流固相非催化反应
流化床反应器概述
流化床简介按照床层的外形分类可分为圆筒形和圆锥形流化床。
圆筒形流化床反应器结构简单，制造容易，设备容积利用率高。
圆锥形流化床反应器的结构比较复杂，制造比较困难，设备的利用率较低，但因其截面自下而上逐渐扩大，故也具有很多优点： 1、适用于催化剂粒度分布较宽的体系由于床层底部速度大，较大颗粒也能流化，防止了分布板上的阻塞现象，上部速度低，减少了气流对细粒的带出，提高了小颗粒催化剂的利用率，也减轻了气固分离设备的负荷。
这对于在低速下操作的工艺过程可获得较好的流化质量。
2、由于底部速度大，增强了分布板的作用床层底部的速度大，孔隙率也增加，使反应不致过分集中在底部，并且加强了底部的传热过程，故可减少底部过热和烧结现象。
3、适用于气体体积增大的反应过程气泡在床层的上升过程中，随着静压的减少，体积相应增大。
采用锥形床，选择一定的锥角，可适应这种气体体积增大的要求，使流化更趋平稳。
按照床层中是否设置有内部构件分类可分为自由床和限制床。
床层中设置内部构件的称为限制床，未设置内部构件的称为自由床。
设置内部构件的目的在于增进气固接触，减少气体返混，改善气体停留时间分布，提高床层的稳定性，从而使高床层和高流速操作成为可能。
许多流化床反应器都采用挡网、挡板等作为内部构件。
对于反应速度快、延长接触时间不至于产生严重副反应或对于产品要求不严的催化反应过程，则可采用自由床，如石油炼制工业的催化裂化反应器便是典型的一例。
按照反应器内层数的多少分类可分为单层和多层流化床。
对气固相催化反应主要采用单层流化床。
多层式流化床中，气流由下往上通过各段床层，流态化的固体颗粒则沿溢流管从上往下依次流过各层分布板，如用于石灰石焙烧的多层式流化床的结构。
按是否催化反应分类分为气固相流化床催化反应器和气固相流化床非催化反应器两种。
以一定的流动速度使固体催化剂颗粒呈悬浮湍动，并在催化剂作用下进行化学反应的设备是气固相流化床催化反应器，它是气固相催化反应常用的一种反应器。
固定床、移动床、流化床反应器区别详解
固定床、移动床、流化床反应器，这三种反应器被誉为是工业生产中不可或缺的重要设备。
它们虽然都是制造工业生产中的设备，但它们各有所长，各有其优缺点。
一、首先，“床”指的是什么？大量固体颗粒堆积在一起，便形成了具有一定高度的颗粒床层，这就是名称里的"床"。
这些固体颗粒可以是反应物，也可以是催化剂。
二、如何区分固定床、移动床、流化床反应器如果这个颗粒床层是固定不动的，就叫固定床。
如果这个颗粒床层是整体移动的，固体颗粒自顶部连续加入，又从底部卸出，颗粒相互之间没有相对运动，而是以一个整体的状态移动，叫做移动床。
当流体（气体或液体）通过颗粒床层时，进行反应。
如果将流体通过床层的速度提高到一定数值，固体颗粒已经不能维持不变的状态，全部悬浮于流体之中，固体颗粒之间进行的是无规则运动，整个固体颗粒的床层，可以像流体一样流动，这即是流动床。
下面，小七为大家详细的介绍这三种反应器。
三、固定床反应器又称填充床反应器，内部装填有固体催化剂或固体反应物，以实现多相反应。
固体物通常呈颗粒状，堆积成一定高度（或厚度）的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。
固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。
涓流床反应器也可归属于固定床反应器，气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
1、优点•催化剂机械磨损小。
•床层内流体的流动接近于平推流，与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。
•由于停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节，因此特别有利于达到高的选择性和转化率。
•可在高温高压下操作。
2、缺点•固定床中的传热较差。
•催化剂的再生、更换均不方便，催化剂的更换必须停产进行。
•不能使用细粒催化剂，但固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。
目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。
气固相反应和反应器分析
下面分别就气相主体温度和催化剂外表面温度相等 (气相和催化剂之间的温差可 以不计)和不相等的情况，探讨对不同类型的反应，外部传递对反应结果的影响。 一、等温外部效率因子 相间质量传递和表面反应是一串联过程，在定态条件下，两者的速率必然相 等，对于简单反应A→B有：
式中，kg为气相传质系数，a为单位体积催化剂的外表面积，k为反应速率常数。 由于存在传质阻力，cAs< cAb，导致表面反应速率下降。只有当kga足够大，(cAscAb)趋近于零，即cAs=cAb时，表面速率达到最大值 kcnAb,相际传质的影响才可忽略 。 对一级反应，式(4.5)中的n=1，于是可解得：
对于 n=-1 的异常情况，需要作些进一步的说明。 这时 ηe 随着 Da 的增加而增加，但 ηe 最大值为 2 ，这时 Da=1/4，当Da>1/4，由式(4.16)可知效率因子无解。出 现这种限制的原因是：根据负一级反应的 定义 可知，当cAs=0时上述定义无意义；又对n= -1有：
Da<l/4的限止，实际上表明负一级反应只可能在一定浓度条件(cAb>√4k/kga)下存在。 一氧化碳在贵金属上的氧化反应常被作为负一级反应的例子。由第一章第三节知道 ，该反应只有在浓度较高时才表现为负一级，而当浓度很低时则为正一级。 根据上面所述，外部效率因子ηe是Da的函数；而在Da中包含了本征反应速率常数k。 因此，只有当k已知时，才能计算Da和ηe ，对外部传质的影响作出判断。 但更常遇到的是通过实验测定一定气相主体浓度 cAb下的表观反应速率 (-rA)，并将它 们之间的关系表示为： 式中ka称为表观反应速率常数。在这种情况下，本征速率常数是是未知的，因而无法通过 上述途径估计外部传质对反应的影响。而若将ηe表示为ηeDa的函数，这一困难将可避免。 利用外部效率因子ηe ，表观反应速率与气相主体浓度的关系可表示为 又有：
2015年固定床反应器设计计算
4次方
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范德霍夫方程
2021/10/10
24
5.设计实例
Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
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5.设计实例
物料衡算
Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
对外换热式反应器
5
2.固定床反应器---分类（换热）
自热式反应器
传热和温度控制是难点，固定列管式固定床反应器性能较好 反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50; 填充段长与粒径之比大于100(气体)或200(液体)
Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
的反应。 Enzh2o02u1L/iu1,0N/1o0rthwest University, Xi’an
3
1. 固定床反应器---概念
与流化床反应器及移动床反应器的区别在于
固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用于
实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接
触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。
用于气固相或液固相非催化反应时，床层则
12
式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：
设计方程 操作方程
W xAf dxA
FA0 xA0 (rA)
T T 0y A 0 ( c P H A )(x A x A 0 )(x A x A 0 ) （6-60）
设计方程和操作方程联立求解，可求W。当动力学方程比 较复杂时，难以得到解析解。一般采用数值积分或图解法计算。
平推流模型
降低； 降低； 低；
大，φ 减增大，大； 大，φ 大，ξ
n 1，，φ与x无 关，φ 变。
F（t）流过反应器的物料中停留时间小于 t 的质点的分率
Q Q
R
C
反应器的多态 根据不同的操作参数，QR 与 QC 的交点可能有三个、两个、或一个，这 种有多个交点的现象。 平推流模型 亦称活塞流模型或理想置换模型。是一种返混量为零的理想流动模型，它 假设反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动。 特点： A、沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化。 B、垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参数，如浓度、温度、压力、流速相同。 C、所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌釜（槽）式反应器模型。是一种返混程度为无 穷大的理想化流动模型。它假定反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入反 应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。 特点： A、反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀相等； B、反应器内所有物料参数与反应器出口处的物料参数相同； C、物料质点在反应器中的停留时间不相等，有的很长， 有的很短，形成一个停留时间分 布。返混极大。 气－固相催化反应步骤 ①反应物从气流主体扩散到催化剂的外表面（外扩散过程） ②反应物进一步向催化剂的微孔内扩散进去（内扩散过程） ③反应物在催化剂的表面上被吸附（吸附过程） ④吸附的反应物转化成反应的生成物（表面反应过程） ⑤反应生成物从催化剂表面上脱附下来（脱附过程） ⑥脱附下来的生成物分子从微孔内向外扩散到催化剂外表面处（内扩散过程） ⑦生成物分子从催化剂外表面扩散到主流气流中被带走（外扩散过程） 流－固相催化反应步骤 ①流体反应物由扩散通过流体膜到达颗粒外表面（外扩散过程） ②流体反应物由颗粒外表面通过固体产物层扩散到收缩未反应芯表面（内扩散过程） ③流体反应物和固相反应物在收缩未反应芯表面上进行反应（表面化学反应过程） ④流体产物通过固体产物层扩散到达颗粒外表面（内扩散过程） ⑤流体产物由颗粒外表面扩散到流体主体（外扩散过程） 多重反应的选择率 ①温度效应
固定床的特点及应用
蚀，无相变，温度范围200~ 350℃
3.熔盐：温度范围300℃～400℃，由无机熔盐KNO3、NaNO3、NaNO2按
一定比例组成，在一定温度时呈熔融液体，挥发性很小。但高温下渗
透性强，有较强的氧化性。
4.烟道气：适用于600～700℃的高温反应。
32
汽化 效率高 选择性提高
压力高
温度易控 投 资 大 设 备
其中以利用气态物质为反应物料，通过由固体催化剂所构 成的床层进行反应的气固相催化反应器在化工生产中应用最为 广泛。
固定床反应器 - 基本原理
• 又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用
以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒
径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。床层静止 不动，流体通过床层进行反应。它与流化床反应器及移动床反
特点：传热面积大，传热效果 好，易控制催化剂床层温度， 反应速率快，选择性高。 缺点：结构较复杂，设备费用高。 应用：能适用于热效应大的反应。
列管式固定床反应器
二〉换热式固定床反应器
✪列管式固定床反应器
热效应较大，不宜采用绝热式反应器，可采用换热式固定床反
应器。此设备如同列管式换热器，又称为列管式固定床反应器。
应器的区别在于固体颗粒处于静止状态。固定床反应器主要用
于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、 烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层
则填装固体反应物。涓流床反应器也可归属于固定床反应器，
气、液相并流向下通过床层，呈气液固相接触。
• 涓流床反应器，是固流床三相反应器之一。指在反应器中，气液成逆 流或气液向下并流，液体以薄膜形式与气体接触的三相床反应器。液 体流为非连续相由上而下流动。用于石油产品的加氢脱硫、脱氮、脱 钒、脱金属和加氢裂化，丙烯水合和废水处理等过程。滴流床的优点 是接触时间分布较窄，且可在进入反应区前脱除毒物。床内流动接近 平推流可获得高转化率；荷液量低，可减少加氢脱硫时油品热裂解， 缺点是低液流速率，液体与催化剂的比例较低，可能形成局部的温度 与浓度梯度，甚至不完全润湿，影响反应效果；径向传热差，易于局 部过热而导致失活；在催化剂颗粒较大、反应速率较快时，内扩散影 响会导致有效系数低落；长期操作中，积炭、污垢等会使催化剂孔口 堵塞，影响寿命。
流固相非催化反应
2023
《流固相非催化反应》
CATALOGUE
目录
流固相非催化反应概述流固相非催化反应动力学流固相非催化反应的工程应用流固相非催化反应的影响因素流固相非催化反应的优化与控制展望未来的研究方向
流固相非催化反应概述
01
定义与特点
流固相非催化反应指的是在流动状态下，固体物质之间或固体与气体之间发生的非催化反应。
成熟阶段
03
近年来，随着纳米科技和微流控技术的发展，流固相非催化反应的研究已经进入了一个全新的阶段，各种新型的反应器和工艺流程不断涌现。
流固相非催化反应动力学
02
VS
反应速率是描述化学反应快慢的物理量，通常以单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。在流固相非催化反应中，反应速率受到多种因素的影响，如温度、压力、浓度、粒径等。
优化反应流程
通过实现绿色生产，减少对环境的污染，提高企业的竞争力。
实现绿色生产
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有机物光解
选择合适的催化剂，如金属氧化物、硫化物等，以促进有机物的光解反应。
催化剂选择
提高光能利用率，降低能耗，是实现有机物光解的重要研究方向。
光能利用效率
有机物光解
流固相非催化反应在燃料燃烧领域具有广泛的应用，如煤、石油、生物质等燃料的燃烧反应。
燃料燃烧反应
燃料燃烧反应
通过优化燃料与空气的混合比例、燃料预处理、反应温度等条件，提高燃烧效率，减少能源浪费。
燃烧效率提高
流固相非催化反应可用于控制燃料燃烧过程中的污染物排放，如硫氧化物、氮氧化物等。
污染物控制
流固相非催化反应的影响因素
04
温度
升高温度通常会促进化学反应的进行，因为这增加了分子碰撞的能量和频率，提高了反应速率。然而，过高的温度可能导致物质分解或产生其他副反应。
第八章流固相非催化反应及反应器PPT课件
第八章 流固相非催化反应及反应器
流体和固体发生多相反应且固体不是催化剂， 称这类反应为流固相非催化反应。
矿石的焙烧(冶金工业)、矿石的浸取(用酸或碱)、煤的气 化、煤的燃烧、离子交换过程、催化裂化中结焦催化剂的 再生、固体催化剂的还原再生等均属于流固相非催化反应。
与催化反应过程的重要区别：固体状态随反应进行而发生变化。
颗粒的外表面就立即反应完。 C. 随着反应进行，固体反应组分不断消耗，反应面不断沿颗
粒径向减小的方向收缩，未反应颗粒半径慢慢缩小。
2020/2/15
可编辑
6
两种情况：
1) 反应有新的固体产生，可 近似地认为反应前后固体颗 粒大小不变。
2) 反应无固体产物生成，只生 成流体，若无惰性固体物质存 在下，固体颗粒逐渐缩小。
2020/2/15
可编辑
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B. 第二种情况：当固体颗粒内和产物层内流体的扩 散阻力可忽略不计时，即化学反应相对于扩散的速 率慢得多的情况，颗粒内外流体组分浓度相同，固 体物各处以相同的速率消耗。
颗粒动力学在忽略外扩散 阻力情况下为本征动力学控制。 也称为“真均相模型”。
此时，反应使固体颗粒各 处反应物的密度以相同的速率 减小，产物密度以相同的速率 增加，反应结束时固体反应物 同时在各处消失而生成产物。
整体反应区模型根据反应进程按动力学特征可分成两个情 况：
2020/2/15
可编辑
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A. 第一种情况：整体反应区模型，动力学过程可分 为两个阶段。
1） 无固体完全反应层阶段： 此阶段整个颗粒均为反应区。 流体通过颗粒外层滞流膜Biblioteka ， 在整个颗粒内扩散与反应同 时进行。
2） 形成固体完全反应层阶 段：由于流体浓度由颗粒外 到内逐步下降，反应速率受 此影响，最终颗粒外层先形 成产物层区，中间为反应区 域，和无流体存在的固体反 应物核心区。
化学反应动力学
（2）流---固相反应
ri 1 dni W dt
W--固体质量
a. 对流固相非催化反应，W为固体反应物质量 b. 对流固相催化反应，W为固体催化剂质量
5
二、连续流动系统反应速率表示方式 6
流动系统：
反应物料处于连续稳定流动状态，物料在反应器
内没有积累，物系参数随空间位置变化
表示方式：
ri
d Ni d VR
S r
d Ni dS
ρb
d Ni dW
Sr
式中:b ---单位堆体积固体或催化剂中反应的
表 Kg面/m积3 ,--m-2固/m体3 反应物或固体催化Ri剂R的i堆密r度i,
8
2.复合反应
例
入Ri
对Q、P有rQ、rP 对 A、S 用 ri 无 法 描 述 ， 引
对献复，合某反一应组需分R考i的虑 每m一组ij 分r_j 在整体反应中的贡 j 1
Ri的应代等数_于ij和按该组分计算的各个反应的反应速率
rj
即R：i
§2 化学反应速率方程（幂函数型）
ri f T、C、P、催化剂或溶剂
对特定反应，且
P P
10%
时可忽略P对ri的影响
ri f T、C
则：
(反应动力学模型)
32
33
2. 控制阶段 外扩散控制：第1或7步速率最慢
内扩散控制：第2或6步速率最慢
化学动力学控制：第3、4、5步其中一步速率最慢
(1) 有控制步骤的反应：
r总 r控 r非控 （r1）控 （r1）控 （r1）非控 （r1）非控
(2) 无控制步骤的反应：各反应步骤速率接近
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二、化学吸附与平衡
型式： a. 幂函数型----经验模型
固定床反应器设计计算
（6-55）
F i c p d i F c P T d ( T H A ) r A ) ( d F A W 0 d A ( H x A )
（6-59）
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
12
式（6-55）和（6-59）分别积分并整理得：
设计方程 操作方程
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(rA)dW FA0dA x
设计方程
WdWWxAf dxA 0 FA0 FA0 xA0 (rA)
床层高度
L W
S B
一般，固定床反应器换热比较困难，很难做到等温操作， 此法仅用于对反应器进行估算。
或等温反应器
u dCA dl
B(rA)
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒
状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度（或厚度）的床层。
床层静止不动，流体通过床层进行反应。
实验室：石英管、不锈钢管
催化剂颗粒放在等温区，其余填充石英砂，两端用玻璃棉
封口防止石英砂被吹出。
用D6或D8的不锈钢管做反应管较宽、催化剂较少时，用更
细的不锈钢管作支撑管，上垫不锈钢网，可作800度以下
颗粒与流体间传热系数(hp) 固定床中的有效热传导(λe) 床层与器壁间的给热系数 h0(一维模型)和 hw (二维模型)
7.传质系数(P170)
颗粒与流体间的传质 流体的混合扩散（Ez和Er）
Enzhou Liu, Northwest University, Xi’an
8
4.拟均相一维模型
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气
化学反应工程第七章流固相非催化反应-
CAS CAC
RC)/4RSRCDeff
1/4CAC RC2k
CAg
1
4RS2kG
4RRSSRC RD Ceff
41RC2k
3. 未反应芯半径与反应时间的关系
d d n tA b 1 d d n tB b 1 d d t(M B B4 3R C 3 ) 4 b M B R B C 2d d R tC
CAS
d d n tAb 1d d n tB4R S 2k G (C A gC A S)
CAC
dd ntAb 1dd ntB4R C 2kCAC
CAg
d d n tA b 1 d d n tB 4R 2 D e f f d d C R A R C R R S 4R C 2 D e f f d d C R A R R C
2．第二阶段
1）A作外扩散，CAf→CAS； 2）A从颗粒外表面扩散通过“产物层”外壳到达反应区边 界Rm； 3）A进入反应区进行扩散―反应， “产物层”不断增厚，反应区逐渐 收缩，直至反应结束。
第一阶段：未形成固体产物层，反应区为整个颗粒； 第二阶段：形成固体产物层，且不断扩展；与此同时，反
1）A从流体主体通过边界层扩散到达未反应芯表面 ―外扩散，CAf→CAC；
2）A和B在未反应芯表面进行化学反应； 3）流体产物F通过外扩散进入流体主体，CFC→CFf。
应用范围 反应过程中没有形成“产物层”外壳，其余同颗粒大
小不变时的应用范围相同。
二、整体反应模型
当颗粒的孔隙率较大时，流体可以扩散到颗粒中心， 在整个颗粒上起反应。这种模型称为整体反应模型。
A (f)+ b B (s ) fF (f)+ s S (s )
流固相非催化反应收缩未反应芯模型的应用案例
流固相非催化反应收缩未反应芯模型的应用案例流固相非催化反应收缩未反应芯模型的应用案例引言：流固相非催化反应是化学工程中常见的一种反应类型。
在这类反应中，液体或气体与固体催化剂之间没有直接的接触，而是通过物质传递来实现反应。
收缩未反应芯模型是一种常用的数学模型，用于描述流固相非催化反应中液体或气体在固体颗粒内部的传质和反应过程。
本文将通过一个详细的案例来展示收缩未反应芯模型在流固相非催化反应中的应用。
1. 案例背景我们考虑一个流固相非催化反应系统，其中液体A与固体颗粒B之间发生可逆的吸附和表面反应。
该系统可以用一个连续搅拌式反应器来模拟，其中液体A以恒定速率进入，并通过排放口以恒定速率离开。
我们希望通过收缩未反应芯模型来描述该系统中液体A在颗粒B内部的传质和表面反应过程。
2. 模型假设为了简化问题，我们做出以下假设：- 反应器中的液体A是均匀混合的，且流动速度和浓度分布在空间上是恒定的。
- 固体颗粒B是均匀分布的，且颗粒直径相对较小，可以忽略颗粒之间的相互作用。
- 反应过程中没有气体的吸收或释放。
3. 模型建立我们可以通过收缩未反应芯模型来描述液体A在固体颗粒B内部的传质和表面反应过程。
该模型基于以下方程：- 质量守恒方程：$\frac{\partial C}{\partial t} + \frac{\partial (Cv)}{\partial x} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2} - kC$- 动量守恒方程：$\frac{\partial v}{\partial t} + v\frac{\partialv}{\partial x} = -\frac{1}{\rho}\frac{\partial P}{\partial x} + \mu \frac{\partial^2 v}{\partial x^2}$- 热守恒方程：$\rho C_p \left( \frac{\partial T}{\partial t} + v\frac{\partial T}{\partial x}\right) = k_T \frac{\partial^2 T}{\partial x^2}$其中，C是液相A的浓度，t是时间，x是空间坐标，v是流速，D是扩散系数，k是表面反应速率常数，P是压力，$\rho$是密度，$\mu$是动力粘度，$C_p$是比热容，T是温度，k_T是热传导系数。
化学反应工程基本概念
第一章1. 化学反应工程是一门研究(化学反应个工程问题)的科学。
2. 所谓数学模型是指(用数学方法表达各变量间的关系)。
3. 化学反应器的数学模型包括（动力学方程式、物料横算式子、热量衡算式、动量衡算式和参数计算式）4. 所谓控制体积是指（能把反应速率视作定值的最大空间范围）。
5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为（分布参数模型）。
6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为（非定态模型）。
7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为(累积量=输入量-输出量)。
第二章1. 均相反应是指(在均一的液相或气相中进行的反应)。
2. 对于反应aA + bB →pP + sS，则r P=( p/a )r A。
3.着眼反应物A的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A的量/反应开始的物料A 的量)。
4. 产物P的收率ΦP与得率ХP和转化率x A间的关系为( Xp/Xa )。
5. 化学反应速率式为r A=k C C AαC Bβ，用浓度表示的速率常数为k C，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数k P，则k C=[ (RT)的a+B次方]k P。
6.对反应aA + bB →pP + sS的膨胀因子的定义式为（P+S）-(A+B))/A 。
7.膨胀率的物理意义为(反应物A全部转化后系统的体积变化率)。
8. 活化能的大小直接反映了(反应速率) 对温度变化的敏感程度。
9. 反应级数的大小直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。
10.对复合反应，生成主产物的反应称为(主反应)，其它的均为(副反应)。
11. 平行反应A →P、A →S 均为一级不可逆反应，若E1＞E2，选择性S p与(A的浓度)无关，仅是(A的浓度) 的函数。
12. 如果平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2，提高选择性S P 应(提到温度)。
13. 一级连串反应A → P → S 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应(降低)k 2/k 1。
化学反应工程(ChemicalReactionEngineering)
§1-1化学反应工程
第一节 化学反应工程 一、化学反应工程的研究对象
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，即反应动力学和反应器设计分析。
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：
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
例如： so2 o2 为钒 一 气固催s化o反3 应
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§1-1化学反应工程
三、反应过程的举例
化学反应工程(Chemical Reaction Engineering) 西南科技大学
§1-1化学反应工程
无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与 反应物气体存在温差。 就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度 随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起 来考虑。
四、化学反应工程作用
对于化学产品和加工过程的开发、反应器 的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程 知识可以： 提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期。
Chapter Ⅰ绪 论 Chapter Ⅰ绪 论 Chapter 1 Introduction
§1-1 化学反应工程 §1-2 转化率、收率和选择性 §1-3 化学反应器的类型 §1-4 反应器的操作方式 §1-5 反应器的设计与基本过程 §1-6 工业反应器的放大
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高等化学反应工程_福建农林大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
高等化学反应工程_福建农林大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.效率因子法将反应特性和( )特性对表观反应速率的影响做了区分。
参考答案:传递2.传热准数的物理意义是反应器的传热能力和反应物料( )之比。
参考答案:比热容3.化学反应吸收的总传质系数不仅与气膜传质分系数和液膜传质分系数有关，还和化学反应( )因子有关。
（增强/衰弱）参考答案:增强4.某反应器的停留时间分布的无量纲方差约为0.01，则可判断此反应器中流体流动状况接近于( )理想流动模型。
（全混流/平推流）参考答案:平推流5.活化能E反映了反应速率对( )的敏感程度。
（温度/浓度）参考答案:温度6.利用实验反应器测得的动力学数据建立反应动力学模型一般要经过模型筛选、实验数据处理和( )三个步骤。
参考答案:模型的显著性检验7.催化剂颗粒内的孔区分为和粗孔。
参考答案:微孔8.当催化剂的配方确定后，影响Thiele模数数值和内部传递作用大小的主要因素是催化剂的粒度和由催化剂内部孔道结构和大小决定的。
参考答案:有效扩散系数9.通常气固相催化反应的主要温差出现在催化剂外部，而浓度差常出现在催化剂。
（内部/外部）参考答案:内部10.当催化剂的配方确定后,影响内部传递作用大小的主要因素是催化剂粒度以及由催化剂内部孔道结构和大小决定的。
参考答案:有效扩散系数11.均相反应器的特征是在反应器内存在（）种相态参考答案:一12.右图所示的是那种反应器（）【图片】参考答案:釜式反应器13.对于气固系统，热阻和温度梯度主要在催化剂外部。
参考答案:正确14.催化剂内部的传质过程、传热过程和化学反应过程之间，既不是串联过程，也不是平行过程，而是传递和反应同时发生并交互影响的过程。
参考答案:正确15.对于平行孔模型来说，颗粒有效扩散系数与颗粒孔隙率的平方成反比。
参考答案:错误16.对于换热列管式固定床反应器，采用较小的管径主要是为了( )。
参考答案:消除径向温度梯度17.在间歇反应器中进行等温二级反应A→B，当时，求反应至所需时间为( )秒。
化学反应工程原理
1 绪论1.1.3 优化的技术指标（1）反应速率（2）反应选择率（3）能量消耗1.1.4 决策变量（1）结构变量（2）操作方式（3）工艺条件1.4.1化学反应工程理论在反应过程开发中的作用要解决的问题：（1）反应器的合理选型（2）反应器操作的优选条件（3）反应器的工程放大2化学反应动力学2.2.1均相反应的条件（1）反应系统可以成为均相（2）预混合过程的时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量反应级数的工程意义是表示反应速率对于反应浓度变化的敏感程度2.3.3化学吸附的速率与平衡化学吸附可以分为活化化学吸附和非活化化学吸附。
活化化学吸附随着温度的变化服从阿伦尼乌斯方程；非活化化学吸附的活化能接近于零，吸附速率极快。
常常可以观察到化学吸附最初是非活化的，吸附进行得非常快，而随后速率变慢，且与温度有关，属于活化化学吸附1.理想吸附型理想吸附模型，基于如下假设（1）催化剂表面各处的吸附能力的均匀的，各吸附位具有相同的能量（2）被吸附物仅形成单分子层吸附（3）吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用（4）所有吸附的机理是相同的2.真实吸附模型不满足理想吸附条件的吸附，都称为真实吸附。
以焦姆金和弗隆德里希为代表提出不均匀表面吸附理论，真实吸附模型认为固体表面是不均匀的，各吸附中心的能量不等，有强有弱。
吸附时吸附分子首先占据强的吸附中心，放出的吸附热大。
随后逐渐减弱，放出的吸附热也愈来愈小。
由于催化剂表面的不均匀性，因此吸附活化能E a随着覆盖率的增加而线性增加，解吸活化能E d则随覆盖率的增加而线性降低，即2.4流固相非催化反应动力学两种反应（1）整体反应模型（2）收缩未反应芯模型3理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征常见的典型化学反应（1）简单反应（包括自催化反应）（2）可逆反应（3）伴有平行副反应的复杂反应（或平行反应）（4）伴有串联副反应的复杂反应（或串联反应）（5）自催化反应3.1.2反应器设计基本方程（1）物料衡算方程组分i 流入量=组分i 流出量+组分i反应消耗量+组分i积累量（2）热量衡算方程式带入的热焓=流出的热焓+ 反应热+ 热量的积累+ 传向环境的热量（3）动量衡算方程式动量守恒物料衡算和反应速率式是描述反应器性能的两个最基本的方程式3.2.1理想间歇反应器的特征从理想间歇反应器操作可以看到有以下特点（1）由于剧烈的搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递问题（2）由于反应器内具有足够的传热条件，反应器内各处温度始终相等，因而无需考虑反应器内的热量传递问题（3）反应器内物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
(完整版)化学反应动力学..
（2）流---固相反应
ri 1 dni W dt
5
W--固体质量
a. 对流固相非催化反应，W为固体反应物质量 b. 对流固相催化反应，W为固体催化剂质量
二、连续流动系统反应速率表示方式 6
流动系统： 反应物料处于连续稳定流动状态，物料在反应器 内没有积累，物系参数随空间位置变化
表示方式：
ri
Ri — 为“-”时表示转化速率，为“+”时表示生成
9
§2 化学反应速率方程（幂函数型）
ri f T、C、P、催化剂或溶剂
对特定反应，且 P 10% 时可忽略P对ri的影响
P
则： ri f T、C (反应动力学模型)
型式： a. 幂函数型----经验模型 b. 双曲函数型----机理模型 c. 级数型----经验模型
r
,,, A
k C r 1
1A
1
A
rQ
2
k C 2U
,,,r2
rQ
Q
R r r r k C A转化速率：
m
A
A
Aj j
A
A
1A
j 1
A
m
R r r r k C Q生成速率：
1
第二章 化学反应动力学
§1 化学反应速率的工程表示 §2 化学反应速率方程（幂函数型） §3 动力学方程的转换 §4 多相催化反应的表面反应动力学
（双曲型动力学方程）
§1 化学反应速率的工程表示 2
一、间歇系统反应速率表示方式
间歇系统：非定态过程，反应器内物系参数随t变化
1.均相反应速率表示方式
一、单一反应动力学方程
10
简单反应、并列反应、自催化反应
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8-3 流固相非催化反应的研究方法
? 器内过程：化学反应过程（反应动力学问题）； ? 传递过程（物理效应或宏观传递效应） ? 研究步骤： ? ①反应模型（主要模型：收缩未反应芯模型；整体反应 模型；有限厚度反应区模型；微粒模型；单孔模型；破裂芯 模型）。 ? ②用模拟方法——冷模试验研究两相流动行为，测验有 关数据，建立经验或半径验数学方程（模型过于简化，常与 实际不一致）。用逐级效大法。 ? ③热模试验研究反应参数对反应性能的影响，获取设计 参数，检验反应动力学和冷模试验结果。
6Deff
RS
RS
k
RS
8-8 宏观反应速率
四、固相反应物B的转化率XB与Rc的关系：
据XB定义：
x
?
1?
R (C
)3
B
R
(8-13)
S
五、xB 与t的关系：将(8-13)带入(8-16):
t
?
?B bMBCAg
{ RS 3kG
xB
?
RS2 6Deff
[1? 3(1?
xB)2 3
?
2(1?
xB)]?
第三节 粒径不变时缩芯模型的总体速率
?8-8 宏观反应速率
? 对流固相非催化反应：A(f)+bB(s) →fF(f)+sS(s) ? 假设：等温球形颗粒；拟定态过程（反应界面不动的定 态过程；界面移动速度＜＜流体反应物扩散速率）；对 A 为 一级不可逆反应。 ? 一、外扩散速率、内扩散速率、表面化学反应速率：
? R2 BS
f 6D bM C
eff
B Ag
(8 ? 25)
t ? 1 ? 3(1? x )2 3 ? 2(1 ? x )
(8 ? 26)
t
B
B
f
? Note：由（8-25）知：若
D ? ,C ? , R ? ,则t ? .
eff
Ag
S
f
? 强化总体速率措施：D ? 。 eff
8-11 化学反应控制
8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）
? 对情况①：与气固相催化反应过程类似， ? 整个反应过程由5个步骤组成： ? a反应物外扩散过程 ? b反应物内扩散过程 ? c表面化学反应过程 ? d产物内扩散过程 ? e产物外扩散过程。（无流体产 ? 物，仅有固相应物时：仅有a、b、c） ? 对情况②：仅有a、b、c三步。
? 二、总体速率的一般计算式：
? 式(8-2)中 dC
可由Ａ的扩散过程的物料衡算导得：
?
( A)
d
R ? RC
R
? dC
C ?C
?
( A) ?
AS
d R? RC R (1 ? R
AC
R)
（8-7）
R
C
C
S
? 据加和法则：式（8-9）
?
?
dn A dt
?
4? R 2 [
S1 k
?
C Ag
R (R ? R )
第二节 流固相非催化反应模型
?8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）
? 1、要点：反应只在固体颗粒内部产物与未反应固体的界 面上进行；反应表面由表及里不断向固体颗粒中心收缩，未 反应芯逐渐缩小。
8-4 收缩未反应芯模型：（缩芯模型）
? 2、两种情况： ? ①颗粒大小不变（反应过程中 有固相惰性物残留或有新的固相 产物生成），反应界面不断内移。 ――固体反应物无孔时或反应速 率很快、流体扩散非常慢时。） ? ②颗粒不断缩小――不生成固 体产物，无惰性物残留；产物仅 为流体。
S
S
C?
DR
R2 ] S
k 2k
G
eff
C
C
8-8 宏观反应速率
? 三、未反应芯半径Rc与反应时间t的关系：
? 据(8-11)
n
?
? BV
?
? B
(4?R
3)
B M C M3 C
B
B
?和
?
dn A
?
?
1
dn B
?
?
4?? B
R
2
dR C
?
dt b dt bM C dt B
? ＊导得：?
dR C dt
RS k
[1? (1? (1?
xB)13 ]}
(8? 17)
可见，当颗粒完全反应时，
R C
?
0, x B
? 1,
故
t?
? B
R
R2 S
R
( S?
? S)
f bM C 3k 6D k
B Ag
G
eff
(8 ? 18)
8-9 流体滞流膜扩散控制
? Ａ的浓度分布： C ?? C ? C ;
Ag
AS
AC
? 对不可逆反应， C ? 0
?
AC
? t?
?R BS
[1 ?
R (C
)3]
(8 ? 20 )
?
3bM k C
R
BG
Ag
S
t?
?R BS
(固相反应物 B完全反应时 )(8 ? 21)
f 3bM k C
BG
Ag
t ? x (反应时间分率 ) (8 ? 22 )
t
B
? 注：f 由（8-21）知：若 k ? ,C ? ,R ?,则r ? .
? Ａ的浓度分布：C ? C ? C ;
第八章 流－固相非催化反应
第一节 流固相非催化反应的分类及特点
?8-1 分类：
? 气固相非催化反应（按物相分五类）； ? 液固相非催反应（按物相分五类）.
?8-2 特点：
? ①反应类型的多样性：类型不同，工艺流程不同，工程操作 参数不同，反应器不同。 ? ②固相物料的多样性：固相物料物性不同，对输送、供料、在反 应器中流动状况不同，并影响反应体系的宏观动力学行为。 ? ③反应器型式的多样性： ? ④固体颗粒的转化率高：不应使用固相返混严重的反应器，须采 用逆流接触设备→须兼备传热效率高、固体转化率良好的反应器。 对可逆放热气固相非催化反应，存在最佳温度问题。 ? ⑤气－固相非催化反应温度高；
?
R2 C
k R2
bM C ?
B Ag
B
?
(R S
?
R C
)R C
RD
?
(8-12)
1
k
GS
S
eff
? 联立（8-9）、（8-11）并积分：
t ? ? B { RS [1? ( RC )3] ? RS2 [1? 3(RC )2 ? ( RC )3] ? RS [1? RC ]}
bMBCAg 3kG
RS
? ?? ?
dn A dt
?
4? R k2 (C
S
G
Ag
? C )(8 ? 1) As
C , CA : 未知
AS
C
? ?
?
?
dn A dt
?
4? R D 2
dC ( )A
(8 ?
C
eff
d
R? RC
R
2)未反应芯半径随时间变
化
? ?? ?
dn A dt
?
4? R 2 kC
C
AC
(8 ? 3)
8-8 宏观反应速率
G
Ag
S
f
? 强化总体速率措施：k ? 。
G
8-10 固体产物层（或惰性残留物层）内扩散控制
? ＊Ａ的浓度分布：CAg
?
C AS
??
C; AC
? 对不可逆反应，C ? 0
? ? t?
? R2
B
S
AC
[1 ?
R 3( C
)2
?
R 2( C
) 3 ](8
?
24 )
6 D bM C
R
R
eff
B
Ag
S
S
t?