化学反应工程第3章釜式反应器
反应工程ppt课件
h)
试求乙酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。 已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3
解： CH 3COOH C4H9OH CH 3COOC 4H9 H2O
对1kmol A而言，投料情况是：
乙酸(A) 1kmol
60kg
60/960=0.0625m3
化学反应工程
1
第3章 理想反应器
反应工程研究的内容：
反应
反应器：反应器的设计和开发
反应器开发的任务：
(1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式
(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优 化设计
反应器的结构和尺寸有关
反应器内的传热性能
(3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸
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
10
【例3－1】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器 中生产乙酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol 的A和4.96kmol的B，已知反应速率
(rA )V
1.045
c
2 A
k
mol
/(m3
1 kc
1 ln
1 xAf
k 9.52109 exp( 7448.4 ) 0.92(h1) 273 50
t 1 ln 1 1.31h 0.92 1 0.7
则每批操作实际所需要的操作时间为：
t t 0 1.31 0.75 2.06h
反应终了时R的浓度为： CR 2C A0 xA 3.22kmol / m3
t cA0
xAf 0
dxA (rA )V
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。
反应工程总结
第一章 绪论 1、化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程。
其内容可概括为两个方面，即反应动力学和反应器设计与分析。
2、传递现象包括动量、热量和质量传递，再加上化学反应，这就是通常所说的三传一反。
3、反应组分的反应量与其化学计量系数之比的值为定值，ξ叫做反应进度且恒为正值。
、本书规定反应物的化学计量系数一律取负值，而反应产物则取正值。
8、工业反应器有三种操作方式： ① 间歇操作；② 连续操作；③ 半间歇(或半连续)操作 9、反应器设计的基本内容一般包括：1）选择合适的反应型式 ；2）确定最佳操作条件 ；3）根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸 。
10.反应器按结构原理的特点可分的类型： 管式，釜式 ，塔式，固定床，流化床，移动床，滴流床反应器。
第二章 3、温度对反应速率的影响 如果反应速率方程可以表示为：r=f1 (T)f2(c )，f1(T)是温度的影响。
当温度一定时，其值一定。
通常用阿累尼乌斯方程（Arrhenius ‘ law ）表示反应速度常数与温度的关系， 即， 为指前因子，其因次与k 相同；E 为反应的活化能；R 为气体常数。
两边取对数，则有 ： lnk=lnA0－E/RT ，lnk 对 1/T 作图，可得－直线，直线的斜率=－E/RT 。
注意：不是在所有的温度范围内上面均为直线关系，不能外推。
其原因包括：(1)速率方程不合适； (2)反应过程中反应机理发生变化；(3)传质的影响；(4)指前因子A0与温度有关。
速率极大点处有： 对应于极大点的温度叫做最佳温度Top 。
速率为零点处有: rA=0 6、多相催化与吸附 1）、催化剂的用途：①加快反应速度②定向作用(提高选择性)－化学吸附作用结果 2）、催化剂的组成：主催化剂－金属或金属氧化物，用于提供反应所需的活性中心。
助催化剂－提高活性，选择性和稳定性。
助催化剂可以是 ①结构性的；② 调变性的。
载体－用于 ① 增大接触表面积；②改善物理性能。
(完整版)反应工程课后答案完整版.
1 绪论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1）（1）反应的选择性；（2）（2）反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），组分摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol)CH32/（2+4+1.3）=0.2740 27.40OH空气4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81总计 1.000 100.0A P出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A、n P和n c分别为：n A=n A0(1-X A)=7.672 moln P=n A0Y P=18.96 moln C=n A0(X A-Y P)=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W）、氧气（n O）和氮气（n N）的摩尔数分别为：n W=n W0+n P+2n C=38.30 moln O=n O0-1/2n P-3/2n C=0.8788 moln N=n N0=43.28 mol组分摩尔数（mol）摩尔分率%7.672 6.983CH3OH18.96 17.26HCHOH2O 38.3 34.87CO2 0.7672 0.6983O2 0.8788 0.7999N2 43.28 39.392 反应动力学基础2.4在等温下进行液相反应A+B→C+D，在该条件下的反应速率方程为：若将A和B的初始浓度均为3mol/l的原料混合进行反应，求反应4min时A的转化率。
解：由题中条件知是个等容反应过程，且A和B的初始浓度均相等，即为1.5mol/l，故可把反应速率式简化，得由（2.6）式可知代入速率方程式化简整理得积分得解得X A=82.76%。
2.6下面是两个反应的T-X图，图中AB是平衡曲线，NP是最佳温度曲线，AM是等温线，HB是等转化率线。
化学反应工程第2讲 釜式反应器资料
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《化学反应工程》
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• 搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主 要的组成部分是叶轮，它随旋转轴运动将 机械能施加给液体，并促使液体运动。
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1、式搅拌器主要用于流体的循环， 不能用于气液分散操作。 2、折叶式比平直叶式功耗少，操 作费用低，故折叶桨使用较多。
桨式搅拌器常用参数（表8-5）
推进式搅拌器
推进式搅拌器常用参数（表8-6）
推进式搅拌器的特点
轴向流搅拌器
循环量大，搅拌功率小
常用于低粘流体的搅拌 结构简单、制造方便
搅拌器的常见种类及其应用
• 5、锚式搅拌器 • 锚式搅拌器顾名思义，叶片形状与船 舶的锚极为相似。锚式搅拌器的叶片尺寸 与搅拌槽尺寸相近，两者在组合后只留有 极小的间隙，这样锚式搅拌器的叶片在旋 转时能清除搅拌槽内壁上的反应物，维持 搅拌器的搅拌效果。 • 锚式搅拌器可用于搅拌粘度较高的物料。
6、螺带式搅拌器 • 螺带式搅拌器的叶片为螺带状，螺带的数 量为两到三根，被安装在搅拌器中央的螺 杆上，螺带式搅拌器的螺距决定了螺带的 外径。螺带式搅拌器通常是在层流状态下 操作。 • 适用于粘稠度高的液体和拟塑性的流体混 合。
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《化学反应工程》
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• 由于材料Q235A不耐酸性介质腐蚀，常用 的还有不锈钢材料制的反应釜，可以耐一 般酸性介质。经过镜面抛光的不锈钢制反 应釜还特别适用于高粘度体系聚合反应。 • 铸铁反应釜在氯化、磺化、硝化、缩合、 硫酸增浓等反应过程中使用较多。
化学反应工程第三章反应器内的流体流动
物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型， 则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当 为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示 意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 ，则上 c F ( t ) 式可以改写成： （3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输 入法，输入的示踪剂浓度 ，在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系： 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ，关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
反应工程课件第三章[可修改版ppt]
P
于放热速率，体系温度
继续下降，直至到M点。
M
TM
TP
Qr QG
N
T TN
N点：
当有扰动使T略大于TN 时(dT＞0)，移热速率大于
Q
放热速率，体系温度下降
，自动恢复到N点。
当有扰动使T略小于TN
P
(dT＜0)时，，移热速率小
于放热速率，体系温度 M
上升，自动恢复到N点。
TM
TP
QC
N
QR
T TN
反应工程课件第三 章
1）热稳定性和参数灵敏性的概念 如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的， 就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应 该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温 度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数 不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰 动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数 的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的 变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡 状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一 种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反 应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的， 但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定 是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的 平衡和不稳定的平衡。
如果反应器的参数灵敏性过高，那么对参数的调节就会有 过高的精度要求，使反应器的操作变得十分困难。因此，在 反应器的设计中，确定设备尺寸和工艺条件时必须设法避免 过高的参数灵敏性。无论是热稳定性还是参数灵敏牲，两者 都给反应器的设计增加了限制因素。如果不予重视，往往会 使设计的反应器无法操作。
陈甘棠版化学反应工程第三章习题
1、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间t0不包括下列哪一项( )A. 加料时间B. 反应时间C. 物料冷却时间D. 清洗釜所用时间2、在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，当slmolCrAA⋅=-/01.02时，求反应至所需时间t为多少秒.A. 8500B. 8900C. 9000D. 99003、在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间4、空间时间的定义是（）A 停留时间与非生产时间的和B 实际反应时间与真实停留时间的和C 反应器有效容积与入口体积流率的比值D 反应物微元在反应器内经历的时间5、返混的定义是（）A 不同空间位置的粒子的混合B 不同停留时间的粒子的混合C 参与不同反应的粒子的混合D 不同反应器内粒子的混合6、反应器的类型不同，则( )也将有不同。
A．反应动力学B．传递特性C．反应的相态D．反应的可逆性7、平推流反应器中诸参数不随（）而变A 反应物的组成B 反应器的轴向位置C 反应器的空间时间D反应器的径向位置8、等温一级不可逆液相反应，采用下列三种方案进行：(1)一个间歇反应釜，容积V1(仅考虑反应时间所需)，(2)一个平推流反应器，容积V2，(3)二个等体积全混流反应器串联，总容积为V3。
上述三种情况反应温度、物料处理量及转化率均相同，则容积比较为( )A．V1<V2<V3 B．V1=V2<V3C．V2<V1<V3 D．V2<V1=V39、对反应级数大于零的单一反应，对同一转化率，其反应级数越小，全混流反应器与平推流反应器的体积比（）。
A 不变B 变大C 变小D 不好说10、等温恒容下进行各步均为一级不可逆串联反应若保持相同的转化率x A，调节反应温度使k2/k1降低，则P的收率将( )A.增大B．减小C．不变D．先增后减11、全混流反应器进行放热反应时，要使反应器操作在稳定定常态，则必须满足条件( )A (dQ r/dt)>(dQ g/dt)B (dQ r/dt)<(dQ g/dt)C (dQ r/dt)=(dQ g/dt)D 二者没有关系12、全混流反应器中有个稳定的定常态操作点。
模块四 釜式反应器的计算2015.10.28
• 物料衡算和动力学方程式是描述反应器性 能的两个最基本的方程式。
三 间歇操作釜式反应器计算
• 工业上充分搅拌的间歇操作釜式反应器的性能和 行为接近于理想混合反应器。 • 对于均相反应，由于反应器内设有搅拌装置，因 此可以认为反应区域内物料的浓度、温度均一。 这与大多数的实际情况是比较一致的，这也是处 理均相间歇操作釜式反应器的一个重要假设。 • 对于非均相反应，由于反应区域内存在两个或两 个以上的相，则各相的反应物料组成不一定相同， 温度也未必相等，这时各相间可能存在质量传递 和热量传递，这与均相反应是不同的。
• 每天每只反应釜可操作的批次为：
24 24 t '
• 操作周期t又称工时定额，是指生产每一批物料的 全部操作时间。由于间歇反应器是分批操作，其 操作时间由两部分构成：一是反应时间，用 表 示；二是辅助时间，即装料、卸料、检查及清洗 设备等所需时间，用 ' 表示。 • 生产过程需用的反应釜数量 n ' 可按下式计算：
GD VD
FV t
'
= V = mVm
反应体积VR
• 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效 体积。
确定反应器的容积 V 的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。
如果由生产任务确定的单位时间的物料处理量为 FV ，操作时间为t’(包括反应时间t和辅助操作时间 t0 ) ，则反应器的有效容积：
V
n
例题4-1 邻硝基氯苯连续氨化，然后采用分 批操作法用Na2S还原邻硝基苯胺，制取邻 苯二氨，每小时氨化出料为0.83m3，还原 工序的操作周期为7h，（不算受料时间）， 装料系数取0.75，求V及n？ 解： 取辅助时间为9小时，则操作周期为16 小时。 取2只反应釜交替操作；n=2， V= V0t/ n =0.83*16*1.1/(0.75*2)=9.74m3
化学反应工程陈甘棠
rA 4.76106 3.9082 2.61 5.15xA 0.6575xA2
xA 0.35 时， rA 0.3873mol / l h
VR
v0cA0 xA rA
的几何尺寸并进行某些经济评价。
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间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
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返 混：不同停留时间的粒子间的混合
平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移 动，
b) 数值法
cR Ft
dcR dt
dF t
dt
f t
cR t t0
f t t t0 cR Ft
Ft f tt t0 0
用直接迭代法或牛顿-拉夫森法求得满足上述关系的t值
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2.以生产费用最低为目标
AT
at a0t0 aF VRCR M R
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2 、反应器中其他时间表示方法
1）反应时间：反应物料进入反应器后，从实际发生反应的 时刻起到反应达某一程度的时间。
2）停留时间：指反应物粒子从进入到离开反应器的时间 对于间歇反应器和平推流反应器，反应时间和停留时间相同 对于全混流反应器，由于可能有短路，死区和循环流，物料 在器内停留时间不同，具有停留时间的分布，此时常用平均 停留时间来表征。
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对A进行物料衡算：
输入 =
输出 = 0