化学反应工程教案17(化工13)-胡江良
化学反应工程教案3(化工13)-胡江良
原物料的组成相同。这种混合不会影响反应过程的进行。 返混：流动反应器内，处于不同进料时间的两股物料之间发生的混合。 • 由于物料在反应器内的停留时间不同，则反应程度不同，二者的组
成也不相同，混合后形成的新物料其组成将与原物料的组成不同，化学反 应速率也将随之发生变化。 与正常通过反应器的物料相比，返混存在死角、短路/近路和回流等工 程因素。 原因： （1） 机械搅拌引起物料运动方向与主体流动方向相反； （2）反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等 2、按物料在反应器内返混情况进行分类： （1）间歇反应器 （2） 理想置换反应器
（2）、能量衡算 描述温度的变化规律。 温度对化学反应速率有着显著作用，为了确定某一时间每一点的温度 和组成，必须将物料衡算方程和热量衡算方程结合起来。 对反应器中的体积元进行热量衡算，有：
单位时间内 单位时间内 单位时间内与 单位时间内 单位时间内 输入的热量 输出的热量 环境交换的热量 关键组分 关键组分 关键组分 输入速率 输出速率 转化速率 累积速率
Fin Fout Fr Fb
间歇反应 稳态连续
Fr Fb 0
Fin Fout Fr
参考资料（含参考书、文献等）
《化学反应工程》 （第二版） ，郭 锴， 化学工业出版社， 2015 年出版； 《化学反应工程》 （第三版） ，陈甘棠， 化学工业出版社， 2011 年出版； 《反应工程》 （第三版） ，李绍芬 主编，化学工业出版社 ，2013 年出版。
教学反思：
5
3
持续时间。 主要用于间歇反应器，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反 应的辅助时间。 2、停留时间 t 和平均停留时间 t 停留时间 流体微元从反应器入口到出口所经历的时间，又称为接触时间，主要 用于连续流动反应器。 在反应器中，由于流动状态和化学反应的不同，物料微元体在反应器 中的停留时间是各不相同的，存在一个分布，称为停留时间分布。 平均停留时间 各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间。 3、空间时间 反应器有效容积与流体特征体积流率之比值。
化学反应工程教案12(化工13)-胡江良
化学反应工程课程教案
2、内扩散影响的消除
基本原则：改变催化剂粒度，缩短扩散距离，减小内扩散阻力。
当催化剂粒度（尺寸）的变化对反应动力学不产生影响时，即可认为消除了内扩散的影响
实验测定：在恒定条件下（反应器入口气体组成、温度和停留时间等）
本征动力学测试的基本要求
（1）反应气体需高度净化，严格控制有害杂质含量
（2）测试用反应器应严格控温（等温或绝热）
（3）根据物系特性，选取适宜分析和流量计量方法
（4）严格消除内、外扩散过程的影响
4.4.2 本征动力学测试常见的反应器。
化学反应工程教案17化工13胡江良
化学反应工程课程教案课次17课时 2 课型（请打√）理论课√讨论课□实验课□习题课□其他□授课题目（教学章、节或主题）：第7章气固相催化反应流化床反应器7.3流化床反应过程的计算教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：：1. 掌握流化床的基本概念；2. 掌握流化床的工艺计算；教学重点及难点：重点：固定床催化反应器的特点、类型和设计要求。
难点：一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算。
教学基本内容方法及手段7.1流化床的基本概念流态化现象：使微粒固体通过及气体或液体接触而转变成类似流体的操作。
固体颗粒层及流体接触的不同类型：7.1.1流化床的基本概念1）当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力及曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。
此时床层称为固定床。
讲解2）随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。
若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。
曳力（表面曳力、形体曳力）曳力是流体对固体的作用力，而阻力是固体壁对流体的作用力，两者是作用力及反作用力的关系。
表面曳力由作用在颗粒表面上的剪切力引起，形体曳力由作用在颗粒表面上的压强力扣除浮力部分引起。
3).流化床类似液体的性状（a）轻的固体浮起；（b）表面保持水平；（c）固体颗粒从孔中喷出；（d）床面拉平；（e）床层重量除以截面积等于压强流化床的优点(1) 颗粒流动类似液体，易于处理、控制；(2) 固体颗粒迅速混合，整个床层等温；(3) 颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递；(4) 宜于大规模操作；(5) 气体和固体之间的热质传递较其它方式高；(6) 流化床及床内构件的给热系数大。
mf mfu mf：初始流态化速度d P：颗粒平均粒径ρ，ρP：流体密度，颗粒密度L mf：初始流态化时的浓相段床高D e：流体的扩散系数μ：流体粘度浓相段和稀相段（P185-186）1).当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度(p188)，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。
化学反应工程教案10_胡江良
化学反应工程教案10_胡江良教案：化学反应工程教案一、基本信息1.教学对象：高中化学学生2.授课内容：化学反应工程3.教学目标：了解化学反应工程的基本概念、原理和应用二、教学方法1.讲授法：通过讲解概念、原理和应用，深入理解化学反应工程的内容；2.实验法：进行一些简单的实验，帮助学生理解反应工程的实际操作；3.讨论法：组织学生进行小组讨论，共同解决实际问题；4.案例分析法：通过一些典型案例的分析，帮助学生理解反应工程的具体应用。
三、教学内容1.化学反应工程的概念和基本原理A.反应工程的定义和分类B.化学反应的热力学和动力学基础C.反应的速度方程和速率常数D.反应的平衡和反应热2.化学反应的实际操作A.反应的热平衡和控制B.反应的物质平衡和控制C.反应的高效与高选择性控制D.反应的安全控制3.化学反应工程的应用A.化学反应的工业应用B.化学反应的环境应用C.化学反应的能源应用四、教学过程第一节：化学反应工程的概念和基本原理1.介绍反应工程的定义和分类2.介绍反应的热力学和动力学基础3.介绍反应的速度方程和速率常数4.介绍反应的平衡和反应热第二节：化学反应的实际操作1.讲解反应的热平衡和控制方法2.讲解反应的物质平衡和控制方法3.讲解反应的高效与高选择性控制方法4.讲解反应的安全控制方法第三节：化学反应工程的应用1.介绍化学反应的工业应用案例2.介绍化学反应的环境应用案例3.介绍化学反应的能源应用案例五、教学评估1.参与讨论2.完成小组作业3.完成实验报告六、教学资源1.教材：高中化学教材2.实验设备：反应瓶、试管、温度计等3.实验药品：氢氧化钠、盐酸、过氧化氢等七、教学反思化学反应工程是一个很重要的学科，它是化学技术和工程技术的基础。
通过本节课的教学，学生可以了解化学反应工程的基本概念、原理和应用。
通过实验和案例分析，可以帮助学生更好地理解反应工程的实际操作和应用。
此外，通过小组讨论和评估，可以帮助学生更好地掌握反应工程的知识和技能。
化学反应工程教案5(化工13)-胡江良(精编文档).doc
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A
当转化率越大，则
两者的差距较大，所
以可采用低转化率操
作。
⏹ 1、对同一单一的正级数反应，在相同工艺条件
下，为达到相同的转化率，PFR 所需的反应器
体积最小，而CSTR 所需的反应器体积最大。
（若反应器体积相同，则PFR 可达的转化率最大，
而CSTR 可达的转化率最小。
）
⏹ 2、当转化率很小时，反应器性能受流动状况影
响较小。
随着转化率增加，二者体积差距逐渐
增大。
⏹ 3、当转化率一定时，随着反应级数增加，CSTR
体积与PFR 体积之比迅速增大，而对于0级反
应，流动状况对所需反应体积大小没有影响，
二者之比等于1；
⏹ 4、如果反应密度降低（即体积膨胀），会增加
二者体积比率，即导致CSTR 的效率下降；反
之则反。
然而密度变化对反应器大小的影响与
流动状况对其影响小得多，为次要影响因素。
⏹ 因而，确定反应器型式，不但要考虑反应级数，
还要考虑转化率高低。
⏹ 如果反应级数高、要求的转化率也高，应采用
PFR ；
00()A Af
RM A f V C x V r =0000[][]
Rp A RM A V
V C OABD V V C OCBD ==1<RM
RP V V。
化学反应工程教案4(化工13)-胡江良
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《反应工程》 （第三版） ，李绍芬 主编，化学工业出版社 ，2013 年出版。
教学反思：
8
2、平推流反应器的设计方程 • • • • • 反应器体积 VR 衡算对象：关键组分 A 衡算基准：微元体积 dVR 在单位时间内对 A 作物料衡算： [A 流入量]－[A 流出量]－[A 反应量]＝[A 累积量]
或：进入量-排出量-反应量=累积量
FA ( FA dFA ) (rA )dVR 0
三、全混流反应器的热量衡算 • 衡算基准：反应器的有效容积 VR
Gc p (T1 T2 ) KA(Tw T2 ) (rA )(H r )VR 0 Tw T2 1 [Gc p (T1 T2 ) (rA )(H r )VR ] KA
结合物料衡算及化学反应动力学方程便可求解非等温条件下 CSTR 的设 计计算问题。
•
对于恒容过程 :
x A 2 dx VR A c A0 x A1 (r ) V0 A
c A 2 dc c A1 dc VR A A c c A1 ( r ) A 2 (r ) V0 A A
3、等温变容过程 1)、膨胀因子 定义： 每转化 1mol 的 A 时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子。
•
同样也可作出 1/rA～cA 曲线，然后求取 cA0～cAf 之间曲线下的面积 即为反应时间 t.
2
BR 中，达到一定转化率所需反应时间，只是动力学方程式的直接积分， 与反应器大小及物料投入量无关，故动力学方程常在间歇反应器内进 行测定。 • 1.4.2 平推流反应器（理想置换反应器 Piston/Plug Flow Reactor
间接操作的充分搅拌反应器又称为间歇反应器，通常都设有夹套或盘 管以便加热或冷却釜内的反应物料，控制反应温度。
化学反应工程教案19(化工13)-胡江良
化学反应工程课程教案
只有两条曲线的交点才满足方程。
（即左侧右侧相等）
两条曲线交于N、P、M三点。
）、分别讨论：
点：产热速率和移热速率都低
点：产热速率和移热速率中等
点：产热速率和移热速率都高
稳定性问题：
体系受到扰动后自行恢复的能力。
如果一个操作点在受到扰动后能自行恢复，称为稳定操作点。
否则称为不稳定操作点。
点：当某一随机因素使温度升高到T E，此时，移热速率大于产热速率，温度将下降；若温度降低至T，此时，产热速率大于移热速率，温度
9.2管式反应器的稳定性与参数灵敏性
•热稳定性：
•返混很小的管式反应器，任何一个局部发生扰动，必然引起局部的温度变化，而温度变化只会影响反应器的下游，不会影响到反应器的上游。
•有良好壁面传热的管式反应器主要的传热方向是径向，轴向传热可以忽略。
稳定性问题是由径向温度分布所引起。
化学反应工程教学案6(化工13)_胡江良
化学反应工程课程教案授课题目（教学章、节或主题）第2章复合反应与反应器选型2.2自催化反应特性与反应器选型 2.3可逆反应特性与反应器选型教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）熟悉自催化反应和可逆反应的特点；教学重点及难点:重点：自催化反应和可逆反应的特点。
难点：自催化反应和可逆反应反应器的选择。
教学基本内容22自催化反应特性与反应器选型自催化反应是复合反应中的一类。
其主要特点是反应产物能对该反应 过程起催化作用，加速该反应过程的进行。
特点：反应产物中含有对此反应有催化作用的组分。
因此，常在反应开始时加入少量有催化作用的产物。
反应1;話一＞尸用］一＞火=一加=比恒曲4反应 2： A + P —> P-\-—> r 2 = —p 4-「A =二(t j )=(总1)(%) =KC A k2(MP在整个反应过程中，A 组分被反应掉了，但是生成了等量的 P 组分, 则A 与P 的总摩尔数是恒定的，即:C A0C P0= C A C P = C 0 = C P 二 C A0 C P0 - C A- r A - ( ~r Aj ) = ("T AI )(_rA2^ k 1C Ak 2C AC^= k 1CAk 2C A(CA0Go〜CA)dC ^ =k i C A 【1 +代 / kJ©。
+c p° -C A )] dt1. 2. 了解自催化和可逆反应反应器的选择; 3. 了解自催化和可逆反应反应器类型;方法及手段第2章复合反应与反应器选型讲解A 组分的消耗速率为:最大反应速率对应的反应物浓度（极值原理）2k2在反应初期，尽管反应物的浓度较高，但是由于产物的浓度很低, 所有总反应速率不大;随着反应的进行，产物浓度增加，反应物浓度虽然降低，但是其值仍然较大，因此，反应速率将是增加的。
当反应进行到某一时刻时，反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下降。
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课次17课时 2 课型
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理论课√讨论课□
实验课□习题课□
其他□
授课题目（教学章、节或主题）：
第7章气固相催化反应流化床反应器
7.3流化床反应过程的计算
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：：
1. 掌握流化床的基本概念；
2. 掌握流化床的工艺计算；
教学重点及难点：
重点：固定床催化反应器的特点、类型和设计要求。
难点：一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算。
教学基本容方法及手段
7.1流化床的基本概念
流态化现象：使微粒固体通过与气体或液体接触而转变成类似流体的操作。
固体颗粒层与流体接触的不同类型：
7.1.1流化床的基本概念
1）当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力（浮力与曳力之和）小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的
空隙通过。
此时床层称为固定床。
讲解
2）随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。
若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层
内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。
曳力（表面曳力、形体曳力）曳力是流体对固体的作用力，而阻力是固体壁对流体的作用力，两者是作用力与反作用力的关系。
表面曳力由作用在颗粒表面上的剪切力引起，形体曳力由作用在颗粒表面上的压强力扣除浮力部分引起。
3).流化床类似液体的性状
（a）轻的固体浮起；
（b）表面保持水平；
（c）固体颗粒从孔中喷出；
（d）床面拉平；
（e）床层重量除以截面积等于压强
流化床的优点
(1) 颗粒流动类似液体，易于处理、控制；
(2) 固体颗粒迅速混合，整个床层等温；
(3) 颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在
床层之间传递；
(4) 宜于大规模操作；
(5) 气体和固体之间的热质传递较其它方式高；
(6) 流化床与床内构件的给热系数大。
mf mf
u mf：初始流态化速度
d P：颗粒平均粒径
ρ，ρP：流体密度，颗粒密度
L mf：初始流态化时的浓相段床高
D e：流体的扩散系数
μ：流体粘度
浓相段和稀相段（P185-186）
1).当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸
出速度(p188)，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段。
2).在浓相段中上升的气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡
挟带的乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。
这段空间称为稀相段或称分离段。
整个流化床反应器由浓相段和稀相段组合而成。
3)流态化的不正常现象
在流态化操作中沟流和节涌是聚式流化床两种常见的不正常操作情况。
沟流：由于流体分布板设计或安装上存在问题，使流体通过分布板进入浓相段形成的不是气泡而是气流，称沟流。
沟流造成气体与乳化相之间接触减少，传质与反应效果明显变差。
节涌（腾涌）
在流化床内径较小而床高与床径比较大时，气泡在上升过程中因聚并而增大，气泡有可能占据整个床层截面，气流将床层一节节地往上做柱塞式推动，在上升到某一位置而崩落，流化床的正常操作被破坏。
这种现象称节涌（腾涌）。
流化床反应器的特点：P186
7.2流化床的工艺计算
故逸出速度由此速度值再加以校正而得。
•u T=Fu
•Re<10时，F≈1
•Re>10时，Re-F见下图
• 3 反应器内径的计算
V G：气流的体积流量m3s-1
d T：流化床内径m
u：气流的空塔流速m.s-1
可见，流化床的内径取决于气流的空塔气速，而流化床的空塔气速应介于初始流化速度（也称临界流化速度）与逸出速度之间。
即维持流化状态的最低气速与最高气速之间。
4、浓相段高度的计算
催化剂在床层中堆积高度称静床层高度(L0)。
在通入气体到起始流化时，床高L mf≈L0。
若继续加大气量，床层内产生一定量的气泡，浓相段床高(L f)远大于静床层高度。
关于浓相段床高的计算通常用计算床层空隙率(εf)来获得。
令床层膨胀比R
5、稀相段床高的估算
稀相段也称分离段，主要是用来保证床内因气泡破裂而挟带固体颗粒重新回到浓相段所需空间。
稀相段床高可由化工原理中非均相分离过程计算而得，也可由下述经验方程估算。