第二章均相反应动力学基础
均相反应均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。 在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：
①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度
一、计量方程
反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。
计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；
用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。
二、化学反应速率
单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。
反应物：
生成物：
对于反应
三、化学反应速率方程
r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。 3
2223NH H N =+032223=--N H NH A A A
dn r Vd d t C dt
=-
=-R R R
dn r Vdt dC dt
==
A B S R A B S R
αααα+=+S
A
B
R
A
B
S
R
r r r r αααα=
=
=
A
A A
B r [k (T)][f(
C ,C ,)]
=
有两类；双曲函数型和幂函数型。
k-化学反应速率常数； a(b)-反应级数。 (1)反应级数
(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；
(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。 (2)反应速率常数k
[k]: s -1
·(mol/m 3)1-n
E ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。
E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。
k 0 —指前因子,其单位与反应速率常数相同； E — 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。
a
b A A B
r kC C =2
2
2
0.5
12H Br
HBr HBr
Br k c c r c k c =
+
exp[]E
k k RT
=-01
ln ln E k k R T
=-?
lnk
1/T
? 反应速率的温度函数关系
● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。 k 的单位
组成用浓度c 表示时，反应速率常数为k c ； 组成用分压p 表示时，反应速率常数为k p ； 组成用摩尔分率y 表示，反应速率常数为k y
对于理想气体反应，三者之间的关系可以如下推得：
2. 2 等温恒容过程反应速率方程的建立 反应器：间歇，连续 实验数据处理方法 1.积分法
2.微分法（等温等容均相） 1 积分法：不可逆反应A→P
a.推测反应速率方程（假设反应级数为1）： 1b
B a b A B a b A a A B
a b
c c a b
c P k R T p r R T p p y y k R p k R T T ++?? ?? ?
??
??= ?
??? ?????
=??
＝()
n
n
c p y
R T k RT k k P ??
== ???
A
A
r kc =
b.求积分式的解
c.做f (c)~t 图，直线斜率则为k 值
实验数据CA （xA) 、t 作图，若得一过原点的直线，则反应级数与数据相符，否则需重新假定反应级数。
对于一级可逆反应 2 微分法（等温等容均相）
a. 假定机理，写出反应速率微分方程：
b. 实验测量c A ～t 数据，计算d C A /d t ;
c. 速率对f (c A )做图，若为过原点直线，则可得动力学方程，否则重新假定。
d C A /dt 求解方法： 图解微分法 多项式拟合法 数值微分
复合反应收率和选择性
01ln ln 1A A A
c kt or kt c x ==-A P ??→←??A0Ae 1A Ae C C 1
ln
k (1)t C C K
-=+-=-()A
A dc kf c dt
A-反应物；P-目标产物；S-副产物。 收率 得率
选择性
一.不可逆平行反应
1.各反应级数相同（一级反应）
A
反应器
产物
副产物
P
A
dc dc ?=
-0Pf A Af
c c c Φ=
-0
P
P A c x c =
P
p s
dc s dc =
000
Pf P Sf S c c S c c -=
-（副反应）
（主反应）S a A a P a A a s k A p k A ?→??→?221
1120
1exp[()]A
A A C x k k t C =-=-+1
00112
()P
P P A A A k C C C C a k k α-=
-+2
002
12
()s
S S A A A k C C C C a k k α-=-+
对产物P ： 收率： 得率：
选择性：
? 反应的收率和选择性均与组份的浓度无关，而仅是反应温度的函数。
? 反应流体在反应器内的接触方式将不会影响目标产物的收率或选择性。
某反应级数相同不可逆平行反应：
（1）若主反应的活化能高于副反应，则升高温度，目标产物的收率将，选择性将。
（2）提高反应物的浓度，反应速率将，反应的选择性将。 2.各反应级数不同（C p0=C s0=0）
1
12P P P A A r dC k r dC k k ?===
-+01
012
P P P A A C C k C C k k -Φ==
-+01
012
P P P A
A C C k X x C k k -==+1
2
P k S k =
12 k
k A P A S ??
→??→21P P A
dC r k C d t
==2S
S A
dC r k C d t ==2
11k C k C k dC dC r r A A A P A P P +=
-==?
ⅰ.温度对选择性的影响
当E 1＞E 2时高反应温度对主反应有利 当E 1＝E 2时温度对选择性无影响 当E 1＜E 2时低反应温度对主反应有利 ⅱ.反应物浓度对选择性的影响 当α＞β时高反应物浓度对主反应有利 当α＝β时反应物浓度对选择性无影响 当α＜β时低反应物浓度对主反应有利
ⅲ.采用选择性高的催化剂可以提高目的产物的收率。
二串联反应
1
2s P P P A
s s r dC k C r dC k ===)
0( 002
1
==???→????→?S P k k C C S P A ]exp[10
t k C C A A
-=)]exp()[exp(1202
11
t k t k C k k k C A P ----=
1212210
)
exp()exp(1k k t k k t k k C C A S ----+
=c
c
P 的最高浓度所需时间
令
当k 1 = k 2时，t opt =1/k 2.3 等温变容过程 物料衡算：
A P S
n 0 n A0 n p0 n s0
n n A0-n A0x A n p0+n A0x A n s0+n A0x A
n=n 0+n A0(-1+1+1)x A
)]
exp()[exp(1202
11
t k t k C k k k C A P ----=0
P
dC dt =n
l opt
k k k k k t 1ln 1212=-=O
H H C OH H C 24252+=
n=n 0[1+y A0(-1+1+1)x A ]
● 膨胀因子：
物理意义：每反应掉单位摩尔组分A 所引起的反应物系总摩尔数的变化量。
? 膨胀率ε
A 全部转化后系统摩尔数的变化
系统起始摩尔数
可见膨胀率与系统中惰性物料存在有关，而膨胀因子则与惰性物料无关。
反应前后系统总物质量的变化关系为 n=n 0（1+y A0x A δA ）
1
/s
A i A
i δαα==∑000A A A
n n n y x δ-=
0 0 0 A δ=??
?????
等分子反应摩尔数增加摩尔数减少A0A A A0A 0
n y n δεδ==
化学反应工程知识点 —郭锴主编 1、化学反应工程学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宏观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。 2、任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料的预处理、化学反应过程和产物的后处理这三个部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。 3.化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的、难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。模型必须具有等效性，而且要与被描述的实体的那一方面的特性相似；模型必须进行合理简化，简化模型既要反映客观实体，又有便于数学求解和使用。 4.反应器按型式来分类可以分为管式反应器、槽式反应器（釜式反应器）和塔式反应器。 5反应器按传热条件分类，分为等温反应器、绝热反应器和非等温非绝热反应器。 第一章 均相单一反应动力学和理想反应器 1、目前普遍使用关键组分A 的转化率来描述一个化学反应进行的程度，其定义为：0 0A A A A A A n n n x -==组分的起始量组分量转化了的 2、化学反应速率定义（严格定义）为单位反应体系内反应程度随时
间的变化率。其数学表达式为dt d V r ξ1=。 3、对于反应D C B A 432+=+，反应物A 的消耗速率表达式为dt dn V r A A 1-=-；反应产物C 的生成速率表达式为：dt dn V r C C 1= 4.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为反应动力学方程。大量的实验表明，均相反应的速率是反应物系的组成、温度和压力的函数。 5.阿累尼乌斯关系式为RT E C C e k k -=0，其中活化能反应了反应速率对温 度变化的敏感程度。 6、半衰期：是指转化率从0变为50%所需时间为该反应的半衰期。 7、反应器的开发大致有下述三个任务：①根据化学反应动力学特性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操条件；③根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。 8.在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。而停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。 9.根据返混情况不同反应器被分为以下类型：间歇反应器、理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）、全混流反应器（又称为连续操作的充分搅拌槽式反应器）。 10.反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、物料衡算方程式和热量衡算方程式，其中物料衡算所针对的具体体系称为体积元。 11、停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反
第7章化学反应工程习题答案 7-1 试述物理吸收与化学吸收的区别。 解：对于物理吸收过程*=A A A P H C 0 对于化学吸收过程* * +=A A B A P P C C αα10 ,式中A KH =α，其中K 为化学平衡常 数；0B C 为吸收剂中的活性组分浓度；0A C 是与A 组分分压*A P 平衡的气体浓度；A H -A 组分溶解度系数。从以上两式可以看出物理吸收和化学吸收区别如下： 1．物理吸收气体溶解度与气体压力呈正比关系，化学吸收呈渐近线关系，当分压较高时，气体溶解度趋近化学计量的极限，因此为了减低能耗，导致操作方式不同，压力较低宜采用化学吸收，压力较高宜采用物理吸收。 2．热效应不同，物理吸收热效应较小，每摩尔数千焦耳，而化学吸收可达数万焦耳。导致吸收剂的再生方式不同，物理吸收过程吸收剂减压再生为主，化学吸收过程的吸收剂再生除减压外还需加热。 3．物理吸收选择性主要体现各种气体在溶解度系数的差异，而化学吸收取决于A KH =α，由于化学反应特定性，吸收选择性不同。化学吸收选择性高于物理吸收。 7-2解释下列参数的物理意义：无因次准数M 、增大因子β及液相利用率η。分别写出一级不可逆和二级不可逆反应无因次准数M 的计算式。 解：无因次准数M 的物理意义 通过液膜传递速率 液膜内的化学反应速率 增大因子β的物理意义为速率 单纯物理吸收时的传质过气液界面的传质速率 液膜内有化学反应时通 液相利用率η的物理意义为的反应速率液相均处于界面浓度下吸收速率 对于一级不可逆反应211L AL L L k k D k k M ==δ 对于二级不可逆反应2 2L BL AL k C k D M = 7-3 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应，假定液相上方水蒸气分压可不 计，试按双膜模型绘出气相及液相二氧化碳浓度分布示意图。 解： 气模 液膜 P CO2,g P CO2,i C CO2,i C CO2,L
4-1 在定态操作反应器的进口物料中脉冲注入示踪物料。出口处示踪物浓度随时间变化的情况如下。假设在该过程中物料的密度不发生变化，试求物料的平均停留时间与时间t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 示踪物浓度 / )/(3cm g 0 0 0 t/min 2 4 6 8 10 12 14 16 18 3/cm g c i 0 0 0 min /1)(i t E 0 0 0 i i t E t )( 0 0 0 min )(2i i t E t 0 2 5 0 0 ])(2)(4[3109753864210c c c c c c c c c c t dt c i +++++++++?=?∞ ]0)5.20.1025.1(2)0.10.55.125.6(40[3 2++++++++= =100 min)/1(100) ()(0 ti i c dt c t c t E ==? ∞
} )(])()()()([2])()()()([4)({3 10109977553 38866442211_ t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t t +++++++++?= ]0)03.08.05.0(2)14.05.075.013.0(40[3 2 +++++++++=min 187.6= ?∞ =-=-=0 22 2 2971.8187.625.47)(t dt t E t t σmin 2 4-2 无量纲方差表达式的推导 （1）推导无量纲方差2 22 /t t σσθ=； （2）推导CSTR 的2 2t t =σ。 1. τ θt = 2. τ τ t e t E - =1 )( 证明： 20 22)(i i i i t t t t E t -?=∑∞σ ? ∞ --= 2 21 t dt e t t τ τ 2 2)()()()(ττθθττθ--=?∞ - d t E ()]1)1([0 22 --=?∞ θθθτd E 22θστ= 222/τσσθt =∴ 220 2 2 2)(1 )(- - ∞ -=-=??t dt e t t dt t E t t t ττ σ
1.过程工业包括哪些过程？ 2.什么是化工产品生产的关键过程。 3.化工过程可以同时发生在很宽的时间尺度和空间尺度上，都有哪些尺度？ 4.什么是数学模型？ 5.按照反应的可逆性，化学反应分为哪些类型？ 6.按照反应的热效应，化学反应分为哪些类型？ 7.按照压力的操作条件，反应过程分为哪些类型? 8.按照操作方法，反应过程分为哪些类型？ 9．根据操作方法的不同，工业反应器可分为哪些类型？ 10.釜式反应器和槽式反应器的区别是什么？ 11.什么是停留时间分布？ 12.什么是寿命分布？ 13．什么是年龄分布? 14．什么是流动模型？ 15.什么是流动的数学模型？ 16.理想流动模型进行的两种极限情况是哪些？ 17.平推流模型的特点有哪些？ 18.全混流模型的特点有哪些? 19.化学反应过程主要包括哪两方面的内容? 20.按照是否使用催化剂，化学反应分为哪些类型？ 21.按照反应物系相态分类，化学反应分为哪些类型？ 22．什么是转化率？ 23.什么是化学膨胀因子？ 24.什么是同时反应？ 25.什么是平行反应？ 26.什么是连串反应？ 27.什么是收率？ 28.什么是选择率？ 29.选择率，收率和转化率之间的关系是？ 30．什么是间歇系统的反应速率？ 31．什么是空间速度？空间速度和接触时间什么关系？ 32.什么是液空速？ 33.什么是湿空速？ 34．什么是干空速? 35．提问：已知NA0，XA,CA0，VS0，τ0，试建立rA和XA,CA0，τ0之间的关系式。 36.化学计量式的左边，右边及等号各代表什么含义? 37.写出反应速率常数，并指出各字母代表的含义。 38.体积反应速率常数，表面反应速率常数和质量反应速率常数之间存在怎样的关系？ 39.反应速率从常数和温度之间存在怎样的关系？ 40.对于不可逆的单一反应，温度对其有怎样的影响？ 41.对于不可逆的单一反应，为了获得较大的反应速率，在实际生产中还应考虑哪些问题？ 42.对于可逆吸热的单一反应，温度对其有怎样的影响？ 43.对于平行反应，反应物A1的消耗速率和产物A3，A4生成速率之间的关系是什么？
化学反应工程原理 一、选择题 1、气相反应 CO + 3H 2 CH 4 + H 2O 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_。 A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S K 1 K 2 P 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度=m ax ,P C ___A____。 A. 1 22 )(210K K K A K K C - B. 2 2/1120 ]1)/[(+K K C A C. 122 )(120K K K A K K C - D. 2 2/1210]1)/[(+K K C A 3、串联反应A → P （目的）→R + S ，目的产物P 与副产物S 的选择性 P S =__C_。 A. A A P P n n n n --00 B. 0 A P P n n n - C. 0 0S S P P n n n n -- D. 0 0R R P P n n n n -- 4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n___B__。 A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0 5 、对于单一反应组分的平行反应A P(主) S(副)，其瞬间收率P ?随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为 ____B__。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用____A___。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 7 、一级不可逆液相反应 A 2R ，3 0/30.2m kmol C A =， 出口转化率 7.0=A x ，每批操作时间 h t t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3 m 。 A. 19.6 B. 20.2 C. 22.2 D. 23.4 8、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ， s l mol C r A A ?=-/01.0，当l mol C A /10=时，求反应至 l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。 A. 400 B. 460 C. 500 D. 560 9、一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的最优空时 = opt τ_____D__。 A. 1 212) /ln(K K K K - B. 1 221)/ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 2 11K K 10、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 不包括下列哪一项____B___。
华东版-- 4-1 解：由反应可知膨胀率为：2111 A ε-== 反应速率可写成：()1111A A A A A A x x p p r k k RT x RT x ε??---== ?++?? 00A p F v RT = 反应器容积可写成： 00001111Af Af x x A A A A A A A F v x x RT V dx dx k p x k x ++==--?? ()00003 210.8/36000.8/36000.52ln 0.50.4/36000.4/36001.77Af Af x x A A A v v V dx dx k k x V m -=- --=-?-?=?? 4-2 由反应可知膨胀率为：320.52 A ε-== 反应速率可写成：()11110.5A A A A A A x x p p r k k RT x RT x ε??---== ?++?? 反应器容积可写成： []000000003 10.51111 1.5210.40.0082049730.50.8 1.5ln 0.20.970.160 32.92 2.01 1.1Af Af Af Af x x A A A A A A A x x A A A A A F v x x RT V dx dx k p x k x F F RT RT V dx dx k p k p x V m ++==---=- --??=-?-??=?=?? ?? 4-3 解：
()() ()0311ln 110.980.19.92105ln 0.9812473A A A A A M x c k M M x x x s τττ-+-=+--??=--= 4-4 解：0.900A A A dx c kp τ=? A A p c RT = 膨胀率为：320.52 A ε-== () 0110.5A A A A c x c x -=+ 所以： ()()()0.9000.9010.511 1.5ln 10.513.2A A A A A A x c dx kRT x x x kRT s τ+=-=---∣??? ?=? 4-5 解： () ()00630030011ln 10.294100.312.88.314828 1211ln ln 18.210.2712.810.95 R A A A A A A R A A V F kc x p c mol m RT F V m kc x -=-??===??===-?- 4-6 解：假设反应为二级反应，则011A A k c c τ-= 把数据代入，可得： 1124;10.041 k k -== 114;10.21 k k -== 11;10.51 k k -==
3 釜式反应器 3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： 325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH 该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%。试问： （1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？ 解：（1）002220 00001()(1)110.95169.6min(2.83) 5.60.0210.95 ===?---= ?=?-??Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h (2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。 3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： 223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO 以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。 （1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。 解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684 190.2/0.9515%?=?kg h 原料体积流量： 091.11190.2 275.8/1.02+= =Q l h 氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8?==?A C mol l 反应时间： 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=?+=r V Q t t l
第一章 1 1. 化学反应工程是一门研究 (化学反应个工程问题)的科学。 2 2. 所谓数学模型是指 (用数学方法表达各变量间的关系)。 3 3. 化学反应器的数学模型包括（动力学方程式、物料横算式子、4 热量衡算式、动量衡算式和参数计算式） 5 4. 所谓控制体积是指（能把反应速率视作定值的最大空间范围）。6 5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为（分布参数模型）。 7 6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为（非定态模型）。 8 7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为 (累积量=输入量-输出 9 量)。 10 第二章 11 1. 均相反应是指 (在均一的液相或气相中进行的反应)。 12 2. 对于反应aA + bB → pP + sS，则r P =( p/a )r A 。 13 3.着眼反应物A的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A的量/反应开14 始的物料A的量)。 15 4. 产物P的收率Φ P 与得率Х P 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。 16 17 5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β，用浓度表示的速率常数为k C ，假定符合 18 理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数k P ，则k C =[ (RT)的a+B次方]k P 。 19 6.对反应aA + bB → pP + sS的膨胀因子的定义式为（P+S）-(A+B))/A 。 20
7.膨胀率的物理意义为 (反应物A全部转化后系统的体积变化率)。 21 8. 活化能的大小直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。 22 9. 反应级数的大小直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。 23 10.对复合反应，生成主产物的反应称为 (主反应)，其它的均为(副反应)。 24 11. 平行反应A → P、A → S 均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2 ，选择性 25 S p 与 (A的浓度)无关，仅是 (A的浓度) 的函数。 26 12. 如果平行反应A → P、A → S均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2 ，提 27 高选择性S P 应(提到温度)。 28 13. 一级连串反应A → P → S在平推流反应器中，为提高目的产物P的收29 率，应(降低)k 2/k 1 。 30 14. 产物P的收率的定义式为 (生成的全部P的物质的量/反应掉的全部A 31 的物质的量) 32 15. 产物P的瞬时收率φ P 的定义式为(生成的物质的量/反应的A的物质的量) 33 16. 产物P的选择性S P 的定义式为(单位时间内产物P的物质的量/单位时 34 间内生成产物S的物质的量) 35 17. 由A和B进行均相二级不可逆反应α A A+α B B = α S S，速率方程为： 36 r A =－dC A /dt=kC A C b 。 37 求：（1）当C A0/C B0 =α A /α B 时的积分式 38 （2）当C A0/C B0 =λ≠α A /α B 时的积分式 39
第一章习题 1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系? 答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。 2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么? 何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么? 答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。 3 若将反应速率写成t c r d d A A - =-，有什么条件? 答：化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。 4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器? 答：在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。 5 现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。 (1)A+2B →C (2)A+2B →C (3)2A+2B →C A+C →D B+C →D A+C →D C+D →E 解
(1) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B A 1C C 22B A 1B D 4C A 3C 22 B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= (2) E 6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22 B A 1C D 4C B 3C 22B A 1B C 22 B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-= (3) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B 2A 1C C 22B 2A 1B D 4C A 3C 22 B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= 6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65× 104m 6kmol -2s -1。现以气相分压来表示速率方程，即(?r A )=k P p A p B 2 ，求k P =?（假定气体为理想气体） 解 ()3 -1-363111 2643c P 2 B A p A 2 B A c 2 B A c A 1264c kPa s m kmol 10655.1K 303K kmol kJ 314.8s kmol m 1065.2)(s kmol m 1065.2K 30330273--------??=???= ==-? ? ? ??==-= ?==+=RT k k p p k r RT p RT p k c c k r RT p c k T
27060 化学反应工程 南京工业大学编（高纲号0322） Ⅰ课程性质、地位和任务 “化学反应工程”是化学工程学科的一个分支，是化学工程与工艺专业学生必修的一门专业基础技术课程。它以工业反应过程为主要研究对象，研究反应过程速率及其变化规律；研究反应器内的传递特性及其对化学反应的影响。为学生今后从事化工反应技术开发、反应器的设计与放大、反应过程操作优化等诸方面工作奠定基础。 本课程在学生学习了“高等数学”、“大学物理”、“化学”、“物理化学”、“化工原理”等课程基础上进行。课程总学时为100，即5学分。 通过本课程的学习，学生应比较牢固地掌握化学反应工程的基本原理和计算方法，应能联系化工实际，在反应工程理论的指导下，对反应过程和反应器进行初步的分析和设计计算。 Ⅱ自学考试要求 第一章绪论 （一）主要内容 1.化学反应工程的研究内容 2.化学反应工程的研究方法 3.化学反应工程的学科系统的编排 （二）自学考试要求 1.化学反应工程的研究内容 理解化学反应工程学是研究化学反应的工程问题的科学；传递过程（即反应器内的动量、热量和质量传递，简称“三传”）与反应动力学是构成化学反应工程最基本的两个支柱等说法的含义。理解化学反应工程学与相关学科的联系，化学反应工程本身的专门范畴。 2.化学反应工程的研究方法 理解化学反应工程的基本研究方法是数学模型法，数学模型的主要内容及其相互关系， 了解数学模拟放大法的大体步骤。 3.化学反应工程的学科系统和编排 理解按反应操作方式、反应器型式、和化学反应相态进行分类的方法；本课程编排的原 则和方法。 绪论部分在初次学习时，只能做到大体了解、待全部内容学习完毕后，应重新学习绪论， 才能做到理解。 第二章均相反应的动力学基础
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. aA + bB pP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。（ a p ） 2.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。（ 00K K K K n n n -= χ） 3. 化学反应速率式为β αB A C 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 ） 4. 活化能的大小直接反映了______________对温度的敏感程度。（反应速率） 5. 一个可逆的均相化学反应，如果正、逆两向反应级数为未知时，采用______________法来求反应级数。（初始速率法） 6. 平行反应A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。（浓度、温度） 7. 如果平行反应 A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应 _______。(提高温度) 8. 一级连串反应A S K 1 K 2 P 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应 ______12/k k 。（降低） 9.化学反应O H CH H CO 2423+?+，其中化学反应计量系数为-1的是哪种物质______。（A ） A. CO B. 2H C. 4CH D. O H 2 10.对于一非恒容均相化学反应αA A αB B ，反应组分A 的化学反应速率 =-A r _______。（A ） A. Vdt dn r A A -=- B. Vdt dn r B A -=- C. dt dC r A A -=- D. dt dC r B A -=-
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） 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 + bB pP + 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_______。（ 00 K K K 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 A C 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. 化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为C K ，用逸度表示的速率常数f K ，则 C K =_______f K 。（n RT )(） 7. 化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为C K ，用气体摩尔分率表示的速率常数y K ，则 C K =_______y K 。（n p RT ???? ??） 10. 活化能的大小直接反映了______________对温度的敏感程度。（反应速率） 12.生成主产物的反应称为_______，其它的均为_______。（主反应、副反应） 13. 平行反应A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______
《化学反应工程原理》复习思考题 第一章绪论 1、了解化学反应工程的研究内容和研究方法。 2、几个常用指标的定义及计算：转化率、选择性、收率。 第二章化学反应动力学 1、化学反应速率的工程表示，气固相催化反应及气液相非均相反应反应区的取法。 2、反应速率常数的单位及其换算。 3、复杂反应的反应速率表达式（可逆、平行、连串、自催化）。 4、气固相催化反应的步骤及基本特征。 5、物理吸附与化学吸附的特点。 6、理想吸附等温方程的导出及应用（单组分吸附、解离吸附、混合吸附）。 7、气固相催化反应动力学方程的推导步骤。 8、不同控制步骤的理想吸附模型的动力学方程的推导。 9、由已知的动力学方程推测反应机理。 第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征 1、反应器设计的基本方程式。 2、理想间歇反应器的特点。 3、理想间歇反应器等温、等容一级、二级反应反应时间的计算及反应器体积的计算。 4、自催化反应的特点及最佳工艺条件的确定及最佳反应器形式的选择。 5、理想间歇反应器最优反应时间的计算. 7、可逆反应的反应速率，分析其浓度效应及温度效应。 8、平行反应选择率的浓度效应及温度效应分析。 9、平行反应反应器形式和操作方式的选择。 10、串连反应反应物及产物的浓度分布，t opt C p.max的计算。 11、串连反应的温度效应及浓度效应分析。 第四章理想管式反应器
1、理想管式反应器的特点。 2、理想管式反应器内进行一级、二级等容、变容反应的计算。 3、空时、空速、停留时间的概念及计算。 4、膨胀率、膨胀因子的定义，变分子数反应过程反应器的计算。 第五章理想连续流动釜式反应器 1、全混流反应器的特点。 2、全混流反应器的基础方程及应用。 3、全混釜中进行零级、一级、二级等温、等容反应时的解析法计算。 4、全混釜的图解计算原理及图解示意。 5、全混流反应器中的浓度分布与返混，返混对反应的影响。 6、返混产生的原因及限制返混的措施。 7、多釜串联反应器进行一级、二级不可逆反应的解析法计算。 8、多釜串联反应器的图解法计算原理。 第七章化学反应过程的优化 1、简单反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较及反应器形式的选择。 2、多釜串连反应器串连段数的选择分析。 3、自催化反应反应器的选型分析。 4、可逆放热反应速率随温度的变化规律，平衡温度和最优温度的概念。 5、平行反应选择率的温度效应及浓度效应分析，反应器的选型，操作方式的确定。 6、串连反应影响选择率和收率的因素分析，反应器的选型及操作方式的确定。 7、平推流与全混釜的组合方式及其计算。 第八章气固相催化反应过程的传递现象 1、气固相催化反应的全过程及特点。 2、等温条件下催化剂颗粒的外部效率因子的定义。 3、外扩散、内扩散对平行反应、连串反应选择性的影响分析。 4、气体流速对外扩散的影响分析。 5、等温条件下催化剂颗粒的内部效率因子的定义。
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) = 。 2. 停留时间分布的密度函数在t > 0时，E (t) _ _ 。 3. 当t=0时，停留时间分布函数F (t) =_ 。 4. 当t= a时，停留时间分布函数 F (t ) = ______ 。 5?停留时间分布的密度函数E ( 9 ) = _______ E (t ) _ 2 _ 2 6. 表示停留时间分布的分散程度的量▽日= ______ 坊七。 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 。 8. 平推流管式反应器t 时，E (t ) = ______________ 。 9. 平推流管式反应器t式￡时，E (t ) = ___________ 。 10. 平推流管式反应器t At时，F (t) = ___________ 。 11. 平推流管式反应器t V t时，F (t) = ___________ 。 2 12. 平推流管式反应器其E ( 9 )曲线的方差▽日= ____________ 。 _ 2 13. 平推流管式反应器其E (t )曲线的方差▽t = _____________ 。 14. 全混流反应器t=0时E (t ) = ________ 。 _ 2 _ 15. 全混流反应器其E ( 9 )曲线的方差日二_____________ 。 _ 2 _ 16. 全混流反应器其E (t )曲线的方差=_________________ 。 _ 2 17. 偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动， E ( 9 )曲线的方差日为____________ 。 C A 18. 脉冲示踪法测定停留时间分布C0对应曲线为___________ 。 C A 19. 阶跃示踪法测定停留时间分布C0对应曲线为__ _ 。 20. 非理想流动不一定是由__= _______ 造成的。 21. 非理想流动不一定是由返混造成的，但返混造成了______________ 。 22. 为了模拟返混所导致流体偏离平推流效果，可借助这种轴向返混与扩散过程的相似性，在__ _____ 的基础上 叠加上轴向返混扩散相来加以修正，并认为的假定该轴向返混过程可以用费克定律加以定量描述，所以，该模型称 为_ _ _ 。 23. 在轴向分散模型中，模型的唯一参数彼克莱准数P e = __。 24. 在轴向分散模型中，模型的唯一参数彼克莱准数愈大轴向返混程度就________ 。 25. 轴向分散模型的偏微分方程的初始条件和边界条件取决于采用示踪剂的__________ 、 __________ 、_______ 的 情况。 26. 轴向分散模型的四种边界条件为___ ________ 、 _____________ 、 ____________ 、_ 。 27. 若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_ —。
化学反应工程作业答案
3-2 在等温间歇反应器中进行皂化反应325325CH COOC H NaOH CH CHCOONa C H OH +→+ 该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一致，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L ，反应速率常数为5.6L/（min ·mol ），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为31m 、32m 时，所需的反应时间是多少？ 解： A B C D +=+ A A B r k C C =?? 设A 的转化率为A x ，B 的转化率为B x 000A A A A A A n n n x n n --?= = 000 B B B B B B n n n x n n --?== ∵ 00A B n n = ， A B n n ?=? ， ∴ A B C C = t=0 Af x A A a dx C r ? =020 Af x A A A dx C k C ?? =01(1)A Af kC x --0 1A k C =169.6 min t 与反应体积无关。 ∴31m 、所需反应时间均为169.6min 3-3 在平推流反应器中进行等温一级反应，出口转化率为0.9，现将该反应移到一个等体积的全混流反应器中进行，且操作条件不变，问出口转化率是多少？ 解：对于平推流反应器： 1ln 1Af k x τ=- 0 B v v τ= 对于全混流反应器： '' 1Af Af x k x τ= - 0 R v v τ= ∴ 1ln 1Af x -=' 1Af Af x x -=2.3 ∴ ' Af x =0.697
3-6 已知某均相反应，反应速率2 ,17.4A A r kC k ml ==/（mol ﹒min ），物料密度恒定为0.75g/ml ， 加料流量为7.14L/min ，0A C =7.14mol/L ，反应在等温下进行，试计算下列方案的转化率各为多少？ (1) 串联两个体积0.253m 的全混流反应器。 （2）一个0.253m 的全混流反应器，后接一个0.253m 的平推流反应器。 （3）一个0.253m 的平推流反应器，后接一个0.253m 的全混流反应器。 （4）两个0.253m 的平推流反应器串联。 解： （1） 0R v v τ== 3 0.251027.14 ?=35mm ， 设转化率为12,f f x x 12011 (1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 2222 1221 (1)(1)f f A f f x x k C x x τ= ?--=1.64 ∴ 20.467f x = 12(1)Af A f C C x =-=1.44 ∴ 0(1)0.80Af A Af Af C C x x =-?= （2） 00.251000 7.14 R V V τ?= ==35min 12011 (1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 221221 1.64(1)(1)f f A f f x x k C x x τ=?=-- ∴ 20.62 f x = 12(1)Af A f C C x =-=2.7×（1-0.62）=1.026
第一章 1. 化学反应工程是一门研究 (化学反应个工程问题)的科学。 2. 所谓数学模型是指 (用数学方法表达各变量间的关系)。 3. 化学反应器的数学模型包括 （动力学方程式、 物料横算式子、 热量衡算式、 动量衡算式 和 参数计算式） 4. 所谓控制体积是指 （能把反应速率视作定值的最大空间范围）。 5. 模型参数随空间而变化的数学模型称为 （ 分布参数模型）。 6. 模型参数随时间而变化的数学模型称为 （非定态模型）。 7. 建立物料、热量和动量衡算方程的一般式为 (累积量=输入量-输出量)。 第二章 1. 均相反应是指 (在均一的液相或气相中进行的反应)。 2. 对于反应aA + bB → pP + sS ，则r P =( p/a )r A 。 3.着眼反应物A 的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A 的量/反应开始的物料A 的量)。 4. 产物P 的收率ΦP 与得率ХP 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。 5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β，用浓度表示的速率常数为k C ，假定符合理想气体状态方 程，如用压力表示的速率常数k P ，则k C =[ (RT)的a+B 次方]k P 。 6.对反应aA + bB → pP + sS 的膨胀因子的定义式为 （P+S ）-(A+B))/A 。 7.膨胀率的物理意义为 (反应物A 全部转化后系统的体积变化率)。 8. 活化能的大小直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。 9. 反应级数的大小直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。 10.对复合反应，生成主产物的反应称为 (主反应)，其它的均为(副反应)。 11. 平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2，选择性S p 与 (A 的浓度) 无关，仅是 (A 的浓度) 的函数。 12. 如果平行反应A → P 、A → S 均为一级不可逆反应，若E 1＞E 2，提高选择性S P 应(提到 温度)。 13. 一级连串反应A → P → S 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应(降 低)k 2/k 1。 14. 产物P 的收率的定义式为 (生成的全部P 的物质的量/反应掉的全部A 的物质的量) 15. 产物P 的瞬时收率φP 的定义式为(生成的物质的量/反应的A 的物质的量) 16. 产物P 的选择性S P 的定义式为(单位时间内产物P 的物质的量/单位时间内生成产物S 的物质的量) 17. 由A 和B 进行均相二级不可逆反应αA A+αB B = αS S ，速率方程为： r A =－dC A /dt=kC A C b 。 求： （1）当C A0/C B0=αA /αB 时的积分式 （2）当C A0/C B0=λ≠αA /αB 时的积分式 18. 反应A → B 为n 级不可逆反应。已知在300K 时要使A 的转化率达到20%需，而在340K 时达到同样的转化率仅需，求该反应的活化能E 。 第三章 1. 理想反应器是指(理想混合反应器 平推流反应器)。 2. 全混流反应器的空时τ是 (反应器容积) 与(进料的体积流量)之比。 3. 全混流反应器的放热速率Q G ={ 00()A A Hr Ft y x ? }。 4. 全混流反应器的移热速率Q r ={ 012()pm Ft C T T - } 5. 全混流反应器的定常态操作点的判据为{ G r Q Q = }。 6. 全混流反应器处于热稳定的定常态操作点的判据为{ G r Q Q = G r dQ dQ dT dT > }。