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反应工程第三章-下

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化学反应工程 第三章

化学反应工程 第三章


n1=n2 时，内扩散对选择率无影响 n1》n2时，即主反应的级数大于副反应的级数，则内扩散使选择 率降低 n1《n2时，即主反应的级数小于副反应的级数，则内扩散使选择 率增高 k1 k2 A B D 2. 连串反应 如果连串反应中各个反应都是一级反应，则瞬时选择率

rB k2cB s 1 rA k1cA

反应物从外表面向催化剂的孔 道内部扩散----内扩散
在催化剂内部孔道内组成的内 表面上进行催化反应----化学 反应 产物从催化剂内表面扩散到外 表面----内扩散 产物从外表面扩散到气流主体 ----外扩散



一、气-固相催化反应过程中反应组分的浓度分布
二、内扩散有效因子与总体速率 内扩散有效因子（内表面利用率）： 等温催化剂单位时间内颗粒中的实 际反应量与按外表面反应组分浓度 及颗粒内表面积计算的反应速率之 比。用公式表示为： Si
此种情况发生在活性组分分布均匀．催化 剂颗粒相当小．外扩散传质系数相对 较小而反应速率常数又相对较大的时 候。
如果反应是二级不可逆反应，则反应的宏观速率可表示为：
2 (rA ) g kG S e c Ag c AS k s Si c AS 2 k s Si c AS kG S e c AS kG S e c Ag 0
kG Se (cAg cAS ) kS Si cAS

由此可得
cAS
1 1 Da1

式中Da1表示Damkohler准数： Da1说明外扩散过程的影响，其物理意义为化学反应速率与外扩 散传质速率之比，由此可得一级不可逆反应的外扩散有效因子
kS Si Da1 kG Se
1 ex 1 Da1
化学反应工程第三章习题答案

化学反应工程第三章习题答案

1.理想反应器包括___平推流反应器、__全混流反应器_ 。

2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_全混流__反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应按_平推流_反应器处理。

3.全混流反应器的空时τ是_反应器的有效容积____与___进料流体的容积流速_之比。

4.全混流反应器的返混__∞__，平推流反应器的返混为_零__。

5.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为_循环操作_的平推流反应器6.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为___平推流__反应器，而当β→∞时则相当于_全混流___反应器。

7. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时反应器内返混为_零_，而当β→∞时则反应器内返混为_∞_。

8.对于反应级数n＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_全混流__反应器为宜。

9.对于反应级数n＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_平推流__反应器为宜。

10.分批式操作的完全混合反应器非生产性时间不包括下列哪一项___B____。

A. 加料时间B. 反应时间C. 物料冷却时间D. 清洗釜所用时间11.在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__D_____秒。

A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进行等温一级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__B_____秒。

A. 400B. 460C. 500D. 56013.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为__A__。

A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间14.一级不可逆液相反应，，出口转化率，每批操作时间，装置的生产能力为50000 kg产物R/天，=60，则反应器的体积V为__C__。

A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.415.对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调增大，则最适合的反应器为___A____。

化学反应工程第三章PPT课件

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
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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
化学反应工程第三章反应器内的流体流动

化学反应工程第三章反应器内的流体流动


物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型， 则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当 为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示 意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 ，则上 c F ( t ) 式可以改写成： （3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输 入法，输入的示踪剂浓度 ，在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系： 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ，关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
反应工程课件第三章[可修改版ppt]

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P
于放热速率，体系温度
继续下降，直至到M点。
M
TM
TP
Qr QG
N
T TN
N点：
当有扰动使T略大于TN 时(dT＞0)，移热速率大于
Q
放热速率，体系温度下降
，自动恢复到N点。
当有扰动使T略小于TN
P
(dT＜0)时，，移热速率小
于放热速率，体系温度 M
上升，自动恢复到N点。
TM
TP
QC
N
QR
T TN
反应工程课件第三 章
1）热稳定性和参数灵敏性的概念 如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的， 就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应 该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温 度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数 不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰 动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数 的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的 变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡 状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一 种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反 应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的， 但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定 是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的 平衡和不稳定的平衡。
如果反应器的参数灵敏性过高，那么对参数的调节就会有 过高的精度要求，使反应器的操作变得十分困难。因此，在 反应器的设计中，确定设备尺寸和工艺条件时必须设法避免 过高的参数灵敏性。无论是热稳定性还是参数灵敏牲，两者 都给反应器的设计增加了限制因素。如果不予重视，往往会 使设计的反应器无法操作。
化学反应工程第三章

化学反应工程第三章


m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q

dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
化学反应工程第三章包括答案.docx

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3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：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 l ，反应速率常数等于。

要求最终转化率达到 95%。

试问：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，所需的反应时间又是多少？解：（ 1）(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。

拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ㎏/h ，使用 15%（重量）的 NaHCO3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。

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，要求转化率达到 95%。

（1）（ 1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（ 2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。

62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（ 2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于 50℃等温下进行该反应的实验。

反应开始时两反应物的摩尔比为 1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。

不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的 90%。

试计算反应器的反应体积。

假定（ 1）原料装入以及加热至反应温度（ 50℃）所需的时间为 20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为 10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。

反应工程-答案-第三章

反应工程-答案-第三章

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）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰AfAf X X A A AA 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：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯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：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf 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 f3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。

化学反应工程王承学课后答案第三章

化学反应工程王承学课后答案第三章


2A→R
rR 0.5cA[kmol / m3 h]
cA0 cB0 2kmol / m3
试计算反应 2h 时 A 的转化率和产物 P 的收率？
解 A+R→P（目的） rp 2cA
2A→R
rR 0.5cA
rA 2rR rp 3cA ， k 3h1
xAf
1 1 0.143
k 1 3 2 1
xA1 0.725
1
x A1 kcA0 (1 xA1)2
0.483ks
VRi v0i 0.278 0.483 0.134
VR 2VRi 2 0.134 0.268m3
因此，采用两个等体积釜相串联，反应器的总体积减小近 3 倍。
3-5 在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应：
A+R→P（目的） rp 2cA[kmol /(m3 h)]
Sp
rp rA
2 3
Yp
S p xA
2 3
0.143
9.52%
3-6 图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器， A 0 ，A 初始浓度为
2mol/L，要求转化率为 80%， rA 3cAmol / L min ，求每釜的空时 i
和总反应空时。 解 图解法公式
rAi
1
i
cAi1
1
i
cAi ，
10L 2L / min
5min
CA0 CAf
rAf
rAf
CA0 CAf
(0.1 0.04)mol / L 5 min
0.012mol / L min
rBf 2rAf 0.024mol /(L min) rCf rAf 0.012mol /(L min)
3-3 一个液相反应：
化学反应工程 第三章习题答案

化学反应工程 第三章习题答案

3-1 在反应体积为31m 的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.981-h，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/3m ，环氧丙烷的最终转化率为90%。

若辅助时间为0.65h ，一天24h 连续生产，试求丙二醇的日产量为多少？ 解 32232COHCHOHCH H →+O H COCHCH H( A ) ( B ) 一级反应h x k C C k t Af Af A 35.29.011ln 98.0111ln 1ln 10=-=-==h m h m t t V v /31)65.035.2(13300=+=+=丙二醇日产量=Af A x C v 0024=天/12.159.01.23124kmol =⨯⨯⨯kmol k /g 76M B=丙二醇日产量天/kg 2.111492.11576Q =⨯= 3-2一个含有A 和B 液体)/0.04molc /10.0c (B00L L mol A ==、 以体积流量2L/min 流入容积V R =10L 的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A →2B+C 。

已知由反应器流出的物料中含有A 、B 和C ，L mol c Af /04.0=。

试求：在反应器内条件下，A 、B 和C 的反应速率？解 空时min 5min/2100===L Lv V R τmin5/)04.01.0(00L mol C C r r C C AfA Af AfAfA -=-==-ττmin /012.0∙=L molmin)/(024.02∙==L mol r r Af Bfmin)/(012.0∙==L mol r r Af Cf3-3 一个液相反应： A+B →R+S其中，min)/(71∙=mol L k ，min)/(32∙=mol L k 。

【精编】化学反应工程第三章.PPT课件

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S CB0 CA0 CA0
VR
V0 （ xAf kCA0 1 xAf
）
VR
V0 SkCA0
ln 1SxAf (1S)(1xAf
)
xAf
CA0k 1 CA0k
xAf
(1(1SS)()eeCCAA00kk
1) 1
r kC A
n A
VRk(nV10)CA n 01[1(1( 1xA xfA)fn)n11]
1级反应：CA CA0ekt
C A 随 t 较缓慢下降；
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
C A 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应 A→B 反应速率 r0 .0C 1 A 2 m/o l(s)l
平推流反应器
VR/V0 CA0
xAf 0
dxA rA
tmV VR 0
CA0
xAf 0
dxA rA
ห้องสมุดไป่ตู้
式中rAkCAn ; CACA0(1xA)
间歇反应器
t CA0
xAf 0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三. 等温平推流反应器的计算
等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随
1.CA0→(VR1 ,T1 )→ CA1 → (VR2 ,T2 ) → CAf
2. CA0→ (VR2 ,T2 ) → CA2 → (VR1 ,T1 ) → CAf
第三节 连续流动釜式反应器
（全混流反应器）

生物反应工程第三章


Yx / s
生成细胞的质量 X 消耗基质的质量 S
• 单位:g细胞/g基质。 注：细胞是指干细胞的质量
• 微分细胞得率（或瞬时细胞得率） ：某一瞬间的 细胞得率。 dX rX dX dt YX S dS dt dS rS
• rx：微生物细胞的生长速率；rs：基质的消耗速
求酵母细胞的Yx/s和Yx/o
• 同化作用，也称合成代谢，是生物 体从环境中取得物质，转化为体内 新的物质的过程。 • 异化作用，也称分解代谢，生物体 内的原有物质分解代谢，释放能量， 转化为环境中的物质的过程。
• 微生物反应的特点之一是通过呼吸链（电子传 递）氧化磷酸化生成ATP。 • 当1mol碳源完全氧化时，所需要氧的mol数的4 倍称为该基质的有效电子数。 • 基于有效电子数的细胞得率Y-ave
四、pH • 不同微生物有其最适生长的pH值范围。大 多数自然环境的pH值为5～9，许多微生物 的最适生长pH也在此范围内，只有少数种 类可生长在pH值低于2或高于10的环境中。 大多数酵母与霉菌在微酸性（pH5～6）环 境中生长最好，而细菌、放线菌则在中性 或微碱性条件下生长最好。
五、湿度 • 细菌要求水活度（湿料饱和蒸汽压/相同 温度下纯水饱和蒸汽压）在0.90～0.99 之间；大多数酵母菌的为0.80～0.90； • 真菌及少数酵母菌要求在0.60～0.70。 因此，固态发酵常用真菌的原因就是其 对水活度要求低，可以排除其它杂菌的 污染。
酵母菌的生长方式有出芽繁殖、裂殖和芽裂 （如同菌丝生长）三种。在最适条件下， 酵母在45 min内就可以分裂，比较典型的 分裂时间为90～120 min。 霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从菌丝 体（顶端生长）的顶端细胞间形成隔膜进 行生长，一旦形成一个细胞，它就保持其 完整性。霉菌的倍增时间可短至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间为4～8 h。

化学反应工程第三章答案

解： 即得：
整理得： 解得：XAf=反应器出口A,B得浓度分别为：
在一多釜串联系统，2.2kg/h的乙醇 和1.8kg.h的醋酸进行可逆反应。各个反 应器的体积均为0.01m3，反应温度为100℃，酯化反应的速率常数为×10-4l/,逆反应（酯的水解）的速率常数为×10-4l/。反应混合物的密度为864kg/m3,欲 使醋酸的转化率达60%，求此串联系统釜的数目。
醋酸丁酯产量=
如果进行的是一级反应，可进行如下计算：
（1） （1） 小反应器在前，大反应器在后 联立二式，且将XA2=代入，化简后得到
解得：XA1=
所以有：
醋酸丁酯产量=
（2）大反应器在前，小反应器在后解得XA1=
所以有：
产量同前。说明对此一级反应，连接方式没有影响。
等温下进行级液相不可逆反应： 。反应速率常数等于5m，A的浓度为2kmol/m3的溶液进入反应装置的流量为1.5m3/h，试分别计算下列情况下A的转化率达95%时所需的反应体积：（1）全混流反应器;（2）两个等体积的全混流反应器串联； （3） 保证总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联。
时间，min
0
10
20
30
50
∝
NaOH用量，ml
现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸， 产量为500kg/h，且丙酸 钠的转化率要达到平衡转化率的90%。试计算反应器的反应体积。假定（1）原 料装入以及加热至反应温度（50℃）所需的时间为20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
丙酸的产量为：500kg/h=min。 所需丙酸钠的量为:=min。
原料处理量为：
反应器体积： 实际反应体积：

化学反应工程备课-第三章


非理想流动模型
偏离活塞流的产生的原因： ——涡流、湍动或流体碰撞 反应器中的填料或催化剂引 起旋涡运动(a) ； ——垂直于流体流动方向截 面上的流速不均匀(b)；
——填料或催化刑装填不均 匀引起的沟流或短路(c)；
——存在死角。
偏离全混流的几种情况 ——搅拌不均匀造成死角(a)； ——进、出门管线设置不好引起短路(b)； ——搅拌造成再循环。
（2）浓度效应 ——主反应级数大于副反应级数，即需要cA高时，可以采用 活塞流反应器(或间歇反应器)；或使用浓度高的原料，或采用 较低的单程转化率等
——主反应级数小于副反应级数，即需要cA 低时，可以采用全 混流反应器；或使用浓度低的原料(也可加人情性稀释剂，也 可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度)；或 采用较高的转化率等。
设计和优化的基础。
反应器就流体的返混情况而言，抽象出两种极限的情况： （1）完全没有返混的活塞流反应器——实际生产中的多数管 式反应器及固定床催化反应器。 （2）返混达到极大值的全混流反应器——多数槽式反应器。
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
——对复合反混中的平行反应，若主反应级数低于副反应级 数，对复合反应中的连串反应选择率下降。若主反应级数高 于副反应级数，返混使主产物选择率下降，返混使主产物选 择率提高。
——对复合反应中的连串反应，返混使反应物浓度降低，产 物浓度提高，因而使主产物的选择率下降。 （2）逗留时间分布 ——逗留时间分布密度
全混流反应器中由于返混，整个反应器的推动力等于出口处反 应推动力。
——如果在相同温度、相同进、出口浓度， CA0、CAf 、 CA*相

生物反应工程第三章答案

第3章 固定化酶催化反应过程动力学一、基本内容：酶的固定化是为了解决游离酶分子在催化反应过程中不易回收、稳定性差、操作成本太高而采用的一种方法。

酶固定化后必然会对其催化反应动力学有一定的影响。

因此，本章主要分析来阐明固定化酶与游离酶催化反应动力学的区别，并对重要的扩散效应进行了详尽的研究。

1、固定化酶是通过物理或化学方法，将游离酶转变成为在一定空间内其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水，但仍具有活性的酶。

主要优点有：易于分离、可反复使用、增加稳定性、提高机械强度、便于生产连续化和自动化、降低酶催化反应操作成本等。

2、酶的固定化方法有：吸附法、包埋法、共价法、交联法。

每种固定化方法均有利有弊，要根据实际情况进行选择。

3、影响固定化酶动力学的因素有：空间效应（包括构象效应和位阻效应）、分配效应（包括亲水效应、疏水效应和静电效应）和扩散效应（包括外扩散效应和内扩散效应）。

不同因素对酶动力学影响结果见下图：游离酶固定化酶改变的本征速率和动力学参数固有速率和动力学参数宏观速率和动力学参数本征速率和动力学参数空间效应分配效应扩散效应4、固定化酶催化反应外扩散效应。

固定化酶与溶液中底物反应过程包括三步：（1）底物从液相主体扩散到固定化酶表面；（2）底物在固定化酶表面进行反应；（3）产物从固定化酶表面扩散到液相主体。

其中酶催化反应速率可由M －M 方程表示max SiSi m S r C R K C =+0()S Si i；底物由液相扩散到催化剂表面速率可表示为Sd L R k a C C =−。

在稳态时，应存在Si Sd R R =，即max 0()SiL S Si m S r C k a C C K C −=+i。

5、固定化酶催化反应外扩散效应影响下反应速率的求解。

主要包括两个方面：由表面浓度C Si 求解和由有效因子E η求解。

（1）表面浓度C Si 求解。

由式max max00max 0002()10Si SiL S Si S Si m Si L m SiSi m S S S L S SS S Sr C r C k a C C C C K C k a K C C K r C K C C k aC C C C K C K C −=⇒−=++−⇒+引入＝，＝，定义Da=可得：＝Da +（＋Da-1）＝S K −Da-1当a>0时，取“＋”号，当a<0时，取“-”号。

化学反应工程 第三章

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。

二、理想流动模型1.平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。

化学反应工程 第三章


t xAf
x cA cAf 图3－3 等温间歇液相反应 过程反应时间t的图解积分4 cA0
图3－2 等温间歇液相反应 过程t/cA0的图解积分
1. 等温等溶液相单一反应 在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆 反应，则关键反应物A的反应速率式为：
dc A (rA )V k c f (c A ) dt c Af dcA 所需反应时间为：t c k f (c ) A0 c A
2. 增加组分B的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。
17
4. 反应温度 对于间歇釜式反应器，可以在反应时间的不同 阶段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度。 一般说来，高转化率时，反应物的浓度减少，反应 速率也随之减少，可以通过提高反应温度，促进反 应速率常数增大而增加反应速率。 如间歇釜式反应器中的硝化反应，在反应前期， 温度为40～45℃；反应中期，温度为60℃；而反应 后期，温度提高到70℃。
19
解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量， 12000 可算出每小时乙酸需用量为 16.23kmol / h
88 24 0.35
由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg 时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg 由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为：
rA 1.045c kmol /(m h)
2 A 3
对1kmol A而言，投料情况是：
醋 酸 A 1kmol 60kg 0.062m3
正丁醇 B
4.96kmol
368kg
0.496m3
可求出，投料总体积VR=0.559m3
c A0 nA0 1.79kmol / m3 VR
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]
Teq
=
E2 R ln[ k20
−
E1 x Ae
]
E1 k10 (1− xA )
k10 (1− xAe )
！与平衡温度的区别
二氧化硫催化氧化反应 71
A ←⎯⎯k⎯1⎯→ P 1,1可逆反应 k2
(−rA ) = k1cA − k2cp = k1cA − k2 (cA0 − cA )
∫ ∫ t = − cAf
` 可逆反应定义： 正方向和逆方向都以显著速率进行的反应
` 实例： 合成氨、水煤气变换和酯化反应
62
正、逆反应均为一级反应
平衡时
A ←⎯⎯k⎯1⎯→ P 1,1可逆反应 k2 正反应速率＝负反应速率
cp = cA0 − cA
(−rA) = k1cA − k2cp ========= k1cA − k2(cA0 −cA) = 0
dcP
定 义
β = rP = dt = − dcP
−rA − dcA dcA
dt
定 义
β = cPf
cA0 − cAf
图解法：
β
β
∫ cP
=−
c Af cA0
β dcA
=
=
∫ β
=
−
cAf cA0
βdcA
cA0 −cAf
Ca f
CA 0 CA
89
Φ = CPf − CP0 CA0
z 实际工业反应器有两种方案
K = k1 = cA0 − cAe = xAe
k2
cAe
1− xAe
反应平衡常数
k1cAe = k2 (cA0 − cAe )
T~K~ xe
下标e表示平衡状态
63
A ←⎯⎯k⎯1⎯→ P 1,1可逆反应 k2
` K与T的关系符合Vant Hoff方程： TT对对KK的的影影响响与与反反应应 化学平衡常数与温度的关系 热热效效应应有有关关
K = k1 = xAe = 0.667 = 2.003 k2 1− xAe 1− 0.667
解得：k1=0.0577, k2=0.0288 (−rA ) = 0.0577cA − 0.0288(cA0 − cA )
78
习题3-4
在 间歇反应器中由乙醇和乙酸生产乙酸乙酯，其反应式为：
C2 H 5OH + CH 3COOH ↔ CH 3COOC2 H 5 + H 2O
K 2C A0
ln xAe
− (2xAe − 1)xA x Ae − x A
= k1t
积分式
工程措施：理想间歇反应釜中的可逆反应
•工业过程受平衡的限制（热力学） •破坏平衡的措施：
①改变K—吸热，T ↑, xAe ↑ 受材质限制； —放热, T ↓, xAe ↑ 受动力学限制。
②改变体系浓度——反应、分离组合
反应达平衡时，
dxA = 0 dt
x Ae
K
=
k1 k−1
=
CR ⋅CS CA ⋅CB
=
x Ae 2 (1− xAe )2
k−1 = k1(1− xAe )2 / xA2e
将k-1代入微分式并积分可得：
∫ ∫ xA
dx A
0
(1 −
xA)2
−
(1 −
x Ae ) 2
x
2 A
/
x
2 Ae
=
t
0 k1C A0dt
k = k1 = 0.4 k2
xAe
=
0.4 1+ 0.4
=
0.286
若使 xA = 0.9 ，则采用以下措施：⑴移走产物，
破坏平衡。（2）降低温度。
76
下面以方案⑵进行计算：
xA = 0.9 时
K = xA = 0.9 = 9 1− xA 1− 0.9
d ln K = (−ΔH )
dT
RT 2
ln K2 = (−ΔH ) ( 1 − 1 )
存在最优反应温度
存在具有最大反应速率的温度 最优的反应温度
70
针对可逆放热反应而言
` 最优反应温度
◦ 对于一定的反应混合物组 成，具有的最大反应速率 的温度
` 最优温度线
◦ 不同反应物组成时相应的
最优温度
[
∂
(−rA ∂T
)
]C
A
0
,
x
A
=0
⇒ Topt
=
E2 − E1 R ln[ E2 k20
xA
67
A ←⎯⎯k⎯1⎯→ P 1,1可逆反应 k2
(−rA ) = k1cA − k2cp = k1cA − k2 (cA0 − cA )
平衡时
k1c Ae = k2 (c A0 − c Ae )
(− rA ) = (k1 + k2 )(cA − cAe ) (−rA ) = (k1 + k2 )cA0 (xAe − xA )
K1
R T1 T2
ln 9 = 130959 (
1
− 1)
0.4 8.314 210 + 273.15 T2
T2 = 441.07K = 167.9°C
77
例7 可逆一级液相反应 A ←⎯⎯⎯⎯→ P ，已知 cA0 = 0.5mol / L , cP0 = 0。当 此反应在间歇反应器中进行时，经过8 min A的转化率是 33%，而此时平衡转化率为66.7 %。此反应的动力学方程 。 解：根据题意已知：经过8 min A的转化率是33%，而此时 平衡转化率为66.7 % ，即：
68
A ←⎯⎯k⎯1⎯→ P 1,1可逆反应 k2 (− rA ) = (k1 + k2 )(cA − cAe )
(−rA ) = (k1 + k2 )cA0 (xAe − xA )
(−rA
)
=
(k1
+
k2
)cA0
(
K K+
1
−
x
A
)
z 可逆反应速率的浓度效应与简单反应相同
z 可逆反应速率的温度效应受速率常数和平衡常数双重 影响
k
1
c
n1 A
+
k
2
c
n A
2
◦ 为某一浓度、温度条件下的选择率
` 平均选择率：
◦ 对反应结果作出评价 ◦ 瞬时选择率的平均值
β = cPf − cP0
cA0 − cAf
∫ β
=
−
cAf cA0
β dcA
cA0 − cAf
f为反应系统的最终状态
88
A〈 ⎯k⎯1→ P（主产物） ⎯k⎯2 → S（副产物）
温度效应
提高温度有利于活化能高的反应
多数情况下考虑反应的选择性
83
A〈 ⎯k⎯1→ P（主产物） ⎯k⎯2 → S（副产物）
主反应速率 (−rA)1 = k1cAn1 = rP
副反应速率 (−rA)2 = k2cAn2 = rS
反应物A消失速率：
(−rA) = rP + rS = k1cAn1 + k2cAn2
84
A〈
⎯k⎯1 → ⎯k⎯2 →
等压时
◦ 可逆吸热反应，ΔHr>0，T↑，K↑ K
x 升高温度对反应平衡有利
◦ 可逆放热反应，ΔHr<0，T↑，K↓
x 升高温度对反应平衡不利
ΔHr〉0
ΔHr〈0
T
64
A ←⎯⎯k⎯1⎯→ P 1,1可逆反应 k2
` 平衡转化率与平衡常数的关系
xAe
=K 1+K
` 平衡转化率与温度的关系
K↑， xAe ↑
( A)
(B)
(P)
(S)
要求日产量为50000kg。液相中反应速率由下式给出：
(−rA )
=
k (c A c B
−
cPcS K
)
100 ℃时， k = 7.93×10−6 m3 /(kmol ⋅ s), K = 2.93
料液中酸和醇的质量分数分别为23%和46%，酯的浓度为 0，酸的转化率控制在35%，物料密度基本上为常数，其值 是1020kg/m3，反应器每天按24h操作，每一生产周期中加 料、出料等辅助时间为1h,计算所需反应器体积。
dcA
= cAf -
dcA
cA0 (−rA) cA0 k1cA − k2 (cA0 − cA )
(−rA ) = (k1 + k2 )cA0 (xAe − xA )
72
二级可逆反应
A＋B↔R＋S
判断： 长时间反应，CA, CB存在，→ 证明可逆反应
（−
rA）=
−
dC A dt
= k1C AC B
− k−1C RC S
x Ae
=
1+
k20
1 e( E1−E2 ) / RT
k10
反应结果受热力学平衡 条件的限制
如何理解？
65
x Ae
=
1+
k20
1 e( E1−E2 ) / RT
k10
Teq
=
E2 R ln[ k20
−
E1 x Ae
]
k10 (1− xAe )
x Ae
=
K 1+ K
可逆吸热反应：
平衡转化率随着温度的升高而升高； 当K>>1时，反应平衡转化率趋近于1，作不可逆反应处理；
可逆放热反应：
平衡转化率随着温度的升高而降低； 当K<<1、温度较高时，反应平衡转化率极小，反应难以获得产品6；6
可逆反应与简单反应的主要区别 反应结果受热力学平衡条件的限制