化学反应工程第五章第一节
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。
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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。
化学反应工程第五章课件
m
C A0
0
xAf
xA
0
xAf
xA
m P Vm VP
m 比较 P
1 (rA )
Chemical Reaction Engineering
xA
n =0 n=1
n=2
0.9
1
4
10
0.99
1
22 100
1
n=2
(rA )
P
n=1
CA0
0
xAf 1
xAf 2
xA
xA越大，相差越大
0
xAf
xA
反应移到一个管内径为125mm 的理想管式反应器中
进行，仍维持 75℃等温操作，且处理量和所要求转化 率相同，求所需反应器的管长。
Chemical Reaction Engineering
解：由于CA0 CB0 ，且是等摩尔反应，所以反应速率方程为
(rA )
kCACB
kC
2 A
此反应在理想间歇反应器中达到要求转化率所需反应时间为
基本方程
cA0 cAf
(rA )
cA0 xAf kcAn0 (1 xAf
)n
cAn 01k
xAf (1 xAf
)n
反应器型式 反应级数
一级
二级
零级
PFR
k ln 1 或 1 xA
C A e k C A0
C A0 k
1
xA xA
或
CA 1 C A0 1 C A0 k
k
CA0
xA
1
C A 1 k
Chemical Reaction Engineering
第五章 连续流动釜式反应器(CSTR) (Continuous Stirred Tank Reactor)
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编_第五章_催化剂与催化动力学基础
Ki 称为吸附平衡常数，是i组分吸附速率常数与脱附速率常数之比。 式（5-28）即为过程的总速率方程。由该式的分母可知，反应物和产物 均被吸附。分母的方次表明该反应是在A、B两个活性中心之间进行的。
若控制步骤为可逆反应 过程总速率：
Aσ + Bσ
k1
k2
Rσ + Sσ
r k k A 1 A B 2 R S
第五章 催化剂与催化动力学基础
5.1 催化剂
能够改变化学反应速率而本身在反应前后不发生组成变化的物质。 （1）类型 金属（良导体）、金属氧化物和硫化物（半导体）以及盐类和 酸性催化剂（大多数是绝缘体） （2）载体 活性炭、硅胶、活性白土、硅藻土、沸石（分子筛）、骨架Ni、 活性Al2O3、 Fe等 （3）性能要求 活性好、选择性高、寿命长。 （4）结构
k k K K 1 A B
K
k1K A KB k2 KR KS
比较式（5-28）和式（5-30）可见，表面反应为控制步骤时，可逆反 应与不可逆反应速率式的分母相同，区别在于分子。可逆反应的分子上有两 项，不可逆反应只有一项。
A在吸附时解离 A + 2σ B + σ 2A1/2σ + Bσ Rσ Sσ 按上述方法可得到
几种常用催化剂的结构
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形
环形
多孔柱形 车轮形
比表面积
破碎强度
压降
独石形
金属独石形
Foam
（5）制备方法
① 混合法
② 浸渍法 ③ 沉淀法或共沉淀法 ④ 共凝胶法 ⑤ 喷涂法及滚涂法 ⑥ 溶蚀法 ⑦ 热熔法
5.3 气固相催化反应动力学
气-固相反应速率的定义式
化学反应工程
化学反应工程的范畴和任务
• 学反应工程学是一门研究化学反应的工程 问题的科学。既以化学反应作为 对象，就 必然要事握这些化学反应的特性；它又以 工程问题为其对象，-那就必须熟悉装置的 特性，并把这两者结合起来形成学科体系。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应工程 反应动力学 化学工艺 催化剂 工程控制 传递过程
• ②中型实验
数学模型验证
大设备的设计
• ③数学模型的应用
• 放大的依据：相似论(相似准数Re、Pr、 Nu、Pe、Sc等)
•
综上所述，可见目前化学反应工程处理 问题的方法是实验研究和理论分析并举。 在解决新过程的开发问题时，可先建立 动力学和传递过程模型，然后再综合成 整个过程的初步的数学模型，根据数学 模型所作的估计来制定试验，特别是中 间试验方案，然后用试验结果来修正和 验证模型。
二级反应的速率方程式
如果有两反应物，而且初始浓度相等，并在反应过程 消耗的物质的量也相等． rA=kcA２或rA=kcA,0２(1-xA)２
1 dnA rA V dt
kcA２＝
dc A rA dt
dc A dt
双分子二级反应
分离变量： Kdt= －dcA/cA２ 初始条件t=0, cB,0=cA,0,进行积分
反应过程和传递过程
实验只能测得NH3的主体浓度c0,当NH3浓度很小时: r0=k0c0 r=k0c0=kscs, k0c0=ks c0/ (ks/kga+1) k0=ks / (ks/kga+1) k0=1 / (1/kga+1/ks ) …………….……..p17:7-50式 此式表明实验测得的表面反应速率常数k0是化学反应 过程1/ks和扩散过程1/kga共同作用的结果.
第五章--第一节511-合成高分子化合物的基本方法
第五章第一节合成高分子化合物的基本方法县中学高二化学组编审班别姓名组别学习目标1.能举例说明合成高分子的组成与结构特点，能依据简单合成高分子的结构分析其链节和单体。
2.能说明加聚反应和缩聚反应的特点。
3.使学生感受到，掌握了有机高分子化合物的合成原理，人类是可以通过有机合成不断合成原自然界不存在的物质，从而为不断提高人类生活水平提供物质基础课前自学一、加成聚合反应回顾练习：写出制取聚乙烯的化学方程式，指出聚乙烯中的链节、聚合度以及它的单体。
1、几个基本概念：单体：链节：聚合度：.2、加聚反应：高分子化合物,简称高分子,又叫聚合物或高聚物。
3、聚合物的平均相对分子质量=链节的相对质量×n（聚合度）一块高分子材料是由若干n值不同的高分子材料组成的物。
思考与交流1：根据单体判断聚合产物。
第一组：CH2=CHCH3、CH2=CHCN、CH2=CHCOOH、HCHO、CH≡CCH3小结：此类化合物加聚将单体的不饱和键的碳链单独列一行，其他视为支链部分。
第二组：（1，3-丁二烯型）CH2=CH—CH=CH2、CH2=C(CH3)—CH=CH2小结：1，3-丁二烯型的单体聚合时，主链上的单双键相互替换即可。
第三组：（共聚反应）CH2=CH2和CH2=CHCN，CH2=CH—CH=CH2和CH2=CHCN小结：方法类似第一、二组，仅需将不饱和碳链进行连接即可，其他仍视为支链。
4.加聚反应具有的特点（1）单体必须是含有键、_____键等不饱和键的化合物；例如：烯、二烯、炔、醛等含不饱和键的化合物。
（2）发生加聚反应的过程中，没有副产物产生，聚合物链节的化学组成跟单体的化学组成相同。
聚合物相对分子质量为单体相对分子质量的整数倍。
学与问：通过聚合物的链节可以看出聚合物的单体，你知道下列聚合物的单体吗？补充：几种分子间脱水的情况1. 醇分子间脱水：以乙二醇为例2. 羧酸分子间脱水：以两分子乙酸、邻苯二甲酸为例3. 一元醇和一元羧酸分子间脱水：酯化反应4. 二元醇和二元羧酸分子间脱水：乙二酸和乙二醇反应5. 羟酸分子间脱水：以乳酸为例二、缩合聚合反应回顾：1乙酸与乙醇酯化反应2、两个甘氨酸分子形成二肽乙酸和乙醇分别是一元酸和一元醇，如果用二元酸和二元醇发生酯化反应，就会得到连接成链的聚合物（简称聚酯）：1.缩聚反应_________________________________________________________________________2.缩聚反应的特点：（1）缩聚反应的单体往往是具有双官能团（如—OH、—COOH、—NH2、—X及活泼氢原子等）或多官能团的小分子；（2）缩聚反应生成聚合物的同时，还有小分子副产物（如H2O、NH3、HCl等）生成；（3）所得聚合物链节的化学组成与单体的化学组成不同；（4）缩聚物结构式要在方括号外侧写出链节余下的端基原子或原子团（这与加聚物不同，而加聚物的端基不确定，通常用横线“—”表示。
【新人教版】高一化学必修第二册 第五章 第一节 第三课时 硫酸根的检验
【实验5-4】 在三支试管中分别加入少量稀硫酸、Na2SO4 溶液和Na2CO3溶液，然后各滴入几滴BaCl2溶液，观察现 象。再分别加入少量稀盐酸，振荡，观察现象。从这个实验 中你能够得出什么结论？写出相关反应的离子方程式。
实验 操作
化工工程师是解决人类在生产、生活等领 域面临的化工相关问题的专业技术人才，工作 在石油炼制、化肥生产、医药开发和环境治理 等了领域。主要工作是依据科学原理，统筹各 方面的资源，设计化工生产的工艺流程，并监 控生产过程，及时解决生产中遇到的技术问题。
化工工程师需要具有高度的社会责任感、 团队精神、全局观念、风险管控意识和创新能 力，并具备化学、化工、安全、经济、环境等 方面的专业知识。
粗盐的提纯
【思考与讨论】 (1)经溶解、过滤和蒸发操作得到的粗盐中还含有一些可溶性硫酸盐及MgCl2、 CaCl2等杂质。如果按照下表所示顺序除去它们，应加入什么试剂?写出相关 反应的离子方程式(可以参考附录II )。
杂质 硫酸盐 CaCl2 MgCl2
加入的试剂
BaCl2 Na2CO3 NaOH
√B.大气中的二氧化硫只来源于火山喷
发产生的气体 C.地壳中的硫元素常以硫化物和硫酸
盐的形式存在 D.动植物遗体被微生物分解后，可产
生SO24－和SO2
3
2．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)向 H2S 溶液中通入空气，溶液变浑浊，是因为发生了氧化还
原反应。
()
(2)浓硫酸具有强氧化性，SO2 具有还原性，所以浓硫酸不能干燥
④滴入稀盐酸至无气泡产生；⑤过滤，正确的操作顺序是（ ABC）
A． ⑤③②①⑤④ C． ⑤②③①⑤④
化学反应工程原理-副本第五章-连续流动釜式反应器
第五章 连续流动釜式反应器1 连续流动釜式反应器的特点： 。
2 表征循环反应器特性的一个重要参数是 ，它表示循 。
3 简述返混对反应过程的影响4 作出BR 反应器、PFR 反应器及CSTR 反应器的浓度分布图5 根据PFR 反应器及CSTR 反应器的设计方程，图解比较两种反应器在反应级数n 大于0、等于0及小于0时的反应器体积V PFR 与V CSTR 的大小。
6 CSTR 中，瞬时选择率β、出口状态下的选择率f β和平均选择率β的关系是 7对于反应级数为一级和二级的简单反应，分别在CSTR 和PFR 反应器中进行反应，关键组分的转化率一样，通过作图说明在两种反应器中进行反应，反应级数对完成反应任务所需要的反应器体积的影响。
8 混合是 进入反应器物料之间的混合；返混是 进入反应器物料之间的混合。
返混是 过程的伴生结果；返混与 无关，与 有关。
9 返混的起因是：（1） ，包括：循环反应器的循环流，CSTR 中的搅拌作用；（2） ，包括：流体以层流流经管式反应器，反应器内的死区、沟流、短路。
限制返混的措施有： 。
10 一液相复合反应Q A PA k k −→−−→−21，均为基元反应。
在单一连续釜中等温反应，已知该温度下，213k k ,问当最终转化率为80％时，目的产物P 的瞬时选择性为： ，总选择性为： 。
12 反应物A 的水溶液在等温PFR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。
13 反应物A 的水溶液在等温CSTR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。
14 在PFR 中进行等温二级反应，出口转化率为0.8，若采用与PFR 体积相同的CSTR 进行该反应，进料流量Q 0保持不变，为达到相同的转化率0.8，可采用的办法是使C A0增大 倍。
15 等温下，进行一级不可逆反应，动力学式为（-γ A ）=kCA ，k = 1min-1，CA0=1kmol/m3，PFR 、CSTR 的τ均为 1 min ，计算最终转化率。
化学反应工程第五章第一节全解
于硝酸生产中的氨氧化铂网催化剂和用于汽车尾气污染物氧化
的催化转化器，就是典型的例子。它们可以是多孔的，也可以 是非孔的。该类催化剂中铂是主要的活性组分。
在有些情况下，催化剂的活性组分被负载在活性较低的载体上，
常用的活性组分是纯金属或金属合金，也可以负载一些助活性 组分。如石油重整用的铂一氧化铝催化剂、二氧化硫氧化制硫
2018年10月24日星期三
孔径及其分布 催化剂中孔道的大小、形状和长度都是不均一的，催化剂
孔道半径可分成三类：
1）微孔，孔半径为1nm左右；
2）中孔，孔半径为1～25nm左右； 3）大孔，孔半径大于25nm的孔。
载体的作用是作为催化剂的骨架，同时提供催化剂的内表
面积。
分子筛：有时候某些催化剂的孔很小，只容许小分子通过， 却阻止大分子的进入，这些催化剂就称为分子筛，它们可 由某些粘土和沸石等天然物质所制成，也能通过人工合成 出来，如结晶硅铝酸盐。
d kd A2
吸附平衡时：
a d
A
K A PA 1 K A PA
2018年10月24日星期三
当多种物质同时被吸附时，每种分子的覆盖率
i K i Pi V
i
i
V 1
V K i Pi V 1
i
则未覆盖率为：V
1 (1 K i Pi )
酸的氧化硅负载五氧化钒催化剂等。
催化剂的失活：随着时间的延长，催化活性会降低，在一定的 周期内不能使其保持高的活性。
吸附等温模型
描述在一定温度下气体吸附量与压力的关系，提 出的吸附等温模型有：
Langmuir型 Freundlich型 焦姆金型 BET(Brunauer, Emmett, Teller)型
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加氢裂化 MoO3-CoO/Al2O3； Pd/沸石分子筛
重质原料油在320～440℃，10～20MPa条件下，使用双功能 催化剂，生产优质中间馏分油，清洁燃料、润滑油基础油等。
催化重整 加氢处理
Pt/Al2O3(Cl)； Pt-R、Pt-Ir、Pt-Sn
/Al2O3(Cl)
Ⅷ族（Ni、Co）硫化 物为助催化剂的Ⅵ族 金属（Mo、W）硫化 物
通常谈论催化剂时，主要是指能加速反应的催化剂，严格 来说，催化剂可能加速反应，也可能降低反应的速率。催 化剂只改变反应的速率，并不改变反应的平衡状态。
若干重要的石油炼制催化过程
催化过程
催化剂
工艺特点
催化裂化 SiO2-AlO3、RE-Y、 USY、H-ZSM-5
减压馏分油、蜡油或掺炼部分渣油，在常压、450～510℃催 化裂化得到裂解气、汽油、煤油、轻柴油等产品。
CH 4
2H2 + C
SO 2 + O2
2SO3
2N 2O
2N2 + O2
E非催化 /kJ·mol-1
75.3 75.3 78.0 78.0 80.0 60.0 245
(C2H5)2O热解
224
E催化 /kJ·mol-1
49.0 23.0 39.0 38.0～42.0 55.0～60.0 15.0 121 134 144
含C6～C9烃类的直馏汽油在500～550℃和3MPa条件下，催化 重整得到高辛烷值汽油和苯类产品，副产氢气。
在升温临氢（300～400℃，4.0～10.0MPa）条件下，加工从 汽油到渣油的各种馏分，包括原油进行处理，达到脱除S、N 和重金属等杂质，烯烃和芳烃饱和，以改善馏分油的品质，得 到产品或下游加工用的精制原料。
第5章 催化剂与催化动力学基础
本章主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节
催化剂 催化剂的物理特性 气-固相催化反应动力学 非催化气一固相反应动力学
5.1 催化剂
引言
人类使用催化剂已有2000多年的历史，催化剂最早 被用于酿酒、做奶酪和面包。
直到1835 年， Berzelius才把早期化学家的工作汇 总在一起，认为反应过程中加入少量的外来物质能极 大地影响化学反应的速率。
载体，用来负载活性组分和助剂的物质，由具有一定物理结构，如 孔结构，比表面，宏观外形，机械强度的固体物质组成。 载体的作用:
增加有效表面、提供合适的孔结构 改善催化剂的机械性能 提高催化剂的热稳定性 提供活性中性 与活性组分作用形成新化合物 增加催化剂的抗毒性能 节省活性组分用量，降低成本 载体可以是天然物质(如浮石、硅藻土、白土等)，也可以是人工 合成物质(如硅胶、活性氧化铝等)
E非催化 - E催化 /kJ·mol-1 催化剂
26.3
胶态Pt
52.3
过氧化氢酶
39.0
W
40.0～36.0
Fe
25.0～20.0
Pt
45.0
Pt
134
Au
111
Pt
80
I2蒸汽
催化剂在各行各业中起着非常重要的作用，美国约三分之 一的国民物质产品．在从原料到成品的过程中都经历了催 化过程。
催化剂的研究是探索提高反应收率和选择性新方法的重要 内容，催化剂使许多反应的发生成为可能，它通过改变反 应路径（如降低活化能）可获得目的产品，并且对反应的 收率、转化率和选择性均能产生很大的影响。
烷基化 H2SO4法、HF法 催化叠合 H3PO4、沸石分子筛
异丁烷和各种丁烯（异丁烯，1-丁烯、2-丁烯）通过加成得到 烷基化油，主要成分为工业异辛烷。
在80～130℃，4MPa条件下将丙烯，丁烯叠合成高辛烷值汽 油
固体催化剂的组成：
主催化剂、助催化剂、载体
如乙苯脱氢反应中：Fe2O3是主要成分、占90%；Cr2O3、 CuO和K2O是助催化剂，其中Cr2O3能提高催化剂的热稳 定性，K2O能促进水煤气反应，消除高温反应时催化剂表 面上的结碳，延长催化剂的寿命。
例如，氢气和氧气在室温下为惰性气体，但与铂接触 后会迅速反应。H2和O2互相接近，通过活化能能峰后 形成H2O 。
反应物
产物
E
催化剂
初始状态
反应
由于催化剂的作用，降低了活化能，使反应加快。
表1 催化反应和非催化反应活化能的对比
反应
H2O2
H2 + O2
NH 3
H2 + N2
反应频率/N：用于表征催化剂活性的参数，它是在实验条 件下每个活性位每秒钟发生反应的分子数。当金属催化剂 （例如铂）被附着在载体上时，金属原子就可看作活性位。
催化剂的制法
混合法：各组分制成浆状、混合后成型干燥 浸渍法：载体在催化剂的水溶液中浸渍，有效成分吸附，有多次浸渍 沉淀法或共沉淀法：搅拌、催化剂的盐类溶液中加入沉淀剂，过滤、水洗、
煅烧
共凝胶法：生成凝胶、过滤、水洗、干燥 喷涂法及滚涂法：催化剂溶液用喷枪喷射于载体上 溶蚀法：混合熔炼制合金，用溶液去溶其中的一组分 热熔法：主催化剂和助催化剂放在电炉内熔融，冷却、粉碎 热解法 制成的催化剂需要经过焙烧、活化；催化剂的实际化学组成、结构形
固定床和流化床对催化剂的机械强度要求不一
2020年10月16日星期五
5.2 催化剂的物理特性
催化剂的物理吸附和化学吸附 催化剂的孔结构 等温吸附
2020年10月16日星期五
催化剂的活性中心与反应频率
活性中心：1925年美国科学家泰勒提出活性中心理论，反 应不是在整个催化剂表面上进行的，而是在某些活性位或 活性中心进行的，这是对催化理论的一大贡献。他把这些 活性位形象地看作是固体中的不饱和原子，这些不饱和原 子是由于固体表面的不均匀性、断层、晶体的边缘以及粒 子间的裂缝等原因导致的。
1894年，Ostwald在Berzelius的基础上明确提出， 催化剂是能加快化学反应的速率而本身并不消耗的物 质。在Berzelius之后的150多年里，催化剂开始在世 界各地发挥了重要的作用。
定义 催化剂是能改变化学反应速率而本身在反应前后却 不发生组成上变化的物质。
催化剂通常靠改变反应的途径（即反应机理）来提高 反应的速率。
式和分散的均匀性对催化性能的影响很大，制备步骤要严格遵守。
几种常用催化剂的结构
无定形颗粒 球形 柱形 长柱形 三叶草形 环形 多孔柱形 车轮形 独石形 金属独石形 Foam
催化剂的性能 工业催化剂所必备的三个主要条件：
活性好； 选择性高；实际应用中比活性的高低更重要 寿命长。
机械强度