化学反应工程第六章非均相反应器(上)
化学反应工程第二版习题解答
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第二章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第三章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第四章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第五章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第六章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第七章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第八章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第一章习题1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?答：化学反应式中计量系数恒为正值，化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同，符号相反，对于产物二者相同。
2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?答：如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物，该反应是基元反应。
第6章 固定床反应器
流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流 道不规则而已。故此可将空床中流体流动的压力降计算公式修正 后用于固定床。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
2 um 1 B p a. 厄根方程 f '( )( ) 固定床压力降计算公式： 3 L dS B
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
气－固相催化反应器
固定床 反应器
流化床 反应器
绝热式
换热式
自热式
单段绝热
多段绝热
内冷式
外冷(热)式
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
第6章 固定床反应器
6.1 概述
s （dV / da )2
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
平均直径dP:是指不同大小颗粒直径的平均值。
①算术平均法 :
d p xi d i
i 1
xi为直径等于di的颗粒所占的质量分数。
n
②调和平均法:
n xi 1 d p i 1 d i
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（3）自热式反应器
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
CO2+4H2
CH4+2H2O
强放热反应
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
化学反应工程 第六章 固定床反应器
一、颗粒层的若干物理特性参数
密度
– 颗粒密度ρp
• 包括粒内微孔在内的全颗粒密度；
– 固体真密度ρs
• 除去微孔容积的颗粒密度；
– 床层密度/堆积密度ρB
• 单位床层容积中颗粒的质量（包括了微孔和颗粒 间的空隙）；
p s (1 p ) B p(1 B )
一、颗粒层的若干物理特性参数
i
Wi FA0
i
xi dx A
r xi1
i
也即
Z 0 Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
min
Z 0
xi
1 ri
xA xi
1 ri 1
xA xi
0
i 1,2, N 1
对 Z 0 的处理 Ti
Z
Ti Ti
xi dx A
r xi1
i
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
0
i 1,2, N
按中值定理：
Z
Ti
xi x i 1
Ti
1 (
ri
)dx A
（xi
x
i
1
)
Ti
• 双套管式、三套管式
流体流向：轴向、径向
固定床反应器的数学模型
拟均相数学模型：
忽略床层中颗粒与流体之间温度和浓度的差别 –平推流的一维模型 –轴向返混的一维模型 –同时考虑径向混合和径向温差的二维模型
化学反应工程第六章非均相反应器(上)
6.1.5 固定床反应器的工艺计算
(4)管间采用道生油强制外循环换热。道生油进口温度 503K， 出口温度508K,道生油对管壁给热系数α0可取 2717kJ／(m2·h·K)。 (5)催化剂为球形，直径dP为5mm，床层空隙率ε为0.48。 (6)年工作7200h，反应后分离、精制过程回收率为90％， 第一反应器所产生环氧乙烷占总产量的90%。
6.1.2 固定床反应器的类型
气流不是沿轴向而是沿径向通 过催化剂床层，这种流程可以 解决床层过高、走轴向压力降 过大的问题，该合成塔床层阻 力小、可以采用大气量、小颗 粒催化剂，利于减小内外扩散 的阻力，强化传质，因此特别 适用于大中型生产规模的场合。
图6-7 径向反应塔示意图
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.4.1 固定床中的传质 内扩散控制过程发生的场合是，颗粒大，因而内扩散阻力 大，内扩散速度小；温度高因而化学反应速度快；气速高
因而外扩散速度大。内扩散控制过程浓度分布特征是 CAg≈CAs>> CAc≈CAeq 。
外扩散的控制过程 传质速度（外扩散速度）即为总反 应速度。外扩散控制发生的场合是颗粒小，气速小、温度 高。外扩散控制过程浓度分布的特征是
CO2 52.67+3.26=55.93kmol/h
N2
566.35kmol/h
C2H4O 3.16kmol/h
《化学反应工程》教学大纲
《化学反应工程》教学大纲课程名称化学反应工程课程编号课程英文名称Chemical Reaction Engineering课程类型专业基础课总学时 64学时（理论50学时，实验14学时）学分 4适用专业化学工程与工艺先修要求高等数学、物理化学、化工原理、开课安排第六学期开课，周五学时一、课程基本目的《化学反应工程》是化学工程类专业继物理化学、化工原理、化工数学等课程后开设的一门主修专业课。
目的是使学生掌握化学反应工程的基本概念、原理和方法，包括反应动力学及传递过程基本原理、理想流动模型及理想反应器、停留时间分布以及混合程度对反应的影响、反应器的设计与分析方法等。
二、学习收获：通过本课程的教学，使学生掌握建立化学反应动力学模型及反应器流体传递过程模型的方法，并根据化学反应特性及反应器特性，掌握反应器的设计、选型、放大与最优化，为将来深入研究与开发化工反应过程打好基础。
四、内容提要：《化学反应工程》是研究化学反应工程问题的学科，它以化学反应及化学反应器工程问题为研究对象，将反应特性及反应器的特性结合起来研究化学反应在工业上进行有效实施的一门专业主干课程。
该课程的主要内容包括均相与非均相反应动力学基础、理想反应器模型、非理想流动的停留时间分布及混合程度对化学反应的影响、均相非理想流动的流动模型以及气固相催化反应器非均相反应器等内容。
绪论（2学时）1. 化学反应工程的任务和范畴。
2. 化学反应工程的研究方法。
3. 化学反应工程与其他学科的关系。
4. 如何学好反应工程。
要求深刻理解与熟练掌握的重点内容有：1. 化学反应工程的任务和范畴。
2. 化学反应工程的研究方法——数学模拟法。
要求一般理解与掌握的内容有：化学反应工程与其他学科的关系。
难点：数学模拟法。
第1章均相反应动力学（8学时）明确反应速度的定义及表示方法，掌握转化率、收率、选择性的概念，研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。
2020年秋冬智慧树知道网课《化学反应工程》课后章节测试答案
第一章测试1【多选题】(20分)对化学工程师而言，化学反应工程知识非常重要，体现在A.化工新技术的前沿问题多集中于反应设备的开发和设计B.反应器的安全性和经济性往往决定着整套化工装置的成败C.通过化学反应过程，将廉价的原料转化为高价的产品D.反应器是化工生产过程的核心设备2【多选题】(20分)下列属于非均相催化反应的有A.煤在空气中的燃烧反应B.烃类的蒸汽裂解反应C.以钴基催化剂催化的合成气费托合成反应D.石油的流化催化裂化反应3【多选题】(20分)关于恒容反应和变容反应，以下说法正确的是A.温度、压力条件变化范围不大的液相反应可视为恒容反应B.在刚性容器中进行的气相反应属于恒容反应C.气相反应都是变容反应D.恒温、恒压变摩尔数的气相反应属于变容反应4【判断题】(10分)非基元反应是指的反应需要由至少2个计量方程描述的反应A.错B.对5【判断题】(10分)反应的计量方程都反映了实际的反应历程A.错B.对6【判断题】(10分)反应速率有多种定义方式，其间没有任何关系A.对B.错7【判断题】(10分)某反应的反应级数和反应的计量系数一致，表明其为基元反应A.错B.对第二章测试1【多选题】(10分)本章所学习的理想反应器包括哪几种？A.流化床反应器B.全混流反应器C.平推流反应器D.固定床反应器E.理想的间歇式反应器F.鼓泡床反应器2【多选题】(10分)关于一个反应器的物料衡算方程，以下说法正确的是：A.对着眼组分i的物料衡算方程表达为：单位时间内i组分流入控制体积的摩尔数=单位时间内流出控制体积的i的摩尔数+单位时间内控制体积内因反应而生成的i组分的摩尔数+单位时间内控制体积内累积的i组分的摩尔数B.方程中i组分累积的速率是指控制体积中i组分单位时间内增加的摩尔数C.对于任何反应器进行物料衡算，衡算控制体积可以随便选取。
化学反应工程_中国石油大学(华东)中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
化学反应工程_中国石油大学（华东）中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.反应平衡常数随温度变化关系，与（）成正比。
答案:反应热2.关于动力学方程，以下正确的认识是：答案:一般反应的动力学方程和计量方程间无必然联系3.停留时间分布密度函数E(t)没有单位答案:错误4.对于一恒容反应，以下说法正确的是：答案:达到相同的转化率时，在间歇式反应器中进行需要的反应时间与在平推流反应器中进行需要的空时相等5.以下对离析流模型描述正确的是答案:宏观流体可以采用离析流模型计算_离析流模型中流体粒子可看做间歇釜反应器_离析流模型中流体粒子之间不存在物质交换6.影响轴向分散系数D的因素包括答案:湍流扩散_分子扩散_流体速率分布7.如果一个反应的瞬时收率与反应物浓度关系曲线有极大值，采用全混流-平推流进行串联也是个不错的选择。
答案:正确8.轴向分散系数与分子扩散系数，下面论述正确的是答案:分子扩散系数是物质本身的一种属性_两者实质上是不同的_轴向分散系数是与流动有关系的9.从反应器停留时间分布测定中求得无因次方差为0.99，反应器可视为答案:全混流10.二个相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值为答案:0.511.由示踪实验测得一反应器的停留时间分布密度函数【图片】可计算流体在该反应器内平均停留时间为 min。
答案:1012.理想活塞流反应器E(t)曲线的方差是答案:13.停留时间分布函数F(t)取值范围是答案:[0, 1]14.关于我们选择反应器类型时需要考虑的因素，以下描述对不对？答案:以上因素均需要考虑15.对于在间歇式反应器中进行的不可逆反应，以下说法正确的是答案:一级反应的转化率与反应物的初始浓度无关16.对于不可逆气相反应A+2B→2C，在一的全混流反应器中进行，若进料中A与B的摩尔比为1：3，空时为8min，反应器出口A的转化率为80%，则物料在反应器中的平均停留时间为：答案:等于10min17.关于一个反应器的物料衡算方程，以下说法正确的是答案:对着眼组分i的物料衡算方程表达为：单位时间内i组分流入控制体积的摩尔数+单位时间内控制体积内因反应而生成的i组分的摩尔数=单位时间内流出控制体积的i的摩尔数+单位时间内控制体积内累积的i组分的摩尔数_方程中i组分累积的速率是指控制体积中i组分单位时间内增加的摩尔数18.不管哪种反应器类型，某反应物的转化率都可根据器内该组分摩尔数的变化来计算答案:错误19.对于不可逆气相反应A+2B→2C，在一恒温恒压的平推流反应器中进行，若进料中A与B的摩尔比为1：3，空时为8min，反应器出口A的转化率为80%，则物料在反应器中的平均停留时间为：答案:不能确定其具体数值20.对于平行-连串反应A+B→R，R+B→S，如果要有利R的生成，A应该采用平推流侧线小股进料。
反应工程第二版 第六章气固相催化固定床反应器
dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型 二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
23
• 热量衡算：（仍然是那块体积）
输入热量－输出热量+反应热效应
=与外界的热交换+积累
x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in x3out T4in x4out
35
x
在T－x图上看：
0
二氧化硫氧化反应T－x图示意
T
斜线为段内操作线，斜率为1/λ。 水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。
36
• 调用最优化程序，就可以求得W最小值？
• 可以，但很困难。
输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容
输出：G cp(T+dT)
反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
24
• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
• 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应 条 件 下 气 体 的 密 度 ρg=2.46kg.m-3 ， 粘 度 μg=2.3×10-5kg.m-1s-1 ， 气 体 的 质 量 流 速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。
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6.1.2 固定床反应器的类型
自热式反应器在开车时需要外 部热源，而且由于大量换热管 的存在，减少了催化剂的装载 量，影响到反应器的生产能力， 因此近年来的大型装置采用中 间冷激的多段绝热床，其结构 与气体的流向，如图6-6所示。
图6-6 多段冷激式大型 合成氨反应器一例
6.1.1 固定床反应器的特点
固定床反应器无论塔式还是 管式均垂直设置，气体由顶 部进入，流动方向与重力方 向一致，这样可以防止气体 冲动床层、造成催化剂分布 不均匀和催化剂的磨损带出， 同时有利于反应器中可能形 成的液态物质的排除。
图6-1 固定床反应器
6.1.2 固定床反应器的类型
6.1.2.1绝热式固定床反 应器 (1) 单段绝热式反应器 单段绝热式反应器是在一 个中空圆筒的底部放置搁 板(支承板)，在搁板上堆 积固体催化剂。
6.1.2 固定床反应器的类型
6.1.2.2 换热式固定床反应器 (1)对外换热式固定床反应器 以各种载热体为换热介质的对 外换热式反应器多为列管式结 构，如图6-4所示，类似于列管 式换热器。
图6-4 列管式固定床反应器
6.1.2 固定床反应器的类型
(2) 自热式固定床反应器 以原料气为换热介质，利用 反应后的高温气体预热原料，使其达到反应温度，本身 得到冷却，这种反应器称为自热式固定床催化反应器， 有的氨合成塔和甲醇合成塔属于这种类型。
6.1.4.1 固定床中的传质 内扩散控制过程发生的场合是，颗粒大，因而内扩散阻力 大，内扩散速度小；温度高因而化学反应速度快；气速高
图6-2 绝热式固定床反应器 1-矿渣棉 2-瓷环 3-催化剂
6.1.2 固定床反应器的类型
(2)多段绝热式反应器 多段绝热床中，反应气体通过第一段绝热床反应至一定 的温度和转化率而离可逆放热单一反应平衡温度曲线不 太远时，将反应气体冷却至远离平衡温度曲线的状态再 进行下一段的绝热反应。
图6-3 多段固定床绝热反应器
（4）平均直径
当颗粒的形状不规则、大小也不均匀的时应采用平均直
径。
a.统计平均直径
n
d p xi di
b.调和平均直径
i 1
dp
1
n
xi
i1 di
留在某一号筛上的颗粒直径为
（6-4） （6-5）
di d0i d0(i1)
（6-6）
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
（5）形状系数 s
催化剂颗粒的形状系数定义为：球形颗粒的外表面积与 体积相同的非球形颗粒的外表面积之比，即
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
解 当ReM>1000时，固定床压力降的计算公式按式 (6-9)为 对于3．3～4. 7mm不均匀颗粒
对于φ4mm球形颗粒
则由 得
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
按式（6-7）,颗粒的形状系数为 对于球形颗粒 因为 所以 对于不均匀颗粒
又因为 所以
6.1.4 固定床反应器中的传质与传热
6.1.3.1固定床反应器的床层特点 1.催化剂颗粒的直径和形状系数 （1）体积相当直径dV 体积相当直径是以颗粒（非球型颗粒）体积相等的球体 的直径表示的颗粒直径。由
可以导出
（6-1）
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
（2） 外表面积相当直径
外表面积相当直径是以与颗粒的外表面积相等的球体的
直径表示的颗粒直径，在固定床传热及传质研究中常用
(6-12)
当ReM>1000时，流体处于湍流状态， 式(6-l0)中 150/ ReM <<1．75，即式(6-9)可简化为
(6-13)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
例6-1 以一筛分为3．3～4．7mm的不均匀颗粒作固定床 压力降试验，床层高度为L=1m，空隙率ε= 0．38，壁效 应忽略不计，在测试条件下ReM>1000，测得的床层压力 降△p1=2．3×102kPa。现在同一固定床中，改填与3 3～4．7mm不均匀颗粒材料相同的φ4mm球形颗粒，空隙 率0．40，其他测试条件相同，测得的床层压力降 △p2=0．63×102kPa。 试求筛分为3 ．3～4．7mm不均匀颗粒的形状系数。
6.1.2 固定床反应器的类型
气流不是沿轴向而是沿径向通 过催化剂床层，这种流程可以 解决床层过高、走轴向压力降 过大的问题，该合成塔床层阻 力小、可以采用大气量、小颗 粒催化剂，利于减小内外扩散 的阻力，强化传质，因此特别 适用于大中型生产规模的场合。
图6-7 径向反应塔示意图
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
s
As Ap
（6-7）
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率 空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之 比，可用式(6-8)进行计算。
(6-8)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.2 固定床反应器 内的流体流动特性 固定床反应器内的流体 流动直接影响床层的压 力降和传递过程，并最 终影响反应结果。
这种直径。由A p = d a 可以导出
(6-2)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
（3）比表面积相当于直径d 比表面积相当于直径是以与颗粒的比表面积相等的球体 的直径表示的颗粒直径，计算固定床压力降时常用这种 直径。这里的比表面积是指单位体积颗粒所具有的外表 面积，以S v表示
则
（6-3）
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
图6-8 固定床中的径向流速分布
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.3 流体流过固定床层的压力降
固定床的压力降可表示为
(6-9)
经实验测定，修正摩擦系数fM与修正雷诺数ReM的关系可
表示为
(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-10)
而修正雷诺数
(6-11)
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
当ReM<10时，流体处于滞流状态， 式(6- 10)中150/ ReM >>1 .75，即式(6-9)可简化为
化学反应工程
第六章 非均相反应器 （上）
第六章 非均相反应器
6.1 固定床反应器 6.2 流化床反应器 6.3 流化床反应器 6.4 其他非均相反应器简介
6.1 固定床反应器
1 固定床反应器的特点 2 固定床反应器的类型 3 固定床反应器内的流体流动 4 固定床反应器中的传质与传热 5 固定床反应器的工艺计算