反应工程绪论
化学反应工程许志美课后习
2ln 1 2 / 2 1 0.0184 /
2
cP
/
2
0.684
3-26* 有一平行反应——串联液相反应：
A B 1 P r1 k1cAcB
B P 2 R r2 k2cBcp
在间歇反应器中，开始时溶液中含有A的浓度cA0 0.1kmol / m3
及过量的B，得到如下数据：
时间T
cA
cP
t1
1 kt ln
1 x A
E
k k exp( a )
0
RT
等温时，k 一定
t 2
ln 1
1 x A2
ln
1
1 99.9%
10
t 1
ln 1
ln 1
1 x
1 50%
A1
3-3 n=1/2，10 min后xA=0.75, 30 min后转化率xA=?
CAn01kt
1 n 1
(1
x )n1 A
(nA0 nA) / a (10% 1.6) / (2* M HCHO )
xA 0.534 循环操作 0.635
n m w* mtotal MM
第2章 化学反应动力学
2-4 间歇反应器：CA0和xA相同（T1=20℃时，反应时间t1=8d；
T2=120 ℃时，反应时间t2=10min），试估算 Ea
A0
1 x
k 0.5 L / (mol min)
A
3-8 在间歇反应器中进行二级反应 A P ，反应速率为 (-rA )=0.01c2Amol / s
当 c A0 分别为1，5，10 mol/L时，求反应到 cA=0.01 mol/L时，
所需反应时间。并对计算结果进行讨论。
反应工程总结
第一章 绪论 1、化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程。
其内容可概括为两个方面，即反应动力学和反应器设计与分析。
2、传递现象包括动量、热量和质量传递，再加上化学反应，这就是通常所说的三传一反。
3、反应组分的反应量与其化学计量系数之比的值为定值，ξ叫做反应进度且恒为正值。
、本书规定反应物的化学计量系数一律取负值，而反应产物则取正值。
8、工业反应器有三种操作方式： ① 间歇操作；② 连续操作；③ 半间歇(或半连续)操作 9、反应器设计的基本内容一般包括：1）选择合适的反应型式 ；2）确定最佳操作条件 ；3）根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸 。
10.反应器按结构原理的特点可分的类型： 管式，釜式 ，塔式，固定床，流化床，移动床，滴流床反应器。
第二章 3、温度对反应速率的影响 如果反应速率方程可以表示为：r=f1 (T)f2(c )，f1(T)是温度的影响。
当温度一定时，其值一定。
通常用阿累尼乌斯方程（Arrhenius ‘ law ）表示反应速度常数与温度的关系， 即， 为指前因子，其因次与k 相同；E 为反应的活化能；R 为气体常数。
两边取对数，则有 ： lnk=lnA0－E/RT ，lnk 对 1/T 作图，可得－直线，直线的斜率=－E/RT 。
注意：不是在所有的温度范围内上面均为直线关系，不能外推。
其原因包括：(1)速率方程不合适； (2)反应过程中反应机理发生变化；(3)传质的影响；(4)指前因子A0与温度有关。
速率极大点处有： 对应于极大点的温度叫做最佳温度Top 。
速率为零点处有: rA=0 6、多相催化与吸附 1）、催化剂的用途：①加快反应速度②定向作用(提高选择性)－化学吸附作用结果 2）、催化剂的组成：主催化剂－金属或金属氧化物，用于提供反应所需的活性中心。
助催化剂－提高活性，选择性和稳定性。
助催化剂可以是 ①结构性的；② 调变性的。
载体－用于 ① 增大接触表面积；②改善物理性能。
化学反应工程复习题
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8.结合下图说明可逆放热反应最优温度序列的实施。
9、画出多段绝热反应器段间用原料冷激气和惰性气体冷凝时的最佳温度序列的实施情况。 10. 比较物理吸附和化学吸附的不同。 11. 简述全混流反应器的特点 12.可逆反应最优温度条件的实施有哪些方法?画图说明。 四、计算题 1．等温下在间歇反应器中进行一级不可逆液相分解反应 A → B ＋ Ｃ ,在 5 分钟内有 50% 的 A 分解,要达到分解率 7５%问需多少时间? 2． 在温度 555Ｋ、压力 0.２9４MPa 条件下在平推流反应器中进行反应,其动力学方程为 rA kCA ,已知 k＝０.27s-1 ,进料中含 A30%（摩尔分数)其余为惰性物料，Ａ的加料流率为 ６.3moｌ/s ,ｙA0=0．5 ，为使反应器出口转化率达 95% ，求反应器的体积。 3．一级不可逆反应 A → R ,在８5℃时 k=3.45ｈ-1 ，在一容积为 10m3 的连续釜式反应器
kmoｌ/L·mｉｎ,已知：2０℃时
k＝1.9７ L/kmoｌ.min , CA０ ＝0．0０4ｋmol/L ,加料速度为 V0＝1７1L/ｈ，转化率为０.8，
求:
①在平推流反应器中完成该反应所需的体积。
②在全混流反应器中完成该反应所需的体积。
10、有一液相二级不可逆反应，反应速率方程为: r A
６.循环比 R 表示循环物料的流量与
流量之比。
7.多级全混流模型的模型参数为
,其值可由实验确定。
8.对可逆放热反应，随温度升高,反应速率常数
;平衡常数
。
9.在若干个过程串连组成的系统中，若其中某一步的速率与其他各步相比慢了许多，则该步
骤就是整个过程的_____＿_＿＿步骤。
1０.气固相催化反应中消除外扩散影响常用的措施是
李绍芬版反应工程答案
1 绪论之袁州冬雪创作1.1在银催化剂上停止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）反应器出口吻体的组成.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），当进入反应器的总原料量为100mol时，则反应器的进料组成为A P 1.3）和（1.5）式可得反应器出口甲醇、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连系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所以，反应器出口吻体组成为：1.1. 2甲醇，其主副反应如下：由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不成能全部转化成甲醇，为了提高原料的操纵率，生产上采取循环操纵，即将反应后的气体冷却，可凝组份变成液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩机后与原料气混合返回合成塔中.下图是生产流程示意图原料气Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h100kmol放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol）组分原料气冷凝分离后的气体COH2CO2CH4N2粗甲醇的组成为CH3OH 89.15%,(CH3)2O 3.55%,C3H9OH 1.10%,H2O 6.20%,均为重量百分率.在操纵压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg粗甲醇而言，其溶解量为CO2 9.82g,CO 9.38g,H2 1.76g,CH4 2.14g,N25.38g.若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算：（1）（1）一氧化碳的单程转换率和全程转化率；（2）（2）甲醇的单程收率和全程收率.解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h，则根据已知条件，计算进料原料气组成以质量分率暗示如下：其中x i=y i M i/∑y i M i.进料的平均摩尔质量M m=∑y i M i=10.42kg/kmol.其中冷凝分离后气体平均分子量为M’m=∑y i M i又设放空气体流量为Akmol/h，粗甲醇的流量为Bkg/h.对整个系统的N2作衡算得：×1000+=2.92 (A) 对整个系统就所有物料作衡算得：100×10.42=B+ (B) 联立（A）、（B）两个方程，解之得/h反应后产品中CO摩尔流量为F CO=+9.38B/(28×1000)将求得的A、B值代入得F CO=4.431 kmol/h故CO的全程转化率为由已知循环气与新鲜气之摩尔比，可得反应器出口处的CO摩尔流量为F’CO,0=100××100×0.1549=138.4 kmol/h所以CO的单程转化率为产品粗甲醇所溶解的CO2、CO、H2、CH4和N2总量D为粗甲醇中甲醇的量为(B-D)X甲/M m=(785.2-0.02848B) ×所以，甲醇的全程收率为Y总甲醇的单程收率为Y单2 反应动力学基础4L的恒容反应器中停止A的水解反应，反应前 A的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL，反应物A 的分子量为88.在等温常压下不竭取样分析，测的组分A的浓度随时间变更的数据如下：解：操纵反应时间与组分A的浓度变更数据，作出C A～t的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h时该点的切线，即为水解速率.切线的斜率为由（2.6）式可知反应物的水解速率为300℃等温下停止甲烷化反应：催化剂体积为10ml，原料气中CO的含量为3%，其余为N2,H2气体，改变出口原料气流量Q0停止实验，测得出口CO 的转化率为：.解：是一个活动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来暗示故反应速率可暗示为：用X A～V R/Q0作图，过V R/Q0=0.20min的点作切线，即得该条件下的dX A/d(V R/Q0)故CO 的转化速率为2.3已知在Fe-Mg 催化剂上水煤气变换反应的正反应动力学方程为：式中y CO 和y CO2W 等于0.0535kmol/kg.h.如催化剂的比概况积为30m 23，试计算：（1） （1） 以反应体积为基准的速率常数k V .（2） （2） 以反应相界面积为基准的速率常数k g .（3） （3） 以分压暗示反应物系组成时的速率常数k g .（4） （4） 以摩尔浓度暗示反应物系组成时的速率常数k C .解：操纵（2.10）式及（2.28）式可求得问题的解.注意题中所给比概况的单位换算成m 2/m 3.2.4在等温下停止液相反应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 的原料混合停止反应，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%.3.5%NH 3,20.8%N 2,62.6%H 2,7.08%Ar 及4.该塔是在30MPa 压力下操纵.已知催化剂床层中某处的温度为490℃，反应气体中氨含量为10%（mol ），试计算该处的反应速率.在Fe 催化剂上氨合成反应速率式为：逆反应的活化能417.5810/=⨯E J mol .450℃时30.5322277()/=⋅k m MPa m h ，且212/=P k k K ，490℃时，Kp 可按下式计算：472log 2047.8/ 2.4943log 1.25610 1.856410 3.206--=--⨯+⨯+p K T T T T注：m 3为尺度立方米.解：题中给出450℃时的k 2值，而反应是在490℃下，故首先要求出490℃时的k 2值.操纵（2.27）试，求出频率因子A:44217.5810/8.314723162'1617.5810/8.314723430.532exp()exp()2277/ 1.14510exp() 1.14510 1.05510()/.-⨯⨯-⨯⨯-=-===⨯-==⨯=⨯E k A RTE A k e RTE k A e m MPa m h RT490℃的Kp 值由题给公式计算出4722log 2047.8/763 2.4943log763 1.25610763 1.8564107633.206 1.25245.59210 ---=--⨯⨯+⨯⨯+=-=⨯p p K K 求k 1值：求各组分的分压值：反应速率为：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.根据下面两图回答：（1） （1） 是可逆反应还是不成逆反应？（2） （2） 是放热反应还是吸热反应？（3） （3） 在等温线上，A,D,O,E,M 点中哪一点速率最大，哪一点速率最小？（4） （4） 在等转化率线上，H,C,R,O,F 及B 点中，哪一点速率最大，哪一点速率最小？（5） （5） 在C,R 两点中，谁的速率大？（6） （6） 根据图中所给的十点中，断定哪一点速率最大？（1）可逆反应 可逆反应（2）放热反应 吸热反应(3)M 点速率最大，A 点速率最小 M 点速率最大，A 点速率最小(4)O 点速率最大，B 点速率最小 H 点速率最大，B 点速率最小(5)R 点速率大于C 点速率 C 点速率大于R 点速率(6)M 点速率最大 根据等速线的走向来断定H,M 点的速率大小.2.7在停止一氧化碳变换反应动力学研究中，采取B106催化剂停止试验，测得正反应活化能为49.62910/⨯J mol ,如果不思索逆反应，试问反应温度是550℃时的速率比反应温度是400℃时的速率大多少倍？解：从题中可知，反应条件除了温度分歧外，其它条件都相同，而温度的影响表示在反应速率常数k 上，故可用反应速率常数之比来描绘反应速率之比.2.8常压下，在钒催化剂上停止SO 2氧化反应，原料气组成为7%O 2及82%N 2.试计算转化率为80%时的最佳温度.二氧化硫在钒催化剂上氧化的正反应活化能为49.21110/⨯J mol ，化学计量数等于2，反应式为： 其平衡常数与温度的关系为：该反应的热效应49.62910/-=⨯r H J mol .解：（1）求出转化率为80%时各组分的分压：以100mol 为基准（2P 值：(3)求平衡温度Te(4)操纵（2.31）式求逆反应活化能E 值(5)操纵（2.31）式求最佳温度T OP2.9在一恒容反应器中停止下列液相反应：式中r R ,r D 分别暗示产品R 及D 的生成速率.反应用的原料为A与B的混合物，其中A的浓度为2kmol/m3，试计算A 的转化率达到95%时所需的反应时间.解：反应物A的消耗速率应为两反应速率之和，即操纵（2.6）式积分之2.10在催化剂上停止三甲基苯的氢解反应：反应器出口原料气组成为66.67%H2,33.33%三甲基苯.在0.1Mpa及523K下等温反应，当反应器出口三甲基苯的转化率为80%时，其混合气体的氢含量为20%，试求：（1）（1）此时反应器出口的气体组成.（2）（2）若这两个反应的动力学方程分别为：则出口处二甲基苯的生成速率是多少？解：以100mol为计算基准，设X为三甲基苯的转化率，Y为生成的甲苯摩尔数.（1）（1）由题给条件可知，混合气中氢的含量为20%，所以有：66.67-33.33X-Y=20×0.8-20=20.01kmol（甲苯量）×××氢气含量为：20kmol故出口尾气组成为：三甲基苯 6.666%，氢气20%，二甲基苯6.654%，甲烷46.67%，甲基苯20.01%.（2）（2）由题给条件可知，三甲基苯的出口浓度为：210℃等温下停止亚硝酸乙脂的气相分解反应：该反应为一级不成逆反应，反应速率常数与温度的关系为 14411.3910exp( 1.89710/)()-=⨯-⨯k T s ，若反应是在恒容下停止，系统的起始总压为0.1013MPa ，采取的是纯亚硝酸乙脂，试计算亚硝酸乙脂分解率为80%时，亚硝酸乙脂的分解速率及乙醇的生成速率.若采取恒压反应，乙醇的生成速率又是多少？解：（1）恒容过程，其反应式可暗示为：反应速率式暗示为：设为抱负气体，反应物A 的初始浓度为：亚硝酸乙脂的分解速率为：乙醇的生成速率为：（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变更，是个变容过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变更.由于反应物是纯A ，故有：y A0=1.由（2.52）式可求得组分的瞬间浓度：22001426(1) 2.52310(10.8) 2.80310/11110.81.3910exp(18973/483)2.803103.39510/.δ-----⨯-===⨯++⨯⨯==⨯-⨯⨯=⨯A A A A A A A A C X C mol l y X r kC mol l s 乙醇的生成速率为：750℃等温下的转化反应为：原料气中甲烷与水蒸气的摩尔比为1：4，若这个反应对各反应物均为一级，已知k=2l/mol.s,试求：（1） （1） 反应在恒容下停止，系统的初始总压为0.1013MPa ，当反应器出口的CH 4转化率为80%时，CO 2和H 2的生成速率是多少？（2） （2） 反应在恒压下停止，其他条件如（1），CO 2的生成速率又是多少？解：（1）由题意可将反应速率暗示为：对于恒容过程，则有当X A0（2）对于恒压过程，是个变容反应过程，由（2.49）式可求得总摩尔数的变更反应物A 的原始分率：由（2.52）式可求得转化率为80%时的浓度：2.13在473K 等温及常压下停止气相反应：（1）3→A R 1.2/min =⋅R A r C mol l（2）2→A S 0.5/min =⋅S A r C mol l（3）→A T 2.1/min =⋅T A r C mol l式中C A 为反应物A 的浓度（mol/l ），原猜中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：方法（1），先求出总摩尔变更数δA .首先将产品的生成速率变成对应的反应物的转化速率： 总反应速率为：以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变更数为：初始浓度为：则有方法（2），可将C A 暗示为：方法（3），操纵物料衡算可分别求出反应物A 生成R 及S 的瞬间选择性S R ,S S ,因而可求出产品R 及S 的收率y R ,y S ,求得A 转化率为85%时的分率：其中：2.14在Pt 催化剂上停止异丙苯分解反应：以A,B 及R 分别暗示异丙苯，苯及丙烯，反应步调如下：（1）σσ+⇔A A（2）σσ⇔+A B R（3）σσ⇔+B B若概况反应为速率节制步调，试推导异丙苯分解的速率方程.解：根据速率节制步调及定态近似原理，除概况反应外，其它两步达到平衡，描绘如下：以概况反应速率方程来代表整个反应的速率方程： 由于1θθθ++=A B V将,θθA B 代入上式得：整理得：将,,θθθA B V 代入速率方程中其中2.15在银催化剂上停止乙烯氧化反应：化作22()()2()+→A B R其反应步调可暗示如下：（1）σσ+⇔A A（2）222σσ+⇔B B（3）σσσσ+⇔+A B R（4）σσ⇔+R R若是第三步是速率节制步调，试推导其动力学方程.解：根据速率节制步调及定态近似原理，除概况反应步调外，其余近似达到平衡，写出相应的覆盖率表达式： 整个反应的速率方程以概况反应的速率方程来暗示： 根据总覆盖率为1的原则，则有：或整理得：将,,,θθθθA B R V 代入反应速率方程，得：其中→+A B D ，其反应步调暗示如下：（1）σσ+⇔A A（2）σσ→+A B D（3）σσ⇔+B B若（1）速率节制步调，试推导其动力学方程.解：先写出各步的速率式：由于（1）是速率节制步调，第（2）步是不成逆反应，其反应速率应等于（1）的吸附速率，故有：整理得：根据定态近似原则因为1θθθ++=A B V将,θθA B 代入上式，化简后得：最后将,θθA V 代入吸附速率式，即为该反应的动力学方程式.2.17一氧化碳变换反应：在较低温度下，其动力学方程可暗示为：试拟定该反应的合适的反应步调.解：根据题意，假设反应步调如下：并假设第二步是节制步调，其速率方程就代表了整个反应的速率方程：其余的两步可认为达到平衡，则有：由于1θθθ++=A B V ，有：将,θθA V 代入速率式，得：式中=S A k k K .故上述假定与题意符合.但上述假定的反应步调不是唯一的.2.18操纵习题2.1的数据，试用积分法和微分法求其动力学方程.解：先用积分法求其动力学方程.设为一级不成逆反应，其速率表达式为：积分得： 用0ln()A A C C-1 用微分法求解动力学方程首先用C A ～t 曲线，在曲线上取时间为0，1，2，……9h 所对应点的切线，为了准确可采取镜面法，求得各切线的斜率即为对应的dC A /dt 之值，然后再以dC A /dt ～C A 作图，所求的dC AA A 示为：或将速率方程直线化，即双方取对数，得：≈1，反应速率常数值为k=0.4996.还可用一数学公式来拟合C A ～t 曲线，然后再将该数学公式对t 求导，求得dC A /dt 之值，此法会比作图法来的准确.2.19在Ni 催化剂上停止甲烷化反应：由实验测得200℃时甲烷的生成速率R CH4及CO 和H 2的分压CO H 2若该反应的动力学方程可用幂函数暗示，试用最小二乘法求一氧化碳的反应级数及正反应速率常数.解：由题意可写出速率方程式：但由于氢的分压坚持为0.1013MPa 的恒定值，反应速率式可简化为：式中2'β=H k k p .将速率式直线化：4ln ln ln =+CH CO r k a p 或=+y b ax式中4ln ,ln ,ln ===+CH CO y r b k x p ，由残差平方和最小而导出将累加值代入a,b2.20在铂催化剂上，乙烯深度氧化的动力学方程可暗示为：式中p A ,p B 分别暗示乙烯及氧的分压.在473K 等温下的实验数据如下：试求该温度下的反应速率常数k和吸附平衡常数K B.解：首先将动力学方程式直线化：或δ=，成果是使人称心的.平均偏差 4.7%3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中停止乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级.反应开端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1m3时，需要多长的反应时间？（2）（2）若反应器的反应体积为2m3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A A A A A AA 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停止氯乙醇的皂化反应： 以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装猜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：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： 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℃等温下停止该反应的实验.反应开端时两反应物的摩尔比为1，为了确定反应停止的程度，在分歧的反应时间下取出10ml 反应液用0.515N 的NaOH 溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度.分歧反应时间下，NaOH 溶液用量为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 ，且在加热过程中不停止反应；（2）卸料及清洗时间为10min ；（3）反应过程中反应物密度恒定.解：用A,B,R,S 分别暗示反应方程式中的四种物质，操纵当量关系可求出任一时刻盐酸的浓度（也就是丙酸钠的浓度，因为其计量比和投量比均为1：1）为： 于是可求出A 的平衡转化率：现以丙酸浓度对时间作图：由上图，当C A ×14.7mol/l 时，所对应的反应时间为48min.由于在同样条件下，间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以该生产规模反应器的反应时间也是48min. 丙酸的产量为：500kg/h=112.6mol/min.所需丙酸钠的量为:112.6/0.72=156.4mol/min.原料处理量为：000/156.4/(0.051552.5)57.84/min ==+=A A Q F C l 反应器体积：00()57.84(182010)4512=+=⨯++=r V Q t t l 实际反应体积：4512/0.85640=l3.4在间歇反应器中，在绝热条件下停止液相反应： 其反应速率方程为：143110001.110exp()/.=⨯-A A B r C C kmol m h T式中组分A 及B 的浓度C A 及C B 以kmol/m 333.K 计算.反应开端时反应混合物的温度为50℃.（1） （1） 试计算A 的转化率达85%时所需的反应时间及此时的反应温度.（2） （2） 如果要求全部反应物都转化为产品R ，是否能够？为什么？解：(1)（由数值积分得出）(2)若A 全部转化为R,即X A =1.0,则由上面的积分式知，t →∝,这显然是不成能的.3.5在间歇反应器中停止液相反应：3,C ，D 的初始浓度为零，B 过量，反应时间为t 1时，C A 3，C C =0.038 kmol/m 3，而反应时间为t 2时，C A =0.01 kmol/m 3，C C 3，试求：（1） （1） k 2/k 1;（2） （2） 产品C 的最大浓度；（3） （3） 对应C 的最大浓度时A 的转化率.解：(1)因为B 过量，所以：恒容时：'1-=A A dC k C dt（A ）''12-=-C A C dC k C k C dt(B) （B ）式除以（A ）式得：解此微分方程得：'2'10'200'11⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎢⎥-⎣⎦k k A A A C A A C C C C k C C k（C ）将t 1,C A ,C C 及t 2,C A ,C C 数据代入（C ）式化简得：解之得：(2)先求出最大转化率:(3)产品C 的最大收率：产品C 的最大浓度：3.6 在等温间歇反应器中停止液相反应初始的反应物猜中不含A 2和A 3，A 1的浓度为2mol/l ，在反应温度下k 1-1,k 2-1,k 3-1.试求:（1） （1） 反应时间为1.0min 时，反应物系的组成.（2） （2） 反应时间无限延长时，反应物系的组成.（3） （3） 将上述反应改为31123−−→⇔←−→k k A A A 反应时间无限延长时，反应物系的组成.解：根据题中给的两种反应情况，可分别列出微分方程，然后停止求解.但仔细分析这两种情况，其实质是下述反应的特例：12123←−→←−→k k A A A (A)当'20=k 时，（A ）式变成123⇔→A A A (B)当'10=k 时，（A ）式变成123→⇔A A A(C) 当''120,0==k k 时，（A ）式变成123→→A A A(D) 其中式（D ）即为书讲的一级不成逆连串反应.可见只要得到（A ）式的解，则可容易化简得到（B ）,(C)及(D)式的解. 对于(A)式，可列出如下微分方程组：'11111-=-dC k C k C dt (1)''211231222=+--dC k C k C k C k C dt(2)'32223=-dC k C k C dt(3)由题意知初始条件为：11023(0),(0)(0)0===C C C C(4) 联立求解此微分方程组可得：'''''21112211011()()()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-++⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k k e k e C C k k αβαβαβαβααββ(5)'''12122210()()⎧⎫⎡⎤++⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e k e C C αβαβαβαβαβ (6) 1212310⎧⎫⎡⎤⎪⎪=+-⎨⎬⎢⎥-⎪⎪⎣⎦⎩⎭t t k k k k e e C C αβαβαβαβ (7)式中，,αβ由如下式确定：'''121221=++k k k k k k αβ(8)''1122()+=-+++k k k k αβ(9)现在可用上述成果对本题停止计算：（1）1'11'11224.0min , 3.6min , 1.5min ,0,1min ---=====k k k k t 由（5）～（9）式得（2）当t →∝时，由（5）～（9）式得（3）此时为'10=k 的情况，当t →∝时，由114.0min ,-=k 1'1221.5min , 3.6min --==k k 得：3.7拟设计一反应装置等温停止下列液相反应：目标产品为R ，B 的价格远较A 贵且不容易回收，试问：（1） （1） 如何选择原料配比？（2） （2） 若采取多段全混流反应器串联，何种加料方式最好？（3） （3） 若用半间歇反应器，加料方式又如何？解：（1）212221211221===++A R A B AB A A B A B B r kC C S k C R k C C k C C k C νν 由上式知，欲使S 增加，需使C A 低，C B 高，但由于B 的价格高且不容易回收，故应按主反应的计量比投料为好.（2）包管C A 低，C B 高，故可用下图所示的多釜串联方式：（3）用半间歇反应器，若欲使C A 低，C B 高，可以将B 一次先加入反应器，然后滴加A.300l 的反应器中86℃3的过氧化氢异丙苯溶液分解：-1,最终转化率达98.9%，试计算苯酚的产量.（1） （1） 如果这个反应器是间歇操纵反应器，并设辅助操纵时间为15min;（2） （2） 如果是全混流反应器；（3） （3） 试比较上二问的计算成果；（4） （4） 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，成果怎样？解：（1）苯酚浓度0 3.20.989 3.165/==⨯=苯酚A A C C X mol l苯酚产量018.82 3.16559.56/min 335.9/=⨯==苯酚Q C mol kg h（2）全混流反应器苯酚产量016.02 3.20.98950.69/min 285.9/=⨯⨯==苯酚Q C mol kg h（3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中反应物浓度低，反应速度慢的原因.（4）由于该反应为一级反应，由上述计算可知，无论是间歇反应器或全混流反应器，其原料处理量不变，但由于C AB 增加一倍，故C 苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍.3.9在间歇反应器中等温停止下列液相反应：r D 及r R 分别为产品D 及R 的生成速率.反应用的原料为A 及B 的混合液，其中A 的浓度等于2kmol/m 3.（1） （1） 计算A 的转化率达95%时所需的反应时间；（2） （2） A 的转化率为95%时，R 的收率是多少？（3） （3） 若反应温度不变，要求D 的收率达70%，可否办到？（4） （4） 改用全混反应器操纵，反应温度与原料组成均不改变，坚持空时与（1）的反应时间相同，A 的转化率是否可达到95%？（5） （5） 在全混反应器中操纵时，A 的转化率如仍要求达到95%，其它条件不变，R 的收率是多少？（6） （6） 若采取半间歇操纵，B 先放入反应器内，开端反应时A 按（1）计算的时间均速加入反应器内.假如B 的量为1m 33，试计算A 加完时，组分A 所能达到的转化率及R 的收率.(2)(3)若转化率仍为0.95，且温度为常数，则D 的瞬时选择性为：D 的收率：这说明能使D 的收率达到70%（4）对全混流反应器，若使τ=t=0.3958h,则有解之得：C A 所以：000.77840.95-==A A A A C C X C这说明在这种情况下转化率达不到95%.（5） （5） 对全混流反应器，若X=0.95,则R 的收率为：（6）依题意知半间歇式反应器属于持续加料而间歇出料的情况.为了求分组A 的转化率及R 的收率，需要求出A 及R的浓度随时间的变更关系，现列出如下的微分方程组：对A: 200()(1.616.4)++=A A A A d VC C C V Q C dt（1）对R: () 1.60-=R A d VC C V dt（2）00=+V V Q t（3）在反应时间（t=0.4038h,为方便起见取t ≈0.4h ）内将0.4 m 3的A 均速加入反应器内，故300.41/0.4==Q m h 采取间歇釜操纵时，原料为A 与B 的混合物，A 的浓度为2kmol/ m 3.现采取半间歇釜操纵，且331,0.4==B A V m V m ，故可算出原料A 的浓度为：30(10.4)2/0.4+⨯=A C kmol m 由于：代入（1），（2）式则得如下一阶非线性微分方程组：27 1.616.41-=--+A A A A dC C C C dt t（4）1.61=-+R RA dC C C dt t （5） 初始条件：t=0,C A =0,C R =0可用龙格---库塔法停止数值求解.取步长△A 和C R 可以停止A 的转化率和R 的收率计算：0000--==A A A A A A A A A N N C V C V X N C V 式中V A 为所加入的A 的体积，且V A 3;C A0为所加入的A 的浓度，且C A0=7kmol/m 33.同理可以计算出R 的收率：0=R R A A C V Y C V3.10在两个全混流反应器串联的系统中等温停止液相反应：3,流量为4m 3/h,要求A 的最终转化率为90%，试问：（1） （1） 总反应体积的最小值是多少？（2） （2） 此时目标产品B 的收率是多少？（3） （3） 如优化方针函数改为B 的收率最大，最终转化率为多少？此时总反应体积最小值是多少？解：（1）对上式求dV r /dX A1=0可得：12121101(1)+-=--A A A X X X将X A2=0.9代入上式，则311100(1)1-=+A A X X 解之得X A1所以总反应体积的最小值为(2) 即113.24940.0912314=-B B C C解得C B1=0.005992 kmol/m 3 同理212222220224.6760.0059924341434(1)14--===---B B B A B A A B C C C C C C X C τ 解得C B2=0.00126 kmol/m 3B 的收率：2020.001262 1.26%0.2⨯===B B A C Y C (3)方针函数改为B 的收率，这时的计算步调如下：对于第i 个釜，组分A,B 的衡算方程分别为：对A: 1268--=Ai Ai i Ai C C C τ对B: 123414--=-Bi Bi i Ai Bi C C C C τ当i=1时，0112168-=A A A C C C τ（1）112113414=-B A B C C C τ（2）当i=2时，1222268-=A A A C C C τ （3）222223414=-B A B C C C τ（4）由（1）式解出C A1代入（2）式可解出C B1; 由（1）式解出C A1代入（3）式可解出C A2;将C B1及C A2代入（4）式可解出C B2,其为τ1,τ2的函数，即2012(,,)=B A C f C ττ（5）式中C A0为常数.由题意，欲使C B2最大，则需对上述二元函数求极值:联立上述两个方程可以求出τ1及τ2.题中已给出Q 0,故由012()=+r V Q ττ可求出C B2最大时反应器系统的总体积.将τ1,τ2代入（5）式即可求出B 的最高浓度，从而可进一步求出Y BmaX .将τ1,τ2代入C A2，则由X A2=(C A0-C A2)/C A0可求出最终转化率.490cm 3的CSTR 中停止氨与甲醛生成乌洛托品的反应：3264246()6+→+NH HCHO CH N H O式中（A ）--NH 3,(B)—HCHO,反应速率方程为：式中31.4210exp(3090/)=⨯-k T 3/s 的流量进入反应器，反应温度可取为36℃，假设该系统密度恒定，试求氨的转化率X A及反应器出口物猜中氨和甲醛的浓度C A 及C B .解： 即得：234900.06447(1)(3.16 1.5 2.03)=--⨯AfAf Af X X X整理得：323.075 3.162 1.0770-+-=Af Af Af X X X解得：X Af反应器出口A,B 得浓度分别为：3.12在一多釜串接洽统，/h 的乙醇 和.h 的醋酸停止可逆反应.各个反应器的体积均为3，反应温度为100℃×10-4l ×10-4 l/mol.min.反应混合物的密度为864kg/m 3,欲使醋酸的转化率达60%，求此串接洽统釜的数目.解：等体积的多釜串接洽统A,B,C,D 分别代表乙酸，乙酸乙酯和水.由计量关系得：从已知条件计算出：将上述数据代入（A ）式，化简后得到：若i=1,则（B ）式变成：21100.04056 1.51130.887 6.48+-==A A A C C C 解之得：114.364/,0.326==A A C mol l X 若i=2,则（B ）式变成：22210.04056 1.51130.887 4.364+-==A A A C C C 解之得：213.20/,0.506==A A C mol l X 若i=3,则（B ）式变成：23320.04056 1.51130.887 3.2+-==A A A C C C解之得：312.53/,0.609==A A C mol l X 即：三釜串联能知足要求.3.13以硫酸为催化剂，由醋酸和丁醇反应可制得醋酸丁酯.仓库里闲置着两台反应釜，一台的反应体积为3m 3,另外一台则为1m 33，丁酯则大量过剩，该反应对醋酸为2级，在反应温度下反应速率常数等于3/h.kmol ，要求醋酸的最终转化率不小于50%，这两台反应釜可视为全混反应器，你认为采取怎样的串联方式醋酸丁酯的产量最大？为什么？试计算你所选用的方案得到的醋酸丁酯产量.如果停止的反应是一级反应，这两台反应器的串联方式又应如何？解：因为反应级数大于1，所以联立方式应当是小釜在前，大釜在后才干使醋酸丁酯产量最大.现停止计算：二式联立化简后得到：（将X A2=0.5代入）解之得：X A1醋酸丁酯产量=0020.48730.150.536.55/=⨯⨯=A A Q C X mol h 如果停止的是一级反应，可停止如下计算：（1） （1） 小反应器在前，大反应器在后:联立二式，且将X A2=0.5代入，化简后得到:解得：X A1 所以有：3101(1) 1.2(10.1771) 5.576/0.1771--===A A k X Q m h X 醋酸丁酯产量=002 5.5760.150.50.4182/=⨯⨯=A A Q C X kmol h (2)大反应器在前，小反应器在后:解得X A1 所以有：31013(1)3 1.2(10.3924) 5.575/0.3924-⨯-===A A k X Q m hX产量同前.说明对此一级反应，毗连方式没有影响.3.14等温下停止 1.5级液相不成逆反应：→+A B C .反应速率常数等于5m/kmol.h ，A 的浓度为2kmol/m 3的溶液进入反应装置的流量为3/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）包管总反应体积最小的前提下，两个全混流反应器串联.解：（1）全混流反应器（2） （2） 两个等体积全混流反应器串联由于12=r r V V ，所以由上二式得：将X A2=0.95代入上式，化简后得到X A1=0.8245，所以：串接洽统总体积为：312 4.758==r r V V m （3） （3） 此时的情况同（1），即318.03=r V m 3/min 的流量持续通入反应体积为20m 3的全混流反应器，停止液相反应：C A ,C R 为组分A 及R 的浓度.r A 为组分A 的转化速率，rD 3，反应温度下，k 1-1，k 2=3/kmol.min,试计算反应器出口处A 的转化率及R 的收率.解：所以：即为：3.16在全混流反应器中等温停止下列液相反应：3.若出猜中A 的转化率为92%，试计算：（1） （1） 所需的反应体积；（2） （2） B 及D 的收率.已知操纵温度下，k 1×10-5l/mol.s;k 2×10-9s -1;; k 3×10-5l/mol.s ;B 的分子量为140；D 的分子量为140.解：因M B =M D =140,所以M A =M C =70021232()=-+A AA B A CC X k C k C k C C τ （1） 212=-BA B C k C k C τ（2）03-=C C A C C C k C C τ（3）由（2），（3）式分别得：。
生物反应工程与设备(绪论,第一章)to st
C S0 CS
第一章 酶催化反应动力学
作业题
某均相酶催化反应，米氏常数为0.05mol/L 当底物初始浓度为10-6mol/L，反应进行 2min后有4％的底物转化为产物 求当反应进行3min时，产物浓度是多少？
三、动力学参数的求解
1 Km 1 1 L-B法： rS rmax C S rmax
生物反应工程与设备
王炳武
生命科学与技术学院
Office: 科技大厦西408
生物反应工程的定义
以生物反应动力学为基础，进行生物 反应过程的开发、设计、放大、优化 操作与控制的学科
生物反应工程的研究内容
反应过程动力学来自生物反应器
微观动力学（本征 动力学）
分子水平 细胞水平 颗粒水平 反应器水平
BSTR、CSTR、CPFR 间歇操作、连续操作、补料操作 机械搅拌式反应器、气升式反应器
学习本课程的目的
解释现象 实际应用
成绩评定
相对百分制 平时成绩30％（考勤、课堂提问、作业） 期末考试占70％
第一章 (均相)酶催化反应动力学
什么是均相酶催化反应？
酶分子和反应物系(底物分子、产物 分子等)处于同一相－－液相中的反 应
动力学方程式与参数
动力学特点
动力学参数的求解
1 K mI 1 1 rSI rmax CS rmax
动力学参数的求解（续）
二、非竞争性抑制
特点 反应机理
动力学方程式
动力学特点
动力学参数的求解
Km 1 1 1 rSI rI ,max CS rI ,max
三、反竞争性抑制
第一二章 化学反应工程基础
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
《生物反应工程》课程笔记
《生物反应工程》课程笔记第一章绪论1.1 定义、形成与展望生物反应工程，简称BRE（Bioreaction Engineering），是一门应用化学工程原理和方法，研究生物反应过程和生物系统的科学。
它涉及到生物学、化学、物理学、数学等多个学科，是一门典型的多学科交叉领域。
生物反应工程的研究对象包括微生物、细胞、酶等生物催化剂，以及它们在生物反应器中的行为和相互作用。
生物反应工程的形成和发展与生物技术的快速崛起密切相关。
生物技术是指利用生物系统和生物体进行物质的生产、加工和转化的技术。
随着生物技术的不断发展，生物反应工程逐渐成为生物技术领域的一个重要分支，为生物制品的生产提供了重要的理论支持和实践指导。
展望未来，生物反应工程将继续在生物技术领域发挥重要作用。
随着科学技术的进步和生物产业的发展，生物反应工程将不断完善和发展，为人类的生产和生活带来更多的便利和福祉。
特别是随着合成生物学、系统生物学等新兴学科的发展，生物反应工程将面临新的机遇和挑战，有望在生物制造、生物医药、生物能源等领域取得更大的突破。
1.2 生物反应工程的主要内容生物反应工程的主要内容包括以下几个方面：（1）生物反应动力学：研究生物反应过程中反应速率、反应机理和反应物质量的变化规律。
包括酶促反应动力学、微生物反应动力学、细胞反应动力学等。
（2）生物反应器设计：根据生物反应的特性和要求，设计合适的生物反应器，使其能够高效、稳定地进行生物反应。
包括反应器类型的选择、反应器尺寸的确定、反应器内部构件的设计等。
（3）生物反应器操作：研究生物反应器中生物反应的运行规律，优化操作条件，提高生物反应的效果。
包括分批式操作、流加式操作、连续式操作等。
（4）生物反应器优化：通过对生物反应器的设计和操作进行优化，提高生物反应的产率和质量。
包括过程优化、参数优化、控制策略优化等。
（5）生物反应器控制：研究生物反应过程中的控制策略和方法，实现对生物反应过程的稳定控制。
化学反应工程1
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［板
书］
r 定义 →
式中：V 为体积； ξ ：反应进度
1 dξ V dt
（1.1）
［说
明］
对非均相反应，其反应速率的定义是有差异的，如气-固催化反应。 ［举 例］ 例 1.1 对如下反应： aA + bB → cR ，其反应进度可写成如下形式：
教学难点
无
教学方法
讲授法
学时分配
2 学时
教学过程
作者： 傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
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《化学反应工程》 教案
第一章 绪 论
［引
言］
*预修课程 《化工原理》 、 《物理化学》 、 《高等数学》 、 《概率论》
［板
书］
*参考文献 朱炳辰， 《化学反应工程》 ，化学工业出版社，1993。 张濂、许志美、袁向前等， 《化学反应工程原理》 ，华东理工大学出版社 *本学科的内容安排（参见本书目） 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 均相反应动力学基础 理想反应器 非理想流动 非均相反应动力学 固定床反应器 流化床反应器 其它多相反应器
［板 ［分
书］ 析］
① 反应速率 a. 概念：反应系统中某一物质在单位时间、单位反应区内的反应量。 均相反应： “单位反应区”常指“单位反应体积” ；非均相反应：如气固催化反应， “单位反应区”常指“单位催化剂质量” 。因此，对不同的反 应类型，反应速率的量纲是不一样的。 对一定大小的反应设备和物料处理量，反应速率的大小实际上反映了 反应物料的转化程度。对均相反应：