《化学反应工程》总复习总结

醇以等摩尔比在70℃用间歇釜并以H2SO4 作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验
测得反应动力学方程为：
−RA
=
kc
2 A
kmol ⋅ m−3min −1
k = 1.97 ×10−3
m3kmol −1min −1
• cA0=4 kmol.m-3
• 若每天处理2400kg己二酸，求： • 计算转化率分别为80％、90％时所需平推
SdX A
0
间歇 反应
器
当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，
收率顺序：
间歇釜>多个连续釜串联>单一连续釜
当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调上升时？
定态操作点的确定 能够自动恢复的操作点称做稳定的定常态操作点，不能 自动恢复的称做不稳定的定常态操作点。
dqr > dqg dT dT
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第七章 多相催化反应器的设计与分析
固定床反应器的优缺点
1.固定床反应器的优点是：①返混小，流体同催化剂可进行有效 接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。②催化剂机械 损耗小。③结构简单。 2.固定床反应器的缺点是：①传热差，反应放热量很大时，即使 是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升， 超过允许范围）。②操作过程中催化剂不能更换。
流反应器的大小。
• 解：
每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为 146，则有：
FA0
=
2400 24 ×146
=
0.684
kmol ⋅ h−1
处理体积为：
Q0
=
FA0 cA0
=
0.684 4
=
0.171
m3 ⋅ h −1
• 对PFR
∫ τ
= VR Q0
= cA0
xA2 xA1
dxA − rA
第二章 反应动力学基础
反应进度，阿氏方程，速率常数，活化能，反 应级数
反应速率随温度的变化规律 最佳温度Top 对于不可逆反应和可逆吸热反应，T升高，r升高； （2）对于可逆放热反应，存在最佳温度Top。 复合反应类型 膨胀因子的计算 平行反应，并列反应，连串反应 ； 温度和浓度对平行反应瞬时选择性的影响规律
X Am
X
' Af
X Af
XAf ’> XAm ，则 Vrp > Vrm
XA
此时，可以：
釜式与管式的串联
1/(-rA)
先全混流后平推流 1/(-rA)
先平推流后全混流
xA
xA
以最小值为分界点，用两个不同类型的反应器串连先全混 流后平推流，可使空时最小。反之若平推在前全混在后， 则效果差。
∫ ∫ 间= 歇应釜器式反 t
= Q0cA0
X A2
dX A
0 [−RA ( X A )]
达到相同的转化率，
管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器
管式与釜式反应器反应体积的比较
2.反常动力学
G
1
(−RA ) L
0
M
N
P
X X A1
X A2
A
VrM
= Q0cA0 X A2 [−RA ( X A )]
VrM
= Q0cA0 X A1 + Q0cA0 ( X A2 − X A1)
[−RA ( X A1)]
[−RA ( X A2 )]
∫ Vrp
= Q0cA0
X A2
dX A
0 [−RA ( X A )]
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
( −r ) = k cn
A
A
对于不可逆反应：单调递增意味着反应级数n＞0
（转化率 ）
单调递减意味着反应级数n＜0
也即：
对于不可逆反应：
连续流动反应器
间歇反应器
XA
XA
G
G0
搅拌速度 r0
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（2）一般情况下，反应速率总是随颗粒尺寸的增大而减小。在 催化剂床层中装填同样形状但粒度不同的同一种催化剂，通入反 应气体，在相同反应条件下测定其反应速率。当粒度减小到某一 尺寸Rc后，再减小粒度对反应速率不再有影响，对R≤Rc的催化 剂颗粒，内扩散阻力对反应过程可以认为没有影响。
•当n＞0时选用平推流优于全混流
•当n＜0时则应选用全混流反应器
•当n＝0时反应速率不随浓度的变化而变化,故用平
推流或全混流均可。
管式与釜式反应器反应体积的比较
3.有极大值情况
1 (−RA )
0
若:
XAf < XAm ，则 Vrp > Vrm 若：
XAf > XAm ，则 Vrp < Vrm 若：
∫ ( ) ( ) VR
Q0
= cA0
xA2
dxA
ห้องสมุดไป่ตู้
0 kcA2 0 1− xA
2
=1 k cA 0
xA2 1− xA2
• 代入数据xA=0.8时：
VR
=
0.171 1.97 ×10−3
×4
×
(1
0.8
− 0.8)
×
1 60
= 1.45
m3
• xA=0.9时：
VR = 3.26m3
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第五章 停留时间分布
移热速率变化率 大于放热速率
M、N、 P为定态 点，N点 最佳
连续釜式反应器的操作温度
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第四章 管式反应器
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒 子之间的混合称为返混，也称为逆向混合。
管径较小，流速较大的管式反应器——可按活塞 流处理 剧烈搅拌的连续釜式反应器——可按全混流处理
管式反应器的反应体积计算及与CSBR与CSTR的比 较（正常、反常动力学及反应速率有极大值的情 况）
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多相催化反应过程中内外扩散影响的判定
（1）在管式反应器中装入催化剂，催化剂体积为V，原料流量 为Q，同时改变V和Q，使空速保持不变，计算流体的质量速度 G。保持T、cA0、空速τ不变的条件下改变G，测出口转化率X。 当出口转化率超过某一值G0时，G值再增加，出口转化率不再 改变。说明G≥G0时，外扩散对反应过程已无影响；间歇反应器， 外扩散与搅拌装置的搅拌速度有关，当r≥r0 ，外扩散无影响。
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第二章 反应动力学基础
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第三章 釜式反应器
间歇釜式反应器反应体积计算 对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量 FA[kmol.h-1]以及原料组成CA0[kmol.m-3]、达到的产品要求 xAf及辅助生产时间t0、动力学方程等，均作为给定的条件， 设计计算出间歇反应器的体积。
理想的平推流和间歇釜停留时间相同，无返混。 全混釜反应器的返混无穷大，浓度温度均一。
非理想流动现象： （1）滞留区（死区） （2）沟流与短路
（3）循环流
（4）流体流速分布不均匀 （5）扩散
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分布函数F(t)，E(t) 平均停留时间，对比时间 离开反应器的物料中停留时间≤t的质点分率为停留时间 分布函数。 停留时间分布函数的测定 脉冲法：停留时间分布密度函数，阶跃法：停留时间分 布函数 停留时间分布特征值 期望 方差
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催化剂内气体扩散的形式及判据（分子扩散、努森 扩散）
当λ/2ra≤10-2时，分子间的碰撞机率大于分子和孔壁的 碰撞机率，扩散阻力主要来自分子间的碰撞，这种扩 散称之为分子扩散。分子扩散与孔径无关。 当λ/2ra≥10时，分子和孔壁的碰撞机率大于分子间的碰 撞机率，扩散阻力主要来自分子和孔壁间的碰撞，这 种扩散称之为努森扩散。分子扩散与孔径有关。
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第三章 釜式反应器
(-RA)
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第三章 釜式反应器
CSTR反应体积计算 空时的概念 不同操作方式的釜式反应器相同转化率下最终收率
的大小次序
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连续釜式反应器瞬时选择性=总选择性 釜式反应器的最终收率
∫ Ypf
=
X Af 0
SdX A
=
So X Af
∫ So
=
1 X Af
X Af
固定床反应器的分类
固定床催化反应器按催化剂床是否与外界进行热量交换分为绝热 反应器和换热反应器。绝热反应器分为单段绝热反应器和多段绝 热反应器。多段绝热反应器，按段间换热方式的不同，可分为三 类， 间接换热式、原料气冷激式和非原料气冷激式。
（1）浓度的影响与主、副反应级数有关，α＝β ， 与浓度无关；α>β，浓度增高，瞬时选择性增加； α< β，浓度增高，瞬时选择性降低
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第二章 反应动力学基础
（2）温度的影响与主副反应活化能有关：E主＝E 副 ，与温度无关E主>E副，温度增高，瞬时选择性增 加；E主< E副，温度增高，瞬时选择性降低 提高连串反应中间产物收率的措施 （1）采用合适的催化剂； （2）采用合适的反应器和操作条件； （3）采用新的工艺（如反应精馏，膜反应器等） 催化剂主要组成 主催化剂、助催化剂、载体 物理吸附与化学吸附的特点
∞
∑ (C)P t
tm =
0 ∞
∑ (C)P
0
∞
∑ (C)P t 2
σ2 =
0 ∞
−
t
2 m
∑ (C)P
0
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第六章 多相系统中的化学反应 与传递现象
气固催化反应的7个步骤，3个过程
1反应物由气流主体扩散到催化剂外表面； 2反应物由催化剂外表面扩散到内表面； 3反应物在催化剂表面活性中心上吸附； 4吸附在活性中心的反应物进行化学反应； 5产物在催化剂表面活性中心上脱附； 6产物由催化剂内表面扩散到外表面； 7产物由催化剂外表面扩散到气流主体。 ①1,7为外扩散过程 ②2,6为内扩散过程 ③3,4,5为化学动力学过程
化学反应工程 课程总结
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绪论
化学反应工程的内容 化学反应动力学、反应器的设计与分析 三传一反 热量传递、动量传递和质量传递，化学反应动 力学 转化率、收率、选择性的计算 反应过程的放大方法 逐级经验放大法、相似放大法、数学模型放大 法 物料与热量衡算式 输入=输出+反应+累积
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管式与釜式反应器反应体积的比较
1.正常动力学
A
1 (−RA )
F
0
B
D
E
H
K
X A1 X A
X A2
VrM
= Q0cA0 X A2 [−RA ( X A )]
VrM
= Q0cA0 X A1 + Q0cA0 ( X A2 − X A1)
[−RA ( X A1)]
[−RA ( X A2 )]
∫ Vrp
n= A0 xAf dxA V 0 rA
CA0
xAf 0
dxA rA
平推流
Q0
反应器
∫ τ
= CA0
xAf 0
dxA rA
全混流反 应器
VR
=
V0CA0 (xAf − (rA ) f
xA0 )
=τ V=R CA0 (xAf − xA0=) CA0 − CAf
VQ00
(rA ) f
(rA ) f
• 例 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二