化学反应工程第四章
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
Chapter 4 Introduction to Reactor Design 化学反应工程 教学课件
ofvolumeofvolume ofvolume
ofvolum e
Where the composition within the reactor is uniform (independent of position), the accounting may be made over the whole reactor.
化学反应工程
Special Case 1. Constant Density Batch and Flow Systems. This includes most liquid reactions and also those gas reactions run at constant temperature and density. Here CA and XA are related as follows:
化学反应工程第四章
第四章 非理想流动反应器4．1概述4．1．1返混的定义物料在反应器内不仅有空间上的混和，而且有时间上的混和，这种混和过程称为返混。
4．1．2返混对反应过程的影响返混有可能使反应速率降低4．1．3按返混程度对反应器进行分类1完全不返混型，如：PFR 2充分返混型，如；CSTR3部分返混型，如；循环反应器，中间部分加料反应器，CSTR串联，也称为非理想流动反应器。
4．2流体在反应器内的停留时间分布4．2．1停留时间分布的定量描述1．停留时间分布函数，即概率函数F(t);当物料以稳定流量流入反应器而不发生化学变化时，流出物料中停留时间小于t 的物料占总流出物的分率，即∞=NN )t (F t式中：F(t)－时间为t 的停留时间分布函数； t N —停留时间小于t 的物料量；∞N—流出物料的总量，也是流出的物料停留时间在∞~0之间的量。
2．停留时间分布密度函数，即概率密度函数dt )t(dF)t(E=则存在⎰=tdt)t(E)t( F及⎰==∞∞01dt)t(E)(F注意：停留时间分布函数（概率函数）是累计分布函数，而停留时间分布密度函数（概率密度函数）则是点分布函数。
概率的描述除二个函数外，尚有两个特征值（均值，方差）3．平均停留时间，即数学期望t：是变量（时间t）对坐标原点的一次矩，即⎰=⎰=∞1)t (tdF dt )t (tE t4．散度即方差2t σ，是变量（时间 t ）对数学期望的二次矩。
即)t (dF )t t (dt )t (E )t t (2122t ⎰⎰-=-=σ∞为运算方便，上式可转换成如下形式：222202202202ttdt )t (E t t t 2)t (dF t )t (F d t )t (F td t 2dt )t (E t )t (dF )t t (-⎰=+-⎰=⎰+⎰-⎰=⎰-=σ∞∞∞∞∞∞4．2．2停留时间分布规律的实验测定示踪法：输入讯号是采用把示踪剂加入到系统的方法。
化学反应工程第四章习题答案
化学反应工程第四章习题答案work Information Technology Company.2020YEAR第四章 非理想流动1.停留时间分布的密度函数在t ＜0时，E （t ）=_______。
（0） 2.停留时间分布的密度函数在t ≥0时，E （t ）_______。
（＞0） 3.当t=0时，停留时间分布函数F （t ）=_______。
（0） 4.当t=∞时，停留时间分布函数F （t ）=_______。
（1） 5.停留时间分布的密度函数E （θ）=_______E （t ）。
（t ）6.表示停留时间分布的分散程度的量=2θσ_______2tσ。
（21t ）7.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法、随机输入示踪法） 8.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞） 9.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0） 10.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1） 11.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）12.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
（0） 13.平推流管式反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。
（0） 14.全混流反应器t=0时E （t ）=_______。
（tte t -1）15.全混流反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
（1） 16.全混流反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。
（2t ） 17.偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动，E （θ）曲线的方差2θσ为_______。
（0～1）18.当流体在半径为R 的管内作层流流动时，在径向存在流速分布，轴心处的流速以0u 记，则距轴心处距离为r 的流速=r u _______。
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式（1）2－5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解：.因，wwnAp=A，微分得RTVdaw案24网pAp，cB=BRTRT3P，其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导：在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cn.co（1）mol/[L s (kgf/cm2) 3]m（1）则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA（2）恒容下上式可转换为pA=P0所以将式（2）和式（3）代入式（1）整理得2－6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：C4H10发生变化，试求下列各项的变化速率。
（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。
解：P=3kgf/cm2，（1）课MC4H10=58，（2）w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w（3）nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cno2C2H4+H2，dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm（3）dpA1dP= dtδAdt2－9反应APS，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ，cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
化学反应工程 第四章 非理想流动
今用分散模型关联，求
数。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
解：
换算为无量纲时标，
则得下表数据。
将实验数据标绘成曲线，然后读取
等间隔时的诸E值
见下表。
化学反应工程
4.2.1 常见的几反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
③化学反应的计算 定态情况下平推流管式反应器的物料衡算式为：
流， ；对一般实际流况， 。
；对平推
所以，用
来评价分布的分散程度比较方便。
化学反应工程
4.1.4 用对比时间θ表示的概率函数
例4-1 今有某一均相反应器中测定的下列一组数据（见 ，示踪加入 下表第一栏和第二栏），实验采用
量Q=4.95g，实验完毕时测得反应器内存料量V=1785mL，求 解：
（详见教材P92）
对定态系统的非理想流动，同样可作微元段的物料衡算而得：
若用无量纲参数表示并注意到：
这样式（4-32）便变为：
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
对一级反应可得解析解：
对于二级反应，用数值法求得的结果，表示在图（4-17）
和图（4-18）中。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
（４）组合模型
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
在一个稳定的连续流动系统中，当在某一瞬间同时进 入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留 时间后依次自系统中流出。如果把函数 用曲线表示，
则图4-2（a）中所示阴影部分的面积值也就是停留时间介 于t和t＋dt之间的流体分率。
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
化学反应工程
化学反应工程第4章 反应器中的混合及对反应的影响
第四章 反应器中的混合对反应的影响 第一节 连续反应器中物料混合状态分析 一、 混合现象的分类 二、 连续反应过程的考察方法
不同的凝聚态，宜采用不同的考察方法 一、以反应器为对象的考察方法 二、以反应物料为对象的考察方法
第四章 反应器中的混合对反应的影响 第二节 停留时间分布的测定及其性质 一、停留时间分布 二、停留时间分布的实验测定 三、停留时间分布数字特征 四、理想流型反应器的停留时间分布 五、停留时间分布曲线的应用
柯尔莫哥洛夫(А.Η.Колмогоров)
Kolmogonov,1903-1987
苏联数学家。他对开创现代数 学的一系列重要分支作出了 重大贡献。柯尔莫哥洛夫建 立了在测度论基础上的概率 论公理系统，奠定了近代概 率论的基础，他也是随机过 程论的奠基人之一，1980年 由于他在调和分析、概率论、 遍历理论及动力系统方面出 色的工作获沃尔夫奖。此外 他在信息论、数理逻辑算法 论、解析集合论、湍流力学、 测度论、拓扑学等领域都有 重大贡献。
t< 0 t 吵0
Cin (t - ) =
0 C0
2.脉冲法(pulse input)
主流体V 注入
反应器VR
C(t)
C0 示踪剂
检测器
2.脉冲法
c(∞)
C0
c(t)
C(t)
C(t)
0
t=0 输入曲线
t
0
t
t 响应曲线
2.脉冲法
停留时间介于t ~ t + t的粒子分率 E (t ) = lim t ® 0 t
第五节 非理想流动反应器的计算
第四章 反应器中的混合对反应的影响
第一节 连续反应器中物料混合状态分析 第二节 停留时间分布的测定及其性质 第三节 非理想流动模型
化学反应工程 课件
t/hr
cA
cA0-cA
ln
cA cA0
0
0.2332
0
0
1
0.2168 0.01636
0.07298
2
0.2059 0.02732
0.1245
3
0.1966 0.03662
0.1707
4
0.1879 0.04525
0.2160
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度 的度量。
• ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩
尔数与反应程度的关系为：
nI nI0I
25
转化率
• 目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述 一个化学反应进行的程度。
• 定义 xA转 A组 化分 了 A组 的 的 分 起 量 n始 A0nA 量 n0A
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
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第一节 流动模型概述
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
反应器中的 流动状况影 响反应结果
流动 模型
对实际过程 的简化
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
间歇反应器 连续流动反应器
(a)
平推流反应器 全混流反应器
完全没有返混
(b)
返混极大 (c)
•间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均 匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影 响；
1. 连续定态下，各个截面上的各种参数 只是位置的函数，不随时间而变化；
2. 径向速度均匀，径向也不存在浓度分 布；
3. 反应物料具有相同的停留时间。
• 全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器
假设：反应物料以稳定流量流入反应 器，在反应器中，刚进入的新鲜物料 与存留在反应器中的物料瞬间达到完 全混合。
特点：反应器中所有空间位置的物料 参数都是均匀的，而且等于反应器出 口处的物料性质，物料质点在反应器 中的停留时间参差不齐，有的很长， 有的很短，形成一个停留时间分布。
•年龄
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间； 是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
•寿命
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间； 是对已经离开反应器的物料质点而言的。
选择合适的反应器型式
反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果+反应器的操作稳定性
进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务+反应器结构和尺寸的优化
反应器设计的基本方程
物料衡算方程
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积
反应浓度 的影响
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 二级反应：t与初浓度CA0反比
3. 残余浓度
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
反应后期的速度很小；反应机理的变化
平推流反应器
一. 特点：
1. 连续定态下，各个截面上的各种参数 只是位置的函数，不随时间而变化；
第二节 理想流动反应器
间歇反应器
特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上 的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了 物质传递对反应的影响；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器 内的热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的 反应时间。
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的
t
间歇反应器中的单反应
反应速率
t CA dCA
CA0
rA
rA=kCA
kt ln CA0 CA
rA=kCA2
11 kt
CA CA0
t CA0
xAf 0
dxA rA
kt ln 1 1 xA
C
A0k
t
1
x
A
xA
间歇反应器中的单反应
间歇反应器中的单反应
1. k的影响 k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的 热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应， 所有物料具有相同的反应时间。
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、 反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
• 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)
返混：
又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。
是时间概念上的混合
反应器特性分析
BSTR
PFR
1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口)
2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处)
3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口)
4返混 全无返混
全无返混
CSTR
连续加料(入口) 年龄不同 寿命不同(出口) 返混极大
量
反应单元
流入 反应消耗 流出
累积
反应器
反应单元 流入量 流出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应量
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √
反应器设计的基本方程
热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
反应单元
带入
反应热 带出
产品生产
精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
间歇反应器的数学描述
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
rAV
dnA dt
nA0
dxA dt
( nA
nA0 (1 xA ))
t nA0
V
xAf 0
• 偏离全混流的情况
死角
短路
搅拌造成 的再循环
非理想流动模型
• 流动状况对化学反应的影响 ----- 由物料停留时间不同所造成
短路、沟流
停留时间减少
转化率降低
死区、 再循环
停留时 间过长
A+B→P：有效反应体积减少 A+B→P→S 产物P减少
→ 停留时间的不均
反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
t CA0
xAf dxA 0 rA
CA dCA
CA0
rA
等容过程，液相反应
间歇反应器的数学描述
• 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’) 反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t’)
1/rA —xA
t/CA0
1/rA —CA
反应器特性分析
浓度分布 ------ 推动力
反应推动力随 反应时间逐渐 降低
反应推动力 随反应器轴 向长度逐渐 降低
反应推动力 不变，等于 出口处反应 推动力
非理想流动模型
• 偏离平推流的情况
漩涡运动：涡 流、湍动、碰 撞填料
截面上流 速不均匀
沟流、短路：填 料或催化剂装填 不均匀
非理想流动模型
累积
传给环境
反应器
反应单元 带入量 带出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应热
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √
反应器设计的基本方程
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大 时，需要考虑压降对反应 的影响，需进行动量衡算。 但有时为了简化计算，常 采用估算法。