化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
第三章理想反应器
3.2 全混流反应器
教学目标
1．掌握全混合流反应器的设计方程、操作方程的建立及应用。
2．理解并区分反应时间、停留时间和空间时间等基本概念及应用。
3．掌握定态下连续釜式反应器反应体积及产物组成的计算方法。
4．理解多釜串联组合的全混流反应器容积的计算方法和图解计算法。
5．理解多釜串联并联的全混流反应器的计算方法。
6．理解全混流反应器的多定态特性、着火现象和熄火现象。
教学重点
1．连续操作的完全混合流反应器的设计方程、操作方程的建立及应用；
2．定态下连续釜式反应器反应体积及产物组成的计算方法。
3．多釜串联组合的全混流反应器容积的计算方法；
教学难点
1. 定态下全混釜反应器反应体积及产物组成的计算方法。
2. 掌握多釜串联组合的全混流反应器容积的计算方法。
教学方法
讲授法
学时分配
5学时
授课时间
200 年月日
教学过程
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
［复习旧课］
［引入新课］［板书］
［讲解］
［板书］
［板书］［讲解］
［板书］［讲解］
［板书］［讲解］
1．理想间歇反应器的特点；
2．物料衡算式及其建立方法。
3.2.1 几个基本概念
１．反应时间（t）
反应物料进入反应器后从实际发生反应时刻起到反应达到某一程度（如某转化率）时所经历的时间。这一概念是针对间歇反应过程而言。
２．停留时间（t）
它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止所经历的时间。
分批式反应器
连续操作的平推流反应器
３．平均停留时间（t）
对于分批式操作的反应器和连续操作的平推流反应器来说反应时间和停留时间是一致的，而对于所有具有“返混”的反应器，由于器内反应流体的流动状况极为复杂，既可能有短路，亦可能有死区和循环流。所以其出口物料中有些微团可能在器内停留很短的时间，而有的可能很长。所以其出口物料是种种不同停留时间的混
合物，即具有停留时间分布。对于这种场合常用平均停留时间来表征它，其定义
为反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比(即t,v是流体在器内的体积流速)。
4. 空间时间（）
(量纲：时间)
空间时间是度量连续流动反应器生产强度的一个参数。空间时间越大，反应器生产强度越小。例如：空时为1分钟，表明每分钟可以处理与反应器体积相等的物料量；如果为8分钟，则表示每8分钟可以处理与反应体积相等的物料量。
显然，对于恒容定态过程，系统物料的密度不随反应转化率而改变，即，所以
；对于非恒容体系，。
3.2.2物料衡算式
在这种操作中，反应物料连续不断地以恒定的流速流入完全混合的反应器内，而产物也以恒定的速率不断地从反应器内排出故又简称全混流。
１．操作特点：
①反应物料和产物流速恒定；
②反应流体在器内是完全混合的，故在反应器内时具有均一的温度和组成，
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
［板书］［讲解］
［举例］［讲解］且与从反应器流出的物料的温度和组成是一致的；
③这是—种定常态操作；
④当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入反应器的容积流速v是相同的；
⑤器内的反应速率亦维持恒定。
２．计算方程式
对组份A就整个反应器作物料衡算可得：
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
的累积量
单位时间反应器中
＋
的量
反应掉
单位时间反应器中
＋
的量
反应器
单位时间流出
＝
的量
反应器
单位时间进入
A
A
A
A
0A
A
A
c
Q
F=
A
A
c
Q
F
=
r
A
V)
r
(? 0
式中τ称为空间时间，它具有与时间相同的因次。
3.2.3 多段全混流反应器的串联
在全混流反应器容积效率的讨论中已经看到混合作用对于反应速率的影响。如果采用几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器所进行的反应，则除了最后一个反应器外的所有反应器都在比原来高的反应物浓度下进行反应。这样势必减少了混合作用所产生的稀释效应。
在图3-4-1（b）中示出这种多釜串联的全混流反应器，图3-4-1(a)示出每个全混流反应器所须的空时和总的空时。可以看出，用的釜数N愈多所需的总容积就愈接近
分批式反应器。
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
［板书］［讲解］
［比较］［讲解］
∴
∵
［阅读］
图多釜串联的全混流反应器
1.解析计算
参照图3-4-1(b)对任意第i个釜作组分A的物料衡算，对于恒容系统都有
:
可写成如下形式
(3-4-1)
将具体的速率方程代入，从第1釜开始逐釜的计算下去，各釜的容积和反应温度也可以不同。
a.对于n级不可逆反应，上式可写成:
把、和式()n A
A
kc
r=
?代入式(3-4-1)可得下式
b.当n=1时
上式可简化为
即有：
；；??；
以上各式相乘得：
b.若各釜具有相同容积且在相同的温度下操作，各级反应器的物料停留时间相
同，即
N
τ
=
=
τ
=
τL
2
1
或写成：
反应釜的总容积为：
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
［板书］［说明］［板书］［讲解］
例3-4-1 应用串联全混流反应器进行不可逆一级液相反应，假定各釜的容积和操作
温度都相同，已知此时的速率常数，原料液的进料速率，
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［板书］［讲解］
［板书］［讲解分析］
［板书］［讲解］2.多段等体积全混釜串联的图解计算法
当反应级数n≠1时，则需应用式(3-4-2)从i开始逐釜进行计算，而每一次计算都得
解一个n次代数方程，计算十分不方便。若把计算次序倒过来，从第N釜出口所要求最终浓度N
A
c来计算1?N
A
c的浓度却是更为方便，知道1?N
A
c后再计算2?N
A
c。这样逐个反算回去即可求出各釜出口的浓度。这种计算可以应用图3-4-2所示的图解法。
a.原理
由物料衡算式有：
上式表示第i釜全混流反应器进、出口浓度与反应速率的关系，此关系在（－r A）
－c Ai图上应该为一条直线，其斜率为
i
τ
1。同时，该级反应器的出口浓度不仅要满足上式，而且要满足动力学方程。也应是说，若将这两个方程同时绘于图上，则两条线交点的横坐标就是所求的C值。这就是作图法的原理。
b.步骤
若各级全混流反应器的T相等，体积也相同，作图法求解的步骤如下（若各釜体积不等时，则由向～线所引的斜线是不相平行的）：
②以初始浓度CA0为起点，过CA0作斜率为
i
τ
1(的且与OM线交于A1，其横座标??
③由于各级反应器的相等，过C作的平行线C，与OM交于，A点的横座标为第二级反应器的出口浓度。如此下去，当最终浓度等于或略小于规定出口浓度时，所作平行线的数目就是反应器串联的个数。
（Ⅰ）若各反应温度不同，需作出不同温度下的动力学方程曲线，按上法求出物料衡线与动力学曲线的交点，即各线的出口浓度。
（Ⅱ）体积不同，各线不平行。
c.适用范围
上面所述的图解计算法虽然具有使用方便的优点，但是只适用于能以单一组份浓度来表达反应速率方程的单一反应，不适用于复合反应的场合。
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
［板书］［讲解］
［板书］［讲解］
［举例］［讲解］
［举例］
［讲解］3.具有不同体积的全混流反应器的串联（自学） 3.2.4多段全混流反应器的并联
化学反应工程基础教案 第三章 理想反应器（2）
［小 结］
［作业布置］
3.2.5全混流反应器的热稳定性
1. 全混流反应器操作的热稳定性分析
a.多重定常态
在反应器内的传热问题与一般的物理换热过程（加热或冷却）有着明显的不同： ① 在反应器内所要移走的热量是反应的放热量，而反应的放热速率与反应温度Ｔ的关系基本上是受阿累尼乌斯公式所控制，因为反应速率常数与温度的关系是受阿累尼乌斯公式所支配。
亦即是非线性的。
② 而反应器内的移热速率与反应温度的关系则是呈线性的(它受传热的温差所控制)：
()()00T T KA T T Gc Q p r ?+?= 因此，在反应器内的放热速率线和移热线可能出现不只一个交点，即出现多个定常操作态，通常称此现象为反应器的多重定常态。在交点上：
移热热速率=放热速率
③ 而这些定常态中有些定常态具有抗外界干扰的能力，即在外界干扰使其偏离了原来定常态，而系统本身具有抑制这种使其发生偏离的干扰的影响并在干扰因素消失后它又能自动回复到原来的定常态操作点，这类定常态我们称之为稳定的定常态。那些不具确抗干扰能力的定常态则称为是不稳定的。
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）b.理论分析
化学反应工程基础教案第三章理想反应器（2）
如果在全混流反应器内进行的是可逆放热反应，则其Q线将如图3-3-4(a)中的曲线(b)所示。这是由于可逆放热反应的逆反应速率常数对于温度的敏感程度大于正反应速率常数之故。所以其Q线在通过最大点后随着Ｔ的增大而减小。
P55页文字？？？？
2.进料温度对稳定点的影响
图3-3-5 原料流体的起温度对定常态操作的影响
显然，若固定其它变量而改变原料进料速率，从而改变反应器放热速率线的形状(它对移热线的影响不明显，可以忽略)，则同样可以实现改变反应器的定常态，其变化趋势与改变To的操作相似，详见图3-3-6所示。
化学反应工程课程教案 课次17课时２课型 （请打 √) 理论课√讨论课□ 实验课□习题课□ 其她□ 授课题目(教学章、节或主题): 第7章气固相催化反应流化床反应器 7、3流化床反应过程得计算 教学目得、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次)：： 1、掌握流化床得基本概念; 2、掌握流化床得工艺计算; 教学重点及难点: 重点:固定床催化反应器得特点、类型与设计要求。 难点:一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算。 教学基本内容方法及手段 7、１流化床得基本概念 流态化现象:使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类似流体得 操作。 固体颗粒层与流体接触得不同类型: ７．1.1流化床得基本概念 1）当通过床层得流体流量较小时,颗粒受到得升力(浮力与曳力之与) 小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动,流体由颗粒之间得空 隙通过。此时床层称为固定床。 2）随着流体流量增加，颗粒受到得曳力也随着增大。若颗粒受到得升 力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态,故颗粒将在床层内 作上下、左右、前后得激烈运动,这种现象被称为固体得流态化，整 个床层称为流化床。 曳力(表面曳力、形体曳力)曳力就是流体对固体得作用力，而阻力就 是固体壁对流体得作用力,两者就是作用力与反作用力得关系。表面曳力 由作用在颗粒表面上得剪切力引起,形体曳力由作用在颗粒表面上得压强 力扣除浮力部分引起。 讲解
3)、流化床类似液体得性状 (ａ）轻得固体浮起; （b)表面保持水平; (c）固体颗粒从孔中喷出; (d）床面拉平； (ｅ）床层重量除以截面积等于压强 流化床得优点 (1）颗粒流动类似液体,易于处理、控制; (2）固体颗粒迅速混合,整个床层等温; (3) 颗粒可以在两个流化床之间流动、循环,使大量热、质有可能在床层之间传递; (４）宜于大规模操作; (5) 气体与固体之间得热质传递较其它方式高; (6) 流化床与床内构件得给热系数大。 流化床得缺点 （1）气体得流动状态难以描述,偏离平推流,气泡使颗粒发生沟流,接触效率下降； （2)颗粒在床层迅速混合,造成停留时间分布不均匀; (3）脆性颗粒易粉碎被气流带走; (4)颗粒对设备磨损严重; (5）对高温非催化操作,颗粒易于聚集与烧结 流化床得工业应用 ?第一次工业应用： ?192２年Fｒitz Ｗinｋler获德国专利,1926年第一台高13米,截面积1２平方米得煤气发生炉开始运转。 ?目前最重要得工业应用: ?SOD(StａnｄaｒｄＯil Deｖeloｐment pａny) ＩV型催化裂化。 散式流态化与聚式流态化Ｐ１85 (1)散式流态化 随着流体流量得加大,床层内空隙率增大,颗粒之间间距加大,而颗粒在床层中分布均匀,流体基本上以平推流形式通过床层,人们称这种
化学反应工程考试总结 一、填空题： 1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指质量传递、热量传递 和动量传递，“一反”是指反应动力学。 2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同，但通常温度升高有利于活化能高 的反应的选择性，反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。 3.测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为脉冲示踪法 和阶跃示踪法。 4.在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速度方程式的两种最主要的方法为 积分法和微分法。 5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ，轴向扩散模型的唯一模 型参数为Pe（或Ez / uL）。 6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳定性。 7.平推流反应器的E函数表达式为 , () 0, t t E t t t ?∞= ? =? ≠ ?? ，其无因次方差2θσ= 0 ，而全混流反应器的无因次方差2θσ＝ 1 。 8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol? hr )，该反应为 2 级反应。 9.对于反应22 A B R +→，各物质反应速率之间的关系为(-r A)：(-r B)：r R＝1：2：2 。 10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产物是中间产物的串联反 应。 11.某反应的计量方程为A R S →+，则其反应速率表达式不能确定。 12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解，在67℃时转化50％需要30 min, 而 在80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒，该反应的活化能为 3.46×105(J / mol ) 。 13.反应级数不可能（可能/不可能）大于3。 14.对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应器时主要考虑反应器 的大小；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是目的产物的收率；15.完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度均一，并且等于 （大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。
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 A+C ? D (2)A+2B ?C B+C ?D C+D →E (3)2A+2B ?C
A+C ?D 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 22 B A 1B C 22B 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 22B 2A 1C C 22B 2A 1B D 4C A 3C 22B 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 -1-363 111 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
第三章 理想流动反应器 概述 按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。 对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。 对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 考察物料在反应器内的流动状况。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。 在流动反应器中物料的流动状况不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。 物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模型分类如下： 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。 第一节 流动模型概述 3－1 反应器中流体的流动模型 平推流模型 全混流模型
一、物料质点、年龄、奉命及其返混 1.物料质点 物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。 2.物料质点的年龄和寿命 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。 3.返混 （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年具的质点混合在一起，所以有返混。 （2）返混的原因 a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不 同年龄的质点混合在一起； b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。
一、单项选择题： （每题2分，共20分） 1．反应器中等温进行着A →P(1)和A →R(2)两个反应，当降低A 的浓度后，发现反应生成P 的量显著降低，而R 的生成量略降低，表明(A ) A ．反应(1)对A 的反应级数大于反应(2) B ．反应(1) 对A 的反应级数小于反应 (2) C ．反应(1)的活化能小于反应(2) D ．反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值2θσ为( B ) A ． 1.0 B. 0.25 C ．0.50 D ．0 3．对一平行—连串反应R A Q P A ?→??→??→?) 3()2()1(，P 为目的产物，若活化能次序为：E 2
化学反应工程课程教案 课次1７课时２课型 (请打√)理论课√讨论课□实验课□习题课□其她□ 授课题目(教学章、节或主题): 第7章气固相催化反应流化床反应器 7。3流化床反应过程得计算 教学目得、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次):: 1. 掌握流化床得基本概念; 2。掌握流化床得工艺计算; 教学重点及难点: 重点:固定床催化反应器得特点、类型与设计要求。 难点:一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算、 教学基本内容方法及手段 7、1流化床得基本概念 流态化现象:使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类似流体得 操作、 固体颗粒层与流体接触得不同类型: 7．１。1流化床得基本概念 1）当通过床层得流体流量较小时,颗粒受到得升力(浮力与曳力之与) 小于颗粒自身重力时,颗粒在床层内静止不动,流体由颗粒之间得空 隙通过。此时床层称为固定床。 2）随着流体流量增加,颗粒受到得曳力也随着增大、若颗粒受到得升力 恰好等于自身重量时,颗粒受力处于平衡状态,故颗粒将在床层内作 上下、左右、前后得激烈运动,这种现象被称为固体得流态化,整个 床层称为流化床、 曳力(表面曳力、形体曳力)曳力就是流体对固体得作用力,而阻力就 是固体壁对流体得作用力,两者就是作用力与反作用力得关系。表面曳力 由作用在颗粒表面上得剪切力引起,形体曳力由作用在颗粒表面上得压强 力扣除浮力部分引起。 讲解
３)。流化床类似液体得性状 (a) 轻得固体浮起; (b)表面保持水平; (c)固体颗粒从孔中喷出; (ｄ)床面拉平; (ｅ)床层重量除以截面积等于压强 流化床得优点 (１) 颗粒流动类似液体,易于处理、控制; (２) 固体颗粒迅速混合,整个床层等温; (3) 颗粒可以在两个流化床之间流动、循环,使大量热、质有可能在床层之间传递; (4) 宜于大规模操作; (5) 气体与固体之间得热质传递较其它方式高; (6) 流化床与床内构件得给热系数大。 流化床得缺点 (1)气体得流动状态难以描述,偏离平推流,气泡使颗粒发生沟流,接触效率下降; (２)颗粒在床层迅速混合,造成停留时间分布不均匀; (３)脆性颗粒易粉碎被气流带走; (4)颗粒对设备磨损严重; (5)对高温非催化操作,颗粒易于聚集与烧结 流化床得工业应用 ?第一次工业应用: ?1922年 Fritz Ｗiｎｋler获德国专利,1926年第一台高13米,截面积12平方米得煤气发生炉开始运转。 ?目前最重要得工业应用: ?SOＤ(Stanｄarｄ Oil Develoｐｍent pany) IV型催化裂化。 散式流态化与聚式流态化Ｐ１8５ (1)散式流态化 随着流体流量得加大,床层内空隙率增大,颗粒之间间距加大,而颗粒在床层中分布均匀,流体基本上以平推流形式通过床层,人们称这种
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
4?从反应器停留时间分布测定中 ，求得无因次方差「二 _ 0.98 ，反应器可视为 XXX 大学 化学反应工程 试题B （开）卷 （答案）2011 — 2012学年第一学 期 一、单项选择题： （每题2分，共20分） 1.反应器中等温进行着 A T P （1）和A T R （2）两个反应，当降低 A 的浓度后，发现反 应生成P 的量显著降低，而 R 的生成量略降低，表明 （） A .反应（1）对A 的反应级数大于反应 （2） B .反应（1）对A 的反应级数小于反应 C .反应（1）的活化能小于反应 （2） D .反应（1）的反应速率常数大于反应 2 一为（） 2?四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值 A . 1.0 B. 0.25 C . 0.50 A （1） > A ⑶ > D . 0 P —-(2)， Q 3. 对一平行一连串反应 为了目的产物的收率最大， A .先高后低 B.先低后高 C .高温操作 4. 两个等体积的全混流反应器进行串联操作， 与第二釜的反应速率-広2之间的关系为（ A . -r Ai > -r A2 B . -r Ai 则最佳操作温度序列为（ ,P 为目的产物，若活化能次序为：E 2 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_______ 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,,所需的反应时间又就是多少？ 解:(1)002220 00001()(1)110.95 169.6min(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与碳酸氢钠的摩尔比为1:1,混合液的比重为1、02。该反应对氯乙醇与碳酸氢钠均为一级,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,与乙二醇的分子量分别为80、5,84 与 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:091.11190.2275.8/1.02+==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 （2） (2) 反应器的实际体积: 956.512750.75= ==r V V l f 《化学反应工程》试题 XXX大学化学反应工程试题B（开）卷 （答案）2011—2012学年第一学期 一、单项选择题：（每题2分，共20分） 1．反应器中等温进行着A→P(1)和A→R(2)两个反应，当降低A的浓度后，发现反应生成P的量显著降低，而R的生成量略降低，表明(A ) A．反应(1)对A的反应级数大于反应(2) B．反应(1) 对A的反应级数小于反应(2) C．反应(1)的活化能小于反应(2) D．反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值为( B ) A． 1.0 B. 0.25 C．0.50 D．0 3．对一平行—连串反应，P为目的产物，若活化能次序为：E2 《化学反应工程》试题库 一、填空题 1. 质量传递、热量传递、动量传递和和化学反应称为三传一 反? 2. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为输入-输出二累 积_____________ 。 3. 着眼组分A 转化率X A的定义式为 X A=( n A—n A)/ _____________ 。 4. 总反应级数不可能大于￡—。 5. 反应速率-r A=kC A C B的单位为kmol/(m3? h).速率常数k的因次为 nV(kmol ? h ) 。 6. 反应速率-r A=kC A的单位为kmol/kg ? h.速率常数k的因次为mVkg ? h 。 7. 反应速率.kc A/2的单位为mol/L ? s.速率常数k的因次为 (mol) 1/2? L-1/2? s 。 8. 反应速率常数k与温度T的关系为lnk 10000 102.其活化能为 T mol 。 9. 某反应在500K时的反应速率常数k是400K时的103倍.则600K 时的反应速率常数k时是400K时的10 5倍。 10. 某反应在450C时的反应速率是400C时的10倍.则该反应的活化 能为（设浓度不变）mol 。 11. 非等分子反应2SO+Q==2SQ的膨胀因子sq等于________ 。 12. 非等分子反应N2+3H2==2NH的膨胀因子H2等于-2/3 。 13. 反应N b+3H2==2NH中（& ）= 1/3 （仏）二1/2 扁3 14. 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应.反应物初浓度为G°. 转化率为X A.当反应器体积增大到n倍时.反应物A的出口浓度为 C A0（1-X A）n . 转化率为1-（1- X A”。 15. 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应.反应物初浓度为C A0. 转化率为X A.当反应器体积增大到n倍时.反应物A的出口浓度为 匚些.转化率为nxA—。 1 （n 1）X A 1 （n 1）X A 16. 反应活化能E越大.反应速率对温度越敏感。 17. 对于特定的活化能.温度越低温度对反应速率的影响越大。 18. 某平行反应主副产物分别为P和S选择性S的定义为（n P-g）/ (n s- n s0) 2010级第一章习题参考答案 1-1 在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇:空气:水蒸气＝2:4:1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72％，甲醛的收率为69.2％。试计算：（1）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成 解一：（1）由（1-17）式得反应的选择性为： 0.629 Y S0.961196.11% X0.720 ==== （2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），当进入反应器的总原料量为 设甲醇的转化率为 A P 醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为： n A=n A0(1-X A)=7.672 mol n P=n A0Y P=18.96 mol n C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol 结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为： n W=n W0+n P+2n C=38.30 mol n O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 mol n N=n N0=43.28 mol 解二：（1）根据定义：目的产物收率 L A Y= A 消耗于主产物上的关键组分的量进入反应系统的的初始量 目的产物选择率 L A S= A 消耗于主产物上的关键组分的量转化了的关键组分的量 反应物的转化率 A A A x 转化了的关键组分的量＝ 进入反应系统的的初始量 转化率、收率和选择率的关系Y=S A x 已知：x CH3OH = 72% Y HCHO = 69.2% 则 % 11 . 96 % 72 % 2. 69 3 = = = OH CH HCHO x Y S 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___。 《化学反应工程》教学大纲 课程编号：01100730 课程性质：必修 课程名称：化学反应工程学时/ 学分：48/3 英文名称：Chemical Reaction Engineering 考核方式：闭卷笔试 选用教材：《化学反应工程》朱炳辰化学工业出版社 《化学反应工程原理》张濂等华东理工大学 出版社 大纲执笔人：XXXX 先修课程：物理化学、化工原理、高等数学大纲审核人：XXXX 适用专业：化学工程与工艺及相近专业 一、教学目标 通过本课程的理论教学和实验训练，使学生具备下列能力： 1、能够运用数学、物理、物化和化工原理知识表达反应工程问题，建立反应器和传递过程的数学模型，并正确求解。 2、能运用反应工程的思维方法，判断反应器变量对评价指标的影响，提出优化的解决方案。 3、能够针对反应过程的特性，确定反应器选型和操作条件，进行工业反应器的设计优化。 4、能设计并实施与化学反应工程相关的热模或冷模实验，分析实验结果，验证或拟合模型参数，获取有效结论。 5、能应用专业软件模拟和解决反应器设计和操作的问题，了解模拟计算的原理及其局限性。 二、课程目标与毕业要求的对应关系 二、教学基本内容 第一章：绪论 介绍反应工程的研究对象，研究目的和研究方法。 第二章：化学反应动力学与理想化学反应器（支撑课程目标1、2） 1、反应过程的技术指标转化率、收率与选择性的定义，化学反应速率的表示方式及相互关系， 反应速率的温度效应和活化能的意义，及反应速率的浓度效应和级数的意义。 2、可逆反应、平行反应和串联反应的动力学特征，掌握复杂反应系统反应组分的速率、选择性和收率的模型计算方法。 3、等温间歇反应器的计算模型，及反应时间、反应器体积的计算方法。 4、管式平推流反应器的计算模型，平推流反应器的停留时间、空时和空速的概念及其应用。 要求学生：能根据化学反应的类型能正确地选择反应器的操作方式、加料方式、原料浓度及温度和温度序列。 第三章：连续流动反应器中的返混（支撑课程目标 3、4、5） 1、全混流反应器的特征及计算方法。 定态下全混流反应器的数学模型，定态下串联或并联操作的全混流反应器的计算方法。 2、循环反应器的特征及计算方法。 返混的概念、起因、返混造成的后果，返混对各种典型反应的利弊及限制返混的措施。 返混与物料停留时间分布的关系，停留时间分布的意义及其数学表达式，及停留时间分布的测定方法。 3、活塞流和全混流停留时间分布表达式。轴向扩散模型、多釜串联模型的建模方法和模型参数的确定方法。 要求学生：理解流体的微观混合与宏观混合及其对反应结果的影响，会设计实验测定物料的停留时间分布。能根据化学反应的不同类型能正确地选择反应器的组合方式、加料方式、原料浓度及操作温度。 第四章：非均相反应过程的质量传递（支撑课程目标1、2、4） 1、非均相反应过程的拟均相化处理方法，多相反应过程的分析方法。反应本征动力学、颗粒动力学和床层动力学的概念及其实验测定方法。 解：01A A A x c kt x = - 把数据代入得100.2m in A c k -= 当x A =0.75时解得t=15min 所以，增加的时间为15-5=10min 3-2 解：() ()11 0111n n A A x n c kt ---=+- （式A ） 把x A =0.75和t=10min 代入解得1 0.1n A c k -= 再把t=30min 代入（式A ）解得x A =1.25 所以，转化率应为1 3-3 解：设反应动力学方程为：n A A dc kc dt -= 则()()11 0111n n A A x n c kt ---=+-，且c A0=1 因此有 ()()() ()1110.811810.91118 n n n k n k ---=+--=+- 解得：n=2;k=0.5L/mo l ·min -1 3-4 1）计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度c A0、c B0、c S0（注意进料中水的浓度c S0不为0）。 2）列出当酸的转化率为x A 时，各组分浓度的表示式： ()0000001A A A B B A A R A A S S A A c c x c c c x c c x c c c x =-=-==+ 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式，整理得 ()6 2 7.9310 10.220.1 2.58A A A dx x x dt -=-?-+ 4）计算转化率达35%所需的时间为 () 0.356 20 7.9310 10.220.1 2.58A A A dx t x x -= ?-+? 上述积分可查积分表用公式计算，也可用MA TLAB 语言的quad 解算子计算，结果为 71532t s h =≈ 5）计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数，再计算每m 3反应体积每天的生产量，然后再计算达到要求产量所需反应器体积。答案为 V R =51.9m 3 化学反应工程复习题 一．选择题 1．可逆放热反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而( ) Ａ．降低Ｂ.升高Ｃ.A、B均可能Ｄ.同可逆吸热反应 2．可逆吸热反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而( ) Ａ．降低Ｂ.升高Ｃ.A、B均可能Ｄ.同可逆吸热反应 3.不可逆反应，在转化率一定时，反应速率随温度升高而( ) Ａ．降低Ｂ.升高Ｃ.A、B均可能Ｄ.同可逆吸热反应 4．当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时， 收率顺序： A、间歇釜＜多个连续釜串联＜单一连续釜 B、多个连续釜串联＞间歇釜＞单一连续釜 C、间歇釜＞单一连续釜＞多个连续釜串联 D、间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜5．当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时， 收率顺序： A、间歇釜＜多个连续釜串联＜单一连续釜 B、多个连续釜串联＞间歇釜＞单一连续釜 C、间歇釜＞单一连续釜＞多个连续釜串联 D、间歇釜＞多个连续釜串联＞单一连续釜 6、正常动力学，转化速率-RA随XA增加而降低。 A、多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。 B、多釜串联比单釜有利，总反应体积大于单釜体积。 C、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积小于串联釜的总体积。 D、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积小于串联釜的总体积。 7、反常动力学，转化速率-RA随XA增加而增加。 A、多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。 B、多釜串联比单釜有利，总反应体积大于单釜体积。 C、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积小于串联釜的总体积。 D、单釜比多釜串联有利，单釜的反应体积大于串联釜的总体积。 8、下列叙述正确的是（） A、对于可逆吸热反应，反应速率随XA的变化升高而升高 B、对于可逆放热反应，反应速率随XA的变化升高而升高 C、对于可逆吸热反应，存在最佳温度Top D、对于可逆放热反应，存在最佳温度Top 9、下列叙述正确的是（） A、对于可逆吸热反应(温度一定)，反应速率随XA的变化升高而降低 B、对于可逆放热反应(温度一定) ，反应速率随XA的变化升高而升高 C、对于可逆吸热反应，存在最佳温度Top D、对于可逆放热反应，不存在最佳温度Top 1. 化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指传质 2. 一级连串反应，在平推流反应器中，为提高目的产物的收率，应k2/k1。（增高或降低）。 3. 停留时间分布的两个函数间的关系是停留时间在0～∞间的物料占总物料的分率应为。 4. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比0时为反应器，而当∞时则相当于反应器。 5. 若一级反应的反应速率rA采用kmol/（m3·s）为单位，浓度采用kmol/m3为单位，则k 的单位为，若反应速率以kmol/(kg·s)表示，则k的单位为 6. 如果将管式反应器出口的产物部分返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为化学反应工程复习题 (1)
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化学反应工程教学大纲
化学反应工程原理第二版(华东理工大学版)第三章答案
2012 化学反应工程(第三版化学工业出版社)期末复习题
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