常州大学化学反应工程考试45368.pdf

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1、 11 化学反应工程 1、化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。2、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。3、化学反应和反应器的分类：按反应系统涉及的相态分类，分为均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。非均相反应，包括气固相，气液相，气液固相反应等。按操作方式分类，分为间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，

2、而另一些则是连续流动通过反应器。按反应器型式来分类，分为管式反应器，一般长径比大于 30 槽式反应器，一般高径比为 13 塔式反应器，一般高径比在 330 之间 按传热条件分类，分为等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。；绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。；非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。4、化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。5、化学反应式：6、7、转化率：一个化学反应进行的程度。8、化学反应速率：反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率 nA：反应体系内，反应物 A 的摩尔数；V：反应体积 t：时间 SRBAs

3、rbaA0A0AAAnnnAx组分的起始量组分量转化了的13smmoldd1tVr13AAsmmoldd1tnVr 22 例题：4D3C2BA对于反应 9、反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。10、动力学方程：cA，cB：A，B 组分的浓度 11、阿累尼乌斯关系：12、kc0：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反应速率常数相同的因次。E：活化能，Jmol-1，从化学反应工程的角度看，活化能反映了反应速率对温度变化的敏感程度。13、反应级数：m，n：A，B 组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。14、15、对一级不可逆反应，恒容过程，有：16、半衰期：定义反

4、应转化率达到 50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。17、定义反应转化率达到 50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。18、二级反应：13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVr DCBA413121rrrrSRBAsrba13BAcAsmmolnmcckrRTEkkec0cnmckctnVrBAAAdd1AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt2AAddkctcAA0A0AA1111xxccckt0A211kct 33 19、动力学方程表现的是化学反应速率与反应物温度、浓度之间的

5、关系。而建立一个动力学方程，就是要通过实验数据回归出上述关系。20、积分法：例如：一级反应：例题 1：等温条件下进行醋酸(A)和丁醇(B)的醋化反应：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O 醋酸和丁醇的初始浓度分别为和。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。第一步；题目没有交代这个反应是几级反应，所以设这个反应是几级反应 将实验数据分别按 0、1 和 2 级处理并得到t-f(cA)的关系 21、化学反应器设计基础：物料衡算方程 22、23、24、停留时间t和平均停留时间 停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。ktc

6、c0AAlnt/hr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 醋酸转化量 102/kmol.m-3 0 1.636 2.732 3.662 4.525 5.405 6.086 6.833 7.398 nnmckckctcrAABAAddt/hr cA cA0-cA 0AAlncc 0AA11cc 0 0.2332 0 0 0 1 0.2168 0.01636 0.07298 0.3244 2 0.2059 0.02732 0.1245 0.5686 3 0.1966 0.03662 0.1707 0.7983 4 0.1879 0.04525 0.2160 1.03375 5 0.1792 0.0

7、5405 0.2630 1.2922 6 0.1723 0.06086 0.3030 1.5157 7 0.1649 0.06833 0.3470 1.7761 8 0.1592 0.07398 0.3820 1.9932 1b1r1out1insmolAsmolAsmolAsmolAFFFF量的积累元中物料单位时间内体积量物料元中反应消失的单位时间内体积量体积元的物料单位时间排出量体积元的物料单位时间进入broutinFFFF 44 25、空间时间 其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。即 26、空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要

8、的时间。27、空间速度SV ：空速的一般定义为在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。28、返混：如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程。29、按返混情况不同反应器被分为以下四种类型：、间歇反应器:在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。、平推流反应器：在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。、全混流反应器：连续操作的充分搅拌槽型反应器（

9、简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。、非理想流反应器：物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。30、间歇反应器：反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。31、间歇反应器特点：由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；出料组成与反应器内物料的最终组成相同；为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、

10、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。32、间歇反应器设计方程：0RVV1R0VhVVS1RNOVhVVS1A0ARAsmolddtxnVr 55 恒容条件下：33、间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，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。34、例题：某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在 70用间歇釜并以 H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：cA0=4 若每天处理 2400kg 己二酸，每批操作辅助生产时间为 1h，反应器装填系数为，求：(1)转化率分别为xA=，时，所需反应时间为多少 (2)求转化率为，时，所

11、需反应器体积为多少 解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：xA=xA=tr=xA=tr=xA=tr=(2)反应器体积的计算 xA=时：tt=tr+t=+1=每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为 146，则有：Ar0RAAA00rddxtVrxnttAA0AAA0AAA0rddccxrcrxct132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097.1kAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10.26015.015.041097.113rt10Ahkmol684.0146242400F 66 处理体积为：实际反应器体积

12、VR：反应器有效容积VR：实际反应器体积VR：当xA=时：tt=19+1=20h VR=20=VR=35、平推流反应器：通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，36、理想置换反应器的特性：由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。37、理想置换反应器的设计方程：

13、进入量-排出量-反应量=累积量 故 FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0 由于 FA=FA0(1-xA)微分 dFA=-FA0dxA 所以 FA0dxA=(-rA)dVR 130A0A0hm171.04684.0cFV3t0Rm63.15.9171.0tVV3RRm17.275.063.1VVAR0AA00ARddxVrxFVA0AA0A0ARdxrxcFVA0AA0A0RdxrxcVV2A1AAA0RdccrcVV 77 例 1-4 条件同例 1-3，计算转化率分别为 80、90时所需平推流反应器的大小。对 PFR：代入数据xA=时：38、变容反应过程 膨胀因子和膨胀率：为了表征由于

14、反应物系体积变化给反应速率带来的影响，引入两个参数，膨胀因子和膨胀率。39、膨胀因子 膨胀因子：即关键组份 A 的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以 A 组分计量系数的相反数 例题：40、膨胀因子的物理意义：关键组分 A 消耗 1mol 时，引起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变化。A0 是摩尔数增加的反应，反应体积增加。A0 是摩尔数减少的反应，反应体积减小。A=0 是摩尔数不变的反应，反应体积不变。41、膨胀率：物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。2A1AAA0A0Rdxxrxc

15、VV222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcVVx33Rm45.16018.018.041097.1171.0VSRBAsrbaAIA02312C3BA2A001AAAAxxxVVV 88 42、即 A 组分的膨胀率等于物系中 A 组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。43、膨胀因子与膨胀率的关系：44、变容过程转化率与浓度的关系：例题：均相气相反应 A3R，其动力学方程为-rA=kcA，该过程在 185，400kPa 下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含 50惰性气，为使反应器出口转化率达 80，该反应器体

16、积应为多大 解：该反应为气相反应 A3R 已知yA0=，因此A=yA0A=1 平推流反应器设计方程 例题 2、在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。年设计生产能力为 14 万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为 80，反应器在 1100K 等温，恒压 600kPa 下操作，已知反应活化能为 kJmol-1，1000K 时，k=s-1。设计工业规模的管式反应器。AA0AyAAA0AA11xxcc2113AA0AA0Adxrxc30R1313008.00AA8.00AAA8.00AAA0AA0A8.00AA0A0AA0Am4.381587.08.241sm1587.0hm

17、2.57140018515.273314.85.0/30s8.2411ln2100d1110011dddAVVpRTFVxxxxxxxkcxckcxcrxcx 99 解：设 A 为乙烷，B 为乙烯，C 为氢气 反应器流出的乙烯的摩尔流率是：进料乙烷的摩尔流率是：计算 1100K 时反应速率常数：膨胀因子：膨胀率：进口体积流量：平推流反应器设计方程 CBAHHCHC242621111117Bskmol175.0kmolkg28hs3600dh24ad330akg1014F1ABA0skmol219.08.0175.0 xFF11000110010001100314.8103.347K110010

18、001100100011001000011000K1000K11000s23.3e0725.0eeee3kkkkkkkRERERERTE11111A111AA0Ay1333000A0sm34.3106001100314.810219.0pRTFV8.00AAA8.00AA08.00AAAA0A000AA0A0R0AA0A0Rd1123.334.31d11dddAAxxxxkxVxxkcxcVkcxcVVrxcVVAxx 1010 45、流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。46、恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间不同。如

19、果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。恒容条件下，A=0，上式还原为：47、全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称 CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。48、全混流反应器特性：物料在反应器内充分返混；反应器内各处物料参数均一；反应器的出口组成与器内物料组成相同；连续、稳定流动，是一定态过程。49、全混流反应器基本设计方程：50、恒容条件下又可以简化为：例题：条件同例 1-3 的醇酸树脂生产，若采用 CSTR 反应器，求己二酸转化率分

20、别 80、90时，所需反应器的体积。R0RdVVVt AAR0AAAAA00AA0AA00R1d1ddxxAVxrxcxVrxFVVtA0AA0AdxrxcfA1AAf0A0RrxxcVVfAAfA1rcc2A2A0A1xkcr110Aminkmol0114.0hkmol684.0Fv1.0 可编辑可修改 1111 由设计方程 代入数据，xAf=时 代入数据，xAf=时 51、从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体积略大些，这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化率

21、增加时，所需反应体积迅速增加。Page 114 复合反应与反应器选型 52、间歇反应器与平推流反应器：平推流反应器在结构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但有一点是共同的，就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。53、间歇反应器与全混流反应器：间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混

22、达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样。54、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：130hm171.0V2A20A1AAf0AR1xkcxxFV3223Rm23.78.0141097.18.00114.0V3223Rm6.329.0141097.19.00114.0Vv1.0 可编辑可修改 1212 55、理想流动反应器的组合：56、(1)平推流反应器的并联操作 VR=VRl+VR2 因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：V0=V01+V02 由平推流反应器的设计方程 尽可能减少返混是保持高转化率的前提

23、条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此，21 02012R1R:VVVV 57、全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。58、平推流反应器的串联操作：考虑 N 个平推流反应器的串联操作，对串联的 N 个反应器而言：A0AA0A0RdxrxcVVniixxxirxrxFVFVAA1A0AAAAA0R0ARddv1.0 可编辑可修改 1313 59、全混流反应器的串联操作 N 个全混流反应器串

24、联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应。对任意第 i 釜中关键组分 A 作物料衡算。对恒容、定常态流动系统，V0不变，故有：对于 N 釜串联操作的系统，总空间时间：小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时的空间时间。计算出口浓度或转化率 对于一级反应：N10AAN1iikcc 如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：iiiiiiirccrxxcAA1AA1AA0AN21210A21A2A2A2A1A210A1A1A1A0A11111kkckcckccckcckcccN0AAN1ikccNAN111ikx 1414 对二级反应

25、，以上面方法，可以推出：例 2-1 条件同例 1-3 的醇酸树脂生产，若采用四釜串联的全混釜，求己二酸转化率为 80时，各釜出口己二酸的浓度和所需反应器的体积。要求第四釜出口转化率为 80%，即 以试差法确定每釜出口浓度 设i=3h 代入 由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、cA3、cA4，看是否满足cA4=的要求。将以上数据代入，求得：cA4=kmolm-3 结果稍大，重新假设i=，求得：cA1=m-3 cA2=m-3 cA3=m-3 cA4=m-3 基本满足精度要求。循环反应器:在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度，以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原料的利用率，常常采用部

26、分物料循环的操iiiikckc24111AA8.0mkmol4hm171.01097.1Af3B0A0130BA3AxccVccr3Af0A4Amkmol8.08.0141xcciiiikckc24111AA3R30Rm15.2537.04m537.014.3171.0VVVii 1515 作方法，如图所示。循环反应器的基本假设：反应器内为理想活塞流流动；管线内不发生化学反应；整个体系处于定常态操作。反应器体积可按下式计算：为方便起见，设循环物料体积流量与离开反应系统物料的体积流量之比为循环比，即 平推流反应器设计方程中，转化率的基准应当与反应器入口处体积流量及这一体积流量下转化率为 0 时的

27、 A 组分的摩尔流率对应:式中，FA0是一个虚拟的值，它由两部分组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3中当转化率为 0 时应当具有的 A 的摩尔流率。即：由此得到循环反应器体积：当循环比为 0 时，还原为普通平推流反应器设计方程。当循环比时，变为全混流反应器设计方程。当 0E2时，E1-E20，随着温度的上升，选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬时选择性；当E1E2时，E1-E2a2，blb2时，升高浓度，使选择性增加，若要维持较高的cA、cB，则应选择平推流反应器、间歇反应器或多釜串联反应器 0AAAPA0APd1nnnSnnSPPSS AN0AAN1ANPN2A1AP21A0A1PPcc

28、ccSccSccSS 122121BA10202A1A1AP11bbaaRTEEccekkrrrSv1.0 可编辑可修改 2222 例 2-2 有一分解反应 其中kl=lh-1，k2=，cA0=5 kmolm-3，cP0=cS0=0，体积流速为 5m3h-1，求转化率为 90时：(1)全混流反应器出口目的产物 P 的浓度及所需全混流反应器的体积。(2)若采用平推流反应器，其出口cP为多少所需反应器体积为多少 (3)若采用两釜串联，最佳出口cP为多少相应反应器体积为多少 (1)全混流反应器 全混流反应器平均选择性等于瞬间选择性 (2)平推流反应器 2A2SA1pSAPAckrckr付产物目的产物

29、32AA0A0R3A0APP22A2A1A1AP1PPm7.255.05.15.015.45mkmol57.25.05571.0%1.579.0155.19.01519.0151rccVVccScckckckrrpaSS0AAAPA0APd1CCcSccS 2323 (3)两个全混釜串联 为使cP最大，求 ，得cA1=m-3 连串反应特性与反应器选型 A0APPccSc0AAAPPdcccSc30AAA0A0RAAAAA0RA0APP3A0AAAAA12A2A2A1A1Pm61.35.115.11lnln5.11dd%3.235.0505.1mkmol05.15.05.1155.11ln5.1

30、15.115.11ln5.11d5.111d11d0AA0AAA0A0AA0AAccccVVcccrcVVcccScccccckkcckckckccccccccccc2A2A1A1A1A0A2A1A22A22A12A11A0A21A21A11A12A2P1AP1P5.115.11ccccccccckckckccckckckcScSc32222A22A12A1A021A21A11002R1RRP3m5.105.05.15.015.091.1591.15.191.1191.155%7.355.0561.1mkmol61.15.05.115.091.191.15.1191.15ckckccVckck

31、ccVVVVScAAP 2424 对连串反应 瞬时选择性定义为：如果是一级反应且a=p=1 当生成中间产物的活化能E1大于进一步生成副产物活化能E2(即E1E2)时，升高温度对生成中间目的产物是有利。当生成中间产物的活化能E1小于生成副产物活化能E2(即E1E2)时，降低温度对生成中间目的产物是有利。与平行反应一致 提高cA浓度，降低cP浓度，有利于提高瞬间选择性，显然平推流反应器(或间歇反应器)比全混流反应器易满足这一条件，应选用平推流反应器。非理想流动反应器 物料在反应器内不仅有空间上的混合而且有时间上的混合，这种混合过程称为返混。物料在反应器内必然涉及到混合，即原来在反应器内不同位置的物料而今处于同一位置。如果原来在反应器不同位置的物料是在同一时间进入反应器的，发生混合作用时，这种混合称为简单混合。如果原来在不同位置的物料是在不同时间进入反应器的，由于反应时间不同，因此物料的浓度是不同的，两者混合后混合物的浓度与原物料的浓度不同，这种混合过程称为返混。SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccekkckckckrrSRTEE 21OP1kk2120AmaxP1kkcc21A0AOP1kkcc