反应工程(总复习)

程反应速率
或r为常数，不随空间和时间而改变。需要提醒的是，反应速率
常数计算按反应器内的反应物料组成计算，此组成与出口物料组成相同。
第三章 釜式反应器
空 时
τ越小，说明反应器的处理物料量越大 τ越大，说明反应器的处理物料量越小
连续釜式反应器的串联与并联
对于一级反应，由N个体积和 空时均相等的釜串联，其空 时可以由下式计算：
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：
永远取正值
反应物取负值，反应产物取正值
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
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。
照此法处理，见4-5 （ c）。
第四章 管式反应器
管式反应器最佳温度序列
生产强度是指单位时间单位反应体积的产品产量。而对于复合反应往往还以目的产
物的收率最大为目标。 单一反应 对于不可逆反应或可逆吸热反应，温度越高，反应速率越快，显然，温度越高，反 应器的生产强度也越大，因此高温操作有利，至于可逆放热反应，就不是操作温度 越高，反应器的生产强度越大了。 可逆放热反应
《反应工程》第二版，李绍芬主编，化学工业出版社
考试题型：
考试时间：
待 定
1
填空题
20分
2
选择题
20分
考试地点： 待 定
3
计算题
60分
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，包括反应动力
学和反应器设计与分析。
均相反应：气相、液相和固相 化学反应分类： 非均相反应：气固、气液、液液、液固、固固和气液固。 催化反应和非催化反应
时，温度越低越好； E1>E2时，温度越高越好。
非等温操作， E1<E2时，采取先高后低；
第四章 管式反应器
第五章 停留时间分布与反应器的流动模型
化学反应进行的完全程度与反应物料在反应器内停留时间的长短和关，时间越长， 反应进行得越完全。
寿命分布 年龄分布
流体粒子从进入系统到离开系统为止，在系统内停留时间。
化学反应器的类型
管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器、移动床反应
器、滴流床反应器
化学反应的操作方式
（1）间歇操作：非定态过程，物系组成随时间而变
（2）连续操作：定态过程，物系组成位置而变
（3）半间歇（半连续）操作：
第一章 绪论
反应器设计最基本的方程
反应器设计的基本方程： （1）描述浓度变化的物料衡算式，或称连续方程；（质量守恒定律）
第三章 釜式反应器
串联反应器进行一级不可逆反应时，各釜的反应体积相等时，则总反应体积最小
对于串联釜式反应器进行a级反应，a>1,沿着流动方向，小釜在前，大釜在后0<a<1,
则相反，a=1，各釜体积相等
复合反应的总收率
复合反应的总选择性与瞬间选择性的关系
不同的操作方式的釜式反应器，相同的最终转化率下的最终收率的大小为：
消 耗
+
累 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。 反应时间计算 等容
对于单一反应，间歇反应器的反应时间取决于反应组分的初始浓度（一级反应除 外）和所要求达到的最终转化率。
0
积分变换为求导
t
知道E(t)，积分后就可以求F(t)的值 知道F(t)，t时刻对应曲线的点P作切线， 直线AP的斜率就是E(t)值
A
P
dF (t ) E (t ) = dt
第五章 停留时间分布与反应器的流动模型
根据对反应物浓度的不同要求，可以对管式 反应器采用不同的加料方式。设A和B为反 应物，当要求A和B的浓度都很高时，可将 两者同时在反应器的一端加入，见图4-5 （ a ）。如要求A的浓度高，而B的浓度 低，除了使进料中A大量过剩外，也可采用 图4-5 （ b ）的加料方式。即A全部由反应 器的一端加入，而B则沿反应器的轴向分段 加入。这样的加料方式较之采用A大量过剩 的加法，其好处是减少产品分离的耗费。同 理，要求A的低度低，B的浓度高时也可依
第三章 釜式反应器
连串反应
跟平行反应一样，只根据一个物料衡算式便可
求定达到一定转化率所需的反应时间，但同样 是确定不了此反应时间时P的浓度和收率。
反应物A的浓度随反应时间的增加而降低 反应产物Q的浓度随反应时间的增加而增加
反应产物P的浓度先随反应时间的增加而增加，
后随着反应时间的增加而降低，存在一最大值 P为目的产物最优反应时间
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
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。
组分A参加 二个反应
反应体系存在着相同的反应物和不同的产
物，叫平行反应。
组分P是反应物A的 产物，又是生成物R 的反应物
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
（2）描述温度变化的能量衡算式，或称能量方程； （能量守恒定律）
（3）描述压力变化的动量衡算式，或称动量方程； （动量守恒定律）
（4）综观三种衡算式，根据各自的守恒定律，均符合下列模式：
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第二章 反应动力学基础
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。
根据概论可知，E(t)dt表示流体粒子在系统内的停 留时间介于t到t+dt之间的概率。可见，E(t)dt是停 留时间的函数，和系统的性质有关，叫做停留时间 分布密度函数，其量纲是[时间] -1
斜线面积
图5.3 停留时间分布密度函数
E(t) = 0 t <0 E(t)≥ 0 t≥0

F (t ) = E (t )dt
系统出口处
对存留在系统的粒子而言，从进入系统算起在系统中停留的时间。 系统中
有出无进
进口 有进无出 闭式系统
系统
出口
流体粒子一旦进入系统再也不返回到 输入流体的导管中，而由输出管流出 的流体粒子也不返回到系统中。
第五章 停留时间分布与反应器的流动模型
停留时间分布的定量描述
其中斜线所示的面积E(t)dt 表示在t和t+dt之间离开 系统的粒子占t=0时进入系统的流体粒子的分率。
第三章 釜式反应器
连续釜式反应器的反应体积
实际生产中的连续釜式反应器均是在定态下操作，反应器参数不随时间而变，不
存在时间变量，常应用于液相反应，视为等容过程。
连续釜式反应器反应体积的计算公式，决定于原料的处理量及组成和反应速率方程 反应器中只进行一个反应，以组分A为关键组分： 转化率的函数
注意：定态操作的连续釜式反应器系在等温、等浓度下进行反应，所以整个过
有可能增加，也 有可能减小
t
k
K
第四章 管式反应器
不可逆反应和可逆吸热反应：由低温到高温 最佳温度系列
可逆放热反应：由高温到低温
复合反应
E1 <
E2
P为目的产物，如果以生产强度最大的观点看，应该先低温后高温 如果从P的收率来考虑的话，则应使整个反应过程都在低温下进行。
等温反应，从收率最大的观点出发，不存在最佳操作温度问题，P为目的产物，E1<E2
等转化率曲线。温度较低时，反应速率随温度的升高 而加快，到达某一极大值后，随着温度的继续升高，
反应速率反而下降。
最佳温度
第二章 反应动力学基础
复合反应：在同一个反应体系中进行若干个化学反应时，称为复合反应。 单位时间内单位体积反应混合物中某一组分i的反应量叫做该组分的转化速率 （i为反应物）或生成速率（i为反应产物），并以符号 来表示。
M N
反应器 P
分离器
Q
产物
转化率是针对反应物而言，收率则是针对生成物而言，定义为：
与转化率一样，收率也有单程收率和全程收率之分 对于单一反应，转化率与收率数值上相等，且无论按那一个反应产物计算的收率，数 值上都相等，当反应系统进行的反应不止一个时，则不相等。
第一章 绪论
转化率、收率和选择性三者的关系：
=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。 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 r = f (c,T)
分离
反应速率方程
第二章 反应动力学基础
一定温度下，f1(T)为常数，用k来表示
第三章 釜式反应器
釜式反应 b. 釜式反应器设有搅拌装置，保证釜内反应物料浓度均一，反应区内 器特点 的反应温度均匀。
连续釜式反应器的物料衡算式 a. 操作方式：连续操作、间歇操作或者半间歇（半连续）操作；
输 入
c 均一
=
输 出
+
消 耗
+
累 积
=0
间歇釜式反应器的物料衡算式
T 均匀
输 入
=
输 出
+
变换是建立在原料起始组成一定而言，原料组成改变，反应速率和转化率也改变
动力学参数的确定 积分法： 积分法是将速率方程积分后，再对实验数据进行处理。
第二章 反应动力学基础
恒容： 积分
先假定反应级数，再 检测线ห้องสมุดไป่ตู้相关
微分法：
微分法是根据不同实验条件下测得的反应速 率，直接由速率方程估算参数值。 两边取对数
第四章 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，也可以用于多相反应， 多数采用连续操作，少数采用半间歇操作，使 管式反应器 用间歇操作的极罕见。
活塞流模型是最基本的一种流动模型，其基本假设是径向流速分布均匀。
垂直于流体流动方向的任何横截面上，浓度均一、温度均一，即径向混合均匀 不存在返混 同一截面上所有流体粒停留时间相同
一级不可逆反应
反应时间与反应物料的起始浓度无关
反应物达到一定转化率所需要的反应时间，只取决于过程的反应速率，即动力学因
素，而与反应器的大小无关。反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。
第三章 釜式反应器
间歇反应器的体积
反应体积 实际体积
等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）
平行反应
化学反应速率方程形式相同，化学计量系数相等：
可逆反应
温度对反应速率的影响
温度对反应速率的影响体现在对反应速率常数k的影响 阿累尼乌斯方程（阿乌方程）
说明可逆吸热反应的速率总是随着温度的升高而增加 反应温度一定：反应速率随转化率的增加而下降；
转化率一定：反应速率随温度升高而增加。
第二章 反应动力学基础
可逆放热反应的速率随温度的升高即可能增加，又可 能降低。
通常用瞬时选择性来评介主逼反应的相对大小，由反应选择性的定义，可以得到瞬时
选择性的表示如下：
反应速率方程的变换和积分 恒容：
单一反应：
第二章 反应动力学基础
变容：
无论是恒容还是变容，以浓度表示反应物系组成时的变换方法，概括起来为一个 换算公式：
以上变容情况只适应于气相反应，液相反应一般视为恒容处理；
单程转化率：新鲜原料通过反应器一次这到的转化率；以反应器进口物料 为基准的转化率。 全程转化率：新鲜原料进入反应系统到离开系统止所达到的转化率；以新 鲜原料为基准计算的转化率，其值必定大于单程转化率。
第一章 绪论
单程转化率:(NP两点间进行计算)
A+B
循环气
R
全程转化率:(MQ两点间进行计算)
新鲜气
轴向浓度分布方程 定态操作的活塞流反应器，反应物系的浓度系随轴向距离而变，与时间无关；而间 歇釜式反应器，反应物系的浓度则随时间而变，与位置无关。
釜式反应器连续操作方程
管式反应器连续操作方程
第四章 管式反应器
管式反应器的最终收率大于釜式反应器。多釜串联的最终收率应该介于单釜和管
式之间
第四章 管式反应器
0
t
E ( t ) dt = 1
0
表示流体粒子的停留时 间小于t的概率。 图5.3 停留时间分布函数
第五章 停留时间分布与反应器的流动模型
F(t)为单调递增的曲线
F(∞)=1, F(t)=0(t≤0)
1-F(t)表示停留时间大于t的流体粒子所 占的分数。
图5.4 停留时间分布函数
F (t ) = E (t )dt
第四章 管式反应器
活塞流和全混流的比较：
根本差别：活塞流无返混存在，全混流的返混程度最大，以致反应物料间不存在
浓度差，也不存在温度差。
单一反应等温管式反应器设计方程
以等速率进行 常数
管式反应器连续操作 方程 等容 = ≠ 管式反应器空时 变容
釜式反应器连续操作 方程
釜式反应器的反应时间
第四章 管式反应器