第八章流-固相非催化反应
概述
流-固相非催化反应简称流-固相反应，是一类重要的化学反应，这类反应中有流体气体或液体，有固体，可表示为：
A(流体)+B(固体)-C(流体)+D(固体)
这是一个普遍式,实际反应按A、B、C、D 物相组合方式具有多种类型，但其中的固体不是催化剂，而是反应物或者产物。
本章主要内容如下：
1流-固相反应的分类及特点；
2．收缩未反应芯模型及总体速率；
3.流-固相反应器及计算。
第一节流锢相非催化反应的分类及特点
8-1流-固相非催化反应的分类
流-固相反应可以分为气-固相反应和液-固相反应两大类。
一、气-固相非催化反应
气■固相反应可以分成五类。
1. A (固)-B (固)+C (气)
固体分解反应，是工业上制备金属氧化物的主要反应。
CaCO3( S) = CaO( S) +CO2( g)
2NaHCO3( S) = Na2CO3( S) +H2O( g) +CO2( g)
2. A (固)+B (气)-C (固)
金属的氧化、低价氧化物的氧化以及特殊固相产品的制备。
4Fe( S) +O2( g) = 2Fe2O3 ( S)
CaC2(S) +N2(g) = CaCN2(S) + C(S)
电石石灰氮
3. A (固)+B (气)f C (气)
固体气化反应，在化工生产中广泛应用，例如煤的燃烧和气化反应。
C(S) + O2(g) = CO2(g)
C(S) + H2O(g) = CO(g) + H2(g)
2C(S) + O2(g) = 2CO(g)
4. A (固)+B (气)f C (固)+D (气)
这类反应在气伺相反应中最为普遍，广泛的涉及各个工业领域。
在冶金工业中，金属硫化物有矿石的氧化焙烧反应：
4FeS2 ( S) +11O2( g) =2Fe2O3 ( S) +8SO2 ( g)
2ZnS( S) +3O2( g) =2ZnO( S) +2SO2 ( g) 氧化锌脱硫反应：
ZnO( S) +H2S( g) =ZnS( S) +H2O( g)
5. A (气)+B (气)二C (固)+D (气)
这类反应是制备超细材料的一种重要方法，例如：
TiCl 4(g) +O2(g) = TiO2 (S) +2Cl2( g)
TiCl 4(g) +CH4(g) = TiC( S) +4HCl( g)
TiC 为高温陶瓷粉末。
二、液锢相非催化反应
液锢相反应可以分为五类
1．A
（固
）
+B
（液
）
—C（固
）
+D
（气）
2．A （固
）+B
（液
）
T C固）
+D(
（液）+E
（气）
3．A （固
）+B
（液
）
—C(液）
4．A （固
）+B
（液
）
—C(固）
5．A （固
）
+B
（液
）
—C(固）+D(液）
8-2流锢相非催化反应的特点
流凋相反应具有以下特点：
1．反应类型多
流凋相反应按照反应物和产物的物相分类，反应类型多。
对于不同类型的反应，工艺流程、操作条件以及反应器型式各不相同。
2．固相物料复杂
固相物料种类繁多，性质各不相同。例如固相物料有现有天
然矿物，颗粒大小不一，几何形状各不相同。不同性质的颗粒在反应器中的流动状况不同，其动力学行为也不同，直接影响到反应器型式的选择和设计。
3．反应器型式多
流凋相反应的反应装备有间歇反应器和连续反应器。在连续
反应器中，有固定床、移动床、流化床和气流床反应器。
4．固体颗粒的转化率高
用气体或者用液体对固相进行化学加工，都要求固相物料的转化率较高。
5.气-固相反应的反应温度高
大多数气-固相反应属于高温焙烧和高温锻烧反应，反应温度较高，一般在500C以上。
8-4 流-固相非催化反应的研究方法
流-固相非催化反应工程是化学反应工程的一个组成部分，研究方法是数学模拟方法和工业试验相结合。
1.研究流 -固相反应的反应过程模型及其总体速率。
2.在大型实验装置中模拟物料在工业反应器中的流动状况，研究流-固两相的流动性质，采用数学方法归纳成数学模型，数学模型的应用严格限制在实验范围内。这种研究方法称为“冷态” 实验。
3.进行工业试验，即“热态” 试验，对反应动力学和“冷态” 试验结果进行检验和修正。
第二节流-固相非催化反应模型
概述
在流-固相反应中，包含有传递过程和化学反应过程，为了研究反应过程的总体速率，需要选择合适的反应模型。根据固相颗粒的结构性质，建立了不同的反应模型。
8-4 收缩未反应芯模型
收缩未反应芯模型又称为缩芯模型( shrinking core muck)，是应用最广泛反应模型，如图8-1。
设反应 A (f) +bB (S) - f F (f) +sS (S)
缩芯模型有两种情况：反应过程中颗粒大小不变；反应过程中颗粒不断缩小。
一、颗粒大小不变
反应过程中颗粒大小不变。颗粒周围有滞流边界层，反应开
始时在颗粒表面进行反应，生成固体产物或者有固相中的隋性物残留，形成“产物层”外壳和未反应芯。反应步骤如下：
1．反应步骤
1) A 从流体主体扩散通过边界层到达颗粒表面―外扩散，
C Af - C AS；
2)从由颗粒表面扩散通过“产物层” 外壳到达未反应芯表面—内扩散，C AS- C AC ；
3) A 和B 在未反应芯且面上进行化学反应，未反应芯收缩；
4)流体产物 F 通过内扩散到达颗粒外表面―内扩散，
C FC- C FS；
5) F 通过外扩散到达流体主体―外扩散，C FS- C Ff。
以上5 步是串联进行的，浓度分布见图8-2。
2．应用范围
1）固体颗粒孔隙率为0，反应只能在表面进行；
2）当固体颗粒有孔子时，化学反应速率扩散速率，反应在
表面进行。
二．颗粒有断收缩
反应过程中颗粒有断收缩,最后消失。反应开始时在颗粒表面进行反
应，反应过程中没有新的固体产物，或者新的固体产物和隋性物料剥落，没有形成“产物层”外壳，未反应芯一直暴露在流体中，周围有边界层。反应步骤如下：
1．反应步骤
1） A 从流体主体扩散通过边界层到达未反应芯表面―外扩
散，C Af f C A C；
2）A和B在未反应芯表面进行化学反应；
3）流体产物 F 通过外扩散进入流体主体，C FC f C Ff。
2．应用范围反应过程中没有形成“产物层”外壳，其余同颗粒大小不变时的应用范围相同。
8-5 整体反应模型
当颗粒的孔隙率较大时，流体可以扩散到颗粒中心，在整个
颗粒上起反应，这种模型称为整体反应模型( Volume reaction model)。
整体反应模型的浓度分布见图8-3。C AF、C AS、C AC为流体A 在液流主体、颗粒表面、颗粒中心的浓度。C BO、C BC、C B、C BS 分别为固相反应物 B 的初始浓度、颗粒中心浓度、反应区浓度和颗粒外表面浓度。
整体反应模型的反应步骤分二个阶段。
一、反应步骤
1．第一阶段
1) A 从液流主体扩散通过边界层到达颗粒表面―外扩散，
C Af TC AS ；
2)A在整个颗粒上边扩散边反应一扩散反应过程，C AS-C AC；
3)在颗粒表面开始形成“产物层“外壳。
2．第二阶段
1) A 作外扩散，C Af TC AS；
2) A 从颗粒个表面扩散通过“产物层” 外壳到达反应区边界R m；
3)A从颗粒外表面、扩散一反应，“产物层”不断增厚，反应区逐渐收缩，直至反应结束。
二．应用范围
1．颗粒的孔隙率较大，流体可以扩散到颗粒中心，在整个颗粒上起反应；
2．当孔隙率不太大时，化学反应速率扩散速率，反应过程
属于化学反应控制。
缩芯模型的反应还是颗粒表面，而整体反应模型的反应区是整个颗粒，缩芯模型和整体反应模型表示了两种极端的反应行为，其他模型的行为都介于其间。
8-6 有限厚度反应区模型
有限厚度区模型(Finite reation model)的浓度分布见图8-4。图中
R s、R D、R C分别是颗粒半径、“产物层”半径和未反应半径。固相反应物B 在未反应区的浓度为C BO，在“产物层”半径R D 处为0。R D和R C之间为反应区，厚度为Z。
1．反应步骤
1)A作外扩散，C Af - C AS；
2)A在“产物层”作内扩散，C AS-C Am ；
3) A 在反应区内进行扩散―反应；
4)“产物层”外壳不断增厚，反应区不断收缩，直至反应完毕。
8-7 其他模型
一．微粒模型
1．固体颗粒由大小均匀的球形微粒构成，每个微粒按缩芯模型进行反应；
2．反应前后固体颗粒的孔隙率和微粒大小均不变；
3．对于整个颗粒而言，反应区由颗粒外表面向中心逐渐推进，反应区
内微粒的反应按缩芯模型由表及里进行。
二．单孔模型
1．固体颗粒内由圆柱开直孔构成。这些圆柱形直孔的孔径相等，相互平行，均匀分布。
2．通过单孔来描述颗粒的反应状况。反应物流体在孔内沿轴向进行，在孔壁上进行反应。反应物的浓度随轴向变化，径向均匀，是轴向距离的函数。
3．由于产物在孔壁上形成，反应过程中孔径发生变化，是时间的函数。
三．破裂芯模型
1．固相反应物的初始态是致密无孔的，在反应过程中破裂为多孔性细粒。
2．破裂的细粒按缩芯模型进行反应。
流一固相反应的反应模型，其针对性较强，应通过实验研究筛选出适宜的反应模型，不可随意而定
第三节粒径不变时缩芯模型的总体速率 8-8 总体反应速率
设反应：A (f ) +bB ( S )T fF (f ) +sS ( S )
以A 为关键组分，总体反应速率的定义为：单位时间单颗粒 一. 基本条件 1球形颗粒；
2. 颗粒内温度均匀，等温反应；
3. 本征动力学为一级不可逆反应；
4. 反应过程为拟稳定过程。
当颗粒粒径不变时，A 要通过“产物层”外壳才能到达未反 应芯表面，A 在作内扩散的同时，由于化学反应未反应芯表面在 收缩，因此扩散边界是移动的，是不稳定过程。由于A 的外扩散、 内扩散和化学反应是串联过程，反应过程是不稳定过程。
未反应芯表面的收缩速率大大小于 A 的内扩散速率，可以认 为A 在作内扩散时，未反应芯表面是近似不动的，作为稳定过程 处理，反应过程为拟稳定过程。
二. 外扩散速率、内扩散速率与表面化学反应速率
上反应物A 摩尔量n A 的减少数，即
dt
並二外扩散速率二内扩散速率二化学反应速率
dt
1外扩散速率
2.内扩散速率
式中：D eff — A 在“产物层”内的有效扩散系数;
3 .化学反应速率
上述各式中，-■dn =的单位是mol/s;反应速率常数k 的单位是m/s , dt 和k G 单位相同。C Ag 是已知量，C AS 和C AC 为求知量，k c 随时间 而变。
料平衡:
由式（8-2）: -
=4 R C 2
D eff 唾
dt
dR R R
c
三.总体速率的一般计算式 （埶 叫
dt
dn e dt
2
—4 R S k
G C Ag
C As
(8-1)
dn A dt
dn e dt
4 R C
D eff
d
C A
dR R R
c
(8-2)
dC A
dR
R= R C — A 在未反应芯表面处的浓度梯度
dnA _ 1 ------ — --- dt b
dn B dt 2 =4 R C kC AC
(8-3)
1.
在“产物层”外壳中任取厚度为
dR 的微元壳体，对A 作物
[A 进入量]R+dR — [A 离开量]=0
R=R S , C A =C Ag ； R=R C , C A =C AC 。
1 R C /
C A = ( C AS -C AC ) [ — R ]
1
氏'
'R S
r dC A
C AS C A C
[]R R
c
=
dR R R C (1 R C / R S )
代入（8-2）式，可得
叫二丄匹=4 R
S
R C D e ff % dR b dt
R S R C
由式（8-1）、式（8-2）和式（8-8）消去C AS 和C AC ，得总体 速率为:
四.未反应芯半径R C 与反应时间的关系
d dR
R 2 D eff 警 dR
=0
(8-6)
(8-7)
(8-8)
dg =
dt
dn B
2
莎=
4R S
C Ag
2
1
R S
R S
R C
R S ,
2 k k G
D eff R C
R
C
(8-9)
4 3 (3 R C )
1 dn B b dt
4 B 2 dR c R
C bM B dt
(8-10)
(8-11)
n B = 旦
M B
dn A = dt
(8-17)
当R C =0式X B =1时，完全反应时间t f
t f
旦 电迟二电
（8-18）
bM B C Ag 3k G 6D eff
k
dR c = bM B C Af / B
dt
R C
R s
R
C R c
1
2 —
R S k G R S
D eff
k
(8-12)
五. X B
六. 固相反应物B 的转化率X B 与R C 的关系
量
厶口 女 初
量
厶口 女 初
4
一
3-
量
时 3S
R
3C
R
3S
R
X B 与反应时间的关系 由式（8-9）和式（8-11）得到
3
t B
空〔空
bM B C
Ag
3k G
R S
出1
6D eff
3
R C R S
R S
R C R S
(8-16)
将式（8-13）代入式（8-16），可得
t
B
R
^X B
R S
bM B C Ag
3k G
2
—1 31 X B
6 D eff
23
2 1
X B
R S 1 1 k
X B 13
滞流膜扩散控制：外扩散阻力》内扩散阻力、化学反应阻力, 浓度分布见图8-5, C Ag 》C AS 、C AS ~C AC ，对于不可逆反应C AC =O
1反应速率
-J n
由式(8-1)，- —^ = 4 R s 2k G C Ag C AS =4 R s 2k G C Ag
dt
g
g
2. R C — t 关系 将（一竽代入式（
8-11
）可得
4 B 2 dR c
R C
bM B dt
积分后得到
3. X B — t
由式（8-21）,提高k G 、C Ag ，式R S 减小，均可使t f 缩短。提高k G 是外扩散控制时强化总体速率的主要措施。
2
4 R S k G C
Ag
R S
(8-20)
t f
B R S
3bM b k G C Ag (8-21)
t
t f
X B
t
3bM b k
G C Ag
R C
“产物层”内扩散控制：内扩散阻力》外扩散阻力，化学反 应阻力
浓度分布见图8-6, C Ag C AS , C AS C AC ，对于不可逆反应
C AC =0 °
1反应速率
由式（8-8）, 芈=4 R s R c D ef C AS
C AC
=4 R s R c D eff
dR
R S R C
R S R C
2. R C — t 关系 将上式代入式（8-11）,可得
积分后可得
由式（8-25）,提高D eff 和C Ag ，或者减小R S 均可使t f 缩短。提高 有效扩散系数D eff 是提高总体速率的重要措施。
t f
B
R S 2
6D
eff bM B C
Ag
1 31 X B 3 21 X B (8-25) (8-26)
4 R s R c D eff-C^-
R S R C
4 B
bM B R C
2 dR c dt
B
R
S 2
t
6D eff bM B C Ag
R C R S
3
R S
(8-24)
8-11化学反应控制
化学反应控制：化学反应阻力》外扩散阻力，内扩散阻力浓度分布见图8-7, C Ag =C AS=C AC
1.反应速率
由式(8-3),匹 4 R c2kC Ag
dt
2. R C—t的关系
将上式代入式（8-11）,可得
2
4 R c kC Ag
4 B 2 dR c
R c bM B dt
积分后可得:
bkM B C A§R s
3. X B—t
t B R s
〔f
bkM B C Ag
I 1 (1 X B)'3(8-28)
(8-29) (8-30)
由上式，提咼k、C Ag以及降低R S均可缩短完全反应时间。提咼k 是提高总体反应速率的主要措施。
第四节颗粒缩小时缩芯模型的总体速率
设有反应 A (f ) +bB ( S )T fF (f )
在反应过程中没有“产物层”外壳生成，颗粒不断收缩，最后消 失，反应过程如图8-8所示。
由于未反应芯表面暴露在流体相中，因此反应步骤包括滞流 膜外扩散和表面化学反应两个步骤。 8-12流体滞流膜扩散控制
滞流膜扩散控制：外扩散阻力》化学反应阻力 1.反应速率
式中的k g 为流体滞流膜传质系数，和颗粒大小以及流体流速有 关。关于固定床、流化床中k g 的关联式较多，可以根据不同要求 加以选择。
以固体颗粒在气相中作自由下落体系为例， 讨论k G 以及相应 的其他计算公式。
对于固体颗粒在气相中作自由下落体系，k g 的关联式为:
式中：d p —2Fl;y i —隋性组分在扩散两侧的平均摩尔分率；D — 组分A 的分子扩散系数；卩一气体粘度；u —气体流速；p —气体 密度。
dn A dt
4 R c k G C Ag C AC 4 R C k G C Ag
(8-33)
k g d p y i
D
2 0.6
d p U
(8-31)
8-13化学反应控制
在滞流区，0.6
13
d p U
k G
D R c y i
(8-32)
2. R c — t 关系
将式（8-33）代入式（8-11）,可得
dR c dt
bM bK G
C Ag
(8-34)
将式（8-32）代入式（8-34）并积分:
B y i R s
2bDM B C Ag
2
R s
3. X B —t 关系（滞流区）
(8-35)
(8-36) (8-37)
t f
B
w R s 2bDM B C Ag
当为化学反应控制时，反应过程和颗粒大小不变时的情况完 全相同，故式（8-28）、式（8-29）和式（8-30）可直接应用。 8-14宏观反应过程与控制阶段的判别
对于颗粒大小不变的流一固相反应，宏观反应过程由外扩散, 内扩散和化学反应等过程组成，故总体反应速率为：
dn A
_l dn B 4 R s 2 C Ag
-
（8-9）
dt b dt 1 R s R s R c
R s
2
k G
R c
D eff R c k
对于颗粒不断收缩变小的流一固相反应，宏观反应过程由外扩散 和化学反应过程组成，总体反应速率为:
式（8-9 ）和式（8-38）是考虑各种阻力同时起作用，不可忽略时 的总体反应速率。在一定的条件下各阻力间的相对大小会起变 化，可以忽略较小的阻力，使得总体反应速率式得到简化。
反应过程中某一过程的阻力相对于其他过程的阻力很大，其 他过程的阻力可忽略不计，则该过程称为宏观反应过程的控制步 骤。
下面讨论控制步骤的判别条件。 一.控制步骤的判别
通过实验考察温度、反应时间和颗粒大小对反应过程的影响， 确定控
（r
A ）g
2 2
4 R c k G C Ag
4 R c kC Ag
dn A dt 1 dn B
4 R c 2 1C
Ag 1
b dt
k G k
(8-38)
dn A 1 dn B dt b dt
制步骤的判别条件。
1反应温度
在一定的实验条件下，考察总体速率和温度的关系，实验结果如图8-
9所示，在不同的温度范围对于不同的控制步骤。
2 .利用t/t f ~ ( 1-X B )关系或者t/t f~R C关系
R s
1)作出不同控制步骤时的t/t f ~ ( 1-X B)或者t/t f~ 理论关
R s 系曲线，如图8-10和图8-11所示。
2)通过实验测定t/t f ~ ( 1-X B)或者t/t f~^C曲线。
R s
3)将实验曲线和理论曲线相比较，确定控制步骤。
3.利用R s—t关系
在一定的实验条件，改变颗粒大小，测定达到相同的X B时所需的反应时间，对于颗粒大小不变的反应过程，从相关的理论公式可得:
化学反应工程知识点 —郭锴主编 1、化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且着重研究传递过程对宏观化学反应速率的影响，研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。 2、任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料的预处理、化学反应过程和产物的后处理这三个部分，而化学反应过程是整个化工生产的核心。 3.化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的、难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。模型必须具有等效性，而且要与被描述的实体的那一方面的特性相似；模型必须进行合理简化，简化模型既要反映客观实体，又有便于数学求解和使用。 4.反应器按型式来分类可以分为管式反应器、槽式反应器（釜式反应器）和塔式反应器。 5反应器按传热条件分类，分为等温反应器、绝热反应器和非等温非绝热反应器。 第一章 均相单一反应动力学和理想反应器 1、目前普遍使用关键组分A 的转化率来描述一个化学反应进行的程度，其定义为：0 0A A A A A A n n n x -==组分的起始量组分量转化了的 2、化学反应速率定义（严格定义）为单位反应体系内反应程度随时
间的变化率。其数学表达式为dt d V r ξ1=。 3、对于反应D C B A 432+=+，反应物A 的消耗速率表达式为dt dn V r A A 1-=-；反应产物C 的生成速率表达式为：dt dn V r C C 1= 4.反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为反应动力学方程。大量的实验表明，均相反应的速率是反应物系的组成、温度和压力的函数。 5.阿累尼乌斯关系式为RT E C C e k k -=0，其中活化能反应了反应速率对温 度变化的敏感程度。 6、半衰期：是指转化率从0变为50%所需时间为该反应的半衰期。 7、反应器的开发大致有下述三个任务：①根据化学反应动力学特性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操条件；③根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸并进行评价。 8.在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。而停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。 9.根据返混情况不同反应器被分为以下类型：间歇反应器、理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）、全混流反应器（又称为连续操作的充分搅拌槽式反应器）。 10.反应器设计计算所涉及的基础方程式就是动力学方程式、物料衡算方程式和热量衡算方程式，其中物料衡算所针对的具体体系称为体积元。 11、停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反
第7章化学反应工程习题答案 7-1 试述物理吸收与化学吸收的区别。 解：对于物理吸收过程*=A A A P H C 0 对于化学吸收过程* * +=A A B A P P C C αα10 ,式中A KH =α，其中K 为化学平衡常 数；0B C 为吸收剂中的活性组分浓度；0A C 是与A 组分分压*A P 平衡的气体浓度；A H -A 组分溶解度系数。从以上两式可以看出物理吸收和化学吸收区别如下： 1．物理吸收气体溶解度与气体压力呈正比关系，化学吸收呈渐近线关系，当分压较高时，气体溶解度趋近化学计量的极限，因此为了减低能耗，导致操作方式不同，压力较低宜采用化学吸收，压力较高宜采用物理吸收。 2．热效应不同，物理吸收热效应较小，每摩尔数千焦耳，而化学吸收可达数万焦耳。导致吸收剂的再生方式不同，物理吸收过程吸收剂减压再生为主，化学吸收过程的吸收剂再生除减压外还需加热。 3．物理吸收选择性主要体现各种气体在溶解度系数的差异，而化学吸收取决于A KH =α，由于化学反应特定性，吸收选择性不同。化学吸收选择性高于物理吸收。 7-2解释下列参数的物理意义：无因次准数M 、增大因子β及液相利用率η。分别写出一级不可逆和二级不可逆反应无因次准数M 的计算式。 解：无因次准数M 的物理意义 通过液膜传递速率 液膜内的化学反应速率 增大因子β的物理意义为速率 单纯物理吸收时的传质过气液界面的传质速率 液膜内有化学反应时通 液相利用率η的物理意义为的反应速率液相均处于界面浓度下吸收速率 对于一级不可逆反应211L AL L L k k D k k M ==δ 对于二级不可逆反应2 2L BL AL k C k D M = 7-3 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应，假定液相上方水蒸气分压可不 计，试按双膜模型绘出气相及液相二氧化碳浓度分布示意图。 解： 气模 液膜 P CO2,g P CO2,i C CO2,i C CO2,L
第三章 理想流动反应器 概述 按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。 对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。 对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 考察物料在反应器内的流动状况。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。 在流动反应器中物料的流动状况不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。 物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模型分类如下： 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。 第一节 流动模型概述 3－1 反应器中流体的流动模型 平推流模型 全混流模型
一、物料质点、年龄、奉命及其返混 1.物料质点 物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。 2.物料质点的年龄和寿命 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。 3.返混 （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年具的质点混合在一起，所以有返混。 （2）返混的原因 a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不 同年龄的质点混合在一起； b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。
4-1 在定态操作反应器的进口物料中脉冲注入示踪物料。出口处示踪物浓度随时间变化的情况如下。假设在该过程中物料的密度不发生变化，试求物料的平均停留时间与时间t/s 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 示踪物浓度 / )/(3cm g 0 0 0 t/min 2 4 6 8 10 12 14 16 18 3/cm g c i 0 0 0 min /1)(i t E 0 0 0 i i t E t )( 0 0 0 min )(2i i t E t 0 2 5 0 0 ])(2)(4[3109753864210c c c c c c c c c c t dt c i +++++++++?=?∞ ]0)5.20.1025.1(2)0.10.55.125.6(40[3 2++++++++= =100 min)/1(100) ()(0 ti i c dt c t c t E ==? ∞
} )(])()()()([2])()()()([4)({3 10109977553 38866442211_ t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t E t t t +++++++++?= ]0)03.08.05.0(2)14.05.075.013.0(40[3 2 +++++++++=min 187.6= ?∞ =-=-=0 22 2 2971.8187.625.47)(t dt t E t t σmin 2 4-2 无量纲方差表达式的推导 （1）推导无量纲方差2 22 /t t σσθ=； （2）推导CSTR 的2 2t t =σ。 1. τ θt = 2. τ τ t e t E - =1 )( 证明： 20 22)(i i i i t t t t E t -?=∑∞σ ? ∞ --= 2 21 t dt e t t τ τ 2 2)()()()(ττθθττθ--=?∞ - d t E ()]1)1([0 22 --=?∞ θθθτd E 22θστ= 222/τσσθt =∴ 220 2 2 2)(1 )(- - ∞ -=-=??t dt e t t dt t E t t t ττ σ
第五章 习题课 1. 异丙苯在催化剂上脱烷基生成苯，如催化剂为球形，密度为ρP =1.06kg ·m -3 ，空隙率 εP =0.52，比表面积为S g =350m 2g -1，求在500℃和101.33kPa ，异丙苯在微孔中的有效扩 散系数，设催化剂的曲折因子τ=3，异丙苯?苯的分子扩散系数D AB =0.155cm 2s -1 。 解 1 233 P e 1 233K AB 12370 K 93 P g P V g 0s cm 10145.13 10608.652.0s cm 10608.610902.61155.011 111s cm 10902.612015.27350010606.548504850m 10606.51060 1035052 .0444 ----------?=??==?=?+ =+=?=+??==?=???== =τερεD D D D D M T d D S S V d 2. 在30℃和101.33kPa 下，二氧化碳向镍铝催化剂中的氢进行扩散，已知该催化剂的孔 容为V P =0.36cm 3g -1，比表面积S P =150m 2g -1，曲折因子τ=3.9，颗粒密度ρS =1.4g ·cm -3 ， 氢的摩尔扩散体积V B =7.4cm 3mol -1，二氧化碳的摩尔扩散体积V A =26.9 cm 3mol -1 ，试求二氧化碳的有效扩散系数。 解 () 1 22 3 /13/15 .05 .1231 B 31A 5 .0B A 5.1AB 13B 113A 1A s cm 6798.007.79.263.1012144115.303436 .011436.0mol cm 07.7,kmol kg 2mol cm 9.26,kmol kg 44-----=+? ?? ??+=??? ??+???? ??+==?==?=V V p M M T D V M V M B 1 2127074 0s cm 0120.00122 .01 6978.011 s cm 0122.044 15.303106.948504850cm 106.910 15036 .044 ----=+ = =??===?=??= =D M T d D S V d K g g 1 2P e S g P s cm 00155.09 .3012.0504.0504 .04.136.0-=?===?==τερεD D V 3. 在硅铝催化剂球上，粗柴油催化裂解反应可认为是一级反应，在630℃时，该反应的速 率常数为k =6.01s -1，有效扩散系数为D e =7.82╳10-4cm 2s -1 。，试求颗粒直径为3mm 和1mm 时的催化剂的效率因子。 解
1.过程工业包括哪些过程？ 2.什么是化工产品生产的关键过程。 3.化工过程可以同时发生在很宽的时间尺度和空间尺度上，都有哪些尺度？ 4.什么是数学模型？ 5.按照反应的可逆性，化学反应分为哪些类型？ 6.按照反应的热效应，化学反应分为哪些类型？ 7.按照压力的操作条件，反应过程分为哪些类型? 8.按照操作方法，反应过程分为哪些类型？ 9．根据操作方法的不同，工业反应器可分为哪些类型？ 10.釜式反应器和槽式反应器的区别是什么？ 11.什么是停留时间分布？ 12.什么是寿命分布？ 13．什么是年龄分布? 14．什么是流动模型？ 15.什么是流动的数学模型？ 16.理想流动模型进行的两种极限情况是哪些？ 17.平推流模型的特点有哪些？ 18.全混流模型的特点有哪些? 19.化学反应过程主要包括哪两方面的内容? 20.按照是否使用催化剂，化学反应分为哪些类型？ 21.按照反应物系相态分类，化学反应分为哪些类型？ 22．什么是转化率？ 23.什么是化学膨胀因子？ 24.什么是同时反应？ 25.什么是平行反应？ 26.什么是连串反应？ 27.什么是收率？ 28.什么是选择率？ 29.选择率，收率和转化率之间的关系是？ 30．什么是间歇系统的反应速率？ 31．什么是空间速度？空间速度和接触时间什么关系？ 32.什么是液空速？ 33.什么是湿空速？ 34．什么是干空速? 35．提问：已知NA0，XA,CA0，VS0，τ0，试建立rA和XA,CA0，τ0之间的关系式。 36.化学计量式的左边，右边及等号各代表什么含义? 37.写出反应速率常数，并指出各字母代表的含义。 38.体积反应速率常数，表面反应速率常数和质量反应速率常数之间存在怎样的关系？ 39.反应速率从常数和温度之间存在怎样的关系？ 40.对于不可逆的单一反应，温度对其有怎样的影响？ 41.对于不可逆的单一反应，为了获得较大的反应速率，在实际生产中还应考虑哪些问题？ 42.对于可逆吸热的单一反应，温度对其有怎样的影响？ 43.对于平行反应，反应物A1的消耗速率和产物A3，A4生成速率之间的关系是什么？
3 釜式反应器 3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： 325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH 该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。要求最终转化率达到95%。试问： （1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？ 解：（1）002220 00001()(1)110.95169.6min(2.83) 5.60.0210.95 ===?---= ?=?-??Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h (2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。 3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应： 223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO 以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。 （1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。 解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠：0.326684 190.2/0.9515%?=?kg h 原料体积流量： 091.11190.2 275.8/1.02+= =Q l h 氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8?==?A C mol l 反应时间： 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=?+=r V Q t t l
华东版-- 4-1 解：由反应可知膨胀率为：2111 A ε-== 反应速率可写成：()1111A A A A A A x x p p r k k RT x RT x ε??---== ?++?? 00A p F v RT = 反应器容积可写成： 00001111Af Af x x A A A A A A A F v x x RT V dx dx k p x k x ++==--?? ()00003 210.8/36000.8/36000.52ln 0.50.4/36000.4/36001.77Af Af x x A A A v v V dx dx k k x V m -=- --=-?-?=?? 4-2 由反应可知膨胀率为：320.52 A ε-== 反应速率可写成：()11110.5A A A A A A x x p p r k k RT x RT x ε??---== ?++?? 反应器容积可写成： []000000003 10.51111 1.5210.40.0082049730.50.8 1.5ln 0.20.970.160 32.92 2.01 1.1Af Af Af Af x x A A A A A A A x x A A A A A F v x x RT V dx dx k p x k x F F RT RT V dx dx k p k p x V m ++==---=- --??=-?-??=?=?? ?? 4-3 解：
()() ()0311ln 110.980.19.92105ln 0.9812473A A A A A M x c k M M x x x s τττ-+-=+--??=--= 4-4 解：0.900A A A dx c kp τ=? A A p c RT = 膨胀率为：320.52 A ε-== () 0110.5A A A A c x c x -=+ 所以： ()()()0.9000.9010.511 1.5ln 10.513.2A A A A A A x c dx kRT x x x kRT s τ+=-=---∣??? ?=? 4-5 解： () ()00630030011ln 10.294100.312.88.314828 1211ln ln 18.210.2712.810.95 R A A A A A A R A A V F kc x p c mol m RT F V m kc x -=-??===??===-?- 4-6 解：假设反应为二级反应，则011A A k c c τ-= 把数据代入，可得： 1124;10.041 k k -== 114;10.21 k k -== 11;10.51 k k -==
3 釜式反应器 3、1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应: 325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH 该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0、02mol/l,反应速率常数等于5、6l/mol 、min 。要求最终转化率达到95%。试问: （1） (1) 当反应器的反应体积为1m 3时,需要多长的反应时间？ （2） (2) 若反应器的反应体积为2m 3,,所需的反应时间又就是多少？ 解:(1)002220 00001()(1)110.95 169.6min(2.83)5.60.0210.95 ===?---=?=?-? ?Af Af X X A A A A A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h (2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关,所以反应时间仍为2、83h 。 3、2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应: 223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO 以生产乙二醇,产量为20㎏/h,使用15%(重量)的NaHCO 3水溶液及30%(重量)的氯乙醇水溶液作原料,反应器装料中氯乙醇与碳酸氢钠的摩尔比为1:1,混合液的比重为1、02。该反应对氯乙醇与碳酸氢钠均为一级,在反应温度下反应速率常数等于5、2l/mol 、h,要求转化率达到95%。 （1） (1) 若辅助时间为0、5h,试计算反应器的有效体积; （2） (2) 若装填系数取0、75,试计算反应器的实际体积。 解:氯乙醇,碳酸氢钠,与乙二醇的分子量分别为80、5,84 与 62kg/kmol,每小时产乙二醇:20/62=0、3226 kmol/h 每小时需氯乙醇:0.326680.5 91.11/0.9530%?=?kg h 每小时需碳酸氢钠:0.326684 190.2/0.9515%?=?kg h 原料体积流量:091.11190.2275.8/1.02+==Q l h 氯乙醇初始浓度:00.32661000 1.231/0.95275.8?==?A C mol l 反应时间: 02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===?=-?-??Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积:0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=?+=r V Q t t l （2） (2) 反应器的实际体积: 956.512750.75= ==r V V l f
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。基元反应符合质量作用定律。基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。非基元反应的活化能没有明确的物理意义，仅决定了反应速率对温度的敏感程度。非基元反应的反应级数是经验数值，决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。 3 若将反应速率写成t c r d d A A - =-，有什么条件? 答：化学反应的进行不引起物系体积的变化，即恒容。 4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器? 答：在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系，而这种关系仅是动力学方程的直接积分，与反应器大小和投料量无关。 5 现有如下基元反应过程，请写出各组分生成速率与浓度之间关系。 (1)A+2B →C (2)A+2B →C (3)2A+2B →C A+C →D B+C →D A+C →D C+D →E 解
(1) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B A 1C C 22B A 1B D 4C A 3C 22 B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= (2) E 6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22 B A 1C D 4C B 3C 22B A 1B C 22 B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-= (3) D 4C A 3D D 4C A 3C 22 B 2A 1C C 22B 2A 1B D 4C A 3C 22 B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-= 6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65× 104m 6kmol -2s -1。现以气相分压来表示速率方程，即(?r A )=k P p A p B 2 ，求k P =?（假定气体为理想气体） 解 ()3 -1-363111 2643c P 2 B A p A 2 B A c 2 B A c A 1264c kPa s m kmol 10655.1K 303K kmol kJ 314.8s kmol m 1065.2)(s kmol m 1065.2K 30330273--------??=???= ==-? ? ? ??==-= ?==+=RT k k p p k r RT p RT p k c c k r RT p c k T
第一章 绪论 1. 化学反应工程是一门研究______________的科学。（化学反应的工程问题） 2. 化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。（化学反应、工程问题） 3. _______是化学反应工程的基础。（ 三传一反） 4. 化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。（分批式操作、连续式操作、半分批式） 5. 化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指_______、_______、_______。（传质、传热、动量传递） 6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称_______。（数学模型） 7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。（累积量=输入量-输出量） 8.“三传一反”是化学反应工程的基础，其中所谓的一反是指_______。（D ） A ．化学反应 B. 反应工程 C. 反应热力学 D. 反应动力学 9.“三传一反”是化学反应工程的基础，下列不属于三传的是_______。（A ） A. 能量传递 B. 质量传递 C. 热量传递 D. 动量传递 第二章 均相反应动力学 1. aA + bB pP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。（ a p ） 2.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。（ 00K K K K n n n -= χ） 3. 化学反应速率式为β αB A C A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K 。（) ()(βα+RT ） 4. 活化能的大小直接反映了______________对温度的敏感程度。（反应速率） 5. 一个可逆的均相化学反应，如果正、逆两向反应级数为未知时，采用______________法来求反应级数。（初始速率法） 6. 平行反应A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。（浓度、温度） 7. 如果平行反应 A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应 _______。(提高温度) 8. 一级连串反应A S K 1 K 2 P 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应 ______12/k k 。（降低） 9.化学反应O H CH H CO 2423+?+，其中化学反应计量系数为-1的是哪种物质______。（A ） A. CO B. 2H C. 4CH D. O H 2 10.对于一非恒容均相化学反应αA A αB B ，反应组分A 的化学反应速率 =-A r _______。（A ） A. Vdt dn r A A -=- B. Vdt dn r B A -=- C. dt dC r A A -=- D. dt dC r B A -=-
《化学反应工程原理》复习思考题 第一章绪论 1、了解化学反应工程的研究内容和研究方法。 2、几个常用指标的定义及计算：转化率、选择性、收率。 第二章化学反应动力学 1、化学反应速率的工程表示，气固相催化反应及气液相非均相反应反应区的取法。 2、反应速率常数的单位及其换算。 3、复杂反应的反应速率表达式（可逆、平行、连串、自催化）。 4、气固相催化反应的步骤及基本特征。 5、物理吸附与化学吸附的特点。 6、理想吸附等温方程的导出及应用（单组分吸附、解离吸附、混合吸附）。 7、气固相催化反应动力学方程的推导步骤。 8、不同控制步骤的理想吸附模型的动力学方程的推导。 9、由已知的动力学方程推测反应机理。 第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征 1、反应器设计的基本方程式。 2、理想间歇反应器的特点。 3、理想间歇反应器等温、等容一级、二级反应反应时间的计算及反应器体积的计算。 4、自催化反应的特点及最佳工艺条件的确定及最佳反应器形式的选择。 5、理想间歇反应器最优反应时间的计算. 7、可逆反应的反应速率，分析其浓度效应及温度效应。 8、平行反应选择率的浓度效应及温度效应分析。 9、平行反应反应器形式和操作方式的选择。 10、串连反应反应物及产物的浓度分布，t opt C p.max的计算。 11、串连反应的温度效应及浓度效应分析。 第四章理想管式反应器
1、理想管式反应器的特点。 2、理想管式反应器内进行一级、二级等容、变容反应的计算。 3、空时、空速、停留时间的概念及计算。 4、膨胀率、膨胀因子的定义，变分子数反应过程反应器的计算。 第五章理想连续流动釜式反应器 1、全混流反应器的特点。 2、全混流反应器的基础方程及应用。 3、全混釜中进行零级、一级、二级等温、等容反应时的解析法计算。 4、全混釜的图解计算原理及图解示意。 5、全混流反应器中的浓度分布与返混，返混对反应的影响。 6、返混产生的原因及限制返混的措施。 7、多釜串联反应器进行一级、二级不可逆反应的解析法计算。 8、多釜串联反应器的图解法计算原理。 第七章化学反应过程的优化 1、简单反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较及反应器形式的选择。 2、多釜串连反应器串连段数的选择分析。 3、自催化反应反应器的选型分析。 4、可逆放热反应速率随温度的变化规律，平衡温度和最优温度的概念。 5、平行反应选择率的温度效应及浓度效应分析，反应器的选型，操作方式的确定。 6、串连反应影响选择率和收率的因素分析，反应器的选型及操作方式的确定。 7、平推流与全混釜的组合方式及其计算。 第八章气固相催化反应过程的传递现象 1、气固相催化反应的全过程及特点。 2、等温条件下催化剂颗粒的外部效率因子的定义。 3、外扩散、内扩散对平行反应、连串反应选择性的影响分析。 4、气体流速对外扩散的影响分析。 5、等温条件下催化剂颗粒的内部效率因子的定义。
第一章 绪论 1. 化学反应工程是一门研究______________的科学。（化学反应的工程问题） 2. 化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。（化学反应、工程问题） 3. _______是化学反应工程的基础。（ 三传一反） 4. 化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。（分批式操作、连续式操作、半分批式） 5. 化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指_______、_______、_______。（传质、传热、动量传递） 6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要用数学式来表达个参数间的关系，简称_______。（数学模型） 7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。（累积量=输入量-输出量） 第二章 均相反应动力学 1. 均相反应是指_。（参与反应的物质均处于同一相） 2. aA + bB pP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。（a p ） 3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。（ 00 K K K K n n n -=χ） 4.当计量方程中计量系数的代数和等于零时，这种反应称为_______，否则称为_______。（等分子反应、非等分子反应） 5. 化学反应速率式为βαB A C A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K 。（)()(βα+RT ） 6. 化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为C K ，用逸度表示的速率常数f K ，则 C K =_______f K 。（n RT )(） 7. 化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为C K ，用气体摩尔分率表示的速率常数y K ，则 C K =_______y K 。（n p RT ???? ??） 10. 活化能的大小直接反映了______________对温度的敏感程度。（反应速率） 12.生成主产物的反应称为_______，其它的均为_______。（主反应、副反应） 13. 平行反应A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______
解：01A A A x c kt x = - 把数据代入得100.2m in A c k -= 当x A =0.75时解得t=15min 所以，增加的时间为15-5=10min 3-2 解：() ()11 0111n n A A x n c kt ---=+- （式A ） 把x A =0.75和t=10min 代入解得1 0.1n A c k -= 再把t=30min 代入（式A ）解得x A =1.25 所以，转化率应为1 3-3 解：设反应动力学方程为：n A A dc kc dt -= 则()()11 0111n n A A x n c kt ---=+-，且c A0=1 因此有 ()()() ()1110.811810.91118 n n n k n k ---=+--=+- 解得：n=2;k=0.5L/mo l ·min -1 3-4 1）计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度c A0、c B0、c S0（注意进料中水的浓度c S0不为0）。 2）列出当酸的转化率为x A 时，各组分浓度的表示式： ()0000001A A A B B A A R A A S S A A c c x c c c x c c x c c c x =-=-==+ 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式，整理得 ()6 2 7.9310 10.220.1 2.58A A A dx x x dt -=-?-+ 4）计算转化率达35%所需的时间为 () 0.356 20 7.9310 10.220.1 2.58A A A dx t x x -= ?-+? 上述积分可查积分表用公式计算，也可用MA TLAB 语言的quad 解算子计算，结果为 71532t s h =≈ 5）计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数，再计算每m 3反应体积每天的生产量，然后再计算达到要求产量所需反应器体积。答案为 V R =51.9m 3
第一章 1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应： 3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+ 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： 0.629Y S 0.961196.11% X 0.720==== （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）， A 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 mol n P =n A0Y P =18.96 mol n 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 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol
1. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下： 23CO 2H CH OH +? 23222CO 4H (CH )O H O +?+ 242CO 3H CH H O +?+ 24924CO 8H C H OH 3H O +?+ 222CO H O CO H +?+ 由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩 Bkg/h 粗甲醇100kmol 放空气体 原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ） 组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29 粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。在操作压力及温度下，其余组分均为不凝组分，但在冷凝冷却过程中可部分溶解于粗甲醇中，对1kg 粗甲醇而言，其溶解量为CO 2 9.82g,CO 9.38g,H 2 1.76g,CH 4 2.14g,N 25.38g 。若循环气与原料气之比为7.2（摩尔比），试计算： （1） （1） 一氧化碳的单程转换率和全程转化率； （2） （2） 甲醇的单程收率和全程收率。 解：（1）设新鲜原料气进料流量为100kmol/h ，则根据已知条件，计算进料原料
华东版 3-1 解：01A A A x c kt x = - 把数据代入得1 00.2min A c k -= 当x A =0.75时解得t=15min 所以，增加的时间为15-5=10min 3-2 解：() ()11 0111n n A A x n c kt ---=+- （式A ） 把x A =0.75和t=10min 代入解得1 00.1n A c k -= 再把t=30min 代入（式A ）解得x A =1.25 所以，转化率应为1 3-3 解：设反应动力学方程为：n A A dc kc dt -= 则() ()11 0111n n A A x n c kt ---=+-，且c A0=1 因此有()()()()1110.8118 10.91118 n n n k n k ---=+--=+- 解得：n=2;k=0.5L/mo l ·min -1 3-4 1）计算进料中酸、醇和水的摩尔浓度c A0、c B0、c S0（注意进料中水的浓度c S0不为0）。 2）列出当酸的转化率为x A 时，各组分浓度的表示式： ()0000001A A A B B A A R A A S S A A c c x c c c x c c x c c c x =-=-==+ 3)将上列各式及各组分初浓度代入反应速率式，整理得 ()62 7.931010.220.1 2.58A A A dx x x dt -=-?-+ 4）计算转化率达35%所需的时间为 () 0.35 62 7.931010.220.1 2.58A A A dx t x x -=?-+? 上述积分可查积分表用公式计算，也可用MA TLAB 语言的quad 解算子计算，结果为 71532t s h =≈ 5）计算所需反应器体积。先计算每天的反应批数，再计算每m 3反应体积每天的生产量，然
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) = 。 2. 停留时间分布的密度函数在t > 0时，E (t) _ _ 。 3. 当t=0时，停留时间分布函数F (t) =_ 。 4. 当t= a时，停留时间分布函数 F (t ) = ______ 。 5?停留时间分布的密度函数E ( 9 ) = _______ E (t ) _ 2 _ 2 6. 表示停留时间分布的分散程度的量▽日= ______ 坊七。 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 。 8. 平推流管式反应器t 时，E (t ) = ______________ 。 9. 平推流管式反应器t式￡时，E (t ) = ___________ 。 10. 平推流管式反应器t At时，F (t) = ___________ 。 11. 平推流管式反应器t V t时，F (t) = ___________ 。 2 12. 平推流管式反应器其E ( 9 )曲线的方差▽日= ____________ 。 _ 2 13. 平推流管式反应器其E (t )曲线的方差▽t = _____________ 。 14. 全混流反应器t=0时E (t ) = ________ 。 _ 2 _ 15. 全混流反应器其E ( 9 )曲线的方差日二_____________ 。 _ 2 _ 16. 全混流反应器其E (t )曲线的方差=_________________ 。 _ 2 17. 偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动， E ( 9 )曲线的方差日为____________ 。 C A 18. 脉冲示踪法测定停留时间分布C0对应曲线为___________ 。 C A 19. 阶跃示踪法测定停留时间分布C0对应曲线为__ _ 。 20. 非理想流动不一定是由__= _______ 造成的。 21. 非理想流动不一定是由返混造成的，但返混造成了______________ 。 22. 为了模拟返混所导致流体偏离平推流效果，可借助这种轴向返混与扩散过程的相似性，在__ _____ 的基础上 叠加上轴向返混扩散相来加以修正，并认为的假定该轴向返混过程可以用费克定律加以定量描述，所以，该模型称 为_ _ _ 。 23. 在轴向分散模型中，模型的唯一参数彼克莱准数P e = __。 24. 在轴向分散模型中，模型的唯一参数彼克莱准数愈大轴向返混程度就________ 。 25. 轴向分散模型的偏微分方程的初始条件和边界条件取决于采用示踪剂的__________ 、 __________ 、_______ 的 情况。 26. 轴向分散模型的四种边界条件为___ ________ 、 _____________ 、 ____________ 、_ 。 27. 若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_ —。