反应工程第一章

( N N 0 ) ( N A0 N A ) A
XA
N A0 N A N A0
2. V 和V0的关系
N N 0 ( N A0 N A ) A N 0 N A0 x A A N 0 (1 RT P N A0 V V0 (1 x A A ) V0 (1 y A0 x A A ) N0 两边乘
1-6
间歇系统及连续系统 一、间歇系统
在间歇生产系统中，反应物一次性加入反应器，经历一定的 反应时间后，产物一次性取出。然后冲洗反应器，重复加料、 反应和出料操作，生产是分批进行的。 1.间歇反应器的特点
1）生产分批进行； 2）反应器内物料参数（组成、温度和压力等）在每一瞬间 均匀； 3）反应器内物料参数随时间变化，时间是独立变量。
A k1
L M
k2 M
k2
L
(4）平行－连串反应
k1 A k2
L M
k3
P
对于多重反应，反应产物中有目的产物和副产物。目前 一般采用转化率和目的产物的收率以及选择率来评价反 应的进程和产物分布。
1－4多重反应的收率及选择性 设关键组分为A，目的产物为L。
2. 目的产物收率Y
Y= 生成目的产物L所消耗的关键组分A的量 进入反应系统的A的初始量
2）多重反应：一组特定的反应物同时进行n个不同的单反 应，生成n组不同的产物，称为多重反应（复合反应，复杂 反应）； 主反应：生成目的产物的反应；
副反应：生成副产物的反应。
1－4多重反应的收率及选择性
(1）同时反应（反应物和产物均不同） A
k1 L，B k2 M
k1
(2）平行反应（反应物生成多种产物） A (3）连串反应（反应物生成中间产物）
1 dni ri＝ V dt
dC 1 dni d n = （ i ）＝ i V dt dt V dt
上式中，对于反应物，取负号；对于产物，取正号。 2）多相系统 （1）气-固相催化反应
rA＝－ 1 dnA S dt rA＝－ 1 dnA w dt
式中，S、W分别为固体催化剂内表面积和催化剂质量
例如反应 CaSO4· 2O+2KCl=K2SO4+CaCl2+2H2O KCl为关键 2H 组分。
第二节 化学计量学
三、化学膨胀因子 在恒温恒压的连续系统中发生反应
T,P
V0, N 0
V,N
N A , CA
A A B B L L M M
N A0,C A0
对于液相反应，反应前后物料的体积流量变化不大，一般 作为恒容过程。对于气相反应，反应前后物料的体积流量 变化较大,一般为变容过程。 设A为关键组分。 1.定义 每转化1mol A时反应混合物增加或减少的物质量为化 学膨胀因子，即：
第二节 化学计量学
1-1化学计量式 3）如果反应系统中有n个组分发生m个反应，则第j个反应的 化学计量式为
1 j A1 2 j A2 ..... .... n 1 j An 1 nj An
对于反应系统有m个化学计量式，可表示为

i 1
n
ij
Ai （j 1, 2,...m) 0
N A0 , C A0
C A1
C A2
N A , CA f
CA,O
CA f
0
L
CA
CA,O
CA f
0
L
1-6 间歇系统及连续系统 2. 连续系统中化学反应速率表示方式 连续系统情况下，化学反应速率可表示为单位反应体积中（或单位反 应表面积上，或单位质量固体和催化剂上）某一反应物或产物的摩尔流 量的变化。设A为关键组分，则有：
3. 目的产物选择率
S= 生成目的产物L所消耗的关键组分A的量 转化了的关键组分A的量
4. 转化率、收率和选择率的关系
转化了的关可见，三者之间有关系式：
Y=xAS
例1-2 对于反应 CH 4 H 2O CO 3H，已知反应开始时甲 2 0 yCH 4 x时，甲烷的摩尔 烷的摩尔分率为 ，求转化率为 CH 4 分率。 解：
dN A rA＝－ dVR
dN rA＝－ A dS
rA＝－
dN A dW
对于均相反应，VR为反应混合物在反应器中占据的体积。 对于气固相催化反应， VR为催化剂床层的体积，它包括颗粒的体积和颗 粒空隙的体积；S、W分别为固体催化剂内表面积和催化剂质量。 对于流-固相反应，S、W分别为固体反应物外表面积和固体反应物的质 量。对于气-液反应， S为气液接触面积。
以知道反应程度，即可计算出反应系统中每个反应物的 反应量和每个产物的生成量。
n A n A 0 n A A nB nB 0 nB B nR nR nR 0 R
第二节 化学计量学
二、转化率 1.对于间歇系统，反应物A的反应量与其初始量之比称为A的转化率。
或 V V0 (1 C A0 xA A ) C A 0 C B 0 CI 0
N A0 x A A ) N0
3. 组分A的瞬时浓度
CA N A0 (1 xA ) NA V V0 (1 y A0 A x A )
第二节 化学计量学
1-4 多重反应的收率及选择率 1.单一反应和多重反应 1）单一反应：一组特定的反应物反应生成一组特定的产物。
第一章 应用化学反应动力学基础
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 化学反应和工业反应器的分类 化学计量学 气相反应的反应熵和化学平衡常数 化学反应速率及动力学方程 温度对反应速率的影响及最佳反应温度
第一节 化学反应和工业反应器的分类 见P6-9
第二节 化学计量学
1-1化学计量式 1.化学计量学是研究化学反应系统中反应物和产物各组分变 化量的相互关系。 2. 化学计量式表示参加反应各组分间的数量关系。 1）二氧化硫氧化反应的化学计量式为
第二节 化学计量学
1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子 一．反应程度ξ 对于间歇系统中的单反应进行物料衡算
A A B B R R
反应初始量 反应终态量 nA0 nA nB0 nB nR0 nR
nA
nA0
按化学计量关系可知
nA nA0 nB nB 0 nR nR 0 ni ni 0 A B R i
或用矩阵形式表示
11 21 12 22 A ... ... 1m 2 m
... n1 A1 ... n 2 A2 0 ... ... ... ... nm An

为化学计量系数矩阵，A为组分向量。
1-6
间歇系统及连续系统 一、间歇系统 2.化学反应速率表示方式 设A 为关键组分。 化学反应速率为单位时间、单位反应混合物体积中反应物A 的反应量，即
rA＝－ 1 dnA V dt
式中，V为反应体系混合物所占有的体积。 按照物料的相态，上式有相应的表示方式。
1）均相反应 对于等容过程，有
ri＝
VR
H 2 , N2
式中 VS0为标准状况下m3 / h或 m3(STP)/h;VR为反应混合物体积或堆体积。
（2)质量空速WSP:
上式为单位质量催化剂计算空速,单位m (STP)/t· h； 为堆密度(床 层密度)。 b ( g / cm3 )
VS 0 VSPVR VSP Wsp ＝ W b3VR b
上式的左边为反应物，右边为产物。
或
1 A1 2 A2 ..... n 1 An 1 n An 0
A 0(i 1, 2,...n)
i 1 i i
n
上式中一般将反应物的化学计量系数取负值，产物的化学 计量系数取正值。例如二氧化硫氧化反应，令 A1=SO2,A2=O2,A3=SO3,则其化学计量式可改写为 A3-A1-0.5A2=0
第三节 气相反应的反应熵和化学平衡常数 自学：P14-20
第四节 化学反应速率及动力学方程
概述 1.化学反应速率定义：单位时间内单位反应混合物体积中反 应物的反应量或产物的生成量。 2.以A为关键组分，反应速率可表示为：
r＝ 反应量或生成量 反应时间 反应混合物体积

由于随着反应的进行，反应物不断减少，产物不断增加， 所以反应速率是指某一瞬间状态下的“瞬时反应速率”。 化学反应速率的表示方式与操作方式有关，还与物料的相 态有关。
1-6 间歇系统及连续系统 3.空间速度 1）液空速：反应混合物以液体状态进入反应器，常以25℃ 下液体的体积流量计算空速，称为液空速。 2）湿空速和干空速：反应混合物以气体状态进入反应器， 包括水蒸气时，称为湿空速；不计水蒸气时，称为干空速。 3）初态体积流量VS0：按不含产物的反应混合物初态组成和 标准状况计算的体积流量。 H 2 , N 2 , NH 3 VS 0 （1）空速VSP： Vsp
1-6 间歇系统及连续系统 3.空间速度 空间速度简称空速，其定义是单位反应体积所能处理的反应混合 物的体积流量。 y
i
反应混合物体积流量 空速＝—————————— 反应体积（质量）
yi 0
V
当反应混合物进入和离开反应器的组成一定时，空速越大，则 反应器的生产能力越大。 反应混合物的状态、 反应混合物体积流量以及反应体积的表示 方式有所不同，所计算的空速以及单位也各不相同，应加以具体 说明，一般有以下几种表示方式。
1.反应程度ξ
ni ni 0 i
第二节 化学计量学
式中ξ称为反应程度；对于反应物 (ni nio )及 i为负； 对于产物为正。
2.

的作用
n 上式也可表示为： i ni 0 ni i ; ni 0 ni ni i
ni 对于反应物为反应量， ni 对于产物为生成量。所