《化学反应过程与设备》电子课件 项目三任务1到5
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化学反应过程与设备
二，弯管
弯管结构与直管基本相同（见图1-13）。弯头半径R≥5D （1±4%）。弯管在机架上的安装方法允许其有足够的伸缩量，故 不再另加补偿器。内管总长（包括弯头弧长）也是8米。
三，密封环
套管式反应器的密封环为透镜环。透镜环有两种形状。一 种是圆柱形的，另一种是带接管的T形透镜环，如图.圆柱形透镜环 用反应器内管同一材质制成。带接管的T形透镜环是安装测温、测 压元件用的。
+ 工作任务
+ 根据化工产品的反应特点和生产条件选择均相反应器的类型，进行工艺设计， 并能对典型均相反应器进行操作与控制。
+ 工作任务：
+ 根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择均相反应器 的类型
+ 化学工业中均相反应器类型主要有：釜式反应器和管式反 应器
+ 技术理论：
+
原料预处理
+ 化工生产过程
律。
+ 方法能力目标：
+ 1.具有信息检索能力； + 2.具有信息加工能力； + 3.具有数学计算和应用能力； + 4.具有自我学习和自我提高能力； + 5.具有工作计划和决策能力； + 6.具有发现问题、分析问题和解决问题能力。
+ 社会能力目标：
+ 1.具有团队精神和与人合作能力； + 2.具有与人交流沟通能力； + 3.具有较强的表达能力。
考虑因素：
①根据物料的聚集状态选择：气相反应选择连续操作管式反应器，液相反应一般选择釜式反应器 ②根据生产量选择：通常产量大的采用连续操作反应器，产量较小的采用间歇操作反应器 ③根据反应速率：液相快反应可选择连续操作管式反应器或连续操作釜式反应器，而慢反应则可选 择间歇釜式反应器 ④根据动力学特性选择：主要结合反应的优化指标和化学反应动力学方程来选择
化学反应过程与设备(杨西平)模块一
《专业技能取证实训》 反应器计算中常用的几个物理量
3、膨胀因子和膨胀率 膨胀率：当物系体积随转化率变化呈线性关系
V V0 (1 A xA ) 生 产 中 物理意义：反应物全部转化后系统体积的变化率 的 A (VxA 1 VxA 0 ) VxA 0 三 率 A = yA0A 两者关系：
连续操作: 累积量（物料、热量）＝０间歇 操作: 进入和离开的组分量（热量）=0绝热 操作: 和外界的热交换量＝０
石油化学工程系
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。
《专业技能取证实训》
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
石油化学工程系
动力学方程式
定义：也称为比速率
E k k 0 exp( ) RT
《专业技能取证实训》
反 应 速 k — 频率因子，与温度无关 ； 0 率 常 R — 气体常数，（R 8.314J /(m ol K )； 激发”到“活化状态” 所需要的能量； 数 E — 活化能（把反应分子“
动力学方程式
《专业技能取证实训》
影 响 因 素
温度 浓度 压力 溶剂 催化剂 固定 速率方程或动力学方程 定量描述反应速率和温度 及浓度的关系式
石油化学工程系
动力学方程式
《专业技能取证实训》
1、基元反应：根据质量作用定律 vAA vBB vRR
基 本 方 程
动力学方程式：
rA kc cA cB
c A0 (1 x A ) nA 浓度变化关系： c A V V (1 x ) 0 A A
石油化学工程系
《专业技能取证实训》 反应器计算中常用的几个物理量
化学反应工程第三章PPT课件
— 常称为活塞流式(或理想排挤式)反应器，多指假 想反应器内径向不存在浓度梯度与温度梯度，轴向没 有任何混合的管式反应器
平推流流体
反应物料以稳定的流率进 入反应器，在流动方向上 象活塞一样有序向前移动， 任一径向截面上各处的流 速完全相等
当
dF P dt
0 时，FP将取最大值；
故单位时间 反应量最大条件为：
dcP cP dt t t0
湖北文理学院
图 间歇反应器最优反应时间的图解法
2021
27
《化学反应工程》
【例3】欲用一间歇反应器在为100℃、催化剂硫酸的质量分数 为0.032%的条件下，由乙酸和丁醇生产乙酸丁酯
C 3 C H O C 4 H O 9 O H H C 3 C H O 4 H 9 H O 2 OC
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2021
6
《化学反应工程》
2.空时、空速、停留时间与反应时间
1) 空时，又称为空间时间，定义为反应器体积VR与流
体进反应器的体积流量v0的比值
VR
0
反应器体积 进料体积流率
空时的单位是时间，是度量连续流动反应器生产强 度的一个参数。如空时为1min，表明每分钟可以处理 与反应器体积相等的物料量。空时越大，反应器生产 强度越小
• 缺点：
装料、卸料等辅助操作 要耗费一定的时间； 产品质量不易稳定
湖北文理学院
2021
12
《化学反应工程》
§3.2.1.1 间歇反应器性能的数学描述
在间歇反应器中，剧烈搅拌，器内物料的浓度和 温度达到均一，对整个反应器中关键组分A进行物料 衡算，则有：
单 输A 位 入 的时 量 单 输 间 A 位 出 的 内时 量 反 单 间应 位 A 内 的 掉 时 量 间 器 单A 内 位 中 的时 积间 累
平推流流体
反应物料以稳定的流率进 入反应器，在流动方向上 象活塞一样有序向前移动， 任一径向截面上各处的流 速完全相等
当
dF P dt
0 时，FP将取最大值；
故单位时间 反应量最大条件为：
dcP cP dt t t0
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图 间歇反应器最优反应时间的图解法
2021
27
《化学反应工程》
【例3】欲用一间歇反应器在为100℃、催化剂硫酸的质量分数 为0.032%的条件下，由乙酸和丁醇生产乙酸丁酯
C 3 C H O C 4 H O 9 O H H C 3 C H O 4 H 9 H O 2 OC
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6
《化学反应工程》
2.空时、空速、停留时间与反应时间
1) 空时，又称为空间时间，定义为反应器体积VR与流
体进反应器的体积流量v0的比值
VR
0
反应器体积 进料体积流率
空时的单位是时间，是度量连续流动反应器生产强 度的一个参数。如空时为1min，表明每分钟可以处理 与反应器体积相等的物料量。空时越大，反应器生产 强度越小
• 缺点：
装料、卸料等辅助操作 要耗费一定的时间； 产品质量不易稳定
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2021
12
《化学反应工程》
§3.2.1.1 间歇反应器性能的数学描述
在间歇反应器中，剧烈搅拌，器内物料的浓度和 温度达到均一，对整个反应器中关键组分A进行物料 衡算，则有：
单 输A 位 入 的时 量 单 输 间 A 位 出 的 内时 量 反 单 间应 位 A 内 的 掉 时 量 间 器 单A 内 位 中 的时 积间 累
《化学反应过程与设备》电子课件 项目二任务2到3
本征动力学方程的型式
（1）双曲线型本征动力学方程：见表1-11
（2）幂函数型本征动力学方程
如焦姆金导出的铁催化剂上氨合成反应动力学方程
为：
rNH3
k1 pN2
p1.5 H2
pNH3
k2
pNH3 p1.5
H2
在实际应用中常常以幂函数型来关联非均相动力学参
数
三、固定床反应器计算 在固定床中进行催化反应，流体必须进行 流动；催化反应的同时还会进行传质、传 热过程。 流体流动、传质、传热过程会影响床层中 的浓度、温度分布，最终将影响反应过程， 因此必须了解这些过程。
以上七个步骤是前后串联的：
速率控制步骤：某一步骤的速率与其他各步的速率相比 要慢得多，以致整个反应速率取决于这一步的速率。 （外扩散控制、内扩散控制、表面过程控制）
当反应过程达到定态时，各步骤的速率应该相等，且 反应过程的速率等于控制步骤的速率。
(三)本征动力学方程
气固相反应本征动力学就是研究不受扩散干扰条件下 的固体催化剂与其相接触的气体之间的反应动力学。
n
dP xidi i 1
调和平均直径
1 n xi
dP d i1 i
在固定床和流化床的流体力学计算中，用调和平均 直径较为符合实验数据。
3、空隙率
固定床内流体是通过催化剂颗粒构 成的床层而流动，了解催化剂床层的性 质很必要。
空隙率是床层的重要特性之一， 对流体通过床层的压力降、床层的有效 导热系数等都有重大的影响。
非球形颗粒的比表面积为：
SV AP /VP
比表面积等于S的球形颗粒有如下关系式：
SV
d
2 S
/
1 6
d
3 S
6/ dS
《化学反应过程与设备》电子课件 项目一任务1
图1-2反应釜的操作方式 (a)间歇 (b)、(c)半间歇 (d)连续 (e)多釜串联
2、按材质分为钢制（或衬瓷板）反应釜、铸铁反应 釜及搪玻璃反应釜。
（1）最常见的钢制反应釜的材料为Q235A（或容器 钢）。
（2）铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸 增浓等反应过程中使用较多。
（3）搪玻璃反应釜，俗称搪瓷锅。能耐大多数无机 酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
化学反应过程与设备
物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和 《传质与分离技术》
化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设 备》，属于化学反应工程的范畴
化学反应器是化工生产装置中的关键设备
本课程的总目标
通过本课程的学习，能掌握各种反应器的基 本结构、特点，掌握化学反应动力学表述方式， 掌握各种反应器工艺设计方法，能根据反应特征 和生产条件选择反应器，初步掌握各种反应器的 基本操作和基本维护方法，能判断和排除反应器 常见的不正常工况，能初步对反应过程进行优化。
甲苯硝化，氯 乙烯聚合， 酯化反应等
多管串联结构管式反应器
多管并联结构管式反应器
四、均相反应器的选择
通常反应器选择的依据是：
反应的特征：主副反应的生成途径，反应速 率、反应热等；
反应器的特征：返混大小，流动状态、换热 能力等；
生产要求：反应温度、反应压力、反应时间、 转化率、选择性，压降、能耗、生产能力等。
表 均相化学反应器选择举例
项目一 均相反应器选择、设 计、操作与控制
工作任务
根据化工产品的反应特点和生产条件选择均 相反应器的类型，进行工艺设计，并能对典型均 相反应器进行操作与控制。
任务1 均相反应器的选择
化学工业中常见的均相反应器，主要有 釜式反应器、管式反应器
2、按材质分为钢制（或衬瓷板）反应釜、铸铁反应 釜及搪玻璃反应釜。
（1）最常见的钢制反应釜的材料为Q235A（或容器 钢）。
（2）铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、硫酸 增浓等反应过程中使用较多。
（3）搪玻璃反应釜，俗称搪瓷锅。能耐大多数无机 酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
化学反应过程与设备
物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和 《传质与分离技术》
化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设 备》，属于化学反应工程的范畴
化学反应器是化工生产装置中的关键设备
本课程的总目标
通过本课程的学习，能掌握各种反应器的基 本结构、特点，掌握化学反应动力学表述方式， 掌握各种反应器工艺设计方法，能根据反应特征 和生产条件选择反应器，初步掌握各种反应器的 基本操作和基本维护方法，能判断和排除反应器 常见的不正常工况，能初步对反应过程进行优化。
甲苯硝化，氯 乙烯聚合， 酯化反应等
多管串联结构管式反应器
多管并联结构管式反应器
四、均相反应器的选择
通常反应器选择的依据是：
反应的特征：主副反应的生成途径，反应速 率、反应热等；
反应器的特征：返混大小，流动状态、换热 能力等；
生产要求：反应温度、反应压力、反应时间、 转化率、选择性，压降、能耗、生产能力等。
表 均相化学反应器选择举例
项目一 均相反应器选择、设 计、操作与控制
工作任务
根据化工产品的反应特点和生产条件选择均 相反应器的类型，进行工艺设计，并能对典型均 相反应器进行操作与控制。
任务1 均相反应器的选择
化学工业中常见的均相反应器，主要有 釜式反应器、管式反应器
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
k A0 exp( E ) RT
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
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2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
化学反应过程与设备课件资料
降低热点温度 减少轴向温差 的措施： 入口处附近放置一定高度惰性载体 稀释的催化剂或已部分老化催化剂。
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
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
1-5-1间歇操作釜式反应器
1 n
kA单位： kp单位：kmol/m3.h.Pan 一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应 的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。
kmol m3 h n kmol 3 m
⑴反应分子数与反应级数
基本概念 a.单一反应与复杂反应
单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程 式便能代表的反应。
二、均相反应动力学基础
宏观反应速率：受到传递影响化学反应过程的速率。 本征反应速率：消除传递影响后化学反应所能达到的 最大速率。
宏观动力学与本征动力学的区别在于：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作用及相互影响，这显然与 反应器的结构设计和操作条件有关。
（一）化学反应速率及反应动力学方程
则称为非基元反应。
•c.单分子、双分子、三分子反应
• 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言 的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应 是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 •d.反应级数
• 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由 实验确定的常数。可以是分数，也可以是负数。
⑵用浓度表示
•因为
nA V c A
•所以
1 d (V c A ) dcA c A dV rA V d d V d
等容过程：液相或反应前后无物质的量的变化的气 相反应。 V为定值 ∴ni/V=Ci 得到
dC A (rA ) d
•
•
对于多组分单一反应系统，各个组分的反应速率受 化学计量关系的约束，存在一定比例关系。例如
其动力学方程一般都可表示成：
ri ki cA cB
kA单位： kp单位：kmol/m3.h.Pan 一般说来，可以用任一与浓度相当的参数来表达反应 的速率，但动力学方程式中各参数的因次单位必须一致。
kmol m3 h n kmol 3 m
⑴反应分子数与反应级数
基本概念 a.单一反应与复杂反应
单一反应：指只用一个化学反应式和一个动力学方程 式便能代表的反应。
二、均相反应动力学基础
宏观反应速率：受到传递影响化学反应过程的速率。 本征反应速率：消除传递影响后化学反应所能达到的 最大速率。
宏观动力学与本征动力学的区别在于：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作用及相互影响，这显然与 反应器的结构设计和操作条件有关。
（一）化学反应速率及反应动力学方程
则称为非基元反应。
•c.单分子、双分子、三分子反应
• 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言 的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应 是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 •d.反应级数
• 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由 实验确定的常数。可以是分数，也可以是负数。
⑵用浓度表示
•因为
nA V c A
•所以
1 d (V c A ) dcA c A dV rA V d d V d
等容过程：液相或反应前后无物质的量的变化的气 相反应。 V为定值 ∴ni/V=Ci 得到
dC A (rA ) d
•
•
对于多组分单一反应系统，各个组分的反应速率受 化学计量关系的约束，存在一定比例关系。例如
其动力学方程一般都可表示成：
ri ki cA cB
国家开放大学《化学反应过程及设备》形考任务1-4参考答案
国家开放大学《化学反应过程及设备》形考任务1-4参考答案形考任务11.均相反应的基本特点是反应体系已达到（）尺度上的均匀混合。
A.工业B.实验室C.分子D.原子2.对于连串反应：，P为目的产物，下列做法能够提高目的产物的选择性的是（）。
A.增大k1/k2的比值B.增大主反应的活化能C.提高物料中反应物A的浓度D.提高反应温度3.现有某反应活化能为120kJ/mol，温度由300K上升10K，反应速率常数增大到原来的（）倍。
A.1.1B.3.2C.4.7D.104.等温恒容条件下，某不可逆反应的达到一定转化率所需的反应时间与初始浓度无关，仅与转化率有关，那么该反应为（）。
A.零级B.一级C.二级D.三级5.对于可逆放热反应，在一定条件下，反应速率最大时对应的温度称为（）。
A.最适宜温度B.平衡温度C.完全转化温度D.起燃温度6.对于平行反应：A→P（目的产物）；A→S（副产物），当主副反应级数相同时，下列做法能够提高目的产物的选择性的是（）。
A.增大k1/k2的比值B.增大主反应的活化能C.提高物料中反应物A的浓度D.提高反应温度7.一反应关键组分A的转化率为96%，对A产物的选择性为75%，则该反应中A 的收率为（）。
A.0.77B.0.75C.0.74D.0.728.可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应的速率的关系为：r正（）r逆。
A.﹥B.﹦C.﹤D.无法确定9.分子经过一次反应即生成产物的反应，称为（）。
A.简单反应B.复杂反应C.基元反应D.非基元反应10.化学工业品生产以下包括三个主要阶段：原料的预处理、化学反应过程及产物的分离与净化。
其中产物的分类和净化是最为核心的部分。
（×）11.间歇式操作适用于大批量产品的生产。
（×）12.连续操作是指反应器中的原料有一些是分别加入或取出的，而另一些则是连续通过的。
（×）13.物料衡算、热量衡算和动量衡算通式为：累积量=输入量-输出量。
化学反应过程及设备
从实验室开发到工业生产存在放大效应。
在工业反应器中实际进行的过程不
但包括有化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混和和
传递等，所有这些传递过程使得反应器内
产生温度分布和浓度分布，从而影响反应
的最终结果。
5/21/2020
➢ 化学动力学特性的研究 ：在实验室的小反应器内进行， 完全排除传递过程的影响。
a s
(rS
)
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
或可说，我们用不同的着眼级分来描述化学反应速 率，那么反应速率与计量系数之比是相等的。
rA rB rr rs a b rs
若以浓度表示则为：
1 dCA 1 dCB 1 dCR 1 dCS a dt b dt r dt s dt
( r ) k P P
A
A ,P A B
5/21/2020
（3）单一反应 ✓— 可逆—反反应速应率级方程数的表示
对于： aA+bB rR+sS
( r ) kC B kC B
A
AA B
ARS
反应级数的大小反映了该物料浓度对反应速率
影响的程度。级数愈高，则该物料浓度的变化
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（2）化学反应速率及其表示
对于(恒容)气相反应，由于分压与浓度成正比，也可用 分压来表示。
( r )
1
dn A
k
P P
A V dt
pA B
注意各参数的量纲单位要一致 ，若分压的单位为Pa，
则kp的单位：
mol ( m3 s Pa)
5/21/2020
（2）化学反应速率及其表示
对于均相反应aA+bB=rR+sS反应速率定义为：
化学反应过程与设备课件
➢ 主要内容： 任务1 均相反应器的选择 任务2 气固相反应器的选择 任务3 气液相反应器的选择
项目1 反应器选择
➢ 专业能力目标：通过本部分内容学习和工作任务的训练，能根据反应特点和生产条件正确选择反 应器的类型。
➢ 工作任务：根据化工产品的反应特点和生产条件初步选择工业反应器的类型。
任务1 均相反应器的选择
结构：
壳体由钢板卷焊成圆筒体， 再焊上钢板压成的釜底， 配上釜盖。
釜底形状：
搅拌装置： 轴封：
由搅拌轴和搅拌电机组成。
填料密封
要求：填料富于弹性，有良好的耐磨性和导热性； 弹性形变要大，使填料紧贴转轴，对转轴产生收
缩力，同时填料还要有足够的圈数。
机械密封
由动环、静环、弹簧加荷装置及辅 助密封圈四个部分组成。
最常见的材料为 Q235A
常用于氯化、磺化、硝化、 缩合、硫酸增浓等反应过 程。
工艺制作： 特点： P5 注意： 性能：
低压釜 高压釜
动密封结构
静密封，更适合于各种极毒、易燃、 易爆以及其他渗透力极强的化工工艺 过程。
二、搅拌釜式反应器结构
➢ 1.搅拌釜式反应器基本结构
壳体
管式反应器的应用与分类
➢ 1.管式反应器在化工生产中的应用与分类
应用：
一般用于气相反应和气液相反应。
分类：
根据管道连接 方式不同
多管串联管式反应器 多管并联管式反应器
➢ 2.管式反应器的特点
难点
长径比大（50~100）；单位反应体积的传热面积大；生产效率高； 适用于大型化、连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有 保证； 返混小，在较高的流速下，管内流体流型接近于理想置换。
反应器的流体流动、停留时间分布、换热能力等
化学反应过程与设备1
应、产品精制。
化学反应过程是化工生产过程的核心
单元操作
过程核心
单元操作
原料处理
化学反应
循环物流
产品精制
例：日常生活中的化学反应
1、用石灰浆抹的墙壁，日久会变硬 CO2 + Ca（OH）2═══ CaCO3↓+ H2O
2、水壶和热水瓶胆使用久了会产生水垢用食醋可以除掉水垢 CaCO3 + 2CH3COOH =（CH3COOH)2Ca + H2O + CO2 ↑
反应器内反应物的浓度变化： 理想混合流动
理想置换流动
返混及其影响
停留时间（寿命）：反应物料质点通过反应器的时间 年龄：反应物料质点从进入反应器起，已经停留的时间 返混：不同年龄的质点之间的混合
返混不是一般意义上的混合，而是专指不同时刻进入 反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是 不同年龄质点之间的混合。
dxA
d
（2）用浓度表示
- rA
- dcA
d
-
cA V
dV
d
对于恒容过程，反应体积V为常数
- rA
-
dcA
d
对于多组分单一系统
nA0 nA nB0 nB nR nR0 nS nS0
a
b
r
s
rA
rB
rR
rS
r
a b rS
5.均相反应动力学
特点：
结构简单，加工方便，传质效率高，温度分布均匀，操作 条件（浓度、温度、停留时间等）灵活可控，便于更换品 种，能适应多样化的生产。
2.搅拌釜式反应器的分类
按操作方式分 按材质分
化学反应过程与反应器课件
1 kt ln
1 xA
C
A0
k
t
1
xA x
A
6.3、活塞流反应器
1、活塞流反应器的结构
这种反应器的结构非常简单，一般是直 管，要求有足够大的长径比（L/d > 50）。反应物料从管的一端送入，一边 流动一边反应，从管的另一端引出时， 已达到预定的转化率。
2、管式反应器的特点
（1）活塞 流
分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物 料的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输
出而其余则为分批加入或卸出的操作。 连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程
2、据反应器结构分
a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式 塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾 塔；（g）固定床反应器；h）流化床反应器； （i）移动床反应器；（j）滴流床反应器
等容过程
VR
qV 0
CA0
dx xAf
A
0 rA
dC C A 0
A
CAf (rA )
与间歇反应器的公式相同
4、停留时间、反应时间、返混 的概停念留时间(τ)
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时 间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
反应时间 （t）
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的 时间；是对已经离开反应器的物料质点而言 的。
3、反应物料具有相同的停留时间。
无反 混
3. 活塞流反应器的计算：
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
化学反应过程与设备教案
教学内容及课时安排：任务1 均相反应器选择 2 课时教学过程[板书] 任务1．均相反应器选择[讲述]化学反应过程与设备是一门研究化学反应的工程问题的学科。
对于已经在实验室中实现的化学反应，如何将其在工业规模实现是化学反应工程学的主要任务。
为了这一目标，化学反应过程与设备不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。
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。
工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。
这些物理过程与化学反应过程同时发生。
从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。
但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。
[板书] 1.1 釜式反应器的应用与分类[板书] 1.1.1釜式反应器的应用[讲述]釜式反应器又称:槽型反应器或锅式反应器一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
反应器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
操作时温度、浓度容易控制，产品质量均一。
在化工生产中，既可适用于间歇操作过程，又可用于连续操作过程；可单釜操作，也可多釜串联使用；但若应用在需要较高转化率的工艺要求时，有需要较大容积的缺点。
通常在操作条件比较缓和的情况下，如常压、温度较低且低于物料沸点时，釜式反应器的应用最为普遍釜式设备是化学工业中广泛采用的反应器之一，它可用来进行液液均相反应，也可用于非均相反应，如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。
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（二）气液相反应器的基本类型与特点 1、气液相反应器的基本类型
常用气液相反应器的特性参数
型式
反应器 填料塔
液含率 相界面积
液相体积
/(m2 .m3 )
相界面积 反应器体积
/(m2 .m3 )
1200
100
0.08
低持液量 板式塔
1000
150
0.15
喷淋塔
1200
60
0.05
鼓泡塔
20
高存液量
搅拌釜
200
20
0.98
200
0.90
二、鼓泡塔反应器结构 化学工业所遇到的鼓泡反应器，按其结构可
分为：空心式、多段式、气提式和液体喷射式。
三、气液相反应器的选择 1、具备较高的生产能力 2、有利于反应选择性的提高 3、有利于降低能量消耗 4、有利于反应温度的控制 5、能在较少液体流率下操作
任务2 鼓泡塔反应器设计
（二）气液相反应宏观动力学
1、气液相反应的基本特征 (1)宏观上总可以将气液相反应分解成先传质后 反应 (2)传质和反应双方互相影响和制约，体现为宏 观速率 (3)侧重于研究传质过程如何影响化学反应的转 化率、选择性及宏观速率，以求经济、合理地利 用气体原料生产化学产品，即着眼于化学反应
2、气液传质理论简述
根据实验或工厂提供的空速、转化率和空时收 率等经验数据确定
任务3 填料塔反应器设计
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行填料塔反应器的工艺设计 。
填料塔反应器的计算要求与《传质与分离技术》中填料塔的相同。 在已知气体与液体的进料量及组成的条件下，计算填料塔反应器的塔径 与填料层高度。
任务4鼓泡塔反应器的操作与控制
根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行鼓泡塔反应器的工艺设计。
一、气液相反应动力学基础
(一)气液相反应速率的表示
反应速率
反应量 (反应区域)(反应时间)
上式中的反应区域，气液相反应过程有几种选择： (1)选用液相体积，反应速率单位为 kmol /(m3液体.h) (2)选用气液相混合物体积，反应速率单位为 kmol /(m3气液相混合物.h) (3)选用单位气液相界面积，反应速率单位为 kmol /(m2相界面.h)
工作任务 对乙苯生产用鼓泡塔反应器进行操作与控 制。
一、 烃化塔反应器的应原理
主反应：
C6H6+C2H4 cat C6H5C2H5
副反应：多烷基化反应、反烃化反应
2、工艺流程
(二)正常开车 （三）停车 （四）正常操作 1、烃化温度
通常维持烃化温度在95±5℃的范围内。生产中常采用三 种方法来控制反应温度：第一种方法是控制苯进量；第二 种方法是采用向烃化塔外夹套通入水蒸汽或冷却水方法来 控制；第三种方法是通过回流烃化液的温度进行调节。 2、烃化压力 通常反应压力为0.03～0.05MPa （表压）。 3、流量控制 通常取苯的流量为乙烯流量的8～11倍，A1Cl3复合体加 入量为苯流量的4～5%。
化学反应过程与设备
物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和 《传质与分离技术》
化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设 备》，属于化学反应工程的范畴
化学反应器是化工生产装置中的关键设备
本课程的总目标
通过本课程的学习，能掌握各种反应器的基 本结构、特点，掌握化学反应动力学表述方式， 掌握各种反应器工艺设计方法，能根据反应特征 和生产条件选择反应器，初步掌握各种反应器的 基本操作和基本维护方法，能判断和排除反应器 常见的不正常工况，能初步对反应过程进行优化。
一、气液相反应器的种类与工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
1、气液相反应的特点
气液相反应侧重于研究传质过程如何影响化 学反应的转化率、选择性及宏观速率，以求经济、 合理地利用气体原料生产化学产品，即着眼于化 学反应，故称其为气液相反应。 2、气液相反应的工业应用
在化学工业中，气液相反应广泛地应用于加氢、 磺化、卤化、氧化等化学加工过程。
3、气含率 气含率的含义是气液混合液中气体所占的体积分率 影响气含率的因素主要有设备结构、物性参数和
操作条件等。
4、气液比相界面积 气液比相界面积是指单位气液混合鼓泡床
层体积内所具有的气泡表面积
a 6 G m2 / m3
dVS
5、鼓泡塔内的气体阻力 鼓泡塔内的气体阻力由两部分组成：一是
气体分布器阻力，二是床层静压头的阻力 6、返混
鼓泡塔内液相存在返混，所以通常工业鼓 泡塔反应器内液相视为理想混合。
（二）鼓泡塔的传质
鼓泡塔反应器内的传质过程中，一般气膜传 质阻力较小，可以忽略，而液膜传质阻力的大小 决定了传质速率的快慢。
（三）鼓泡塔的传热
鼓泡塔中的传热，通常以三种方式进行：
利用溶剂、液相反应物或产物的汽化带走热 量；采用液体循环外冷却器移出反应热；采用夹 套、蛇管或列管式冷却器。
项目三 气液相反应器选择、 设计、操作与控制
工作任务
根据化工产品的反应特点和生产条件选择气 液相反应器的类型、工艺设计、鼓泡塔反应器和 填料塔反应器的操作与控制。
任务1 气液相反应器的选择
化学工业中最为常用的气液相反应器是 鼓泡塔反应器和填料塔反应器，此外还有 板式塔反应器、喷雾塔反应器和降膜反应 器等。
(3)液相内的反应产物向浓度梯度下降的方向扩散 ，气相产物则向界面扩散。
(4)气相产物向气相主体扩散。
动力学控制、扩散控制
气液相反应类型： 瞬间反应 界面反应 二级快速反应 拟一级快速反应 二级中速反应 拟一级中速反应 二级慢速反应 极慢速反应
二、鼓泡塔的传递特性
（一）鼓泡塔的流体力学特性 1、流动状态和气泡特性 工业鼓泡塔反应器通常在两种流动状态下操作，即 安静区和湍动区。 2、气泡大小 气泡的大小直接关系到气液传质面积。在同样的空 塔气速下，气泡越小，说明分散越好，气液相接触面 积就越大。
理论基础：“双膜理论”
3、气液相反应历程
设有二级不可逆气液相反应： A（气相）+ bB（液相）
C（产物）
气相组分A与液相组分B之间的反应过程，需要 经历以下步骤：
(1)气相组分A从气相主体传递到气液相界面，在界 面上假定达到气液相平衡。
(2)气相组分A从气液相界面扩散入液相，并且在液 相内进行化学反应。
三、鼓泡塔反应器计算
鼓泡塔反应器工艺计算的主要内容是气液鼓 泡床的体积计算。
对半连续操作的鼓泡塔反应器 ，可归结为反 应时间的计算
对连续操作的鼓泡塔反应器体积的计算，归 结为鼓泡层高度的确定。
（一）鼓泡塔的经验法计算 1、反应器直径的确定 依据：最佳空塔气速uOG。
D 4vG
uOG
2、反应器高度和体积的经验确定 充气液层高度或体积