化学反应工程第四章
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
Chapter 4 Introduction to Reactor Design 化学反应工程 教学课件
ofvolumeofvolume ofvolume
ofvolum e
Where the composition within the reactor is uniform (independent of position), the accounting may be made over the whole reactor.
化学反应工程
Special Case 1. Constant Density Batch and Flow Systems. This includes most liquid reactions and also those gas reactions run at constant temperature and density. Here CA and XA are related as follows:
化学反应工程第四章
第四章 非理想流动反应器4．1概述4．1．1返混的定义物料在反应器内不仅有空间上的混和，而且有时间上的混和，这种混和过程称为返混。
4．1．2返混对反应过程的影响返混有可能使反应速率降低4．1．3按返混程度对反应器进行分类1完全不返混型，如：PFR 2充分返混型，如；CSTR3部分返混型，如；循环反应器，中间部分加料反应器，CSTR串联，也称为非理想流动反应器。
4．2流体在反应器内的停留时间分布4．2．1停留时间分布的定量描述1．停留时间分布函数，即概率函数F(t);当物料以稳定流量流入反应器而不发生化学变化时，流出物料中停留时间小于t 的物料占总流出物的分率，即∞=NN )t (F t式中：F(t)－时间为t 的停留时间分布函数； t N —停留时间小于t 的物料量；∞N—流出物料的总量，也是流出的物料停留时间在∞~0之间的量。
2．停留时间分布密度函数，即概率密度函数dt )t(dF)t(E=则存在⎰=tdt)t(E)t( F及⎰==∞∞01dt)t(E)(F注意：停留时间分布函数（概率函数）是累计分布函数，而停留时间分布密度函数（概率密度函数）则是点分布函数。
概率的描述除二个函数外，尚有两个特征值（均值，方差）3．平均停留时间，即数学期望t：是变量（时间t）对坐标原点的一次矩，即⎰=⎰=∞1)t (tdF dt )t (tE t4．散度即方差2t σ，是变量（时间 t ）对数学期望的二次矩。
即)t (dF )t t (dt )t (E )t t (2122t ⎰⎰-=-=σ∞为运算方便，上式可转换成如下形式：222202202202ttdt )t (E t t t 2)t (dF t )t (F d t )t (F td t 2dt )t (E t )t (dF )t t (-⎰=+-⎰=⎰+⎰-⎰=⎰-=σ∞∞∞∞∞∞4．2．2停留时间分布规律的实验测定示踪法：输入讯号是采用把示踪剂加入到系统的方法。
化学反应工程第四章习题答案
化学反应工程第四章习题答案work Information Technology Company.2020YEAR第四章 非理想流动1.停留时间分布的密度函数在t ＜0时，E （t ）=_______。
（0） 2.停留时间分布的密度函数在t ≥0时，E （t ）_______。
（＞0） 3.当t=0时，停留时间分布函数F （t ）=_______。
（0） 4.当t=∞时，停留时间分布函数F （t ）=_______。
（1） 5.停留时间分布的密度函数E （θ）=_______E （t ）。
（t ）6.表示停留时间分布的分散程度的量=2θσ_______2tσ。
（21t ）7.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法、随机输入示踪法） 8.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞） 9.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0） 10.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1） 11.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）12.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
（0） 13.平推流管式反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。
（0） 14.全混流反应器t=0时E （t ）=_______。
（tte t -1）15.全混流反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
（1） 16.全混流反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。
（2t ） 17.偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动，E （θ）曲线的方差2θσ为_______。
（0～1）18.当流体在半径为R 的管内作层流流动时，在径向存在流速分布，轴心处的流速以0u 记，则距轴心处距离为r 的流速=r u _______。
《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 第四章 非理想流动
今用分散模型关联，求
数。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
解：
换算为无量纲时标，
则得下表数据。
将实验数据标绘成曲线，然后读取
等间隔时的诸E值
见下表。
化学反应工程
4.2.1 常见的几反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
③化学反应的计算 定态情况下平推流管式反应器的物料衡算式为：
流， ；对一般实际流况， 。
；对平推
所以，用
来评价分布的分散程度比较方便。
化学反应工程
4.1.4 用对比时间θ表示的概率函数
例4-1 今有某一均相反应器中测定的下列一组数据（见 ，示踪加入 下表第一栏和第二栏），实验采用
量Q=4.95g，实验完毕时测得反应器内存料量V=1785mL，求 解：
（详见教材P92）
对定态系统的非理想流动，同样可作微元段的物料衡算而得：
若用无量纲参数表示并注意到：
这样式（4-32）便变为：
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
对一级反应可得解析解：
对于二级反应，用数值法求得的结果，表示在图（4-17）
和图（4-18）中。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
（４）组合模型
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
在一个稳定的连续流动系统中，当在某一瞬间同时进 入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留 时间后依次自系统中流出。如果把函数 用曲线表示，
则图4-2（a）中所示阴影部分的面积值也就是停留时间介 于t和t＋dt之间的流体分率。
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
化学反应工程
化学反应工程第4章 反应器中的混合及对反应的影响
第四章 反应器中的混合对反应的影响 第一节 连续反应器中物料混合状态分析 一、 混合现象的分类 二、 连续反应过程的考察方法
不同的凝聚态，宜采用不同的考察方法 一、以反应器为对象的考察方法 二、以反应物料为对象的考察方法
第四章 反应器中的混合对反应的影响 第二节 停留时间分布的测定及其性质 一、停留时间分布 二、停留时间分布的实验测定 三、停留时间分布数字特征 四、理想流型反应器的停留时间分布 五、停留时间分布曲线的应用
柯尔莫哥洛夫(А.Η.Колмогоров)
Kolmogonov,1903-1987
苏联数学家。他对开创现代数 学的一系列重要分支作出了 重大贡献。柯尔莫哥洛夫建 立了在测度论基础上的概率 论公理系统，奠定了近代概 率论的基础，他也是随机过 程论的奠基人之一，1980年 由于他在调和分析、概率论、 遍历理论及动力系统方面出 色的工作获沃尔夫奖。此外 他在信息论、数理逻辑算法 论、解析集合论、湍流力学、 测度论、拓扑学等领域都有 重大贡献。
t< 0 t 吵0
Cin (t - ) =
0 C0
2.脉冲法(pulse input)
主流体V 注入
反应器VR
C(t)
C0 示踪剂
检测器
2.脉冲法
c(∞)
C0
c(t)
C(t)
C(t)
0
t=0 输入曲线
t
0
t
t 响应曲线
2.脉冲法
停留时间介于t ~ t + t的粒子分率 E (t ) = lim t ® 0 t
第五节 非理想流动反应器的计算
第四章 反应器中的混合对反应的影响
第一节 连续反应器中物料混合状态分析 第二节 停留时间分布的测定及其性质 第三节 非理想流动模型
化学反应工程 课件
t/hr
cA
cA0-cA
ln
cA cA0
0
0.2332
0
0
1
0.2168 0.01636
0.07298
2
0.2059 0.02732
0.1245
3
0.1966 0.03662
0.1707
4
0.1879 0.04525
0.2160
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度 的度量。
• ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩
尔数与反应程度的关系为：
nI nI0I
25
转化率
• 目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述 一个化学反应进行的程度。
• 定义 xA转 A组 化分 了 A组 的 的 分 起 量 n始 A0nA 量 n0A
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
《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。
第四章 化学反应的基本原理(二)
G Wmax
此式表示系统的焓变ΔH包括两部分，一部分是TΔS项，用于维持系统内部温 度和增加系统的混乱度上的能量变化，是无法利用的；另一部分则是系统的吉布斯 函数变，是系统能够用来做有用功的能量变化。在恒温恒压下，系统的吉布斯函数 越大，就表示它对外做有用功的能力越大，在过程进行中，如对系统的吉布斯函数 变加以利用，就能转变为有用功。从热力学可以导出，系统吉布斯函数的减少等于 系统在恒温恒压下对环境可能做的最大有用功。
§4.2 化学反应的方向
前面讨论了化学反应过程中的能量转化问题，一切化学变化中的能量转化都 遵循热力学第一定律。但热力学第一定律只探讨了能量转化的数量问题，而没有涉 及到能量转化的方向问题。本节就将讨论能量转化的方向，即化学反应进行的方向 问题。这是第一定律不能回答的，需要用热力学第二定律来解决。
一、化学反应的自发性
1、自发过程 在一定条件下，无需外力作用就能自动发生的过程叫做自
发过程或自发变化。
热传递 T2>T1
《工程化学》
气体膨胀
水流动
墨汁扩散
P2>P1
h2>h1
c2>c1
化学反应的基本原理
化学化工学院
1
1、自发过程
自发过程的特点
A 自发过程具有单向性。其逆过程不能自发进行。
B 自发过程的进行有一定的限度——达到平衡。
化学反应的基本原理
化学化工学院 11
1、吉布斯函数
对于封闭系统，在恒温和只做体积功的条件下，系统吉布斯函数改变 量——吉布斯函数变ΔG为：
G G2 G1 (H 2 TS2 ) (H1 TS1 ) (H2 H 1) T(S2 S1 ) H TS
G H TS
工业化学反应过程.ppt
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
化学反应工程第4章
•1.0
•0
•t
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•t
•0
•t • t
化学反应工程第4章
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化学反应工程第4章
•
•F(t)
E(t)
•1.
0
•小结
•1.全 混 流 •2.平 推 流 •3.工业反应器
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•0 •t
•t •0
•t • t
化学反应工程第4章
•二、 非理想流动模型
• 测算非理想反应器的转化率及收率，需要对 其流动状况建立适宜的流动模型，
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化学反应工程第4章
•（二）轴向分散模型
•1.模型假定：
•①流体以恒定的流速u 通过反应器； •②垂直于流体流动方向的横截面上径向浓度均一 •③在流动方向上流体存在扩散过程，以轴向扩散 系数EZ表示这些因素的综合作用，并用费克定律 加以描述。 •④同一反应器内轴向扩散系数在管内恒定，不随 时间及位置而变。 •⑤管内不存在死区或短路流。
•①.测定该反应器的停留时间分布； •②.求出该分布的方差； •③.将方差代入式(4-28)求模型参数N； •④.从第一釜开始，逐釜计算。 • 采用上述方法来估计模型参数N的值时，可能 出现N为非整数的情况，用四舍五入的办法圆整 成整数是一个粗略的近似处理方法，精确些的办
法是把小数部分视作一个体积较小的反应器。 • eg 4-5
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化学反应工程第4章
•非理想流动
•都有停留时间分布问题，但不一定是由返混引起的
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化学反应工程第4章
•偏离平推流的情况
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化学反应工程第4章
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化学反应工程第4章
化学反应工程陈甘棠第四章课件
kdt
得：
c
A
t
1
cA0 kcA0t
cA cAtEtdt
0
2024年1月9日星期二
还应先求出 Et Et ct ctdt
0
t 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Et 0 1 4 7
9
85
2 1.5 1 0.6 0.2
0
78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78
2024年1月9日星期二
r
2rudr
F t
0 R
2rudr
0
r
0
1
r R
2
rdr
R
0
1
r R
2
rdr
1
1
r R
2
2
1
u umax
2
L
F
t
1
umax L
u
2
1
2 t
2
1
2t
2
E t
dF t
dt
2
2t 3
2024年1月9日星期二
F t
0
t
Ft Etdt
0
停留时间分布函数:停留时间小于t的流体粒子所
占的分数
F0 0, F 1 可改写成：Et dFt
dt
2024年1月9日星期二
可以用年龄分布密度函数 It 和年龄分布函数
yt 来描述流体在反应器内的停留时间分布。
I t dyt
dt
t
yt Itdt
0
y0 0
y Itdt 0
0
2024年1月9日星期二
化学反应工程 第四章
在t时对出口处的示踪物B作物料衡算：
所以，
VC V 'RA 0 V 'RB C0
C V 'RB C0 V
＝停留时间≤t的示踪物溶液体积所占分率最后得：F(t)(
C C0
)
s
3.脉冲法
1）实验步骤
（1）物料保持稳定流动
（2）在一瞬间注入示踪剂B，总量是M，在体积流量V中的
t tm＝t
则
2 t
t2E(t)dt
2
t
0
0
对离散型测定值，
t2E(t)
2 t
0
tm2
E(t)
0
三、对比时间 为了方便起见，常用对比时间作为变量。 对比时间的定义
t
tm
1.平均对比停留时间
tm 1
tm
2. E( )
3. F ( )
E( )
dF ( ) d
dF ( )
d( t )
浓度为Co 。数学描述为 0 t 0
C C0 0 t t0
0 t t0
c(∞)
C0
C(t)
t0
V ( M )Ccp(t)
0
0
t=0
t
（３）以t＝0为计时基准，检测出口处的B浓度C。
响应t 曲线 t
（４）标绘
V
( M
)C p
~
t
曲线
２）( V
M
)Cp
?
在出口处作示踪物B的物料衡算：
V C dt Mt
在实际 反应器中，物料可能是由固体颗粒、液滴、气泡或者 分子团块等聚集体组成的，称之为微团。微团之间的混合程度 有三种情况，
化学反应工程-第四章 气固相催化反应本征动力学
• 活性组分的选择，根据目前的知识水平 只能有一个大致的方向，尚不能预先选 择。
9
载体 载体在催化剂中大致可以起到以下作用： ⑴提供有效表面和合适的孔结构； ⑵使催化剂获得一定的机械强度； ⑶提高催化剂的热稳定性； ⑷提供活性中心； ⑸与活性组分作用形成新的化合物； ⑹节省活性组分用量 助催化剂
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气固相催化反应的本征动力学步骤： ⑴气相分子在固体催化剂上的化学吸附，形 成吸附络合物； ⑵吸附络合物之间相互反应生成产物络合物 ⑶产物络合物由固体表面处脱附出来。
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4.3.1 化学吸附与脱附
活性中心： 固体催化剂表面能够与气相分子发生反应 的原子。以符号σ表示。 吸附式可以表示为如下型式：
m3 cat
⑵以催化剂质量定义反应速率
r
1 mS
d
dt
kmol s1kgca1t
或 rA
1 mS
dnA dt
kmol s1kgca1t
⑶以催化剂表面积定义反应速率
r
1 SV
d
dt
kmol s1mca2t
或 rA
1
SV
dnA dt
kmol
s
m 1 2 cat
5
固体催化剂的特殊结构，造成化学反应 主要在催化剂的内表面进行。
孔容与催化剂颗粒强度为一对矛盾，孔容大则强度下降。 在多数情况下，希望孔容大一些。
固体密度真密度s g cm3单位催化剂固体物质 不包括孔体积体积的质量
颗粒密度p g cm3单位催化剂颗粒体积的质量
孔隙率p 催化剂孔体积占总体积的分率
以上参数之间互有换算关系。
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第一节 流动模型概述
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
反应器中的 流动状况影 响反应结果
流动 模型
对实际过程 的简化
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
间歇反应器 连续流动反应器
(a)
平推流反应器 全混流反应器
完全没有返混
(b)
返混极大 (c)
•间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 特点: 1 由于剧烈搅拌，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对反应的影 响；
1. 连续定态下，各个截面上的各种参数 只是位置的函数，不随时间而变化；
2. 径向速度均匀，径向也不存在浓度分 布；
3. 反应物料具有相同的停留时间。
• 全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器
假设：反应物料以稳定流量流入反应 器，在反应器中，刚进入的新鲜物料 与存留在反应器中的物料瞬间达到完 全混合。
特点：反应器中所有空间位置的物料 参数都是均匀的，而且等于反应器出 口处的物料性质，物料质点在反应器 中的停留时间参差不齐，有的很长， 有的很短，形成一个停留时间分布。
•年龄
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。
•寿命
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。
选择合适的反应器型式
反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果+反应器的操作稳定性
进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务+反应器结构和尺寸的优化
反应器设计的基本方程
物料衡算方程
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积
反应浓度 的影响
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 二级反应：t与初浓度CA0反比
3. 残余浓度
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
反应后期的速度很小；反应机理的变化
平推流反应器
一. 特点：
1. 连续定态下，各个截面上的各种参数 只是位置的函数，不随时间而变化；
第二节 理想流动反应器
间歇反应器
特点: 1 由于剧烈搅拌，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 物质传递对反应的影响；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器 内的热量传递问题；
3 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。
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的
t
间歇反应器中的单反应
反应速率
t CA dCA
CA0
rA
rA=kCA
kt ln CA0 CA
rA=kCA2
11 kt
CA CA0
t CA0
xAf 0
dxA rA
kt ln 1 1 xA
C
A0k
t
1
x
A
xA
间歇反应器中的单反应
间歇反应器中的单反应
1. k的影响 k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的 热量传递问题；
3 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。
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、 反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
• 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)
返混：
又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。
是时间概念上的混合
反应器特性分析
BSTR
PFR
1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口)
2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处)
3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口)
4返混 全无返混
全无返混
CSTR
连续加料(入口) 年龄不同 寿命不同(出口) 返混极大
量
反应单元
流入 反应消耗 流出
累积
反应器
反应单元 流入量 流出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应量
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √
反应器设计的基本方程
热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
反应单元
带入
反应热 带出
产品生产
精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
间歇反应器的数学描述
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
rAV
dnA dt
nA0
dxA dt
( nA
nA0 (1 xA ))
t nA0
V
xAf 0
• 偏离全混流的情况
死角
短路
搅拌造成 的再循环
非理想流动模型
• 流动状况对化学反应的影响 ----- 由物料停留时间不同所造成
短路、沟流
停留时间减少
转化率降低
死区、 再循环
停留时 间过长
A+B→P：有效反应体积减少 A+B→P→S 产物P减少
→ 停留时间的不均
反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
t CA0
xAf dxA 0 rA
CA dCA
CA0
rA
等容过程，液相反应
间歇反应器的数学描述
• 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’) 反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t’)
1/rA —xA
t/CA0
1/rA —CA
反应器特性分析
浓度分布 ------ 推动力
反应推动力随 反应时间逐渐 降低
反应推动力 随反应器轴 向长度逐渐 降低
反应推动力 不变，等于 出口处反应 推动力
非理想流动模型
• 偏离平推流的情况
漩涡运动：涡 流、湍动、碰 撞填料
截面上流 速不均匀
沟流、短路：填 料或催化剂装填 不均匀
非理想流动模型
累积
传给环境
反应器
反应单元 带入量 带出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应热
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √
反应器设计的基本方程
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大 时，需要考虑压降对反应 的影响，需进行动量衡算。 但有时为了简化计算，常 采用估算法。