化学反应工程教案2(化工13)-胡江良

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原物料的组成相同。这种混合不会影响反应过程的进行。 返混：流动反应器内，处于不同进料时间的两股物料之间发生的混合。 • 由于物料在反应器内的停留时间不同，则反应程度不同，二者的组
成也不相同，混合后形成的新物料其组成将与原物料的组成不同，化学反 应速率也将随之发生变化。 与正常通过反应器的物料相比，返混存在死角、短路/近路和回流等工 程因素。 原因： （1） 机械搅拌引起物料运动方向与主体流动方向相反； （2）反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等 2、按物料在反应器内返混情况进行分类： （1）间歇反应器 （2） 理想置换反应器
（2）、能量衡算 描述温度的变化规律。 温度对化学反应速率有着显著作用，为了确定某一时间每一点的温度 和组成，必须将物料衡算方程和热量衡算方程结合起来。 对反应器中的体积元进行热量衡算，有：
单位时间内 单位时间内 单位时间内与 单位时间内 单位时间内 输入的热量 输出的热量 环境交换的热量 关键组分 关键组分 关键组分 输入速率 输出速率 转化速率 累积速率
Fin Fout Fr Fb
间歇反应 稳态连续
Fr Fb 0
Fin Fout Fr
参考资料（含参考书、文献等）
《化学反应工程》 （第二版） ，郭 锴， 化学工业出版社， 2015 年出版； 《化学反应工程》 （第三版） ，陈甘棠， 化学工业出版社， 2011 年出版； 《反应工程》 （第三版） ，李绍芬 主编，化学工业出版社 ，2013 年出版。
教学反思：
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持续时间。 主要用于间歇反应器，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反 应的辅助时间。 2、停留时间 t 和平均停留时间 t 停留时间 流体微元从反应器入口到出口所经历的时间，又称为接触时间，主要 用于连续流动反应器。 在反应器中，由于流动状态和化学反应的不同，物料微元体在反应器 中的停留时间是各不相同的，存在一个分布，称为停留时间分布。 平均停留时间 各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间。 3、空间时间 反应器有效容积与流体特征体积流率之比值。

化学反应工程课程教案
2、内扩散影响的消除
基本原则：改变催化剂粒度，缩短扩散距离，减小内扩散阻力。

当催化剂粒度（尺寸）的变化对反应动力学不产生影响时，即可认为消除了内扩散的影响
实验测定：在恒定条件下（反应器入口气体组成、温度和停留时间等）
本征动力学测试的基本要求
（1）反应气体需高度净化，严格控制有害杂质含量
（2）测试用反应器应严格控温（等温或绝热）
（3）根据物系特性，选取适宜分析和流量计量方法
（4）严格消除内、外扩散过程的影响
4.4.2 本征动力学测试常见的反应器。

化学反应工程课程教案
从本质上说，物理过程不改变反应过程的动力学规律。

也就是说，反应的动力学方程并不因为物理过程的存在而发生变化。

但是，流体的流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的浓度和温度在时间、空间上的分布，从而影响实际反应场的浓度和温度在时间、空间上的分布，从而影响反应的最终结果。

对某个具体反应，选择反应器、操作条件和操作方式主要考虑化学反应本身的特征与反应器特征，最终选择的依据将取决于所有过程：一是反应器的大小，二是产物分布济性。

过程的经济性主要受两个因素影响；而对于复合反应，首先要考虑产物分布。

2.1单一不可逆反应过程与反应器
2.1.1单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较
在反应器设计评比中,只考虑如何有利于反应速率的提高。

当然,其中一个重要因素是,考察反应器的大小.
一、理想流动反应器的体积比较
基本条件：
和反应温度均相同；等容过程。

V R ，V RP ，V RM 分别表示间歇反应器体积、平推流反应器
体积和全混流反应器体积，则：
当转化率越大，则两者的差距
较大，所以可采用低转化率操作。

1、对同一单一的正级
数反应，在相同工艺
00,,A Af V C x Af A 0A00A x R dx V V C r =⎰Af A 0A00A x Rp
dx V V C r =⎰00()A Af RM A f
V C x V
r =0000[]
[]
Rp A RM A V V C OABD V V C OCBD ==1
<RM RP
V V。

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□其他□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流化床反应过程的计算教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：：1. 掌握流化床的基本概念；2. 掌握流化床的工艺计算；教学重点及难点：重点：固定床催化反应器的特点、类型和设计要求。

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流化床的基本概念流态化现象：使微粒固体通过及气体或液体接触而转变成类似流体的操作。

固体颗粒层及流体接触的不同类型：7.1.1流化床的基本概念1）当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力及曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。

此时床层称为固定床。

讲解2）随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。

若颗粒受到的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、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。

曳力（表面曳力、形体曳力）曳力是流体对固体的作用力，而阻力是固体壁对流体的作用力，两者是作用力及反作用力的关系。

表面曳力由作用在颗粒表面上的剪切力引起，形体曳力由作用在颗粒表面上的压强力扣除浮力部分引起。

3).流化床类似液体的性状（a）轻的固体浮起；（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的优点(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) 气体和固体之间的热质传递较其它方式高；(6) 流化床及床内构件的给热系数大。

mf mfu mf：初始流态化速度d P：颗粒平均粒径ρ，ρP：流体密度，颗粒密度L mf：初始流态化时的浓相段床高D e：流体的扩散系数μ：流体粘度浓相段和稀相段（P185-186）1).当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度(p188)，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。

化学反应工程教案10_胡江良教案：化学反应工程教案一、基本信息1.教学对象：高中化学学生2.授课内容：化学反应工程3.教学目标：了解化学反应工程的基本概念、原理和应用二、教学方法1.讲授法：通过讲解概念、原理和应用，深入理解化学反应工程的内容；2.实验法：进行一些简单的实验，帮助学生理解反应工程的实际操作；3.讨论法：组织学生进行小组讨论，共同解决实际问题；4.案例分析法：通过一些典型案例的分析，帮助学生理解反应工程的具体应用。

三、教学内容1.化学反应工程的概念和基本原理A.反应工程的定义和分类B.化学反应的热力学和动力学基础C.反应的速度方程和速率常数D.反应的平衡和反应热2.化学反应的实际操作A.反应的热平衡和控制B.反应的物质平衡和控制C.反应的高效与高选择性控制D.反应的安全控制3.化学反应工程的应用A.化学反应的工业应用B.化学反应的环境应用C.化学反应的能源应用四、教学过程第一节：化学反应工程的概念和基本原理1.介绍反应工程的定义和分类2.介绍反应的热力学和动力学基础3.介绍反应的速度方程和速率常数4.介绍反应的平衡和反应热第二节：化学反应的实际操作1.讲解反应的热平衡和控制方法2.讲解反应的物质平衡和控制方法3.讲解反应的高效与高选择性控制方法4.讲解反应的安全控制方法第三节：化学反应工程的应用1.介绍化学反应的工业应用案例2.介绍化学反应的环境应用案例3.介绍化学反应的能源应用案例五、教学评估1.参与讨论2.完成小组作业3.完成实验报告六、教学资源1.教材：高中化学教材2.实验设备：反应瓶、试管、温度计等3.实验药品：氢氧化钠、盐酸、过氧化氢等七、教学反思化学反应工程是一个很重要的学科，它是化学技术和工程技术的基础。

通过本节课的教学，学生可以了解化学反应工程的基本概念、原理和应用。

通过实验和案例分析，可以帮助学生更好地理解反应工程的实际操作和应用。

此外，通过小组讨论和评估，可以帮助学生更好地掌握反应工程的知识和技能。

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A
当转化率越大，则
两者的差距较大，所
以可采用低转化率操
作。

⏹ 1、对同一单一的正级数反应，在相同工艺条件
下，为达到相同的转化率，PFR 所需的反应器
体积最小，而CSTR 所需的反应器体积最大。

（若反应器体积相同，则PFR 可达的转化率最大，
而CSTR 可达的转化率最小。

）
⏹ 2、当转化率很小时，反应器性能受流动状况影
响较小。

随着转化率增加，二者体积差距逐渐
增大。

⏹ 3、当转化率一定时，随着反应级数增加，CSTR
体积与PFR 体积之比迅速增大，而对于0级反
应，流动状况对所需反应体积大小没有影响，
二者之比等于1；
⏹ 4、如果反应密度降低（即体积膨胀），会增加
二者体积比率，即导致CSTR 的效率下降；反
之则反。

然而密度变化对反应器大小的影响与
流动状况对其影响小得多，为次要影响因素。

⏹ 因而，确定反应器型式，不但要考虑反应级数，
还要考虑转化率高低。

⏹ 如果反应级数高、要求的转化率也高，应采用
PFR ；
00()A Af
RM A f V C x V r =0000[][]
Rp A RM A V
V C OABD V V C OCBD ==1<RM
RP V V。

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《反应工程》 （第三版） ，李绍芬 主编，化学工业出版社 ，2013 年出版。
教学反思：
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2、平推流反应器的设计方程 • • • • • 反应器体积 VR 衡算对象：关键组分 A 衡算基准：微元体积 dVR 在单位时间内对 A 作物料衡算： [A 流入量]－[A 流出量]－[A 反应量]＝[A 累积量]
或：进入量-排出量-反应量=累积量
FA ( FA dFA ) (rA )dVR 0
三、全混流反应器的热量衡算 • 衡算基准：反应器的有效容积 VR
Gc p (T1 T2 ) KA(Tw T2 ) (rA )(H r )VR 0 Tw T2 1 [Gc p (T1 T2 ) (rA )(H r )VR ] KA
结合物料衡算及化学反应动力学方程便可求解非等温条件下 CSTR 的设 计计算问题。
•
对于恒容过程 :


x A 2 dx VR A c A0 x A1 (r ) V0 A
c A 2 dc c A1 dc VR A A c c A1 ( r ) A 2 (r ) V0 A A
3、等温变容过程 1)、膨胀因子 定义： 每转化 1mol 的 A 时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子。
•
同样也可作出 1/rA～cA 曲线，然后求取 cA0～cAf 之间曲线下的面积 即为反应时间 t.
2
BR 中，达到一定转化率所需反应时间，只是动力学方程式的直接积分， 与反应器大小及物料投入量无关，故动力学方程常在间歇反应器内进 行测定。 • 1.4.2 平推流反应器（理想置换反应器 Piston/Plug Flow Reactor
间接操作的充分搅拌反应器又称为间歇反应器，通常都设有夹套或盘 管以便加热或冷却釜内的反应物料，控制反应温度。

化学反应工程课程教案
反应时间∙
(反应区
(
)
)
为了求取活化能E ，可再选若干温度，作同样的实验，得到各温度下的等温、恒容均相反应的实验数据，并据此求出相应的k 值。

故以ln k 对1/T 作图，将得到一条直线，其斜率即为-E /R ，可求得可将n 次实验所求得k 和与之相对应的1/T 取平均值作为最后结果。

1-1 等温条件下进行醋酸 (A)和丁醇(B)的醋化反应： COOH+C 4H 9OH=CH 3COOC 4H 9+H 2O
醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmolm -3。

测得不同时间下醋酸转化量如表所示。

试求反应的速率方程。

解：由于题目中给的数据均是醋酸转化率较低时的数据，可以忽略逆
t/hr 0 1 2 3 4 5 6 7 醋酸转化量 /kmol.m -3
0 1.636 2.732 3.662 4.525 5.405 6.086 6.833。

化学反应工程课程教案授课题目（教学章、节或主题）第2章复合反应与反应器选型2.2自催化反应特性与反应器选型 2.3可逆反应特性与反应器选型教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）熟悉自催化反应和可逆反应的特点；教学重点及难点:重点：自催化反应和可逆反应的特点。

难点：自催化反应和可逆反应反应器的选择。

教学基本内容22自催化反应特性与反应器选型自催化反应是复合反应中的一类。

其主要特点是反应产物能对该反应 过程起催化作用，加速该反应过程的进行。

特点：反应产物中含有对此反应有催化作用的组分。

因此，常在反应开始时加入少量有催化作用的产物。

反应1;話一＞尸用］一＞火=一加=比恒曲4反应 2： A + P —> P-\-—> r 2 = —p 4-「A =二(t j )=(总1)(%) =KC A k2(MP在整个反应过程中，A 组分被反应掉了，但是生成了等量的 P 组分, 则A 与P 的总摩尔数是恒定的，即:C A0C P0= C A C P = C 0 = C P 二 C A0 C P0 - C A- r A - ( ~r Aj ) = ("T AI )(_rA2^ k 1C Ak 2C AC^= k 1CAk 2C A(CA0Go〜CA)dC ^ =k i C A 【1 +代 / kJ©。

+c p° -C A )] dt1. 2. 了解自催化和可逆反应反应器的选择; 3. 了解自催化和可逆反应反应器类型;方法及手段第2章复合反应与反应器选型讲解A 组分的消耗速率为:最大反应速率对应的反应物浓度（极值原理）2k2在反应初期，尽管反应物的浓度较高，但是由于产物的浓度很低, 所有总反应速率不大;随着反应的进行，产物浓度增加，反应物浓度虽然降低，但是其值仍然较大，因此，反应速率将是增加的。

当反应进行到某一时刻时，反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下降。

5
T

S
Tg
0.93 H cAG cAS g cP
0.93 2.135105 8.92 108 3.56103 49 0.1o C TS 220 0.1 220.1o C
5.5 催化剂失活
5.5.1 失活现象 催化剂有一定的使用寿命。一般催化剂开始使用时活性很高，经过很短 的时间后，活性便降到相对稳定值，该值能持续一段时间，是催化剂正常 使用的时间范围。 1、催化剂使用一段时间后，活性将下降。 2、活性下降的原因分三类： 结构变化－－烧结、粉化、活性组分晶粒长大等。 物理失活－－结碳、粉尘、惰性组分吸附等。 化学中毒－－原料中的有害物质与催化剂活性组分发生反应，永久性结 合。 失活动力学 5.5.2 失活动力学 均匀中毒模型 假设有毒物质的吸附比扩散慢得多， 颗粒内表面各处均匀缓慢失活。
设中毒表面所占分率为 P，对于一级反应：
RA k 1 P cAS
实际反应速率
视为反应速率常数下降 6
定义催化剂比活性 LR 为：
R
1时， 无内扩散阻力
LR 1 P 内扩散阻力很大时， 1
RA

k 1 P cAS k 1 P cAS S R k 1 P
1 3 De
S
,
3 De k 1 P cAS R 则： LR 1 P
2、壳层渐进中毒模型 认为中毒吸附速率较快， 催化剂外层首先中毒失活， 逐渐向内推进。
此时：LR
1 1 1 2 3S 1 1 P 3 1 P 3 1P

1
－RA kf cAS kf cAG
6）、特殊情况：

教学反思：
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• 飞温可能会造成严重事故－催化剂烧结，燃烧，爆炸等。 • 产生爆炸的原因： • 1 反应体积急剧膨胀造成压力猛增，超过设备能够承受的压力； • 2 局部超温，使设备强度下降，在正常操作压力下爆炸； • 3 超温造成设备应力增大； • 4 设备腐蚀造成局部强度下降等。 • • • • 防止爆炸的措施： 1 严格控制温度、压力、浓度等操作参数； 2 超限报警，联锁停车，排放可燃物； 3 安全阀，阻火器，防爆膜等。
1名词解释稳定的定态着火点熄火点热点2简答全混流反应器的热稳定点的条件参考资料含参考书文献等化学反应工程第二版郭化学工业出版社2015年出版
化学反应工程 课程教案
课 型 课次
19
课时
2
（请打 √）理论课√Biblioteka 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□
授课题目（教学章、节或主题） ： 第 9 章 反应器的热稳定性和参数灵敏性 9.3 反应器参数的灵敏性 教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次） ： ：
作业、讨论题、思考题：
1、名词解释 稳定的定态、着火点、熄火点、热点
2

VR x x A1 c A0 A 2 V0 (rA )
2、简答 全混流反应器的热稳定点的条件
参考资料（含参考书、文献等）
《化学反应工程》（第二版），郭 锴， 化学工业出版社， 2015 年出版； 《化学反应工程》（第三版），陈甘棠， 化学工业出版社， 2011 年出版； 《反应工程》（第三版），李绍芬 主编，化学工业出版社 ，2013 年出版。
1. 全混流和管式反应热量衡算式； 2. 全混流热稳定点条件、管式反应器允许的最大温度差及允许管径；
教学重点及难点：
重点：全混流反应器的定态。 难点：径向传热管式反应器的热量衡算方程。

化学反应工程课程教案
颗粒的定型尺寸
颗粒的定型尺寸是颗粒体系的重要参数，常用粒径来表示。

对于球形颗粒，粒径自然是球的直径。

对于其他形状颗粒，最能代表颗粒性质的尺寸为颗粒的当量直径。

对于非球形颗粒，可将其折合成球形颗粒，以当量直径表示。

方法有三：体积当量直径(dv )、外表面积当量直径(da ) 、比表面积当量直径(ds )
体积当量直径(dv) ：(非球形颗粒折合成同体积的球形颗粒应当
具有的直径）Vs:颗粒体积
非球形颗粒折合成相同外表面积的球
非球形颗粒折合成相同比表面积的球V
3
1
S 3S π66π
d V d V =⎪⎭
⎫
⎝⎛⇒
=球形体积：a
2
1
S πd S =⎪⎭
⎫ ⎝⎛⇒
3S V
冷激(quench)：又称骤冷。

在多层固定床绝热反应器中进行放热反应时，在催化剂层间注入冷的原料，与高温的反应物混合，以直接换热的方式降低反应物的温度，称为冷激。

反应物通过一层催化剂产生一定的。

• 可用来计算床层压力分布。如果流体流过床层时温度变化不大，压
降相对较小，床层填充均匀，则方程解为：
P L
( 150 Rem
1.75)
u2mg ds
1B 3B
如果压降不大，在床层各处物性变化不大，可视为常数，压降将呈
线性分布（大多数情况）。
例 6.1 在内径为 50mm 的管内装有 4m 高的催化剂层，催化剂的粒
B
L
150 Rem
1.75
G2 dSg
1
3 B
B
L
150 1903
1.75
6.22 3.96 103
2.46
1 0.44
0.443
4
1.898105 Pa
6.2 固定床催化反应器的设计 固定床催化反应器的特点及类型
冷激(quench)：又称骤冷。在多层固定床绝热反应器中进行放热反应 时，在催化剂层间注入冷的原料，与高温的反应物混合，以直接换热的方
气体在催化剂颗粒之间的孔隙中流动，较在管内流动更容易达到湍流 气体自上而下流过床层 6.1.1 流体在固定床内的流动特性 床层空隙率 εB：单位床层体积内的空隙体积（没有被催化剂占据的体积， 不含催化剂颗粒内的体积）P159
B
空隙体积 床层体积
1
颗粒体积 床层体积
1 VP VB
B
1
颗粒质量 颗粒质量
的输入条件下，预测体系输出的变化。 2.对同一个体系，根据不同的简化和假定，可以构造不同的模型。 3.不同的简化和假定，也决定了模型必然含有一些参数，以修正模型
与实际体系的差异。 根据不同的简化和假定，分为几种不同层次的模型。 对于固定床反应器，一般有以下模型： 1）、一维拟均相平推流模型 2）、一维拟均相带有轴向返混的模型 3）、二维拟均相模型 4）、二维非均相模型 5）、二维非均相带有颗粒内梯度的模型

化学反应工程教案10（化工13）- 胡江良课型理论课"讨论课口课次10 课时2 （请打实验课口习题课口V）其他口授课题目（教学章、节或主题）：第4章气固相催化反应本征动力学4.1气固相催化过程4.2固体催化剂教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）::1.理解催化过程及特征；2.掌握非均相催化过程七个步骤；3.掌握催化剂的组成、制备；教学重点及难点：重点：非均相催化过程。

难点：催化剂的组成。

教学基本内容方法及手段4.1气固相催化过程只有平衡常数很大而反应速率较小的过程，催化剂才能充分发挥作用。

4.1.1催化过程及特征例子：A+B R+S吸附：A + a A CTB + - B a表面反应：A* + B CT R + S CT脱附：亡二R + -S = s + a催化剂（▽）作用：参与反应（改变反应历程），但其质和量在反应前后维持不变催化定义：这种物质的加入改变了讲解化学反应工程课程教案原化学反应的历程，尽管它参与了反 应，但其质和量在反应前后维持不变， 因此被称为催化剂。

有催化剂存在的反 应过程称为催化反应过程。

非均相催化反应过程：若催化剂与 原物料形成的混合物是同一相时，该反 应过程称为非均相催化反应过程。

催化反应过程的特征催化剂改变反应历程和反应速催化剂的存在不改变反应过程 的热力学平衡特性（ GO=-RTInK ；3）催化剂等速加快/减小可逆反应 的正逆反应速率；4 ）催化剂对反应过程有良好的选 择性；5）如果希望催化剂充分发挥作用， 应当尽可能增加反应物与催化剂的接 触；4.1.3、非均相催化反应速率表达均相反应定义：1昭r = - V dt以催化剂体稅为基准：「丄空或「“丄坐恫则说）］%说 A V s dl ［' 创以催化剂质量为基准：2、 率;拧剛化）］4.1.3、均相催化 应过程 （步骤）催化剂多为多孔性介质，相对于丰 富的内孔，外表面的催化作用贡献量可 忽略不计探1外扩散：反应组分由物流主体 ，催化剂外表面探2内扩散：反应组分由催化剂外 表面，催化剂内表面探3吸附：反应组分在催化剂活性 中心上吸附探4表面化学反应：在催化剂表面 进行化学反应探5脱附：反应产物在催化剂表面 解吸探6内扩散：反应产物由催化剂内 表面，催化剂外表面探7外扩散：反应产物由催化剂外 表面，物流主体气固相催化反应的7个步骤、3个 过程探1,7为外扩散过程； 探2,6为内扩散过程探3,4,5为化学动力学过程探 控制步骤的速率决定了整个宏观非 一—上一一以觥剂内麺辎基鬲反应的速率化物可增加活性组分表面积和热稳定性（AI2O3、MgO等）3）载体（稳定剂和分散剂）。