化学反应工程原理 第二版 华东理工大学出版社

选择率：对于复杂反应过程，同一反应原料可以生成几种不同的产物和无用的副产 物。此时，不同产物之间的分配比例对该反应过程的经济效益是一个非常重要的指 标。产物之间的这种分配比例可以用反应选择率 应物量（摩尔）中，转化为目的产物的摩尔分率。

表示。 定义为已经转化掉的反
例： aA pP （主反应） aA sS
xA X Ao

A dxA dCA (rA ) (rA ) C Ao
C
表 3-1 理想间歇反应器中简单级数的反应结果表达式 P60 反应级数 n=0 n=1 n=2 n级 n≠1 4.4 反应速率 残余浓度式
转化率式
(rA ) k (rA ) kCA
(rA ) kCA (rA ) kCA

0
dxA C Ao (rA )
xAf

0
dxA (rA )
理想间歇反应器中的结论完全适用于理想管式反应器，结果列于表 4-1。 表 4-1 等温等容理想管式反应器中简单反应的结果 P97 反应速率式 设计式
VR x A , FA0 v0C A0 F A0 k
VR 1 1 ln FA0 kC A0 (1 x A )
1 n 1 n (C1 A C A0 ) n 1

F V Ao v0 v0
xAf
1－n n1 （ 1－xA） 1 (n 1)CA 0 kt
ห้องสมุดไป่ตู้
n
理想管式反应器基本计算公式 xAf x Af dxA dxA V FAo (vo C Ao ) ( r ) ( rA ) A 0 0
k ln
k
1 x A 1 e k 1 xA
VR xA 1 2 (1 x ) FA0 kC A A 0
k
C A0 1 1 CA C A C A0 1 C A0 k
1 MC A0 C A ln M (1 M )C A
C A0 k xA xA C A0 (1 x A ) 1 C A0 k
1 M xA 1 ln M (1 M )(1 x A )
二级
(rA ) kCACB C C A0 M B0 C A0 C A0 C B0
VR 1 1 M xA 2 ln FA0 kCA ( 1 M )(1 x A ) M 0
C A0 k
C A0 k
二级自 (rA ) kC AC P 催化反应
C (C C A ) VR 1 ln A0 T 0 FA0 kCA0CT 0 C A (CT 0 C A0 )
VR 1 [(1 x A )1n 1] n FA0 kC A0 (n 1)
CT 0 C A0 CP0 C A CP
要掌握各类反应的动力学表达式（第二章） ，转化率、选择率和收率的表达式（第一章） ，及 表达式的浓度效应（第七章）和温度效应（第九章） 。 3 基本反应器 反应器的基本类型
1. 按操作方式分类：间歇操作反应器、连续操作反应器和半间歇半连续操作反应器。 2. 按结构型式分类：釜式反应器和管式反应器。 3.1 理想间歇反应器的特征 1. 反应器内浓度处处相等——无物质传递； 2. 反应器内温度处处相等——无热量传递，即物料在反应器中达到充分混合，即在任一瞬 间，反应器中各处的组成、温度等参数相同； 3. 反应过程中物料温度、组成等参数随时间改变——反应器属非定常态操作； 4. 物料同时加入，同时停止反应——具有相同的反应时间。在化学反应进行过程中，反应 器无物料进、出。 因此，其动力学只取决于化学反应，属于微观动力学。 3.2 平推流(理想管式反应器) 又称活塞流、理想置换或理想排挤，是反应器中流体流动 状况的一种极端化的模型。平推流的特点是反应物料沿运动方向平行地向前移动， 没有轴向的扩散与混合；沿半径方向，即在垂直于流体流动方向的截面上流速是均 匀分布的。所有物料粒子在反应器中的停留时间完全相同。 3.3 全混流(连续流动釜式反应器，CSTR) 又称理想混合、完全混合，是流体在反应器内 流动的另一种极端情况。全混流的特点是物料在反应器内能达到完全混合，进入反 应器的物料可在瞬间和反应器内原有物料均匀混合；物料在反应器内任何位置的浓 度、温度都相同，而且等于出口物料的温度和浓度。 3.4 多釜串联反应器 又称为阶式 CSTR (CSTR cascade)，由 n 个 CSTR 组成。
2
kt CA0 CA CA CA0 kt
kt ln kt
kt
kt CA0 xA
kt ln 1 1 xA
xA
kt C A0
C A0 CA CA0e kt CA
C A0 C A0 kt 1 1 1 xA CA kt xA 1 C A0 kt C A C A0 C A0 1 xA 1 C A0 kt
反应级数 零级 一级 二级
残余浓度
转化率式
(rA ) k (rA ) kC A
2 (rA ) kC A
k C A0 C ACA CA0 k
k ln C A0 C A C A0 e k CA
k C A0 x A
xA
k C A0

VR V0
k A p
f (t )dt 1.0
t
F (t ) f (t )dt
0
2. 能够进行示踪物的物料衡算； 4. 不发生反应或被吸收；
C Ao dC A o kC A k C A C Ao kt t1 2 2k dt dC ln 2 0.693 1 A 一级 kC A kC A C A C Aoe kt t 1 2 dt k k x t dCA dx dx k 二级 A B k (C Ao x)(CBo x) kdt p rA 0 (C 0 dt dt dx x 1 Ao x)(CBo x) 2 k (C Ao x) kt t1 2 当 CAo CBo 时 ， dt C Ao (C Ao x) kCAo dCA kC A C B k C A C C C C Ao Bo 时， Bo 且 dt 当 Ao 则 C B 视为常数， 即转化为伪一级反应。
v
1
( p s ) ( a b) a
0
1.18 停留时间分布密度函数：以 f (t) 表示，定义为：在定常条件下的连续流动 系统中， 对于某一瞬间 t = 0 时流入反应器中的物料， 在反应器出口流体物 料中停留时间介于 t 与 t + dt 之间的物料所占的分率为 f (t)dt。 停留时间分布函数：以 F(t) 表示，定义为在定常态下的连续流动系统中， 相对于 t = 0 瞬间流入反应器内的物料， 在反应器出口物料流中停留时间 小于 t 的物料所占的分率。 1.19 示踪物的条件： 1. 不影响反应器本身的流动性质； 3. 分子扩散性低； 5. 易于分析检测。 2 2.1 2.2 基本反应 基元反应和非基元反应 简单反应
E RT
k ko e
ln k ln ko
d ln k E E 或者 dT RT RT 2
4.2
物料衡算方程式（质量守恒定律）
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量 4.3 理想间歇反应器基本计算公式
V v0tT v0 (t tc )
t C Ao
1.9
基元反应和非基元反应：如果一个化学反应，反应物分子在碰撞中相互作用直接转 化为生成物分子，这种化学反应称为基元反应(elementary reaction)，否则就是非基 元反应。
1.10 反应机理或反应历程：复杂反应要经过若干个基元反应才能完成，这些基元反应代 表了反应所经过的途径，动力学上就称为反应机理或反应历程。 1.11 反应的级数：在化学反应速率方程中，各物浓度项的指数之代数和就称为该反应的 级数,用 n 表示。 1.12 速率常数：反应速率方程式中的比例系数 k，这是一个与浓度无关的量。 1.13 活化能是一个极重要的参数，它的大小不仅是表征化学反应进行难易程度的标志， 也是反应速率对温度敏感性的一种标志。 一般来说， 对于均相反应： E 40 200 kJ / mol 1 1.14 半寿期：反应物由初始浓度 CAo 变为 C Ao 所需要的时间， t 1 2 2 1.15 反应时间与停留时间 反应时间： 从反应物料加入反应器后实际进行反应算起至反应到某一时刻所需的时间， 称为 反应时间，以符号 t 表示。 停留时间：指从反应物料进入反应器时算起至离开反应器时为止所经历的时间。
零级 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 可逆反应 平行反应（竞争反应） 串连反应 准稳态过程 自催化反应
k1
1 P
k
P A S T
3 2
1
A
k2
S
k2
2 A P, A B S, 2B T ,
A P S
A P P P
1 1.1 1.2 1.3 1.4
基本概念 优化：在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，使系统对于确定的评价标准达 到最佳的状态。
1 dn A 反应速率：反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。 V dt n n 反应转化率：反应物中某一组分转化掉的量（摩尔）与其初始量（摩尔） x A Ao A n Ao 的比值。常用 x 表示。 ( rA )
阶式 CSTR 从单个反应器而言，遵循 CSTR 的反应动力学，从整体上看，又是符合 PFR 的动力 学特点。在环境水处理方面尤其有意义，既能承受高浓度、有毒废水的毒性冲击，又具有较 高的处理效率。 3.5 管式循环反应器
管式循环反应器的形式出除了循环流外与理想管式反应器完全相同， 循环流仅仅影响反应器 进口的物料浓度，所以循环管式反应器的计算可沿用 PFR 的计算方法。 4 基本公式 4.1 阿累尼乌斯公式： 温度对反应速率的影响可用阿累尼乌斯 （Arrhenius） 关系式表示：