化学反应工程陈甘棠第一章
化学反应工程第一章习题参考答案
2010级第一章习题参考答案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）反应的选择性；（2）反应器出口气体的组成解一：（1）由（1-17）式得反应的选择性为：0.629YS0.961196.11%X0.720====（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设甲醇的转化率为A P醛和二氧化碳的摩尔数nA 、nP和nc分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 mol n 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（nW ）、氧气（nO）和氮气（nN）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 mol n N=n N0=43.28 mol解二：（1）根据定义：目的产物收率L AY=A消耗于主产物上的关键组分的量进入反应系统的的初始量目的产物选择率L AS=A消耗于主产物上的关键组分的量转化了的关键组分的量反应物的转化率AAAx转化了的关键组分的量＝进入反应系统的的初始量转化率、收率和选择率的关系Y=SAx已知：x CH3OH = 72% Y HCHO = 69.2%则%11.96%72%2.693===OHCHHCHOxYS（2）为方便计算，设进入反应器的甲醇的物质的量为2mol ，则即反应后混合气体中：N CH3OH = 2*(1-72%) =0.56molN HCHO = 2*69.2%=1.384molN H2O =1.3+2*69.2%+2*(72%-69.2%)*4/2=2.796molN CO2 = 2*(72%-69.2%)=0.056molN 空气 = 4-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=3.224mol(其中N O2 = 4*21%-2*69.2%*1/2-2*(72%-69.2%)*3/2=0.064molN N2 = 4*79%=3.16mol ）总物质的量为：N T = 0.56+3.224+1.384+2.796+0.056=8.02mol各组分组成为：y CH3OH =0.56/8.02*100%=6.98%y 空气 = 3.224/8.02*100%=40.20%（其中y O2=0.80%,y N2=39.4%）y HCHO =1.384/8.02*100%=17.26%y H2O =2.796/8.02*100%=34.86%y CO2 = 0.056/8.02*100%=0.70%1-5 某气-固一级不可逆催化反应，按单位质量催化剂表示的本征动力学方程为A w A f k dW dN =-，式中f A 为反应组分A 的逸度。
反应工程第一章
选用教材张濂，许志美，袁向前。
《化学反 应工程原理》。
华东理工大学出版社第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 第十二章绪论 反应动力学 化学反应动力学 反应器 理想间歇反应器 传递现象 理想管式反应器 连续流动釜式反应器 反应过程中的混合现象及其对反应的影响 反应器选型与操作方式 气固催化反应过程的传递现象 反应过程的温度特征和反应器的温度分布 热量传递与反应器的热稳定性 反应动力学的实验测定 反应过程研究实例分析参考书目1. 朱炳宸。
《化学反应工程》（第三版/第四版/第五版， 21世纪教材）。
化学工业出版社，2001/2006/2011 2. 陈甘棠。
《化学反应工程》（第三版，21世纪教材）。
化学工业出版社，2007 3. 李绍芬。
《反应工程》（第二版）化学工业出版社 4. 郭锴。
《化学反应工程》（第二版，21世纪教材）。
化 学工业出版社，2008 5. 程振民，朱开宏，袁渭康。
《高等反应工程教程》，华 东理工大学出版社，2010 6. Levenspiel O，《Chemical Reaction Engineering》，1962。
预备知识高等数学：微积分、代数方程及微分 方程的求解等 物理化学：动力学、热力学 化工原理：流体流动、传递过程课程安排6-18周，每周4节，45学时，2.5学分 授课方式：讲课与讨论相结合 成绩：平时成绩(30%)+ 课程考试(70%)绪论内容大纲01 化学反应工程的发展历史 化学反应工程的研究对象和目的 化学反应工程研究内容 化学反应工程研究方法 化学反应工程在工业反应过程开发中的作用 本章小结0203 04 05061.1 化学反应工程的发展历史萌芽阶段：1937年，丹克莱尔在实验数据十分贫乏的情况 下，较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率 的影响，为化学反应工程的创立奠定了基础。
初步形成：1947年，出版了两本书:《化学过程原理》的第 三卷，专门讲述动力学与催化过程,《化学动力学中的扩散 与传热》； 正式命名：1957年，在荷兰首都举行了第一次欧洲化学反应 工程会议。
第一章 绪论
• <四>、按传热条件分类，分为 • 1． 等温反应器，整个反应器维持恒温， 这对传热要求很高。 • 2． 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。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
17
• 2．流体流动模型 活塞流模型
（1）理想流动模型
全混流模型
（2）非理想流动模型
多级串联模型 轴向扩散模型 离析流模型等
18
五.反应器设计的基本任务（或内容）
• 1．选择合适的反应器型式
• 2．确定操作方式和最佳操作条件
• 3．针对所选的反应器型式和确定的操作 条件，计算完成规定的生产任务所需的 反应器有效体积。
化学反应工程（CRE） Chemical Reaction Engineering
使用教材：陈甘棠主编《化学反应工程》第三版 重点参考教材：郭锴等编《化学反应工程》第二版 主讲教师：化学化工学院 黄孟光
1
第一章 绪论
• 化学反应工程(CRE)学是一门研究涉及化 学反应的工程问题的学科,是化学工程的 一个重要分支，是高校化工类学生必修 的核心课程。 • 绪论阐述以下几个问题：
产物的分离与精制过程
3
原料的预处理 产物的分离精制
一般属物理过程，不发生化学反应
常用的方法是：蒸发、精馏、吸收、萃取、过 滤 、沉降、结晶、吸附等。属《化工原理》和 《分离工程》课程范畴。
所以CRE的研究对象是→工业规模的反应过程 （注：化学反应工程进行的场所是在工业反应器 中，因此工业反应器自然便成为CRE研究的核 心）
一：CRE的研究对象 四：工业反应器的研究方法 二：CRE的研究内容 五：反应器分析与设计的模型 三：工业反应器的分类 六：反应器设计的基本任务
化学反应工程绪论课件
管式反应器其物料参数随位置而变。
3、半连续操作
半连续操作反应器的反应物系组成，
釜式：随时间而变
管式：随位置而变。 三）按反应器的传热条件分 1、等温反应器： 整个反应器维持等温操作； 2、绝热反应器：反应器与外界没有热量交换，全 部反应热使物系升温或降温； 3、非等温反应器：与外界有热量交换，但不等温。
在模型中用到的化学动力学方程，主要是面对生产 实际，与生产条件相适应的宏观动力学方程，一般 通过在实验室的宏观动力学实验获得，并结合生产 条件加以修正。涉及的传递参数要通过大型冷漠实 验获得。衡算基准要取性质相同的部分或微元容积。 在衡算单元内： 输入量=输出量+消耗量+累积量
数学模型放大方法的一般步骤
反应器体积单位需体要积处所理能物处料理 料 总的 量 量物
单位体积所能处理物料量与宏观反应速率有关，而宏观反 应速率又受到化学反应速率、颗粒间传递速率、颗粒内传 递速率的影响。将它们关系表示如下：
宏观反 应速度
化学反应速度 颗粒间传递速度 颗粒内传递速度
只与温度、浓度有关 物理过程
因此设计工业反应器要考虑的因素包括三方面：化学因 素、工程因素、经济因素。
选用教材： 化学反应工程 王承学 胡永琪 编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
朱炳辰 主编 化学工业出版社
主要参考书： 《化学反应工程》
陈甘棠 主编 化学工业出版社
第二步为整个加工过程的核心，是化学反应 工程学科的研究对象。
一、化学反应工程的研究对象
化学反应工程是将影响反应器性能的传递现象 与动力学之间的相互作用以及操作条件和进料 变量进行量化的一门学科。
化学反应工程-第1章
1.3 化工放大
第一章 绪
论
放大效应：由试验室小型生产到放大生产,出现了导 致反应器结构和操作条件发生变化的现象。温度、浓度、 时间分布是工业反应器不同于实验室反应器的特征所在。 放大是指部分依据小型装置的试验和示范对较大装置 进行设计和制定操作方法并使其成功开车和运转的过程。 从实验室试验到成功的工业规模设计的过程就是放大 过程。 放大方法： 逐级经验放大法 实型规模试验法 数学模拟放大法
公用工程
原材料
化学反应、分离 以及 物料、能量的 输送和转换
半成品或成品
副产品及三废
可见，化工生产过程往往由许多步骤组成，并力求最经济 地生产产品，减少废弃物量。其中的化学加工步骤就是化学反 应工程的研究对象。实现化学加工步骤的设备称为反应器。
1.1 化学反应工程学的范畴和任务
第一章 绪
论
• 能否选择恰当的化学加工方式、采用合适 的反应器型式，往往是一个化工生产过程 的关键。 • 通过化学反应工程的学习，可解决： 如何分析化学加工过程及反应器状况， 制定最优化条件。 如何选择和设计反应器，以完成所需 的化学加工过程。
按参数空间分布程度：集中参数模型和分布参数模
型。 按参数与时间关系：定态模型和非定态模型。 按参数性质：确定模型和随机模型。 按建立模型的方法：机理模型和经验模型。
按参数连续性：连续体模型和细胞室模型。
按数学关系：线性模型和非线性模型。
2.数学模型法的建立步骤
• 1．建立简化物理模型 对复杂客观实体，在深入了解基础上，进行合理简化， 设想一个物理过程(模型)代替实际过程。简化必须合 理，即简化模型必须反映客观实体，便于数学描述和 适用。不失真、满足应用要求、适应现有的实验条件 和适应现有的计算能力。 • 2．建立数学模型 依照物理模型和相关的已知原理，写出描述物理模型 的数学方程及其初始和边界条件。 • 3．用模型方程的解讨论客体的特性规律
《化学反应工程》全册配套完整教学课件
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
物质在反应装置中的流动、传质和传热与化学反应之间相互关系的 概念，称为物理概念模型。 数学模型 表达物理概念模型的数学式称为数学模型。 数学模拟方法 用基于物理概念模型的数学模型来模拟反应过程的 方法称为数学模拟方法。
Copyright 2011 by Southeast University
固体颗粒细小，气流流动情况 复杂。
催化剂带出少，要求气液分布 均匀，温度调节较难。
固相在液相中悬浮，气相连续 流入及流出反应器。
固相在液相中悬浮，液相和气 相连续进入及流出反应器。
粒子返混小，相接触面小，传 热效能低。
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
一、化学反应工程学的研究范畴
过程工业
从事物质的化学转化，生成新的物质产品； 各个生产环节具有一定的不可分性，形成生产流程，并多数连续生
产。
过程工业包括两个过程：
Copyright 2011 by Southeast University
Chemical Reaction Engineering
气流床 滴流床 鼓泡淤浆床 三相流化床 回转筒式 螺旋挤压机式
气-固相 气-液-固三相 气-液-固(催化及非催化) 气-液-固(催化及非催化) 气-固相，固-固相 高黏度液相
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
第1页 共 8 页
《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：
化学反应工程 陈甘棠 第三版 课后答案
A nA0 pA0 nA pA
P 0 0 3nA0 nA 3 pA0 pA
p总 pA0 3 pA0 2 pA
解 由 cA-cB=42.4 可知反应应按下列方式 A+B→产物进行 设为二级反应
dcA 1 c c kcA cB 积分得： kt ln A B0 dt cA0 cB0 cA0cB
以
1 c ln A 对 t 作图若为直线，则假设正确。 cA0 cB0 cB
t
116.8 319.8 490.2 913.8 1188
由 cA0-cB0=42.4 整理得数据如下：
4
y
线性回归：
0.026
1 c ln A cA0 cB0 cB
0.013 2
0.014 9
0.016 9
0.021 6
-3
13
解
t=285-283=2s
反应前后体积不变的不可逆反应，已经反应掉的部分不会对反应产生任何 影响。反应过程中的任意时刻都可以作为初始时刻和终了时刻。 14 在间歇搅拌槽式反应器中，用醋酸与丁醇生产醋酸丁酯，反应式为： 2 SO 4 CH3COOH C4 H9OH H CH3COOC4 H9 H 2O A B R S 反应物配比为：A(mol):B(mol)=1:4.97，反应在 100℃下进行。A 转化率达 50％需要时间为 24.6min，辅助生产时间为 30min，每天生产 2400kg 醋酸 -3 丁酯（忽略分离损失） ，计算反应器体积。混合物密度为 750kg·m ，反应 器装填系数为 0.75。 解
t t1 2
pA 0.5 pA0
1 0.51n 1n pA 0 t1 2 k p n 1 pA0 t1 2 ln pA0 ln t1 2 0.1360 265 5.580 186
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
银催化剂
CH 2 CH 2
CH CH
加氢 CH 2 CH 2 氧化
（微量） CH CH H 2 H2C CH2 H2
H 2C CH 2
➢ 用于能源过程
CH CH H2O
O
CH CH
O
CaCl2
CH 3
OH
400c 1400c
氯化钙·甲醇络合物
H
CH3-OH
低压
CaCl2·2H3C-OH 1500C
新工艺、新产品开发 传统技术改造 优化操作
目标： 单位设备容积净度大 目的产物单一性大 安全,稳定
核心 ——复杂系统的工程放大
2020年7月25日星期六
3、工业反应的特点
➢ 物性庞杂
多相（气,液,固,超临界,等离子,纳米胶体） 温度,压力,粘度,重度,表面张力… 变化幅度大
➢ 非线性耦合
物理,化学,生物学之间 ➢ 预测精度高 ➢ 生产规模大
250万T/年－1000万T/年 催化裂化（ф 10m, H=70m) 30万T/年－100万T/年 乙烯裂解 30万T/年 合成氨－52万T/年 尿素 100m3 －300m3 聚合釜, 120m长 循环管聚丙稀
2020年7月25日星期六
高 低 并 列 的 提 升 管
装 置
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
反应过程动态特性与反应系统测量和控制
——工业生产的必须条件，人为不能达到
例如：对于一放热反应
进料温度高
反应速率快 放热不及时 温度升高
爆炸
温度过高
——自动控温装置
2020年7月25日星期六
反应加快
2、反应工程的任务
创新与选择最适反应器型式 确定最优工艺条件 估算反应器尺寸大小
FCC
FCC
南 充 炼 厂 装 置
2020年7月25日星期六
Cold flow model of Kellogg dense phase catalyst cooler
Grassroots FCC unit under construction in Mexico
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
优化
2020年7月25日星期六
经济学
化学热力学——讨论反应进行的方向和限度，平衡问题 如：计算反应的平衡常数和平衡转化率
反应动力学——阐明化学反应速率与各种物理因素（温度、 浓度、压力和催化剂等）之间的关系 影响反应速率的内因 —— 决定能否实际应用的关键所在
2020年7月25日星期六
•反应器中流体流动、混合传热与传质 ——影响反应速率的外因 如：非均相反应、气固反应、催化剂表面的扩散与吸附等 ——“放大效应“产生的直接原因 •设备结构及参数设计 如：反应器的种类（管式、釜式、流化床、固定床等）、 操作方式（连续、分批） ——考虑经济上的合理性
iC4
H8
1000c 阳离子树脂
O
C
H2
C H
CH
3
(MTBE)
硫酸
CH3
H2O+iC4H8
HO C C CH3
H2 H
(叔丁醇)
2020年7月25日星期六
b ：高纯硅生产
化学 纯 Si
Si
光谱 纯 Si
Si
SiF4 (G) SiF4 (G)
Si SiF4 2SiF2
2020年7月25日星期六
➢ 反应用于净化原料
H 2O H 2SO4
2020年7月25日星期六
➢ 低能耗制H2
1 CaBr2 H 2O CaO 2HBr
2
CaO
Br2
CaBr2
1 2
O2
700-7500c 500-6000c
3 3FeBr2 4H 2O Fe2O4 6HBr + H2
550-6500c
4 Fe2O4 8HBr 3FeBr2 4H 2O Br2
200-3000c
2020年7月25日星期六
六、反应工程的前沿领域
•新材料合成 •能源化工 •环境化工 •新反应器 •操作方式 作业：反应工程的前沿之一
——对×××××××××的综述
2020年7月25日星期六
催化反应 大部分液相反应
胶体反应 酶和微生物反应
煤燃烧，矿石焙烧 气－液吸收反应 炼铁，湿法冶金
合成氨，硝酸，硫酸 炼油，合成材料单体
2020年7月25日星期六
五、反应工程的发展趋势
➢ 反应工程用于产品分离
a
：iC
4
,
nC4 ,
C 4,
C
0 4
分离
CH 3OH
60-1000c CH 3
CH 3
四、化学反应过程分类
➢ 按操作方式分类 ❖ 间歇操作 ❖ 连续操作 ❖ 半连续操作 ➢ 按反应器除热方式分类
T 0C
❖ 绝热式
L
2020年7月25日星期六
❖间壁换热式 ❖自热式 ❖ 冷激式
❖ 相变式
2020年7月25日星期六
L
L
T℃
L
T℃
t (hr)
➢ 按反应物相态分类
均相反应 非均相反应
非催化反应 大部分气相反应 快速反应（燃烧等）
三、反应工程的研究方法
1、模型化方法
参数计算式 ➢ 建立数学模型 动力学方程式
物料、热量、动量衡算式 ➢ 求解数学模型的计算方法 ➢ 计算机软件的实现及计算结果
2020年7月25日星期六
2、试验的方法
➢ 设备传递过程模型的测定 如：大型冷模测定
➢ 无法计算的参数的测定 如：热力学、动力学、催化剂等的参数
-50c
CH3-OH 400C 液相（高压）
2020年7月25日星期六
节流
➢ 生态工业组合
磷肥生产
Ca3 (PO4 )2 3H 2 SO4 H 3 PO4 3CaSO4 3NH 3 (NH 4 )3 PO4
磷石膏分解 CaSO4 CaO SO3
CaS CaO SO2
硫酸生产
SO2 12 O2 SO3
1957年，荷兰阿姆斯特丹第一次欧洲反应工程会议——确立 了化学反应工程的名称
2020年7月25日星期六
二、化学反应工程的范畴和任务
化学工艺
反应器中流体
流动、混合传
热和传质
反应
化 化学热力 学 学与反应
动力学
反应 过程 分析
过程动 态特性与 反应系统
测量和
工 程 控 制
控制
催化剂
设备结构及 参数控制
2020年7月25日星期六
80万吨/年加氢裂化装置
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
2020年7月25日星期六
45万吨/年乙烯裂解球罐
2020年7月25日星期六
釜式反应器
2020年7月25日星期六
环管反应器
2六
➢ 数学模拟的检验测定 即：数学模拟结果用实验测定可否应用
2020年7月25日星期六
基础 试验 测定
拟定 过程 模型
制
定
用模
计型
算 机 做
测 试
方方
案法 研及 究参
数
范
围
小试
模型的放大 试验
中试
比较测试结 果与模型计 算结果
修正基础模型
2020年7月25日星期六
数学模拟放大示意图
用 计 算 机过 做程 多的 方基 案本 及设 优计 化 设 计 计 算
反应产物的分离与提纯
单元操作（三传）
2020年7月25日星期六
2、反应工程概念的提出
20世纪30年代，丹克莱尔(Damhohler)论述了扩散、流体流动 和传热对反应器产率的影响——奠定了基础 梯尔(Thiele)和史尔多维奇对扩散反应问题作了开拓性的工作 40年代末，霍根(Hougen)和华生(Waston)著作《化学过程原理》 法兰克-卡明聂斯基著作《化学动力学中的扩散与传热》问世
化学反应工程
2020年7月25日星期六
第一章 绪论
1 反应工程在化学工程学科中的地位 2 反应工程的范畴和任务 3 反应工程的研究方法 4 化学反应过程分类 5发展趋势
2020年7月25日星期六
一、反应工程在化学工程学科中的地位
1、化学工程的主要研究内容
原料的预处理 化学方法加工 进行化学反应
单元操作（三传） 反应工程