反应工程课件
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反应工程ppt课件
h)
试求乙酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。 已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3
解： CH 3COOH C4H9OH CH 3COOC 4H9 H2O
对1kmol A而言，投料情况是：
乙酸(A) 1kmol
60kg
60/960=0.0625m3
化学反应工程
1
第3章 理想反应器
反应工程研究的内容：
反应
反应器：反应器的设计和开发
反应器开发的任务：
(1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式
(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优 化设计
反应器的结构和尺寸有关
反应器内的传热性能
(3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
10
【例3－1】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器 中生产乙酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol 的A和4.96kmol的B，已知反应速率
(rA )V
1.045
c
2 A
k
mol
/(m3
1 kc
1 ln
1 xAf
k 9.52109 exp( 7448.4 ) 0.92(h1) 273 50
t 1 ln 1 1.31h 0.92 1 0.7
则每批操作实际所需要的操作时间为：
t t 0 1.31 0.75 2.06h
反应终了时R的浓度为： CR 2C A0 xA 3.22kmol / m3
t cA0
xAf 0
dxA (rA )V
化学反应工程绪论课件
特点： 釜式反应器内的原料参数（浓度、温度等） 均不随时间和位置而变。
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
1、间歇操作 反应所需的物料一次装入反应器内，反应一定
时间，达到要求的反应程度后便卸出全部物料， 清洗反应器，再装料、反应、卸料。
特点： （1）、反应器内各处的物料浓度、温度均一 （2）、反应器内的物料组成随时间而变
CA0
A
R
CR C
CA
时间 t
2、连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反 应器中流出。
三、化学反应工程的影响因素和研究方法
反应物的浓度与反应温度是影响化学反应速率的两大主 要因素，也是直接因素，对于一个化学反应来说，如果 没有其他因素，只需控制反应温度与反应浓度，这样反 应工程问题非常简单，而在工业生产的大反应器中，除 温度与浓度影响外，还受到物质的扩散和混合等影响。
工业规模的化学反应与实验室规模相比复杂很多，在实 验室规模上影响不大的质量和热量传递，在工业规模可 能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程又 有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透， 有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相 径庭。
1. 实验室规模的试验 2. 小型试验 3. 大型冷膜试验：探索传递规律 4. 中间试验 5. 计算机试验
四、 化学反应及反应器分类
（一）化学反应分类
化学反应工程学科一般是按反应物系的相态来 分类。
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
1、间歇操作 反应所需的物料一次装入反应器内，反应一定
时间，达到要求的反应程度后便卸出全部物料， 清洗反应器，再装料、反应、卸料。
特点： （1）、反应器内各处的物料浓度、温度均一 （2）、反应器内的物料组成随时间而变
CA0
A
R
CR C
CA
时间 t
2、连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地从反 应器中流出。
三、化学反应工程的影响因素和研究方法
反应物的浓度与反应温度是影响化学反应速率的两大主 要因素，也是直接因素，对于一个化学反应来说，如果 没有其他因素，只需控制反应温度与反应浓度，这样反 应工程问题非常简单，而在工业生产的大反应器中，除 温度与浓度影响外，还受到物质的扩散和混合等影响。
工业规模的化学反应与实验室规模相比复杂很多，在实 验室规模上影响不大的质量和热量传递，在工业规模可 能起着主导作用。在工业反应器中既有化学反应过程又 有物理过程。物理过程与化学过程相互影响，相互渗透， 有可能导致工业反应器内的反应结果与实验室规模大相 径庭。
1. 实验室规模的试验 2. 小型试验 3. 大型冷膜试验：探索传递规律 4. 中间试验 5. 计算机试验
四、 化学反应及反应器分类
（一）化学反应分类
化学反应工程学科一般是按反应物系的相态来 分类。
《高温反应工程》课件
智能化与自动化控制技术将为高温反应工程带来革命性的变革，实现高温反应过程的实时监测、智能控制和优化管理。
总结词
随着信息技术和人工智能的发展，智能化与自动化控制技术在高温反应工程中的应用将越来越广泛。通过实时监测高温反应过程的数据，利用人工智能算法进行智能控制和优化管理，可以实现高温反应过程的自动化、智能化，提高生产效率和产品质量，降低能耗和污染物排放。同时，智能化与自动化控制技术的应用也将为高温反应工程带来新的发展机遇和挑战。
详细描述
总结词
高温反应工程的应用领域
详细描述
高温反应工程广泛应用于能源、冶金、化工等领域，如燃烧器设计、煤燃烧、燃气轮机、废弃物处理等。
总结词
高温反应工程的发展历程
详细描述
高温反应工程的发展始于20世纪初，随着科技的不断进步，高温反应工程在理论和实践方面都取得了长足的进展，为各领域的发展提供了重要的技术支持。
工业炉窑节能减排
通过高温反应工程技术，可以实现工业炉窑的节能减排。例如，采用先进的燃烧控制技术可以提高炉窑的热效率，降低能耗和减少污染物排放。同时，采用新型保温材料和隔热技术也可以降低炉窑散热损失，提高能源利用效率。
工业炉窑智能化控制
随着高温反应工程技术的发展，工业炉窑的智能化控制水平也不断提高。通过采用先进的传感器、控制器和执行器等设备，可以实现炉窑的自动化控制和智能化管总结词
高温材料与设备是高温反应工程的核心，未来的发展将更加注重材料的高温性能和设备的可靠性、稳定性。
详细描述
随着高温反应工程的发展，对高温材料和设备的要求越来越高。未来，高温材料的研究将更加注重提高材料的抗氧化、抗热震、抗蠕变等性能，以满足高温、高压、高腐蚀等极端环境的需求。同时，高温设备的研发也将更加注重设备的可靠性、稳定性和长寿命，以确保高温反应过程的顺利进行。
化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
化学反应工程第三版陈甘棠主编省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
A0
(n 1)kt
(1 xA )1n 1 (n 1)cAn01kt
（2.2-12） （2.2-13）
表2-2-1 列出了反应级数为整数旳单一反应旳速率方程旳积分形 式。应懂得实际反应旳动力学方程中，反应级数大多数不是整数，不
易得到解析解，这时可采用图解积分或数值积分措施求解。
由
t
cA cA0
cA0xA)
设A和B旳初始浓度比为M，即 cB0 McA0
代入上式整顿得
dxA dt
kcA0 (1 xA )(M
xA)
(1)
下列分两种情况讨论
（1）M=1，即A和B旳初始浓度相同
(1)式可写成
dxA dt
kcA0 (1 xA )2
积分得
kcA0t
xA (1 xA
)
xA
cA0kt 1 cA0kt
dpA dt
3.709
p
2 A
MPa/h
问：（1）速率常数旳单位是什么？
（2）如速率体现式为
(rA )
dnA Vdt
kc
2 A
mol/l h
速率常数等于多少？
dpA dt
3.709
p
2 A
MPa/h
解：（1）k旳单位是
[k]
MPa 1 h (MPa)2
[MPa h]1
（2）设气体服从理想气体状态方程，则
ln k
E RT
ln k0
由式可见，lnk与1/T之间为线性关系。整顿表2.1-1中数据可得
B
-7.2
-7.4
lnk
-7.6
-7.8
-8.0
-8.2
-8.4
2.30
(n 1)kt
(1 xA )1n 1 (n 1)cAn01kt
（2.2-12） （2.2-13）
表2-2-1 列出了反应级数为整数旳单一反应旳速率方程旳积分形 式。应懂得实际反应旳动力学方程中，反应级数大多数不是整数，不
易得到解析解，这时可采用图解积分或数值积分措施求解。
由
t
cA cA0
cA0xA)
设A和B旳初始浓度比为M，即 cB0 McA0
代入上式整顿得
dxA dt
kcA0 (1 xA )(M
xA)
(1)
下列分两种情况讨论
（1）M=1，即A和B旳初始浓度相同
(1)式可写成
dxA dt
kcA0 (1 xA )2
积分得
kcA0t
xA (1 xA
)
xA
cA0kt 1 cA0kt
dpA dt
3.709
p
2 A
MPa/h
问：（1）速率常数旳单位是什么？
（2）如速率体现式为
(rA )
dnA Vdt
kc
2 A
mol/l h
速率常数等于多少？
dpA dt
3.709
p
2 A
MPa/h
解：（1）k旳单位是
[k]
MPa 1 h (MPa)2
[MPa h]1
（2）设气体服从理想气体状态方程，则
ln k
E RT
ln k0
由式可见，lnk与1/T之间为线性关系。整顿表2.1-1中数据可得
B
-7.2
-7.4
lnk
-7.6
-7.8
-8.0
-8.2
-8.4
2.30
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
生物反应工程chap2enzyme1PPT课件精选全文完整版
Mg, Zn, Mn, Fe
Coenzyme: a complex organic molecule:
NAD, FAD, CoA, some vitamins
03:22
Enzyme
5
➢ Nomenclature
Enzymes are named by adding the suffix –ase to the:
k Ae Ea RT
We have,
Eaa 2
Ae RT
exp(7000 /(2 293)) 108 exp(18000 /(2 293))
03:22
Enzyme
4
The interaction between the enzyme and its substrate——weak force:
End of the substrate
Such as urease
The reaction catalyzed
Such as alcohol dehydrogenase
Enzymes using familiar names:
Pepsin in the digestive tract Trypsin in the digestive tract Rennin used in cheese making “Old yellow”, which caused browning of sliced apples
Chapter 2 Enzymes
Lysozyme
Reduced DsbA from E. coli
§2.1 Introduction
➢ Definition
Enzymes are usually proteins of high molecular weight (15,000 < MW < several million Daltons) that act as catalysts.
《生物反应工程》课件
04
生物反应工程的应用实例
生物燃料的生产
生物燃料的生产是生物反应工程的重要应用之一。通过利用 微生物或酶，将植物油、废弃油脂、二氧化碳等转化为可再 生能源，如生物柴油和生物乙醇。
生物燃料的生产有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气 体排放，并促进可持续能源的发展。
生物塑料的生产
生物塑料是利用生物反应工程生产的 可降解塑料，具有环保、可持续的优 点。
农药的生产等。
生物反应工程的重要性
提高生产效率
通过优化生物反应过程， 可以提高生产效率，降低
生产成本。
保护环境
优化生物反应过程可以减 少废物的产生，降低对环
境的污染。
促进可持续发展
生物反应工程的进步有助 于推动可持续发展，促进 人类社会与自然环境的和
谐共生。
02
生物反应工程的基本原理
生物反应工程的基本原理
酶的生产和应用
酶是生物反应工程中的关键物质，具 有高效催化的特点。
通过微生物培养或酶的提取，可以生 产出各种酶，用于催化各种化学反应 ，如水解、酯化、氧化还原等。酶在 制药、化工、食品等领域有广泛应用 。
05
生物反应工程的未来发展
提高生物反应的效率
优化微生物菌种
通过基因工程技术对微生物菌种 进行改良，提高其代谢效率和产 物产量。
节能减排
研究节能减排技术，降低 生物反应过程中的能耗和 排放，减少对环境的负面 影响。
绿色生产
研究绿色生产技术，减少 对原材料和能源的消耗， 降低生产过程中的环境污 染，实现可持续发展。
谢谢您的聆听
THANKS
GelTorrent堞油烟-毡, mehizer 油烟 coat,毡:,毡,毡:a毡毡,长安一 层 chip,长安一体的 MARS Coast陲:11,毡:,毡:蔫 (1 *1毡,毡, 悟,毡_毡,毡:K毡,毡*,毡毡长安毡 股市道实战 on, on, on-悟/
化学反应工程PPT演示课件
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
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.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
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f L dS
1B
3 B
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Si
ks f (C A )ds
ζ= 0 k s f (C As )S i
式中，ks为按单位内表面积计算的催化反应速率常数； f(CA )为动力学方程中的浓度函数，CA随径向距离而 变化；Si为单位体积催化床中催化剂的内表面积。 式中，分子项是催化剂颗粒内各活性点的反应速率的 总和，由于不可能建立f(CA)与S之间的函数关系，分 子项是无法解析计算的。
2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内 气体的扩散
2.3.1气－固相催化反应宏观过程
1) 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布
由于不断地反应消耗，颗粒内的反应物浓度低于流体 主体处的反应物浓度；
如何求出ζ，这是本章学习的重点。
3) 催化反应控制阶段的判别 (1)判别条件及其总体速率的简化
以一级可逆反应为例,讨论控制阶段的判别条件及其总体 速率的简化。 对于一级可逆反应，其总体速率方程为：
(rA)g =
CAg CA* 1 1
kGSe ksSi gζ
式中各项相应的物理含义为：
过 程 的 总 推 动 力 (rA )g=外 扩 散 阻 力 "内 扩 散 ＋ 化 学 反 应 " 阻 力
上式又称为气－固相催化反应宏观动力学方程通式。
(3)一级可逆反应的总体速率方程 颗粒的本征动力学方程若为一级可逆反应，则有下式：
( r A ) g k G S e ( c A g c A ) Sk s S i( c A S c * A )
c Ag
c AS
(rA ) g kG Se
c AS
由于不断地反应生成，颗粒内的产物浓度高于流体主体 处的产物浓度。
从流体主体到颗粒中心，形成了反应物浓度由高（ C A g ） 到低（ C A c ）的连续分布。
设:某反应的关键组分为反应物A；催化剂为球形，半径Rp； 颗粒内活性组分均匀分布；颗粒外表面有滞流边界层。 A在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为 CAg 、CAs、 CAc；
c
* A
(rA ) g k s S i
两式相加：
c Ag －
c
*＝
A
(rA
)g
1 kG S
e
＋
1 k s S i
(rA ) g＝
c Ag －
c
* A
1＋ 1
kG Se
k s S i
Байду номын сангаас
(rA)g =
CAg CA* 1 1
kGSe ksSi gζ
上式的物理含义为：
过 程 的 总 推 动 力 (rA )g=外 扩 散 阻 力 "内 扩 散 + 反 应 " 阻 力
(2) 本征动力学控制
当 1 ＜＜ 1 ，且 1时，
kG Se
ks Si
内外扩散的影响均可略 去，则：
CA
（ rA
)g＝ksSi
(c
－
Ag
ζ的数值越接近0，则正相反。
ζ→1
CA
CAg CAS CAC
ζ→0
CA
CAg CAS
距离 0 Rp
CAC 距离 0 Rp
(2) 总体速率通式 在稳定状态下，反应组分A从气相主体扩散通
过滞流边界层到达颗粒外表面的速率和整个催化 剂颗粒的实际反应速率相等，即总体速率的通式 如下：
总 体 速 率 外 扩 散 速 率 ＝ 颗 粒 的 实 际 反 应 速 率 （ 内 扩 散 和 反 应 的 表 观 速 率 ）
过 程 的 总 推 动 力 (rA )g= 外 扩 散 阻 力 "内 扩 散 ＋ 化 学 反 应 " 阻 力
总体速率方程包含有外扩散阻力、内扩散和化 学反应的阻力。这三部份阻力客观存在，但它们之 间的相对大小可能是不相上下，也可能是差别很大。 如果它们的相对大小不相上下，则不能忽略各部分 阻力。如果它们的相对差别很大，则就可以忽略某 一部分阻力，简化总体速率方程。
B、在稳定状态下，反应物由颗粒外表面扩散进入颗 粒内部的速率等于反应物在整个颗粒内部的反应速率， 因此，ζ可以改写为
按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 梯 度 计 算 的 扩 散 速 率 ζ = 按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 及 内 表 面 积 计 算 的 反 应 速 率
ζ的数值大小代表什么？
(r A )g k G S e ( c A g c A ) Sk s S if( c A )S
式中
Si
( r A ) g －总体速率；
ks f (C A )ds
k G －外扩散传质系数；
ζ= 0 ks f (C As )S i
S e －单位床层体积中颗粒的外表面积。
k V k S S i－ 体 积 速 率 常 数 。
平衡浓度为CA*。
1) 外扩散过程
扩散推动力：CAg －CAs 2) 扩散－反应过程
CA 是直线分布。
CAC为内扩散过程和反应过程的表观浓度，浓度分布 是曲线。
边界层
CA
C Ag
C AS
C AC
C
A
RP 0
RP
对于可逆反应，颗粒中心反应物可能的最小浓度是平 衡浓度CA*，如果在距中心半径Rd处反应物的浓度接近平 衡浓度，此时，在半径Rd的颗粒内催化反应速率接近于零
，这部分区域称为“死区”，见下图示。
催化剂粒外外扩散过程为一个纯物理过程，认为浓度 梯度为直线。
2) 内扩散有效因子与总体速率 (1) 内扩散有效因子ζ
在催化剂颗粒内部，反应物的内扩散过程和化学
反应过程同时进行，由于内扩散阻力的影响，越靠近
中心，反应物浓度越低，因而反应越慢。扩散－反应 过程的表观结果是使A的浓度下降。
当为等温过程，即整个颗粒上温度是均匀的。颗
粒外表面的浓度CAS比颗粒内部任一点CAC的都要大， 所以按颗粒外表面浓度计算的反应速率最大，越到颗 粒内部越小。
C AS
C AC
A、ζ的定义 单颗粒催化剂上实际反应速率和按颗粒外表面浓度
CAs和内表面积计算的理论反应速率之比值，称之为内扩 散有效因子，或内表面利用率，记作ζ。
颗 粒 实 际 反 应 速 率 ζ=按 外 表 面 浓 度 计 算 的 反 应 速 率
ζ的数值一般在（0,1）之间，特殊情况下会 大于1（类如负级数反应）。
ζ的数值越接近于1，说明颗粒内部反应物浓 度越接近外表面浓度，内扩散影响因素越 小。这时，颗粒实际反应速率与“虚拟反 应速率”越接近，这时，催化剂颗粒越有 “效率”。
ks f (C A )ds
ζ= 0 k s f (C As )S i
式中，ks为按单位内表面积计算的催化反应速率常数； f(CA )为动力学方程中的浓度函数，CA随径向距离而 变化；Si为单位体积催化床中催化剂的内表面积。 式中，分子项是催化剂颗粒内各活性点的反应速率的 总和，由于不可能建立f(CA)与S之间的函数关系，分 子项是无法解析计算的。
2.3 气－固相催化反应宏观过程与催化剂颗粒内 气体的扩散
2.3.1气－固相催化反应宏观过程
1) 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布
由于不断地反应消耗，颗粒内的反应物浓度低于流体 主体处的反应物浓度；
如何求出ζ，这是本章学习的重点。
3) 催化反应控制阶段的判别 (1)判别条件及其总体速率的简化
以一级可逆反应为例,讨论控制阶段的判别条件及其总体 速率的简化。 对于一级可逆反应，其总体速率方程为：
(rA)g =
CAg CA* 1 1
kGSe ksSi gζ
式中各项相应的物理含义为：
过 程 的 总 推 动 力 (rA )g=外 扩 散 阻 力 "内 扩 散 ＋ 化 学 反 应 " 阻 力
上式又称为气－固相催化反应宏观动力学方程通式。
(3)一级可逆反应的总体速率方程 颗粒的本征动力学方程若为一级可逆反应，则有下式：
( r A ) g k G S e ( c A g c A ) Sk s S i( c A S c * A )
c Ag
c AS
(rA ) g kG Se
c AS
由于不断地反应生成，颗粒内的产物浓度高于流体主体 处的产物浓度。
从流体主体到颗粒中心，形成了反应物浓度由高（ C A g ） 到低（ C A c ）的连续分布。
设:某反应的关键组分为反应物A；催化剂为球形，半径Rp； 颗粒内活性组分均匀分布；颗粒外表面有滞流边界层。 A在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为 CAg 、CAs、 CAc；
c
* A
(rA ) g k s S i
两式相加：
c Ag －
c
*＝
A
(rA
)g
1 kG S
e
＋
1 k s S i
(rA ) g＝
c Ag －
c
* A
1＋ 1
kG Se
k s S i
Байду номын сангаас
(rA)g =
CAg CA* 1 1
kGSe ksSi gζ
上式的物理含义为：
过 程 的 总 推 动 力 (rA )g=外 扩 散 阻 力 "内 扩 散 + 反 应 " 阻 力
(2) 本征动力学控制
当 1 ＜＜ 1 ，且 1时，
kG Se
ks Si
内外扩散的影响均可略 去，则：
CA
（ rA
)g＝ksSi
(c
－
Ag
ζ的数值越接近0，则正相反。
ζ→1
CA
CAg CAS CAC
ζ→0
CA
CAg CAS
距离 0 Rp
CAC 距离 0 Rp
(2) 总体速率通式 在稳定状态下，反应组分A从气相主体扩散通
过滞流边界层到达颗粒外表面的速率和整个催化 剂颗粒的实际反应速率相等，即总体速率的通式 如下：
总 体 速 率 外 扩 散 速 率 ＝ 颗 粒 的 实 际 反 应 速 率 （ 内 扩 散 和 反 应 的 表 观 速 率 ）
过 程 的 总 推 动 力 (rA )g= 外 扩 散 阻 力 "内 扩 散 ＋ 化 学 反 应 " 阻 力
总体速率方程包含有外扩散阻力、内扩散和化 学反应的阻力。这三部份阻力客观存在，但它们之 间的相对大小可能是不相上下，也可能是差别很大。 如果它们的相对大小不相上下，则不能忽略各部分 阻力。如果它们的相对差别很大，则就可以忽略某 一部分阻力，简化总体速率方程。
B、在稳定状态下，反应物由颗粒外表面扩散进入颗 粒内部的速率等于反应物在整个颗粒内部的反应速率， 因此，ζ可以改写为
按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 梯 度 计 算 的 扩 散 速 率 ζ = 按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 及 内 表 面 积 计 算 的 反 应 速 率
ζ的数值大小代表什么？
(r A )g k G S e ( c A g c A ) Sk s S if( c A )S
式中
Si
( r A ) g －总体速率；
ks f (C A )ds
k G －外扩散传质系数；
ζ= 0 ks f (C As )S i
S e －单位床层体积中颗粒的外表面积。
k V k S S i－ 体 积 速 率 常 数 。
平衡浓度为CA*。
1) 外扩散过程
扩散推动力：CAg －CAs 2) 扩散－反应过程
CA 是直线分布。
CAC为内扩散过程和反应过程的表观浓度，浓度分布 是曲线。
边界层
CA
C Ag
C AS
C AC
C
A
RP 0
RP
对于可逆反应，颗粒中心反应物可能的最小浓度是平 衡浓度CA*，如果在距中心半径Rd处反应物的浓度接近平 衡浓度，此时，在半径Rd的颗粒内催化反应速率接近于零
，这部分区域称为“死区”，见下图示。
催化剂粒外外扩散过程为一个纯物理过程，认为浓度 梯度为直线。
2) 内扩散有效因子与总体速率 (1) 内扩散有效因子ζ
在催化剂颗粒内部，反应物的内扩散过程和化学
反应过程同时进行，由于内扩散阻力的影响，越靠近
中心，反应物浓度越低，因而反应越慢。扩散－反应 过程的表观结果是使A的浓度下降。
当为等温过程，即整个颗粒上温度是均匀的。颗
粒外表面的浓度CAS比颗粒内部任一点CAC的都要大， 所以按颗粒外表面浓度计算的反应速率最大，越到颗 粒内部越小。
C AS
C AC
A、ζ的定义 单颗粒催化剂上实际反应速率和按颗粒外表面浓度
CAs和内表面积计算的理论反应速率之比值，称之为内扩 散有效因子，或内表面利用率，记作ζ。
颗 粒 实 际 反 应 速 率 ζ=按 外 表 面 浓 度 计 算 的 反 应 速 率
ζ的数值一般在（0,1）之间，特殊情况下会 大于1（类如负级数反应）。
ζ的数值越接近于1，说明颗粒内部反应物浓 度越接近外表面浓度，内扩散影响因素越 小。这时，颗粒实际反应速率与“虚拟反 应速率”越接近，这时，催化剂颗粒越有 “效率”。