化学反应工程31间歇釜式反应器

第一章工业反应器的分类1.按操作方法分类（1）.间歇反应器（2）.管式及釜式连续流动反应器（3）.半间歇反应器2.按流动模型分类（1）理想流动模型 ：a.平推流反应器，PFR b.全混流反应器，MFR 或CSTR（2）非理想流动模型由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停留时间分布（RTD ）。

RTD(1) 年龄分布——仍然留在反应器中的质点的RTD(2)寿命分布——反应器出口处质点的RTD返混 :不同年龄质点间的混合—时间概念上的逆向。

连续流动反应器中，反应物料的参数随空间位置而变，不同空间位置的物料由于倒流、绕流、回流等流动状况，使不同年龄的质点混合，即返混。

理想流动模型1.平推流模型——反应物料以稳定流量流入反应器，沿着流料的流动方向，物料的流速、浓度、温度、压力等参数都相同，所有材料质点具有相同的停留时间，不存在返混，即返混量为零。

2.全混流模型——（1）返混程度为无穷大。

（2）反应物料的稳定流量流入反应器，新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。

（3）出口处物料的浓度、温度等参数与反应器中物料相同。

（特点）非理想流动模型——偏离上述两种理想流动模型，偏离程度可通过测定停留时间分布来确定。

ξ称为“反应进度”转化率（通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分）化学膨胀因子（δA 为组分A 转化1摩尔时，反应物系增加或减少的量，称为化学膨胀因子） 目的产物的收率选择率Y=Sx化学反应速率 1.间歇系统 间歇釜式反应器中液相反应物所占体积变化可以略去，即等容反应 2.连续系统000A A A A A A n n n x n n --∆==,,mol Y mol=生成目的产物所消耗的关键组分的量进入反应系统的关键组分的量,,mol S mol=生成目的产物所消耗的关键组分的量已转化的关键组分的量1()A A V dn r V dt =-()i i V dc r dt =±()i i V R dN r dV =±()i i S dN r dS =±()i i W dN r dW =±VR 为反应床层体积，S 为反应表面积，W 为固体催化剂质量。

1 绪论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）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。

解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：（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），组分摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol)CH32/（2+4+1.3）=0.2740 27.40OH空气4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81总计 1.000 100.0A P出口甲醇、甲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 moln P=n A0Y P=18.96 moln 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 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln N=n N0=43.28 mol组分摩尔数（mol）摩尔分率%7.672 6.983CH3OH18.96 17.26HCHOH2O 38.3 34.87CO2 0.7672 0.6983O2 0.8788 0.7999N2 43.28 39.392 反应动力学基础2.4在等温下进行液相反应A+B→C+D，在该条件下的反应速率方程为：若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应，求反应4min时A的转化率。

解：由题中条件知是个等容反应过程，且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得由（2.6）式可知代入速率方程式化简整理得积分得解得X A=82.76%。

2.6下面是两个反应的T-X图，图中AB是平衡曲线，NP是最佳温度曲线，AM是等温线，HB是等转化率线。

《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: 必修课总学时：60适用对象: 煤化工生产技术先修课程：高等数学、基础化学、物理化学、化工原理、化工设备基础一. 课程的性质和任务化学反应工程主要是是运用化学热力学和化学动力学的知识，结合反应器中流体流动、混合、传热和传质的传递过程，进行反应过程的解析、反应技术的开发、反应器的分析与设计，研究反应过程动态特性，实现反应过程的最佳化，从而提高化学反应的工程和工艺水平。

本课程主要讲授化工动力学及化学反应器的数学模拟与设计计算，主要培养学生应用基础理论知识和所学的专业知识，进行反应器的建模、设计和优化，课程内容适应现代化工企业对化工人才知识、能力和素质结构的要求，反映了现代化工行业的发展方向，努力体现了化工设备工艺领域的技术发展前沿。

二、教学基本要求通过本课程的教学，要使学生掌握工业规模化学反应过程的优化设计与控制的基本理论和基本知识及其相应的基本技能，培养学生具体分析、计算和解决化工生产中有关化学反应过程的实际问题的能力。

培养学生从基础理论、工程观点、经济观点出发，综合处理工程问题的能力。

三、教学内容及要求1绪论§1．1 化学反应工程的发展、任务和范畴§1．2 化学反应工程的分类§1．3 化学反应工程的研究方法了解：化学反应工程发展历史、化工工业在国民经济中的地位，化学工业发展趋势。

掌握化学加工工业的基本概况、特点，掌握石油、煤、天然气等能源概况。

重点：化学反应工程的操作方法分类、研究方法模型法、解析法2均相反应动力学基础§2．1 基本概念和术语§2．2 单一反应动力学方程§2．3 复杂反应动力学方程掌握：均相反应动力学的基本概念和术语；掌握单一反应动力学和复杂反应动力学方程的计算方法。

重点：等温恒容过程、等温变容过程、可逆反应动力学方程、平行反应动力学方程、连串反应动力学方程难点：化学反应本身的反应速率规律；浓度、温度、压力及催化剂对反应速率的影响3反应器内的流体流动§3．1 返混§3．2 流体在反应器内的停留时间分布§3．3 两种理想流动模型的停留时间分布§3．4 非理想流动模型了解：返混的概念；反应速率、选择性、停留时间分布函数的概念及应用。

题目：全混流连续操作反应器，反应器内温度、浓度处处均匀一致，故所有物料粒子在反应器内的停留时间相同。

正确答案：错题目：相同条件下，分别用下列反应器处理物料，比较反应器有效容积的大小。

①单段全混流反应器（V R1）②四个体积相同的全混流反应器串联（V R2）③两个体积相同的全混流反应器串联（V R3）④平推流反应器（V R4）则（V R4）＞（V R2）＞（V R3）＞（V R1）正确答案：错题目：设备放大，造成微元停留时间分布和返混程度改变，放大时反应结果恶化。

正确答案：对题目：生产能力是相同条件下，单位时间、单位反应器体积所能获得的（产物量），或完成相同生产任务，所需反应器的（体积）。

题目：化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。

题目：釜式反应器的基本结构主要包括反应器（壳体）、（搅拌器）、（密封装置）和（换热装置）等。

题目：手孔或人孔的安设是为了检查（内部空间）以及安装和拆卸设备（内部构件）。

题目：釜式反应器中夹套式换热器适用于传热面积（较小），传热介质压力（较低）的情况。

题目：基元反应的级数即为化学反应式的（计量系数），对非基元反应的级数通过（实验）确定。

题目：单一反应利用（转化率）可以确定反应物转化量与产物生成量之间的关系。

题目：间歇反应，只要C ＡＯ相同，无论处理量多少，达一定（转化率）每批所需的（反应时间）相同。

题目：对同一反应在相同条件下，达到相同转化率，全混釜反应器所需有效体积（最大），平推流反应器所需有效体积（最小），多釜串联全混釜所需有效体积（介于其间）。

题目：一级不可逆反应，其反应速率方程为（－r A =kC A a ）,反应时间与转化率的关系为（kt )x 11ln(A =-）。

题目：复合反应动力学为由两个以上（化学反应计量式）或（动力学方程式）表示的化学反应过程。

题目：间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。

化学反应工程第三单元 釜式反应器试题一、填空题1、若i 为反应物，i ℜ为 负 (正或负)；反应产物的i ℜ则为 正 (正或负).2、如果采用间歇操作，无物料的输入与输出，即00==Q Q3、由于间歇反应器是分批操作，其操作时间系由两部分组成：一是：反应时间 二是： 辅助时间4、某间歇反应器，进行一级不可逆反应OH H C COONa CH NaOH H COOCCH 523523+→+,反应速率常数等于12-S，要求最终转化率达到95%时，所需反应时间为 1.5s5、单位时间内处理的反应物料的体积为0Q ，反应时间为t ,辅助时间为0t ，则间歇反应器的反应体积为)(00t t Q V r +=6、设在等温间歇釜式反应器中进行下列平行反应AQ A p c k r Q A c k r P A 21),(),(=→=→副主，其两种反应产物的浓度与两个反应速率常数之间的关系是21k k c c QP =7、对于反应A A c r P A 6.1,=→，且该反应在连续釜式反应器中进行，单位时间内处理的原料量Q=4L/h,原料组成0A c =2mol/L,则当最终转化率达到80%时的反应体积为 10L ,空时为 2.5h 。

8、对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积 减小 ，转化速率随转化率的增加而 降低 ，总反应体积 小于 单釜体积。

对于反常动力学，转化速率随转化率的增加而 增加 ，总反应体积 大于 单釜体积。

9、针对瞬时选择性系随转化率的增加而单调下降的情况，不同操作方式的釜式反应器，如：间歇釜、多个连续釜串联、单一连续釜等，相同的最终转化率下最终收率的大小次序为间歇釜>多个连续釜串联>单一连续釜。

10、在相同的反应温度下，间歇釜式反应器的最大收率总是大于连续釜式反应器的最大收率。

二、选择题1、在等温间歇釜式反应器中进行一级不可逆连串反应A −→−k 1P −→−k 2Q ，当21k k =时，P 的最大收率为____。

1.反应动力学主要研究化学反应进行的机理和速率，以获得进行工业反应器的设计和操作所必需的动力学知识，如反应模式、速率方程及反应活化能等等。

包含宏观反应动力学和本征反应动力学。

2.化学反应工程化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的学科，即以化学反应为研究对象，又以工程问题为研究对象的学科体系。

3.小试，中试小试：从事探索、开发性的工作，化学小试解决了所定课题的反应、分离过程和所涉及物料的分析认定，拿出合格试样，且收率等经济技术指标达到预期要求。

中试：要解决的问题是：如何釆用工业手段、装备，完成小试的全流程，并基本达到小试的各项经济技术指标，规模扩大。

4.三传一反三传为动量传递（流体输送、过滤、沉降、固体流态化等，遵循流体动力学基本规律）、热量传递（加热、冷却、蒸发、冷凝等，遵循热量传递基本规律）和质量传递（蒸馏、吸收、萃取、干燥等，遵循质量传递基本规律），“一反”为化学反应过程（反应动力学）。

5催化剂在化学反应中能改变反应物的化学反应速率（提高或降低）而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂。

6催化剂的特征（1）.催化剂只能加速热力学上可以进行的反应。

（2）.催化剂只能加速反应趋于平衡，不能改变反应的平衡位置（平衡常数）。

（3）催化剂对反应具有选择性，当反应可能有一不同方向时，催化剂仅加速其中一种。

（4）.催化剂具有寿命，由正常运转到更换所延续时间。

7活化组份活性组分是催化剂的主要成分，是真正起摧化作用的组分。

常用的催化剂活性组分是金属和金属氧化物。

8.载体催化剂活性组分的分散剂、粘合物或支撑体，是负载活性组分的骨架。

9助催化剂本身没有活性，但能改善催化剂效能。

助催化剂是加入催化剂中的少量物质，是催化剂的辅助成分，其本身没有活性或活性很小，但是他们加入到催化剂中后，可以改变催化剂的化学组成，化学结构，离子价态、酸碱性、晶格结构、表面结构，孔结构分散状态，机械强度等，从而提高催化剂的活性，选择性，稳定性和寿命。