化学反应工程--第七章-气液相反应过程
2
0 . 05
式中：dVS：气泡直径（m）；d0：小孔直径（m）；u0：小孔 d0u0 G Re 气速（m/s）； 0 G 由上式可见在高气速时，气速对气泡直径影响很小。
秋田等提出用鼓泡床床径作关联，得经验式如下：
u d 0 . 50 0 . 12 VS 0 G 26 Bo Ga D gD 2 gD L 式中： Bo ，称为朋特（Bond）准数；
gr u .02 t 1 e
1 2
工业鼓泡反应器内的气泡浮升速度一般用下式进行计算：
ut gr e r e L
1 2
式中：σ 为液体的表面张力（N/m），ρ L为液体密度（g/cm3）。 当有多数气泡一起上升时，气泡群的平均上升速度ub和单个气泡 的ut相差不大。 对流动的液体，气泡与液体之间存在一个相对速度，又称滑动速 度uS： u u 0 G L u u u 0 S b L 1 G G u0G、u0L为气相、液相的空塔速度。 范围内，而且比较均匀；在湍动区，气泡直径ub和孔径无关，分布器 的设计也就不那么重要了。
当床层处于湍动区时，ε
0G、ε G的计算不同于安静区，可用下式进行推算：
0G
空气 — 水系统
u0G 30 2u0G
1
1 72 3 u 0 G 0G 其他系统 30 2 u 0 G L
在实际操作条件下，气泡直径是不均一的，一般采用当量 比表面平均直径dVS表示，定义如下：
3 ndVS
n
即：
i
2 n d i i
6
2 dVS
2 i 3 i
ni
6
di3
dVS
nd n d
i
式中ni是直径为di的气泡数。
dVS和εG、a之间的关系为：
即：
dVS
6 G a
2
0 . 26
H O 2
0 . 50
L L , H O 2
0 . 24
⑵气泡上升速度 单个气泡时，按力的平衡导出其自由浮升速度ut为：
g d gd 4 4 L G b b u t 3 C 3C D L D
gD 3 Ga 2 L ，伽利略（Galilei）准数
L
0 . 12
L ； L
D为鼓泡塔内径。
上式一般在 D 0 . 6 m内可作近似估算。
已知在水中鼓泡时的气泡直径，换算成其它液体时，可用下式修正：
L , H O d VS 2 d VS L H O
uL u0L 1 G，u0L为空塔液速。
GH 又根据平均停留时间的定义： G u 0G u 0G
最后可得： G
ut u0L 1 G
式中：α 是计及气泡浮升受阻碍的校正系数。 静态气含率和动态气含率之间的关系如下：
u 0 L G 1 1 G 0 G u 1 0 G G
0 . 2 0 . 65 10 在安静区分布器的设计对气泡影响明显，气泡直径通常在
2
⑶气含率
G
①静态气含率ε 0G：是指液体并不连续流动时的气含率，ε 静止（不通气）液层高H0和通气时液层高度H算出： H H0 0G H u 0G 又： ub ，ub为实际的气速，u0G为空塔气速。
0G可从测量
H 0GH 0G 则气体平均停留时间为： ub u0G
若气含率随床高而改变，则：
0G
0G
H
0Gu0GFra bibliotek0dH
②动态气含率ε G：指塔内气体、液体均为连续流动时的气含率。 由于塔内液体流动的影响，气体在床层内的平均停留时间为： H G
ut uL
uL为液体在塔内的实际速度，和气体并联时取正，逆流操作取负。
3 d VS G 6 2 a n d VS
n
由于气泡之间的相互影响，dVS的大小仍只能依靠实验。 对空气—水系统，经验式如下：
0 . 29 10 d Re 200 Re 2100 VS ， d 0
1
1 2 0
1 3 0
d 0 . 71 10 Re ， Re0 10000 VS 0
1 2 1 2
式中：db为球形气泡直径；CD为曳力系数，是气泡雷诺数的函数，一 般实验结果为C 0 . 68 0 . 773 D
3 3 （re为与气泡体积相同的球体半径）时， . 7 10 m r 3 10 m 当 0 e
气泡不再是球形，尾涡后的旋涡使浮升阻力增加，此时：
2 m u 1 . 35 10 t r s e L 2 0 . 3 10 m 时，气泡呈圆帽形，随着气泡大小增加，浮升速度为： 当r e 1 2
1、鼓泡塔的流体力学 鼓泡塔中最基本的因素是气泡运动，塔内流体力学状况 ，一般是以空塔气速u0G的大小分为安静区和湍动区。 当：
m 0 . 05 u 0 . 06 OG s
称为安静区，此时气泡大小比较均匀，并作有规则的 浮升；当：
m u 0 . 075 OG s
称为湍动区，此时气泡运动不规则，鼓泡床内湍动剧烈。
⑴气泡直径
气体流量很小时在单孔口形成气泡并长大到它的浮力与所 受表面张力相平衡时，就离开孔口上升。如果气泡较小且呈球 形，则：
3 d g d b L G 0 6
1 3
则：
d0 db 1 .82 g G L
可见此时气泡直径主要和小孔直径 d0有关。增加流量与气泡频率成正比。 ，其性能象一个坚实的圆球； d 0 . 1 cm 气泡很小时 0 较大时会发生变形，并且螺旋式地摆动上升。大型的气泡形状如同笠 帽，上圆下扁。 只有在极慢的气速下气泡才是一个个单独行动的，而在气速稍大时， 前后气泡就要互相影响。
化学反应工程试题
A. 1 B. 2 C. 3 D. 4
8．脉冲示踪法测定停留时间分布对应曲线为（ ）。
A. E(t)曲线 B. F(t)曲线 C. I(t)曲线 D. y(t)曲线
9．反应级数n=（ ）时微观流体和宏观流体具有相同的反应结果。
（Ａ）。
A. 溶蚀法 B. 热熔法 C. 沉淀法 D. 混合法
20、对于一级反应，催化剂颗粒的无因次西勒模数 值的大小反映了表
面反应速率与（Ｃ）之比。
A. 扩散速率 B. 外扩散速率 C. 内扩散速率 D. 实际反应速率
二、间答题(20分，每题5分) 1、气-固催化反应一般包括那些步骤？ 2、停留时间分布密度函数E(t)布函数F(t)的意义。 3、简述常用理想反应器的种类和特点。 4、简述表征催化剂颗粒特征的基本参数粒径的表示方法。 三、证明题(20分)
度和温度与其外表面上的相等时的反应速率之比。
A.外扩散速率 B. 实际反应速率 C. 内扩散速率 D. 表观反应速率
15、全混流反应器中有（ Ｂ）个稳定的定常态操作点。
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
16、全混流流动的E（t）曲线的无因次方差=（Ｃ ）。
A. 0
B. 0～1
C. 1 D. ＞1
17、脉冲示踪法测定停留时间分布对应曲线为（ Ａ ）。
。 (3分) 停留时间分布函数F（t）：在定常态下的连续稳定流动系统中，相对于 某瞬间t=0流入反应器内的流体，在出口流体中停留时间小于t的物料所 占的分率为F（t）。
。 （2分） ３、简述常用理想反应器的种类和特点。 答：常用的理想反应器有间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器。 （1分）间歇反应器特点：①反应器中各处的物料温度、浓度都相同；
第七篇-化学反应工程PPT课件
t1ln1 1 ln1 99 .（ 8s6 ） k 1xA 0.0021 3 0.9 1
-
18
反应器体积：
V R q V 0(t t') 1 2m h 4 3 4 (9 3.9 6 8 6 3 6 0)0 0 0 .4m 533
-
9
活塞流模型－理想排挤流动模型（平推流） 反应器内任一截面上无速度梯度；物料在反 应器内的停留时间完全相同。（连续操作管 式反应器）
-
10
非理想流动模型－介于上两 种理想模型之间 a.轴向扩散模型－活塞流+轴 向扩散
将对活塞流的偏离情况通过轴 向扩散（轴向返混）速率来描 述 b.多。级费全克混定流律模：型u （D多l d釜dCl串联 流动模型）
(rA)VRdA n /dt (rA)dA c/dt d tdAc/ (rA)
基本方程：
tcA cA0
( d rAA )ccA0
xA 0
dA x (rA)
-
等容过程，液相反应
15
简单一级反应： ( rA )kA c kA 0 c (1xA )
t c A 0 0 x Ak A 0 d ( 1 c A x A x ) k 1 0 x Ad 1 ( 1 x x A A ) k 1 l1 n 1 x A k 1 lc c n A A 0
按操作 方法分
间歇 连续 半连续
5
7 基本反应器 间歇操作搅拌釜式反应器
特点：分批操作；所有物料 的反应时间相同；反应物的 浓度是时间的函数。
连续操作管式反应器
特点：连续进料；T、P、q
一定时，反应器内任一截面
的物料浓度不随时间变化；
化学反应工程课后习题答案 吴元欣
0 A
H A p*A
K
c
H
A
p
* A
该式表示A组分的溶解度为物理溶解量与离解
量之和。
如水吸收二氧化硫即属此类型。
第一节 气-液反应平衡
3.被吸收组分与溶剂中活性组分作用
设溶剂中活性组分起始浓度为，若组分B的转
化率为，此时
cB
c
0 B
1
xB
，cM
c
0 B
xB
平衡关系Kc cM /(cAcB ) xB / c*A 1 xB
第一节 气-液反应平衡
一、气-液相平衡
气-液相达平衡时，i组分在气相与液相中的逸度相等
，即 fig f iL
气相中i组分的逸度
fig 是分压
p
（或
）Py
与逸度因子
i
i
的乘积，即 fig Pyii
液相中i组分为被溶解的气体，xi是i组分在液相中摩
尔分数，如果是符合亨利定律的稀溶液，即 f i (L) Ei xi
体流动状态为层流，溶质A以分子扩散方式通过气膜和液膜
，由气相主体传递到液相主体。 （2）相界面处，气液两相达到相平衡，界面处无扩散阻力。
即：
pAi
cAi H
（3）在气膜和液膜以外的气、液相主体中，由于流体的充分 湍动，溶质A的浓度均匀，即认为主体中没有浓度梯度存在， 不存在传质过程。换句话说，传质仅仅发生在双膜内。
DD的斜率大于 DE 的斜率(以绝对值而言)，这表明液膜 中进行的化学反应将使吸收速率较纯物理吸收大为 增加，若以 表 示吸收速率增强因子，则
DD的斜率 DE的斜率
1
第二节 气-液反应历程
如果化学反应进行得很快，则被吸收组分浓度 在液膜中的变化曲线将变得更向下弯曲一些，此时 增强因子将会提高；反之，化学反应进行得慢，浓 度曲线将更直一些，增强因子将会降低。
《化学反应工程》期末考试试题及答案解读(可编辑修改word版)
r二、填空题（每题 5 分，共 30 分）1. 一不可逆反应，当反应温度从 25℃升高到 35℃时，反应速率增加一倍，则该反应的活化能为 52894 J ／m o l。
lnk 2E ( 1 1) ln 2 k 1 R T 1 E ( 1 T 2 1) ln 28.314 298 308 解 ： E 52894J / mol ，2.一气固催化反应 A + B → R ，若本征反应速率方程为：则该反应可能的反应机理为A σ AσB 22σ2BσA σB σk SR σ σ为 为Rσ R σ3. 间歇釜反应器中进行如下反应：A P A S(1)－r A1＝k 1C A a1(2) －r A2=k 2C A a2在 C A0 和反应时间保持不变下，降低反应温度，釜液中 C P /C S 增大，表明活化能 E1 与 E2 的 相对大小为 E1<E2 ；在温度和反应时间保持不变下，增高反应浓度，釜液中 C P /C S 增大，表明反应级数 a l 、a 2 的相对大小为 a l >a 2 。
A ．a l >a 2B ．a l <a 2C ．活化能 E l <E 2D ．活化能E l >E 2 20.984. 从反应器停留时间分布测定中,求得无因次方差20.02,反应器可视为 全混流反应器 又若求得无因次方差 ,则反应器可视为 活塞流反应器 。
5. 有两个有效容积不等的全混流反应器串联操作，反应为二级不可逆反应 A→P，若大釜在 先，小釜在后，出口转化率为 x A1，小釜在先、大釜在后，则出口转化率为 x A2，两种情况下， 进料流速、进料浓度和反应温度均相同，比较 x A1 和 x A2 的相对大小为x A1<x A2。
r k C 2 C 0.5 6. 在固定床反应器中，分别进行一级和二级不可逆气固催化反应，试P 比较1a 、A b 两B 处的η rk C 0.5C 2值大小（a 处靠近反应器的进口，b 处靠近反应器的出口），并说明理由Q 。
[指南]化学反应工程-22-第七章-气液相反应过程
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PA 0.05 atm
NA
解：
N A kGA p A PAi k LA C Ai
i i 1
i th i 1
C BL DLB 0.4 0.2 1 1 bDLA C Ai 2 C Ai C Ai
①
2 时，即膜内最大反应量大于4倍膜内最大传质量时，可以认为
反应在液膜内进行的是快速反应或瞬间反应（注：反应的快慢是相对于传质速 率而言，不是以kLA或k的大小来定义的），此时：
RA k LA aCAi
（-RA）是以单位时间、单位体积反应器内的A反应量。当
时， 2
rAL nI VRL
nI nI 0
PA0 PA P P I I0
* A
m n rA kmnC A CB
（单位时间、单位体积中A的反应量）
这里介绍三个概念：
a
fL
——单位气、液混合物容积中的相界面积； ——表示气、液混合物中的液含率（液相体积分率）；
G ——表示气、液混合物中气含率（气相体积分率）。
fL G 1
m n m n N Aa f L kmnCAL CBL 1 G kmnCAL CBL
最后： C1e C2e
1 C1e C2e 5
1 1e 结果： C1 1e e e e 1 1e C2 1e e e e
值都落在对角线附近，或者说，反应速率
已足够大，或传质系数足够大，以致CB在膜内不变，可按拟一级快速 不可逆反应处理。
气液相平衡方程
气液相平衡方程
气液相平衡方程是描述气体和液体之间物质传递的数学关系。
它是化学工程、环境科学、生物工程等领域中重要的理论工具。
气液相平衡方程的基本形式是亨利定律，即气体在液体中的溶解度与气体的分压成正比。
这个方程可以用以下数学表达式表示：
C = kH * P
其中，C是气体在液体中的溶解度，kH是亨利常数，P是气体的分压。
亨利常数是气体溶解度与分压的比例常数，它依赖于具体的气体和溶剂系统。
除了亨利定律，还有其他描述气液相平衡的方程，比如罗特定律和拉乌尔定律。
罗特定律是描述溶剂中溶质的逸度与溶液中溶质的摩尔分数之间的关系。
拉乌尔定律是描述理想混合溶液的蒸气压与组成之间的关系。
在工程实践中，气液相平衡方程经常用于设计和优化化工装置。
例如，在气体吸附过程中，通过气液相平衡方程可以计算出吸附剂中溶质的负荷量。
在化学反应工程中，气液相平衡方程可以帮助确定反应器中气体和液体的相互作用，从而优化反应条件。
此外，气液相平衡方程还可以应用于环境科学研究中。
例如，在水体中溶解氧的研究中，可以利用亨利定律来计算氧气在水中的溶解度，从而评估水体的氧化能力。
在大气污染研究中，可以利用拉乌尔定律来估算不同气体在大气中的浓度。
总之，气液相平衡方程是描述气体和液体之间物质传递的重要工具。
通过这些方程，可以深入理解气体和液体的相互作用，为工程设计和科学研究提供有力的支持。
《化学反应工程》简答题
（1） 简述活塞流模型和全混流模型的基本特征。
（2） 根据缩芯模型，描述S H 2和ZnO 反应的宏观步骤（3） 对于快速的一级不可逆的气液反应，写出其宏观反应速率的表达式（指明式中各参数的含义）。
（4） 对于一级不可逆的气固相催化反应，写出其宏观反应速率的表达式（指明式中各参数的含义）。
1.简述理想反应器的种类答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。
所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。
所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2.简述分批式操作的完全混合反应器答：反应物料一次性投入反应器内，在反应过程中，不再向器内投料，也不出料，待达到反应要求的转化率后，一次性出料，每批操作所需生产时间为反应时间与非生产性时间之和，非生产性时间包括加料、排料和物料加热、冷却等用于非反应的一切辅助时间。
3.简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。
反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。
停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。
由于平推流反应器内物料不发生返混，具有相同的停留时间且等于反应时间，恒容时的空时等于体积流速之比，所以三者相等。
4.对于可逆放热反应如何选择操作温度答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。
5.对于反应，21A R C k r =，1E ；A S C k r 2=，2E ，当1E ＞2E 时如何选择操作温度可以提高产物的收率 答：对于平行反应ARTE E A RT E RTE S R R C e k k C e k e k r r S 12212010/20/10---===，所以，当1E ＞2E 时应尽可能提高反应温度，方可提高R 的选择性，提高R 的收率。
西工大《化学反应工程》复试试题
化学反应工程1.催化剂使用一段时间后，活性下降的原因不包括（）。
A.结构变化B.物理失活C.化学中毒D.化境变化答案:D2.当床层厚度（）颗粒直径时，轴向热质扩散（轴向返混）对出口转化率所造成的影响可以忽略不计。
A.大于50倍B.小于50倍C.大于10倍D.小于10倍答案:A3.气液相反应的基本理论是（）。
A.吸附理论B.双膜理论C.渗流理论D.不平衡增长理论答案:B4.气液相反应的特点和适用范围不包括（）。
A.液体沿填料表面向下流动，持液量小B.气液接触界面近似等于填料表面积C.气液传质过程可以按双膜理论计算D.适用于慢反应及极慢反应过程答案:D5.化学反应工程是一门研究化学反应的（）的科学。
A.工程问题B.过程问题C.时间问题D.效率问题答案:A6.（）是化学反应工程的基础。
A.二传一反B.三传一反C.二一正D.三传一正答案:B7.化学反应困呈按操作方法分为三种操作，其中不包括（）。
A.分批式操作B.半分批式C.连续式操作D.间断操作答案:D8.不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称（）。
A.数学函数B.数学模型C.数学变量D.数学参数答案:B9.在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量恒算式的一般式为（）。
A.累积量＝输入量B.累积量＝输出量C.累积量＝输入量－输出量D.累积量＝输入量+出量答案:C10.管式反应器，一般长径比（）。
A.大于3B.大于30C.1—3D.3—30答案:B11.槽式反应器，一般高径比为（）。
A.大于3B.大于30C.1—3D.3—30答案:C12.塔式反应器，一般高径比在（）之间。
A.1—3B.3—10C.1—30D.3—30答案:D13.下列（）措施不属于防止爆炸的措施。
A.严格控制温度、压力、浓度等操作参数B.控制整体温度，局部超温不处理C.超限报警，联锁停车，排放可燃物D.安全阀，阻火器，防爆膜答案:B14.半衰期为20小时的放射性流体以hr-1的流量通过两个串联的全混流反应器后，其放射性衰减了（）。
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程期末考试真题
化学反应工程原理一、选择题1、气相反应CO + 3H 2CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以1∶2摩尔比进料，则膨胀因子CO δ=__A_。
A. -2B. -1C. 1D. 2 2、一级连串反应AS P在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度=m ax ,P C ___A____。
A. 122)(210K K K A K KC - B.22/1120]1)/[(+K K C A C. 122)(120K K K A K KC - D.22/1210]1)/[(+K K C A3、串联反应A → P （目的）→R + S ，目的产物P 与副产物S 的选择性P S =__C_。
A. A A P P n n n n --00B. 0A P P n n n - C. 00S SP P n n n n -- D. 00R RP P n n n n --4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n___B__。
A. ＜0B. =0C. ≥0D. ＞05、对于单一反应组分的平行反应AP(主)S(副)，其瞬间收率P ϕ随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为____B__。
A. 平推流反应器B. 全混流反应器C. 多釜串联全混流反应器D. 全混流串接平推流反应器 6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用____A___。
A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器D. 全混流串接平推流反应器7、一级不可逆液相反应A 2R ，30/30.2mkmol C A =， 出口转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3m 。
A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.48、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ，s l mol C r A A ⋅=-/01.0，当l mol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。