
SO
2 3
+
H2O
=
SO
2 4
+
2H +
+
《化学反应工程》PPT课件
由于三相反响器中，液固相间的相对运动速率一般较小，而气相反 响物必须通过液相才能到达固体催化剂外表，因此反响相外的传质对表 观反响速率往往具有重要影响。所以当反响物为难容气体时，我们可以 忽略溶质在气相中的传递阻力。
气泡
气泡
气—液界面
液体
催化剂颗粒
浓 度
0 距离
图7.1 三相反响中气相反响物浓度分布
气
气液 膜膜
液
相
相
主
主
体
体
1.3 气液固三相反响动力学——主要讨论气液固相 催化反响的动力学
根据双模理论模型，我们可以知道气液固三相反响过程中同时存在 气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相外表的化学 反响，是一比较复杂的传质—反响交互作用的过程。虽然气液固三相反 响是一个很复杂的反响过程，但是我们可以通过具体情况对其进展简化。
0.52 0.32 0.27 0.22
0.20 0.18
解：因为气相进料为纯氢，所以式〔7.12〕适用
t/min
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
图 7.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
当催化剂的质量分数为0.07%时，假设能消除气液间传质阻力，由 图7.2可见：
优点
反响条件温和，可延长 催化剂的寿命，对许多 反响过程，这将有利于 改善选择性
由于液相组分热容大， 对强放热反响改善了 传热和温度控制
1.2 气液固三相反响动力学理论模型—双膜理论模型
假设
在相界面附近，由 于流体的相对运动 干扰，相界面两边 各有一层处于层流 运动状态，分别称 为气膜和液膜
在气液两相主体中， 流体的运动状态处 于充分的湍流溶质 在主体中以涡流扩 散方式传递，故主 体浓度可视为均一
气泡
气泡
气—液界面
液体
催化剂颗粒
浓 度
0 距离
图7.1 三相反响中气相反响物浓度分布
气
气液 膜膜
液
相
相
主
主
体
体
1.3 气液固三相反响动力学——主要讨论气液固相 催化反响的动力学
根据双模理论模型，我们可以知道气液固三相反响过程中同时存在 气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相外表的化学 反响，是一比较复杂的传质—反响交互作用的过程。虽然气液固三相反 响是一个很复杂的反响过程，但是我们可以通过具体情况对其进展简化。
0.52 0.32 0.27 0.22
0.20 0.18
解：因为气相进料为纯氢，所以式〔7.12〕适用
t/min
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
图 7.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
当催化剂的质量分数为0.07%时，假设能消除气液间传质阻力，由 图7.2可见：
优点
反响条件温和，可延长 催化剂的寿命，对许多 反响过程，这将有利于 改善选择性
由于液相组分热容大， 对强放热反响改善了 传热和温度控制
1.2 气液固三相反响动力学理论模型—双膜理论模型
假设
在相界面附近，由 于流体的相对运动 干扰，相界面两边 各有一层处于层流 运动状态，分别称 为气膜和液膜
在气液两相主体中， 流体的运动状态处 于充分的湍流溶质 在主体中以涡流扩 散方式传递，故主 体浓度可视为均一
大连理工大学 8.15 溶液中的反应动力学
溶剂对反应(C2H5)3N+ C2H5I (C2H5)4NI的k的影响
溶剂
k(100)/dm3 mol-1 s-1
己烷
极
苯
性
氯苯
增
硝基苯
强
0.00018 0.0058 0.023 70.1
7
cAcB
讨 论：
(i)若k１>>k-D，则 k≈kD，即反应由扩散步骤控制；
(ii)若k１<<k-D ，则
k
k1
kD kD
即总反应为活化步骤 (反应步骤)控制。 5
3.溶剂性质对反应速率的影响
B B
A
A
若：产物极性>反应物极性, 在极性溶剂中进行有利。
从能量角度：活化络合物溶剂化强烈，活化络合 物与反应物能量差小, 则Ea小，对反应有利。6
溶液中反应分两个步骤: 通过扩散至同一笼中而遭遇; 遭遇的分子对发生反应形成产物2 。
2.溶液中反应的动力学方程
kD
AB
(AB ) k1 Z
k-D
产物Z的生成速率为
dcZ dt
k1c(AB)
而分子对(AB)的浓度变化为
dc(AB) dt
kDcAcB
kDc(AB)
k1c(AB)
3
8.15 溶液中的反应动力学
1.溶剂的笼效应和分子遭遇
B
B
A
A
当处在两个不同的笼中的两个反应物分子 A与B分子冲出旧笼而扩散至同一个新笼中时相 遇在一起称为遭遇。
1
B
B
A
A
反应物分子在笼中振动，振动频率约为1013s-1，平 均停留时间约为10-11s，即每个反应物分子与其周围溶剂 分子经历1013s-110-11s＝100次碰撞才能冲出旧笼，但立 即又陷入一个相邻的新笼之中。这称之为笼效应。
反应工程课件第一章2
操作，反应器炉内衬耐火砖，但温度再高会使烧渣熔化，物
料熔结会影响正常操作。Fe2O3的熔点1560 ℃， FeO的熔点 1377 ℃。
例2 煅烧石灰石制取CO2及CaO的反应：CaCO3 = CaO + CO2 是一个不可拟的吸热反应，通常靠燃烧焦炭和无烟煤供给热
量，理论上常压下800℃开始分解，温度越高反应速率越快，
② 如果目的产物为A3，情况就复杂得多。若反应在等容 下进行，反应速率可以dc/dt表示，经过推导，可得出组分 A3的收率Y3与组分A1的转化率x1及反应速率常数之比值 k2/k1的函数，如图1-4所示。
当A2过量时，t=0时，c1=c10，c3=0.
Y3
c3 c10
( c1
k2
)k1
c10
1
y
数值较大，1
K
f2
y
(y f1 (
) y
)
1，此时，温度
对反应速率常数的影响要大于对 反应速率提高。
1
K
f2
y
(y f1 (
) y
)
的影响，总的结果，温度升高，
随着温度的升高，
K y
的影响越来越显著，也就是说，随着温度的升高，反应速率
S3=C3/(C10-C1)
c1 c10 exp[ (k1 k2 )t]
c3
k1c10 k1 k2
1
exp[ (k1
k2 )t]
（4）讨论
s 1 1 k02 exp( E1 E2 )
k01
RgT
当E1＞E2时 提高反应温度对主反应有利 当E1＝E2时 温度对选择性无影响 当E1＜E2时 降低反应温度对主反应有利
料熔结会影响正常操作。Fe2O3的熔点1560 ℃， FeO的熔点 1377 ℃。
例2 煅烧石灰石制取CO2及CaO的反应：CaCO3 = CaO + CO2 是一个不可拟的吸热反应，通常靠燃烧焦炭和无烟煤供给热
量，理论上常压下800℃开始分解，温度越高反应速率越快，
② 如果目的产物为A3，情况就复杂得多。若反应在等容 下进行，反应速率可以dc/dt表示，经过推导，可得出组分 A3的收率Y3与组分A1的转化率x1及反应速率常数之比值 k2/k1的函数，如图1-4所示。
当A2过量时，t=0时，c1=c10，c3=0.
Y3
c3 c10
( c1
k2
)k1
c10
1
y
数值较大，1
K
f2
y
(y f1 (
) y
)
1，此时，温度
对反应速率常数的影响要大于对 反应速率提高。
1
K
f2
y
(y f1 (
) y
)
的影响，总的结果，温度升高，
随着温度的升高，
K y
的影响越来越显著，也就是说，随着温度的升高，反应速率
S3=C3/(C10-C1)
c1 c10 exp[ (k1 k2 )t]
c3
k1c10 k1 k2
1
exp[ (k1
k2 )t]
（4）讨论
s 1 1 k02 exp( E1 E2 )
k01
RgT
当E1＞E2时 提高反应温度对主反应有利 当E1＝E2时 温度对选择性无影响 当E1＜E2时 降低反应温度对主反应有利
化学反应工程第三课件演示文档
2 .3 8
2 .4 0
2 .4 2
1 /T
2.1.2 均相反应动力学方程
k0e1.6 581.581760 k1.857106e8R58T00
注意：① k0，E在一定温度范围内可以当着常数，若实际反应温度超 出实验温度范围时，将会产生误差。② k仅是温度的函数，其量纲与 反应的总级数有关。③ 气相反应用分压表示浓度时， k kppApB 可利用气体状态方程对k值进行换算，这时k的量纲也相应改变。
行分析的基本依据。
2.1.2 均相反应动力学方程
解：将Arrhenius式取对数，则有
lnkRETlnk0
由式可见，lnk与1/T之间为线性关系。整理表2.1-1中数据可得
B
-7 .2
-7 .4
ln k
-7 .6
-7 .8
-8 .0
-8 .2
-8 .4
2 .3 0
2 .3 2
2 .3 4
2 .3 6
二、动力学方程
设一均相不可逆反应
aAbBpP
动力学方程
rAk cAcB
式中，k、α、β是动力学参数，由实验测定。
2.1.2 均相反应动力学方程
讨论
rAk cAcB
（1）一般情况下，总压P 对反应速率的影响不大，可忽略。
（2）α、β称为反应级数，表示反应速率对反应物浓度的敏感程度。 α与β之和称为总反应级数。
（2）设气体服从理想气体状态方程，则
pA nA RVTcART
d dA p td dA n tR V T3.70 (cA 9 R)2 T
V dndA t 3.70R9TAc2
k 3 .7 0 8 .39 1 3 0 4 4 0 1 .3 0 2 [ l/ 4 m h ]ol
反应工程课件第三章(1)
3〕半间歇操作 局部反响物料连续参加和排除，局部反响物料简歇参加
和排除，属于非稳态过程。
3.1.2 间歇反响器性能的数学描述 在间歇反响器中，由于剧烈搅拌，槽内物料
的浓度和温度到达均一，因而可以对整个反响器 进展物料衡算。
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
间歇操作中流人量和流出量都等于零。
rAV
n A0
dx A dt
dt
n A0 rAV
dx A
t
dt
0
xA f 0
rnAAV0 dxA
积分
tnA0
VR
xAf 0
drxAACA0
xAf 0
dxA rA
到达一定反响率所需 反响时间的计算式。
假设反响过程中不发生体积变化，即等容过 程。根据等容时转化率与浓度关系
xA
n A0 n A n A0
C A0 C A C A0
C A C A 0 (1 x A )
dC A C A 0 dx A
dx
A
dC A C A0
t C A 0
x Af 0
dx A rA
C A0
C Af
C A0
t
dC C Af
A
r C A 0
A
dC A rAC A0
间歇反响器所需的实际操作时间包括反响时 间t与辅助时间t',t'包括加料、调温、卸料、清 洗等时间。
反响工程课件第三章(1)
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求得：xAf = 0.8
.
.
.
.
3.4 在CSTR中进行某液相反应： A→C, (-rA)=kCA 组分A的转化率为20%。现拟选用PFR-CSTR反应器组进行该反应，并要求转化率 达到80%。试求PFR的体积应为CSTR的多少倍?
【解】根据CSTR的操作方程：
第二段为CSTR时：
= 0.75 第一段为PFR：
.
3.6 在循环操作的PFR中进行气相不可逆2级反应2A ─→ R。当循环比=1时，组分A 的转化率为60%，原料为纯组分A。试求操作改为不循环时组分A的转化率变为多少？ 【解】根据循环操作的PFR操作方程：
不循环操作时：
xA = 0.68
.
.
.
3.3 液相2级不可逆等温反应（-rA=kCA2）拟在连续操作的反应装置中进行。已知 20C 时，k=10m3· kmol-1· h-1，CA0=0.2kmol· m-3，进料流量为2m3· h-1。比较下列各方案， 哪个方案转化率最大？ （1）VR为4m3的活塞流反应器； （2）PFR后串联一个CSTR，体积均为2m3； （3）CSTR后串联一个PFR，体积均为2m3； （4）二段CSTR，体积各为2m3； （5）两个CSTR并联，体积均为2m3。
.
总压力pt = 21.013105 = 2.026105 Pa
pA = yApt =0.0772.026105 = 1.56104 Pa pB = yBpt =0.03852.026105 = 7.8103 Pa pC = yCpt =0.1542.026105 = 3.12104 Pa pD = yDpt =0.1542.026105 = 3.12104 Pa pI = yIpt =0.57752.026105 = 1.17105 Pa
《反应工程》习题课
.
2. 化学反应动力学基础
2.1 在一等温等压管式反应器中进行下述气相反应： 2 SO2 + O2 ─→ 2 SO3, ( 2 A + B ─→ 2 C ) 原料气中含25% SO2和75%空气，总压为2000 kPa，反应温度为532 K。试推导各组分 浓度与xA的关系式。 【解】原料气中SO2（A）的初始分压：pA0 = 20000.25 = 500 kPa 原料气中O2（B）的初始分压：pB0 = 20000.750.21 = 315 kPa 原料气中SO3（C）的初始分压：pC0 = 0 kPa 原料气中N2（I）初始分压：pI0 = 20000.750.79 = 1185 kPa 可见，反应组分中O2过量，选取SO2（A）为关键组分。 气相体系中各组分的分压与摩尔数成正比，yA0 = 0.25 化学计量系数分别为： a=2, b=1, c=2。 膨胀因子：A = (-2-1+2)/2 = -0.5 膨胀率：A =yA0A = 0.25(-0.5) = -0.125
.
2.3 乙烷裂解反应的活化能为300 kJmol-1，该裂解反应在650 C的反应速 率是500 C时的多少倍？
.
3. 理想反应器
3.1 在间歇反应器中进行反应 A→R，其速率方程为： rA 的初始浓度CA0为1 moll-1。求反应1h后A的转化率。 【解】首先推导操作方程：
.5 moll-1h-1，组分A 3C0 A
【解】 a = 2, b =1, c =1, d =1 选取A为关键组分，B = 0.5, C = 0, D = 0 因原料气中惰性气体占50%， I = 3/2 = 1.5，yA0 = 2/(2+1+3) = 1/3 A = (-2-1+1+1)/2 = -0.5 A = yA0A = 1/3(-0.5) = -0.167
.
所以，B = 71.22/113.04 = 0.63, C =0, I = 267.91/113.04 = 2.37
.
2.2 在管式反应器中进行下述气相反应： 2 A + B ─→ C + D 假定A和B按化学计量比混合，惰性气体的体积流量为原料总流量的50%。已知：反 应器入口压力为2 atm，温度为400K，出口压力为2 atm ，温度500 K。求转化率为 80%时各组分的浓度。
PFR与CSTR的体积比：
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.5 -1 -1 rA 102 C0 3.5 某气相反应 A 3P的反应速率方程为： A moll s 。该反应在 一管式反应器进行。原料气体中组分A的初始浓度为CAO = 0.0625 moll-1，要求组 分A的最终转化率xAf = 80% 。试计算： (1) 反应所需要的空间时间t。 (2) 如果进料中含50%惰性气体，但组分A的初始浓度仍为0.0625 moll-1，则反应 所需要的空间时间变为多少？ (3) 比较原料气中有和无惰性气体时空间时间的相对大小，并分析原因。
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3.2 气相反应：A cC在一等温等压的CSTR反应器中进行。 其反应速率方程为 (-rA) = k(CA-CC/K)。试推导组分A的转化率xA与空间时间t的关 系式。
【解】a=1, c=c A = (-1+c)/1 = c-1 yA0 =1, C = 0, A = yA0A = c-1 1+AxA = 1+(c-1)xA