化学反应工程第五章非均相反应动力学
均相和非均相反应模型
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《化学反应工程》教学大纲
《化学反应工程》教学大纲课程名称化学反应工程课程编号课程英文名称Chemical Reaction Engineering课程类型专业基础课总学时 64学时（理论50学时，实验14学时）学分 4适用专业化学工程与工艺先修要求高等数学、物理化学、化工原理、开课安排第六学期开课，周五学时一、课程基本目的《化学反应工程》是化学工程类专业继物理化学、化工原理、化工数学等课程后开设的一门主修专业课。
目的是使学生掌握化学反应工程的基本概念、原理和方法，包括反应动力学及传递过程基本原理、理想流动模型及理想反应器、停留时间分布以及混合程度对反应的影响、反应器的设计与分析方法等。
二、学习收获：通过本课程的教学，使学生掌握建立化学反应动力学模型及反应器流体传递过程模型的方法，并根据化学反应特性及反应器特性，掌握反应器的设计、选型、放大与最优化，为将来深入研究与开发化工反应过程打好基础。
四、内容提要：《化学反应工程》是研究化学反应工程问题的学科，它以化学反应及化学反应器工程问题为研究对象，将反应特性及反应器的特性结合起来研究化学反应在工业上进行有效实施的一门专业主干课程。
该课程的主要内容包括均相与非均相反应动力学基础、理想反应器模型、非理想流动的停留时间分布及混合程度对化学反应的影响、均相非理想流动的流动模型以及气固相催化反应器非均相反应器等内容。
绪论（2学时）1. 化学反应工程的任务和范畴。
2. 化学反应工程的研究方法。
3. 化学反应工程与其他学科的关系。
4. 如何学好反应工程。
要求深刻理解与熟练掌握的重点内容有：1. 化学反应工程的任务和范畴。
2. 化学反应工程的研究方法——数学模拟法。
要求一般理解与掌握的内容有：化学反应工程与其他学科的关系。
难点：数学模拟法。
第1章均相反应动力学（8学时）明确反应速度的定义及表示方法，掌握转化率、收率、选择性的概念，研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。
化工第五章化学反应
2.按操作方法分类：
可分为间歇、半间歇、连续式三种。
操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。 间歇反应器 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。 操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的 速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
反应器中的 流动状况影 响反应结果
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
二、化学反应器的分类：
1.按反应器的结构型式分类： 这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不 同的反应器中最基本的传递过程的差别。按 反应器的结构特征，常见的工业反应器可分 为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式 和移动床式。 书141页图
rA=k
cA x A k
xA kcA0( 1 x A ) cA0 cA 1 xA
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=qv (τ+τ′)
实际操作时间=反应时间(τ) + 辅助时间 (τ’)
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
原料 产物
物理处理
化学处理
物理处理
循环
第一节
一、化学反应工程学：
概述
1.化学反应工程发展概况： 远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器的制作、 酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸等等，然而， 这些生产过程直到上世纪五十年代还未形成一门独立的学 科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来似 乎毫不相干而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同 规律。 科学技术的发展，特别是二战后石油化工的发展，对化 学反应器的设计产生了迫切要求，而化学动力学研究的进 展和化工单元操作方面的理论和实践经验的日趋成熟，才 使这类问题的系统解决有了可能。
第五章 非均相反应动力学
qE 与化学反应类似，
化学反应工程
Ea 为吸附热，上式即为吸附平衡方程。
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
2.兰格缪尔吸附模型 首先考虑催化剂表面只吸附一种分子，例如，对于CO在 金属M的表面的吸附 ，可以提出两个模型，一个是CO以
分子形式被吸附，即不发生解离(在金属镍上)：
（5-7） 另一个是以原子形式吸附，即发生解离（在金属铁上）： （5-8）
（5-26） （5-27） （5-28） （5-29）
当反应达到平衡时：
KS
k S R S ' k S A B
化学反应工程
5.2.4 反应本征动力学
1.双曲线型本征动力学方程 ⑴首先假定某反应的步骤。例如，异丙苯分解形成苯和 丙烯，反应方程为：
（5-12）
反应在铂催化剂上进行的步骤可假设如下：
因为化学吸附和化学反应有类似的规律，吸附速率方程
可写为：
（5-5）
其中 k a 是吸附速率常数，可用阿累尼乌斯方程表示：
k a k a 0 exp(Ea / RT )
类似的，脱附速率方程如下：
rd k d A
k d k d 0 exp(Ed / RT )
化学反应工程
（5-6）
（5-7）
化学反应工程
5.1.1 催化过程及特征
以一氧化碳和氢气为原料，选择不同的催化剂可以制得 不同的产品，如图5-1所示。
Cu、Zn、Al
CH3OH
Ni CH4 Fe、Co CO+H2 Rh络合物 CH2OHCH2OH Ru 固体石蜡 烃类混合物
图5-1 不组成
（1）活性组分 （2）载体 （3）助催化剂（促进剂） （4）抑制剂
陈甘棠主编化学反应工程第五章
⑵选择性 指？
高选பைடு நூலகம்性可节约原料、减化工艺。
影响选择性的因素很多，有物理的和化学的。
就催化剂的构造而言，主要有：活性组分在
表面上的定位和分布、微晶粒度大小、载体 的孔结构、孔径和孔容等。
当遇到转化率和选择性的要求不能同时满
足时： a：如果反应原料昂贵或者产物和副产物分 离困难时，宜采用高选择性的催化系统 b：若原料价格便宜，且产物与副产物分离 不困难，则采用高转化率操作。
（4）共凝胶法
与沉淀法类似，将两种溶液混合生成凝 胶。如合成分子筛就是将水玻璃（硅酸钠）与 铝酸钠的水溶液与浓氢氧化钠溶液混合，在一 定的温度和强烈搅拌下生成凝胶，再静臵相当 长时间使之晶化、然后过滤、水洗、干燥得到。 得到的分子筛表面含有大量的正离子，部分是 容易解离的，则可与过渡金属离子（镁离子、 钙离子、锂离子）等进行交换，在硅酸盐表面 形成具有高活性、高选择性的交换型分子筛， 并有良好的抗毒性和耐热性。在炼油工业中用 量很多。
法。 均匀沉淀法是首先使待沉淀溶液与沉淀剂母体 充分混合，形成十分均匀的体系，然后调节温 度使沉淀剂母体加热分解转化为沉淀剂，从而 使金属离子产生均匀沉淀，比如尿素。 采用此方法得到的沉淀物，由于过饱和度在整 个溶液中都比较均匀，所以，沉淀颗粒粗细较 一致而且致密，便于过滤和沉淀。
沉淀法的影响因素
（3）沉淀法 借助沉淀反应，用沉淀剂将可溶性的催化剂
组分转化为难溶化合物，再经分离、洗涤、 干燥、焙烧、成型等工序制得成品催化剂。
沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之一，
广泛用于制备高含量的非贵金属、金属氧化 物、金属盐催化剂或催化剂载体。
对于要求特别均匀的催化剂，可采用均匀沉淀
反应工程复习题
第一章绪论．1 ．化学反应工程是一门研究＿_ _ _ _ ＿的科学。
2 ．化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以＿_ ＿作为研究对象，又以_ _ _ ＿为研究对象的学科体系。
3 . _ _ ＿是化学反应工程的基础。
4 ．化学反应困呈按操作方法分为＿_ ＿、＿_ ＿、＿_ ＿操作。
5 ．化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指 、 、 。
6 ．不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称 。
第二章均相反应动力学一、填空1 ．均相反应是指 。
5 ．活化能的大小直接反映了 对温度的敏感程度。
P （主）6 ．平行反应A S （副）均为一级不可逆反应，若E E >副主，选择性P S 与 无关，仅是 的函数。
8 . 一级连串反应 12K K A P S −−→−−→在全混流釜式反应器中，则目的产物P 的最大浓度max p C =＿＿＿apv t =＿＿＿＿9 . 一级连串反应 12K K A P S −−→−−→在平推流反应器中，则目的产物P 的最大浓度max p C =＿＿＿apv t =＿＿＿＿二、选择题1 ．化学反应222222NO H N H O +⇔+，其中化学反应计量系数为+2的是哪种物质＿。
A.NOB.H2C.N2D.H2O2 .对于一非恒容均相化学反应B A B A αα↔，反应组分A 的化学反应速率A r -=＿。
A ．Vdt dn r A A -=- B. Vdt dn r A A =- C. dt dC r A A =- D.dt dC rB A =-3 ．对于反应aA + bB 一pP ＋sS ，则P r ＿＿＿＿()A r - A.a p B.a p C. p a D. p a4 ．气相反应43A B R S +→+进料时无惰性气体，A 与B 以3：1的摩尔比进，则膨胀因子 A δ= ＿＿＿＿A.1/4B.2/3C.-1/4D.-2/35 . 气相反应2423CO H CH H O ++ƒ进料时无惰性气体，CO 与2H 以1：2摩尔比进料，则膨胀因子CO δ=＿＿＿A.-2B.-1C.1D.27 . 反应4102422C H C H H →+，12.0k s -=，则反应级数n=＿＿＿＿。
《化学反应工程》教学大纲
《化学反应工程》教学大纲《化学反应工程》课程教学大纲【学时学分】 64 学时； 4学分【开课模式】必修【实验学时】 12学时【上机学时】0学时【课程类型】专业基础课【考核方式】考试【先修课程】物理化学，高等数学等【开课单位】石油化工系【课程编号】 G02019【授课对象】大专（3年制）石油化工生产技术一、本课程教学目的和任务本课程是化学工程与工艺专业的专业基础必修课，其主要任务是使学生掌握化工生产中的关键过程——化学反应过程的基本理论和知识，培养学生具体分析、计算和解决化工生产中有关化学反应过程的实际问题的能力。
1、课程对学生思想品德培养的目标要求：①通过课程讲授、复习及辅导、作业等教学环节，培养学生严谨求实的科学态度和一丝不苟的工作作风。
②通过用理论分析解决问题的过程中，培养学生辩证唯物主义的思想方法。
③通过我国反应工程发展史及现状，激发学生为化工事业献身的精神。
2、课程对学生知识与能力培养的目标要求：①培养学生从基础理论、工程观点、经济观点出发，综合处理工程问题的能力。
②培养学生能熟练进行反应器选型、设计、校核的能力。
③培养学生根据反应的特点分析反应器的问题，具有解决工业反应器的问题的能力。
④通过实验数据的收集和解析，培养学生实验设计和处理数据能力。
3、课程对学生科学思维方面的目标要求：①通过基本原理的学习，使学生掌握过程的本质，在众多影响因素中，抓住问题的主要方面，提高学生的科学思维能力。
②通过计算问题的学习，使学生掌握计算依据的基本概念、模型简化处理的方法，从而培养学生抽象的思维能力。
③通过典型反应器的学习，使学生了解应从基本原理出发来分析反应器性能、特征、应用范围及强化方法，培养学生逻辑思维能力。
二、本课程的性质、特点及基本要求本课程是在学完物理化学、化工原理、化工热力学的基础上，讲授化学反应过程的基本理论和知识，以研究工业反应器为主体，介绍反应工程的基本概念、原理和方法，以及反应器的设计、优化、开发、放大问题。
化学反应工程陈甘棠第五章第一节
第11页，共37页。
4）BET模型
对于物理吸附的情况：
式中：c为常数，
p0为在该温度下吸附组分的饱和蒸汽压， 应用此式来测定参数。
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第12页，共37页。
3、气-固催化反应动力学方程
反应:
A的吸附：
B的吸附： 表面反应：
R的脱附：
S的脱附：
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适用于低覆盖率的情况
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第9页，共37页。
3）焦姆金模型（Temkin型） 吸附和脱附速率分别为：
其中：
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吸附达到平衡时：
式中：
适用于中等覆盖率的情况，在合成氨及硫酸工业中应用较多
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把催化剂夹在框架中快速回转,从而排 除外扩散的影响和达到气相完全 混合及反应器等温的目的。使全混流式数据的计算和处理较方便。
③流动循环（无梯度）反应器：
将反应后的部分气体循环回去的反应器,使床层进出口的转化率达到一 致，一种全混流式反应器。
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第34页，共37页。
④脉冲反应器： 将反应器和色谱仪结合起来，将试料脉冲式的注入载
一、气-固催化反应的本征动力学
1、多相催化作用
均相催化 ： 反应在同一相中进行称为均相催化
催化反应
比如：脱水、水合、酯的水解等
多相催化 ： 反应在两界面上进行称为多相催化
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比如：甲醇的合成
第1页，共37页。
要求催化剂具备一定的活性、选择性高、寿命长。 固体催化剂由三部分组成：主催化剂、助催化剂和载体
反应工程考试习题库及答案
第一章 绪论1。
化学反应工程是一门研究______________的科学。
(化学反应的工程问题） 2. 化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。
（化学反应、工程问题) 3。
_______是化学反应工程的基础.（ 三传一反)4。
化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。
（分批式操作、连续式操作、半分批式）5. 化学反应工程中的“三传一反"中的三传是指_______、_______、_______.(传质、传热、动量传递）6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述,也就要用数学式来表达个参数间的关系,简称_______.(数学模型)7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。
（累积量=输入量—输出量）8。
“三传一反”是化学反应工程的基础,其中所谓的一反是指_______。
（D ）A ．化学反应B 。
反应工程 C. 反应热力学 D 。
反应动力学 9.“三传一反”是化学反应工程的基础,下列不属于三传的是_______。
（A ）A 。
能量传递 B. 质量传递 C 。
热量传递 D. 动量传递 第二章 均相反应动力学1. 均相反应是指_。
（参与反应的物质均处于同一相）2。
aA + bBpP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。
（a p）3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。
（00K KK K n n n -=χ）4。
当计量方程中计量系数的代数和等于零时,这种反应称为_______，否则称为_______。
（等分子反应、非等分子反应)5。
化学反应速率式为βαB AC A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K .（)()(βα+RT ）6。
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式（1）2－5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解：.因，wwnAp=A，微分得RTVdaw案24网pAp，cB=BRTRT3P，其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导：在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cn.co（1）mol/[L s (kgf/cm2) 3]m（1）则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA（2）恒容下上式可转换为pA=P0所以将式（2）和式（3）代入式（1）整理得2－6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：C4H10发生变化，试求下列各项的变化速率。
（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。
解：P=3kgf/cm2，（1）课MC4H10=58，（2）w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w（3）nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cno2C2H4+H2，dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm（3）dpA1dP= dtδAdt2－9反应APS，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ，cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
《化学反应工程》课程教学大纲
《化学反应工程》课程教学大纲课程名称：化学反应工程课程类型：必修课，专业课总学时：54 讲课学时：54 实验学时：0学分：3.0适用对象：化学工程、化学工艺先修课程：物理化学、化工工艺学、化工原理、化工热力学一、课程性质、目的和任务课程性质：化学反应工程是以化学反应器原理为要紧线索，要紧研究化学反应过程需要解决的工程问题，是化工生产的龙头、关键和核心，是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科，其内容要紧涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型结构、数学建模方法、操作分析及反应器设计，具有高度综合性、广泛基础性和自身专门性。
课程目的与任务：一是培养学生将物理化学、传递过程、化学工艺、化工热力学、操纵工程等学科知识用之于化学反应工程学的综合能力；二是使学生把握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿；三是使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力二、教学差不多要求通过本课程的教学，要使学生系统地把握化学反应动力学规律、传递过程对化学反应的阻碍规律，把握反应器设计、过程分析及最佳化方法。
四、课程的重点和难点绪论重点是化学反应工程的研究内容和方法。
第一章均相单一反应动力学和理想反应器重点：①化学反应动力学方程②理想反应器设计方程难点：动力学方称的建立；反应器设计运算第二章复合反应与反应器选型重点：复合反应动力学方程表达法；复合反应动力学特点分析；平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。
难点：可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析；循环反应器设计方程的数学推导；复合反应（包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应）在PFR 和CSTR反应器的优化设计运算第三章非理想流淌反应器重点：停留时刻分布的概率函数及特点值；停留时刻分布的实验测定；解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。
化学反应工程 第五章 非均相反应动力学
基本假设
–均匀表面（或理想表面） • 各处吸附能力相同，吸附热与表面被吸附程度无关
–单分子层吸附 –被吸附分子间互不影响，也不影响别的分子吸附 –吸附机理均相同，吸附形成络合物亦均相同
– Langmuir型
若固体催化剂被吸附分子所覆盖分率(覆盖率)为
θ （θ i表示被i组分覆盖的n分率）
KR
pRv
KS
pSv
KRKS KrKB
pR pS pB
v
v
1
v
1 K RS
pR pS pB
1 KB pB K R pR K S pS
A 1 K RS
pR pS pB
K RS
pR pS pB
KB pB K R pR K S pS
–吸附控制 对 A B R S ，为A的吸附控制
裸露部分分率：1-θ （1 i ）
以σ 表示活性点；若
i 1
A A
pA
1A
A
K A ka kd
吸附速率为：ra ka pA(1 A )
脱附速率为：rd kd A 达到吸附平衡时 ra rd
ka pA(1 A ) kdA
K i piv
K i pi 1 K i pi
i
–表面反应控制 可逆反应 A B R S
r
kr AB
kr' R S
(1
kr K AK B pA pB kr' K R K S pR pS K A pA KB pB K R pR K S pS K I
化学反应工程习题-第五章：非均相反应动力学
第五章 非均相反应动力学1.工业催化剂所必备的三个主要条件是：_______、_______、_______。
（活性好、选择性高、寿命长）2.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的，而化学吸附是靠_______结合的。
（范德华力、化学键力）3.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是_______分子层的，而化学吸附是_______分子层的。
（多、单）4.气体在固体表面上发生吸附时，描述在一定温度下气体吸附量与压力的关系式称为_______。
（吸附等温方程）5. _______吸附等温方程式是假定吸附热是随着表面覆盖度的增加而随幂数关系减少的。
（Freundlich ）6._______吸附等温方程式是按吸附及脱附速率与覆盖率成指数函数的关系导出的。
（Temkin ）7.固体催化剂的比表面积的经典测定方法是基于_______方程。
（BET ）8.在气—固相催化反应中，反应速率一般是以单位催化剂的重量为基准的，如反应A →B ，A 的反应速率的定义为_______。
（dt dn W r A A ⋅-=-1） 9.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_______和_______的影响。
（内扩散、外扩散）10.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变催化剂装量和进料流量，但保持_______不变。
（0A F W ）11.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变_______和_______，但保持0A F W 不变。
（催化剂装量、进料流量）12.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的_______，在恒定的0A F W 下测_______，看二者的变化关系。
[粒度（直径p d ）、转化率]13.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的粒度（直径p d ），在恒定的_______下测转化率，看二者的变化关系。
（0A F W ） 14.催化剂回转式反应器是把催化剂夹在框架中快速回转，从而排除_______影响和达到气相_______及反应器_______的目的。
非均相化学反应
非均相化学反应
非均相化学反应是指在反应体系中，反应物和生成物的状态不同，存在相界面的化学反应。
其中，“相”是指物理上的相态，如气相、液相、固相等。
在非均相反应中，反应物和生成物处于不同的相态中，因此需要通过相界面进行物质交换和能量传递。
非均相反应在许多领域都有广泛的应用，例如催化反应、电化学反应、生物化学反应等。
在催化反应中，催化剂通常是固体，而反应物和生成物则处于气相或液相中。
在电化学反应中，电解质溶液和电极之间存在相界面，电子通过相界面进行传递。
在生物化学反应中，酶通常是水溶性的，而反应物和生成物则可能处于不同的相中。
非均相反应的速率通常受到相界面的传质速率和反应物在相间的扩散速率的限制。
因此，为了提高非均相反应的速率和效率，需要优化相界面的传质和扩散条件。
这可以通过选择合适的催化剂、电解质、溶剂等来实现。
总之，非均相化学反应是一种重要的化学反应类型，在许多领域都有广泛的应用。
了解非均相反应的特点和规律对于设计和优化反应过程具有重要的意义。
化学反应工程第五章
成比例提高生产能力
2．串联 一级反应
A 0
第一釜
C Ao C A1 C Ao C A1 C Ao i k i 1 (rA ) kC A1 C A1
第二釜
C A1 C A2 C A1 i k i 1 kCA2 C A2
…… 第N釜
C An1 i 1 C An
两边除 dl 取 dl 0消去S 有
dCA d 2C A U DA (rA ) 0 2 dl dl
令 则
l z L
L V t u v
dCA dCA dz 1 dCA dl dz dl l dz
d 2 C A 1 d 2 C A dz 1 d 2 C A 2 2 2 l dz dl l dz dl
t
C A0 k C A0
(
X A1 1 X A1
X A1 1 X A2
X A2 1 X A2
)
一级：
(1 X A1 ) X A1 (1 X A1 ) 2
1 0 1 X A2
(1 X A1 ) 2 1 X A2 X A1 1 1 X A2
定时（h） 空速（h-1）
s
1
二.等容过程（constant volume）
C Af C Ao
(1 xAf )
C Ao C Af rAf
有 C Ao x Af C Ao C Af 一级:
rAf kCAf
代入上式
k
C Ao C Af C Af
即
相并联的意义也不大，只能提高其生产能 力，可对旧设备进行利用 。
化学反应工程课件
The object of the course
▪ 课程目标：反应器分析与设计并重，结 合实际、结合工艺。
▪ 授课方法：讲课与讨论相结合。 ▪ 考试方式：考试与/或作业结合平时成绩
化学反应工程 (Chemical Reaction Engineering)
▪ 主要参考书 ▪ 《化学反应工程》，陈甘棠 主编，化学工业出版社 ▪ 《化学反应工程》，朱炳辰 主编，化学工业出版社
化学与化工是自然科学技术发展的基 础学科之一
化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律和变化过程中能 量关系的学科
化工是运用化学原理和机械原理，将物质的组成、结构、性质变成目 标产品的过程工程学科
▪ 化学 (Chemistry)
▪ 无机化学 ▪ 分析化学
▪ 物理化学 ▪ 高分子化学与物理
▪ 化学工程与工艺 (Chemical Engineering and Technology)
特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。
1.4 工业反应器的分类
第一章 绪 论
1.4.4 固定床反应器
▪ 特征：反应器内填充有固定不动的固体颗粒。 可以是催化剂，也可以是固体反应物。 适用于气固催化反应，固相加工反应，应用非常广泛。
第一章 绪 论
1.1 化学反应工程学的学科历史
第一章 绪 论
30年代，石油化学工业刚刚兴起。提出了“单
元操作”和“单元过程”等概念。
单元操作——流体输送，蒸馏，干燥等专管物
理工序。
单元过程——磺化，水解，加氢等专管化学反
应工序。
1937年，丹克莱尔较系统的阐述了“扩散，流
非均相体系名词解释-概述说明以及解释
非均相体系名词解释-概述说明以及解释1.引言1.1 概述非均相体系是一个重要的概念，尤其在化学和材料科学领域中有着广泛的应用。
它指的是由不同组分或不同相的物质组成的体系，其中组分之间存在明显的差异。
例如，一个含有液体和固体微粒的悬浮液就是一个非均相体系。
在这种体系中，液体和固体微粒不是均匀分布的，而是以不同的形式和浓度存在。
非均相体系的研究对于理解和控制许多自然和工业界的现象至关重要。
它们在许多领域中具有广泛的应用。
在材料科学中，研究非均相体系可以揭示材料的微观结构和性质之间的关系，有助于材料的设计和合成。
在能源领域，了解非均相体系的行为有助于开发更高效的能源转换和储存技术。
在环境科学和污染控制中，非均相体系的研究可以帮助我们理解大气颗粒物、水中悬浮物以及土壤中的化学和物理过程。
非均相体系的研究涉及到许多专门的技术和方法。
例如，X射线衍射、红外光谱和电子显微镜等工具可以用于研究固体和液体相之间的界面及其结构。
在化学反应工程中，非均相体系的动力学研究可以帮助我们优化反应条件和提高反应效率。
本文将重点介绍非均相体系的定义、特征和应用。
通过深入探讨非均相体系的重要性和发展前景，我们可以更好地理解和应用这一概念。
同时，我们也将展望非均相体系在未来科学研究和实际应用中可能发挥的更大作用。
1.2文章结构1.2 文章结构本篇长文将按照以下结构进行描述非均相体系的各个方面：1. 引言：在文章的开头部分，我们将简要介绍非均相体系的概述，并明确文章的目的。
2. 正文：2.1 非均相体系的定义：在这一部分，我们将解释非均相体系的定义，并说明其在科学和工程领域中的重要性。
2.2 非均相体系的特征：在这一部分，我们将详细阐述非均相体系的特征，包括其组成元素、相互作用和结构特征等方面。
2.3 非均相体系的应用：在这一部分，我们将列举一些非均相体系的实际应用，并说明其在各个领域中的价值和意义。
3. 结论：3.1 总结非均相体系的重要性：在这一部分，我们将回顾和总结非均相体系的重要性，并强调其对科学和工程研究的贡献。
反应工程习题库
反应工程习题库第五章非均相反应动力学1.工业催化剂所必备的三个主要条件是:_______、_______、_______。
(活性好、选择性高、寿命长)2.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的，而化学吸附是靠_______结合的。
(范德华力、化学键力)3.气体在固体表面上的吸附中物理吸附是_______分子层的，而化学吸附是_______分子层的。
(多、单)4.气体在固体表面上发生吸附时，描述在一定温度下气体吸附量与压力的关系式称为_______。
(吸附等温方程)5. _______吸附等温方程式是假定吸附热是随着表面覆盖度的增加而随幂数关系减少的。
(Freundlich)6._______吸附等温方程式是按吸附及脱附速率与覆盖率成指数函数的关系导出的。
(Temkin)7.固体催化剂的比表面积的经典测定方法是基于_______方程。
(BET)8.在气—固相催化反应中，反应速率一般是以单位催化剂的重量为基准的，如反应A?B，A的反应速率的定义为_______。
dn,1Ar,,,AWdt()9.对于气—固相催化反应，要测定真实的反应速率，必须首先排除_______和_______的影响。
(内扩散、外扩散)WFA010.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变催化剂装量和进料流量，但保持_______不变。
()WFA011.测定气固相催化速率检验外扩散影响时，可以同时改变_______和_______，但保持不变。
(催化剂装量、进料流量)WFA012.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的_______，在恒定的下测_______，看二者的变化关系。
dp[粒度(直径)、转化率]dp13.测定气固相催化速率检验内扩散影响时，可改变催化剂的粒度(直径)，在恒定的_______下测转化率，看二者的变WFA0化关系。
()14.催化剂回转式反应器是把催化剂夹在框架中快速回转，从而排除_______影响和达到气相_______及反应器_______的目的。
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r r a r d k ap AV k dA（5-8）
当吸附达到平衡状态时，有： r 0 吸附平衡常数为： KAka/kd 代入上述公式，可得：
（5-9） K A k k d a 0 0ex E d R p E a ( T ) k k d a 0 0ex q /R p) ( T p A A V
t
t =0
t=t
图5-3 烧结引起的孔封闭
图5-4 活性位聚集
5.1.6 催化剂的性能
1.催化剂密度
2.催化剂的比表面积
3.孔体积、孔隙率及孔体积分布
孔隙率是指催化剂颗粒内孔的体积占整个催化剂颗粒体
积的分率，用 P 来表示。即：
（5-1） P颗 颗 粒 粒 的 总 微 m P 体 V g m 孔 P V m 积 g P/ 体 S1积 V V gg SS 孔隙率也可由假密度计算：
骨架镍 CuO，熔融Al2O3
4～20 30～160
4～11 25～60 0.0026～0.30
5.1.3 催化剂的制造
（1）混合法 （2）浸渍法 （3）沉淀法 （4）共凝胶法 （5）喷涂法及滚涂法 （6）溶蚀法 （7）热熔法
5.1.4 催化剂的使用
（1）催化剂的活化
Fe3O4+4H2=4Fe+4H2O （5-3 ） （2）催化剂的开、停车和钝化 （3）催化剂的正常维护
与化学反应类似，qEd Ea为吸附热，上式即为吸附平衡方程。
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
2.兰格缪尔吸附模型 首先考虑催化剂表面只吸附一种分子，例如，对于CO在 金属M的表面的吸附 ，可以提出两个模型，一个是CO以 分子形式被吸附，即不发生解离(在金属镍上)：
（5-7） 另一个是以原子形式吸附，即发生解离（在金属铁上）：
化学反应工程
第五章 非均相反应 动力学
第五章 非均相反应动力学
5.1 催化剂基础 5.2 气固相催化反应本征动力学 5.3 气固相催化反应宏观动力学 5.4 气液相反应宏观动力学简介
5.1 催化剂基础
1 催化过程及特征 2 催化过程及特征 3 催化剂的制造 4 催化剂的使用 5 催化剂的失活和再生 6 催化剂的性能
以一氧化碳和氢气为原料，选择不同的催化剂可以制得
不同的产品，如图5-1所示。
CO+H2
Cu、Zn、Al CH3OH
Ni CH4
Fe、Co 烃类混合物
Rh络合物 CH2OHCH2OH
Ru 固体石蜡
图5-1 不同催化剂的产物
5.1.2 固体催化剂的组成
（1）活性组分 （2）载体 （3）助催化剂（促进剂） （4）抑制剂
（5-11）
脱附速率的方程为：
因为化学吸附和化学反应有类似的规律，吸附速率方程
可写为：
ra kapAV
（5-5）
其中 k a 是吸附速率常数，可用阿累尼乌斯方程表示：
kaka0exE pa/(R)T
类似的，脱附速率方程如下：
rd kdA
（5-6）
kdkd0exE pd/(R)T （5-7）
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
吸附和脱附过程写在一起即： （5-6）
5.2.1 气固相催化反应模型和控制步骤
图5-5 气固相催化反应的步骤
5.2.1 气固相催化反应模型和控制步骤
控制步骤的概念类似于一串联的电路，如果没有内、外 扩散的影响，只考虑本征动力学过程，如图：
图5-6 类似于气固相反应的串联电路
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
1.化学吸附速率一般表达式
（5-4）
为了反映表面覆盖的程度，引入一覆盖率的概念 ：
A
被A组分覆盖的活性中心数 总的活性中心数
（5-3）
相应的，有空位率的概念 ：
很显然有：
裸露的活性中心数 V 总活性中心数
（5-4）
A V 1
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
和可逆化学反应一样，吸附在催化剂表面的分子会脱附
下来：
（5-5）
5.1.1 催化过程及特征
在众多的反应过程中，按化工热力学的观点是能够进行
的，但由于反应速度极慢，即使进行较长时间的反应，
生成的产物量也很少，无法进行工业生产。
例如CO的变换反应：
CO＋H2O（g）=CO2+H2
(5-1)
如果反应过程中有活性物质的参与，则该反应的历程变
为：
这样总反应式可以写成：
(5-2)
表5-2 触媒还原温度和孔容及比表面积的关系
还原温度℃ 孔隙容积
ml/g 总表面积
m2/g
450 0.1033 11.5
500 0.1041
12.4
600 0.1255
4.1
700 0.1327
2.0
5.1.4 催化剂的使用
图5-2 触媒升温还原标准曲线
5.1.5 催化剂的失活和再生
（1）老化 （2）结焦 （3）催化剂的中毒 （4）催化剂的再生
（）
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
a.不发生解离的单分子吸附
由前述知，有：
KA
A p AV
因为，A V 1，所以有：
A
KA pA 1 KA pA
此式即为兰格缪尔吸附等温式。
（5-10）
5.2.2 化学吸附速率和吸附模型
b.吸附时发生解离
（5-9）
仿照基元反应的规律，则吸附速率为：
ra kapAA2
4.吸附
P颗 颗粒 粒的 总微 体 1孔 V /积 gP体 Vg积 P
（5-2）
5.2 气固相催化反应本征动力学
1 气固相催化反应模型和控制步骤 2 化学吸附速率和吸附模型 3 表面化学反应 4 反应本征动力学
5.2.1 气固相催化反应模型和控制步骤
①气体分子A的外扩散过程 ②气体分子A的内扩散过程 ③反应物分子的吸附 ④表面化学反应 ⑤产物分子的脱附 ⑥产物的内扩散 ⑦产物分子的外扩散
5.1.1 催化过程及特征
催化反应过程的特征可概括如下： （1)催化剂只改变化学反应的速率，本身在反应前后没 有变化。 （2）催化剂对化学反应的平衡状态没有影响。 （3） 对于可逆反应，催化剂在加速正反应的同时，必 以相同的倍数来加速逆反应。 （4）催化剂对反应过程有良好的选择性。
5.1.1 催化过程及特征
5.1.2 固体催化剂的组成
表5-1 一些常用载体的比表面积
种类
活性炭 硅胶
SiO2-Al2O3(裂化用) 活性白土 活性Al2O3
比表面/ （m2/g） 500～1500 200～600 200～500 150～225 150～350
种类
比表面/（m2/g）
硅藻土 Al2O3-V2O5 Fe(合成氨用)