化学反应工程学课件

第八章化学反应工程学基本原理

第八章化学反应工程学基本原理第一节化学反应工程学概述是化学工程学的一个分支，常简称为反应工程。化学反应工程范围示意图：第一节化学反应工程学概述是化学工程学的一个分支，常简称为反应化学反应工程学的基本任务：（1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率；（2）开发新的反应技术和设备；（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题；（4）实现反应过程的最优化；（5）不断发展反应工程学的理论和方法。化学反应工程学的基本任务：（1）改进和强化现有的反应技术和设宏观动力学：不涉及传递仅研究温度、浓度等对化学反应的影响(通常利用实验室测定)。微观动力学(本征动力学)：由质量作用定律直接写出来。宏观流体：以大量分子构成的微团为独立运动单元的流体。(微团之间存在传递)。微观流体：以分子为独立单元的流体。(均一的，不存在传递。)宏观动力学：不涉及传递仅研究温度、浓度等对化学反应的影微观动

2-1工业反应器类型（1）按反应物料的相态分类：（2）按反应器的结构型式分类：（3）按操作方式分类：均相反应器非均相反应器釜式反应器管式反应器塔式反应器固定床反应器流化床反应器间歇操作反应器连续操作反应器半连续(半间歇)反应器第二节工业反应器2-1工业反应器类型（1）按反应物料的相态分类：（2）1—1间歇操作搅拌釜式反应器TU特点：(1)一次性进料，反应结束一次性出料。所有物料反应时间相同。(2)在恒温恒压条件下，反应物和生成物浓度均随时间变化，反应速率也随时间变化，为非定常态操作过程。1—1间歇操作搅拌釜式反应器TU特点：(1)一次性进料，反应l一2连续操作搅拌釜式反应器特点：(1)连续进料和连续出料。(2)在恒定温度、压强和流量条件下，反应器内物料不随时间变化，是定常态操作。(3)反应器内出口物料的温度和浓度等于反应器内物料的温度和浓度。(4)流体微团的停留时间不同。停留时间常以平均停留时间来表示，而最终反应转化率也为平均转化率。l一2连续操作搅拌釜式反应器特点：(1)连续进料和连续出料。第8章-化学反应工程学课件1—3连续操作的管式反应器特点：(1)操作为连续进料和连续出料。(2)在定常态操作条件下，反应器内任意截面上的温度和浓度不随时间改变，但不同截面上的温度和浓度则不同。

(3)当处理量大时，管内物料通常处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内的停留时间大致相同。该反应器既适合均相、也可用于非均相反应。1—3连续操作的管式反应器特点：(1)操作为连续进料和连续出1—4多釜串联反应器特点：（1）操作方式为连续进料和连续出料。（2）每一级内有确定不变的物料浓度，但各级内反应物浓度不同，便于分段操作和控制。（3）物料通过串联的多釜后，其停留时间相对集中，串联的釜数越多，停留时间越趋于一致。1—4多釜串联反应器特点：（1）操作方式为连续进料和连化学计量方程：它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。如方程：一个由S个组分参与的化学反应，其化学计量方程为：

ν1

A1+ν2

A2+……+νs

As=0

Ai表示i组分；νi为i组分

的计量系数。第三节化学反应动力学基础化学计量方程：它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系1.化学反应进度规定反应物化学计量系数取负值，产物取正值，则有3-1化学反应的转化率和收率1.化学反应进度规定反应物化学计量系数取负值，产物取正值，则转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。转化率（xA）2.转化率对所用原料的比例不符合计量关系的，通常价格低的组分过量。因此通常以价格高的组分计算转化率。该组分称为关键组分。转化率和反应进度的关系是：转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。转化率（x3.收率和选择性

单一反应：只用一个化学计量式描述的化学反应。复杂反应：用二个或二个以上化学计量式描述的化学反应。生成目的产物的反应称为主反应，生成副产物的反应称为副反应。3.收率和选择性单一反应：只用一个化学计量式描述的化学反应收率Φ的定义：选择性β的定义：当np,o=0时当np,o=0时收率Φ的定义：选择性β的定义：当np,o=0时当np,氨接触氧化的主、副反应为：（主反应）（副反应）已知反应器出口处物料组成见下表。组成入口处摩尔分数/%出口处摩尔分数/%NH3O2N2H2ONO11.5223.0562.672.7600.228.7求氨的转化率和一氧化氮的收率和选择性。氨接触氧化的主、副反应为：（主反应）（副反应）已知反应3-2反应体积、反应时间与空间速度1.反应体积（1）反应器实际体积

反应器实际体积V是指反应设备中的全部空间所占的体积。（2）反应器有效体积

反应器有效体积VR是指反应器实际进行化学反应所占的体积。3-2反应体积、反应时间与空间速度2.反应时间（1）反应时间tr对于间歇操作而言，反应物料从开始反应到达到所要求转化率所持续的时间。（2）停留时间和平均停留时间停留时间是指物料质点从反应器入口到出口所经历时间。对于间歇操作而言，各质点停留时间相同，且等于反应时间；对于连续操作而言，各质点停留时间不相同，一般用物料流中各质点在反应器内停留时间的平均值即平均停留时间表示。对于恒容过程：2.反应时间对于恒容过程：（3）空间时间

连续流动反应器中，反应器的有效体积(反应体积)与指定状态下流体入口体积流率qV,0之比，简称空时。应用空间时间概念时应注意1)对于液相反应和物料总体积流量在反应过程中不发生变化的气相反应，如果物料流动处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内齐头并进，其停留时间基本相同，则空间时间可视为反应时间。2)反应过程中物质量发生变化的气相反应，其总体积流量将随转化率增加而变化。则依上式计算的空间时间并非物料在反应器内的真实停留时间。（3）空间时间应用空间时间概念时应注意1)对于液相反应和物料3.空间速度表示在单位时间内通过单位反应器体积的物料体积，其值为空间时间的倒数，用符号SV表示，即3.空间速度表示在单位时间内通过单位反应器体积反应动力学研究化学反应速率以及各种因素对化学反应速率影响。研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些因素与反应速率间定量关系的速率方程。3-3反应动力学均相反应动力学反应动力学研究化学反应速率以及1.化学反应速率的表示法

对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的量的变化来定义该组分的反应速率。间歇操作系统1.化学反应速率的表示法对于均相反应，常用单各组分反应速率之间存在如下关系：当VR恒定时各组分反应速率之间存在如下关系：当VR恒定时反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：反应速率函数形式

双曲函数型幂函数型由反应机理导得质量作用定律导得反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：反应速率双曲说明：①α和β的代数和称为反应总级数。②α和β的值反映了反应物A和B的浓度对反应速率的影响。

③α和β的值是实验测定的，一般不等于各组分的计量系数，只有化学计量方程和反应机理相同时(基元方程)才相等。④α和β可以是整数、分数或负数，但反应总级数一般不大于3。另外要注意速率方程的应用范围，超出实验范围误差增大。⑤在催化剂、溶剂因素固定后，k仅是反应温度T的函数，并遵循Arrhenius方程：

反应级数不能独立预示反应速率的大小，只是表明反应速率对各组分浓度的敏感程度。

说明：①α和β的代数和称为反应总级数。②α和β的值反映了整理得：0整理得：0（1）气相反应的膨胀因子膨胀因子：每变化lmol反应物A所引起的反应混合物总物质的量的变化。根据定义：3.等温变容反应过程（1）气相反应的膨胀因子膨胀因子：每变化lmol反应物A所引第8章-化学反应工程学课件对于等温等压过程：

VV0对于等温等压过程：VV0aA+bB→rR+sSt=0时nA,0

nB,0

0

0t=t时aA+bB根据化学计量方程例如：A+2B→C+D对于等分子气相反应注意：膨胀因子只适用于气相连续流动反应系统，对于间歇操作反应器、均相反应均为恒容过程。根据化学计量方程例如：A+2B→C+D对于等分子气相反应SO2催化制取SO3的反应式为：已知反应器入口处含SO27.15%（摩尔分数），出口物料中含SO2为0.48%，求及SO2的转化率。分析：膨胀因子计算公式有两种：一是，另一个是。根据已知条件应选用后者进行计算。解：膨胀因子转化率SO2催化制取SO3的反应式为：已知反应器入口处含SO27某反应：，在t=700℃、p=3×105Pa(绝压）条件下反应，开始时A为116kg，求当反应完成50%时，cA、pA和yA各为多少？解：依题意某反应：3—3气相流动系统的动力学方程组分A的转化率

0组分A的物质的量流量物料总体积流量组分A的浓度式中：qn,A—表示经过一定反应器体积后组分A的物质的量流量，mol·s-1；

qV—表示经过一定反应器体积后的总体积流量，m3·s-1。3—3气相流动系统的动力学方程组分A的转化率0组分A的第8章-化学反应工程学课件气相用分压pA或摩尔分率yA表示组成：式中：气相用分压pA或摩尔分率yA表示组成：式中：第四节化学反应器内物料的流动模型数学模型方法的基本精神有以下几点：①简化。②等效性。③模型简化的程度体现在模型参数的个数。化学反应工程学的研究方法：数学模型法数学模型——在反应器的设计、放大或控制过程中，都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。第四节化学反应器内物料的流动模型数学模型方法的基本精神有以下化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：（1）动力学方程式（2）物料衡算式（3）热量衡算式（4）动量衡算式（5）参数计算式化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：（1）动力学方程式数学模拟放大法示意图明确任务

建立数学模型

解算数学模型

检验数学模型实际应用修改模型计算机计算机数学模拟放大法示意图明确任务建立数学模型物料在反应器内流动时可能存在两种不同的混合。流体粒子（微元）在空间顺序上的混合

流体粒子在反应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合，简称空混。流体粒子（微元）在时间顺序上的混合

具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。

空混返混物料在反应器内流动时可能存在两种不同的混合。流体粒子（微元流动模型理想流动模型非理想流动模型平推流反应器全混流反应器返混=∞或返混=0

返混=∞返混=0介于两种理想流动之间

轴向扩散模型

多级全混流模型

流动模型理想流动模型非理想流动模型平推流反应器全混流反应物A反应物B全混流反应器生成物R特点：①假设反应器的搅拌良好。反应器内物料的组成和温度处处相等，且等于反应器出口的物料组成和温度。操作稳定，反应器内物料的组成和温度均不随位置和时间而变。4—1全混流模型反应物A反应物B全混流反应器生成物R特点：4—2活塞流模型反应物A反应物B生成物R特点：①反应器的长径比较大。假设不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合（返混）。反应物沿管长方向流动，反应时间是管长的函数，其浓度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化。活塞流反应器4—2活塞流模型反应物A反应物B生成物R特点：①反应器的4—3非理想流动模型非理想流动模型的流动形态介于上述两种理想流动模型之间。即物料微团在反应系统内有一定程度的返混，但不能达到完全返混。

描述这种非理想流动状态的模型有轴向扩散和多级全混流模型。4—3非理想流动模型非理想流动模型的流动形态介2.轴向扩散模型－活塞流+轴向扩散

它仿照分子扩散的概念，在平推流流动上叠加一轴向分散过程，以表示反应器流动方向上的返混。

2.轴向扩散模型－活塞流+轴向扩散它仿照分子扩散的概念2.多级全混流模型原料A生成物R特点：反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的

入口浓度就是前一釜的出口浓度。串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，但各级反应器之间是突变的。随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞流反应器。2.多级全混流模型原料A生成物R特点：反应在多个串联的全混流3)虽然模型概念与实际过程返混的机理完全不同，但模型直观、简单，能对任何返混现象造成的返混程度做等效描述，相对于扩散模型也更便于求解。注意:

1)返混较全混流在一定程度得到抑制，串联釜数越多，抑制作用越大。因此，串联釜数可以用来衡量反应器内物料的返混程度。串联釜数为1时，为全混流；串联釜数为∞时，为平推流。2)与扩散模型一样，多级全混流模型模拟实际反应器也是虚拟的。反应器本身并不一定是多个全混流反应器串联，只是用这种模型来表示其中物料的返混程度。3)虽然模型概念与实际过程返混的机理完全不同，第五节反应器内物料的停留时间分布停留时间—物料微团从进入反应器到离开反应器的时间称为该微团在反应器中的停留时间。

在连续反应器中，反应物料质点的停留时间可能相同，也可能不同。通常可用物料质点的年龄与寿命来说明停留时间的长短。年龄是指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间.寿命是指反应物料质点从进人反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。第五节反应器内物料的停留时间分布停留时间—物料微团从进入5一1分布函数表示单位时间间隔内物料的分率，该分率随时间变化，称为停留时间分布密度函数。

设进入反应系统的物料量为N，停留时间在t-t+dt的物料量为dN，dN占进料总量的分率为：令：则：5一1分布函数表示单位时间间隔内物料的分率，该分率停留时间分布函数F(t)定义：在定常态下的连续流动的系统中，相对于某瞬间t=0时刻流入反应器的流体，在反应器出口流体中在器内停留时间小于t的流体微团所占的分率。E(t)和F(t)关系为停留时间分布函数F(t)定义：在定常态下的连续流动的系统中，

从上式可知，当已知F(t)~t曲线时，可用过曲线上一点作切线的方法作图，该切线斜率即为该切点的E(t)值。如上图中B点切线斜率即为t=t时E(t)值。从上式可知，当已知F(t)~t曲线时，可用过曲对比时间如果一个流体微团的停留时间介于区间(t，t+dt)内，则它的无因次停留时间也一定介于区间(θ，θ+dθ)内。这是因为我们指的是同一事件，所以t和θ介于这些区间的概率一定相等，于是有：E(θ)dθ=E(t)dtE(θ)=E(t)

对比时间如果一个流体微团的停留时间介于区间由于F(t)本身是一累积概率，而θ是t的确定性函数，依据随机变量的确定性函数的概率应与随机变量的概率相等的原则，有F(θ)=F(t)由于F(t)本身是一累积概率，而θ是t的确定E（t）特性：

①归一性：②常出现最大值,t→∝,E（t）→0③E（t）dt无因次，E（t）因次:时间－1E（t）特性：

①归一性：②常出现最大值,t→∝,E

F（t）特性：

①F（t）值在0～1之间，0≤F（t）≤1②F（t）为单调函数。③E（t）的最大点对应于F（t）的拐点。F（t）特性：

①F（t）值在0～1之间，0≤F（t5—2停留时间分布函数的测定

停留时间分布函数的测定一般是在生产装置上用水或空气代替反应物料进行“冷模”试验的方式进行，有时也可以在模拟装置上进行。

测定方法：示踪响应法

在反应器的入口以一定的方式加入示踪剂，同时通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接的描述反应器内物料的停留时间。5—2停留时间分布函数的测定停留时间分布函数化学示踪剂法折射指数法

电导示踪法液相气相染料示踪剂测量法

通常是将相应的检测器置于进口和出口处，根据两处浓度的变化曲线计算停留时间分布。

优点是测量直接、迅速、成本低。缺点是对于非常深色的体系或重油的体系，难以找到合适的染料。优点该是简单、迅速、易于使用。缺点是一般只用于水溶性体系。优点是使用简单、响应迅速。均相反应体系通常用于被测体系是非电导的，引入电导介质作示踪剂，电导率随浓度的不同而变化。常用的电解质NaCl、KCl等。引入了折射指数，明显不同于被测体系的介质作为示踪剂缺点是只适用于透明体系。这种示踪剂的化学组成是不同的，所有其他的物理性质与非示踪剂粒子相同。示踪剂必须不与体系中的其他组分发生反应。取样必须有代表性。常用的示踪气体是氦。化学示踪剂法折射指数法电导示踪法液相气相染料示踪剂测示踪剂的加入方法脉冲输入法阶梯输入法将示踪剂从测定系统入口处瞬间注入做定态流动的物料，同时在出口处跟踪检测示踪剂量随时间的变化。

在测定系统入口将作定常态流动物料从某一时刻起切换为流量与原定常态流动物料相同的含有示踪剂的流体，同时在系统出口检测示踪剂浓度随时间的变化。示踪剂的加入方法脉冲输入法阶梯输入法将示踪脉冲输入法脉冲输入法设c(t)为任意时刻t从出口测得的示踪剂浓度，qV为物料体积流量，示踪剂的总量为M0

对示踪剂进行物料衡算

实验是稳定操作，且qv恒定时

在t～t+dt时间间隔内子系统流出的示踪剂量占示踪剂总量M0的分率为：设c(t)为任意时刻t从出口测得的示踪剂浓度，qV为物料体积阶梯输入法阶梯输入法对示踪剂进行物料衡算：切换第二流体后的t时刻，出口物料中示踪剂在系统内的停留时间均小于t，其所占的分率为F(t)。设c(t)为任意时刻t从出口测得的示踪剂浓度，qV为物料体积流量，示踪剂的总量为M0

实验是稳定操作，且qv恒定。

对示踪剂进行物料衡算：切换第二流体后的t时刻缺点：用量较多。两种方法比较脉冲法优点：由实测数据可直接求出E(t)，简单且示踪剂耗量少。

缺点：难以使示踪剂输入时间缩到最短，尤其对平均停留时间短的流动系统。阶梯法优点：示踪剂输入时间短。缺点：用量较多。两种方法比较脉冲法优点：由实测数据可直接求出5—3停留时间分布函数的统计特征值1.平均停留时间流体通过反应器内所需时间的平均值称为平均停留时间，相当于随机函数的数学期望。5—3停留时间分布函数的统计特征值1.平均停留时间用对比时间表示则有：用对比时间表示则有：平均停留时间计算除了以上公式外，在已知反应器有效体积和物料流量情况下，还可用下式计算：平均停留时间计算除了以上公式外，在已知反应器方差方差第六节理想流动模型的停留时间分布6—1活塞流模型的停留时间分布00第六节理想流动模型的停留时间分布6—1活塞流模型的停留时第8章-化学反应工程学课件6—2全混流模型的停留时间分布qV,0M0qV,0反应器内示踪剂初始浓度

VR在t~t+dt时间间隔对器内示踪剂作物料衡算:t时刻器内原有的示踪剂量=t+dt时刻器内留存的示踪剂量+dt时间内自器内流出的反应器的量两边积分得：或6—2全混流模型的停留时间分布qV,0M0qV,0反应器内示脉冲输入法而得：脉冲输入法而得：第8章-化学反应工程学课件设物料为定常态流动，各级有效容积相等，物料通过各级的空间时间在t=0时向系统输入脉冲示踪剂M0，经过t时间后，对示踪剂进行物料衡算：7—2多釜串联模型相同。对于第一级：对第二级在t~t+dt时间间隔内作物料衡算：进入第二级的示踪剂量离开第二级的示踪剂量第二级内示踪剂的改量-=-=形如y′+p(x)y=Q(x)一阶线性微分方程，边界条件：t=0，c2(t)=0

同理对第三级进行物料衡算，可得：设物料为定常态流动，各级有效容积相等，物料通过各级的空间时间对第N级设物料流过N级的总空间时间为对第N级设物料流过N级的总空间时间为第8章-化学反应工程学课件某反应器用脉冲法测得如下表中的数据，设反应器内流体流量qV,0恒定。试求、、。

时间t/min05101520253035404550试踪剂度c(t)/g·m-30.02.06.012.012.010.05.02.01.00.50.0某反应器用脉冲法测得如下表中的数据，设反应器、、。时间知识回顾KnowledgeReview祝您成功！知识回顾KnowledgeReview祝您成功！第八章化学反应工程学基本原理

第八章化学反应工程学基本原理第一节化学反应工程学概述是化学工程学的一个分支，常简称为反应工程。化学反应工程范围示意图：第一节化学反应工程学概述是化学工程学的一个分支，常简称为反应化学反应工程学的基本任务：（1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率；（2）开发新的反应技术和设备；（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题；（4）实现反应过程的最优化；（5）不断发展反应工程学的理论和方法。化学反应工程学的基本任务：（1）改进和强化现有的反应技术和设宏观动力学：不涉及传递仅研究温度、浓度等对化学反应的影响(通常利用实验室测定)。微观动力学(本征动力学)：由质量作用定律直接写出来。宏观流体：以大量分子构成的微团为独立运动单元的流体。(微团之间存在传递)。微观流体：以分子为独立单元的流体。(均一的，不存在传递。)宏观动力学：不涉及传递仅研究温度、浓度等对化学反应的影微观动

2-1工业反应器类型（1）按反应物料的相态分类：（2）按反应器的结构型式分类：（3）按操作方式分类：均相反应器非均相反应器釜式反应器管式反应器塔式反应器固定床反应器流化床反应器间歇操作反应器连续操作反应器半连续(半间歇)反应器第二节工业反应器2-1工业反应器类型（1）按反应物料的相态分类：（2）1—1间歇操作搅拌釜式反应器TU特点：(1)一次性进料，反应结束一次性出料。所有物料反应时间相同。(2)在恒温恒压条件下，反应物和生成物浓度均随时间变化，反应速率也随时间变化，为非定常态操作过程。1—1间歇操作搅拌釜式反应器TU特点：(1)一次性进料，反应l一2连续操作搅拌釜式反应器特点：(1)连续进料和连续出料。(2)在恒定温度、压强和流量条件下，反应器内物料不随时间变化，是定常态操作。(3)反应器内出口物料的温度和浓度等于反应器内物料的温度和浓度。(4)流体微团的停留时间不同。停留时间常以平均停留时间来表示，而最终反应转化率也为平均转化率。l一2连续操作搅拌釜式反应器特点：(1)连续进料和连续出料。第8章-化学反应工程学课件1—3连续操作的管式反应器特点：(1)操作为连续进料和连续出料。(2)在定常态操作条件下，反应器内任意截面上的温度和浓度不随时间改变，但不同截面上的温度和浓度则不同。

(3)当处理量大时，管内物料通常处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内的停留时间大致相同。该反应器既适合均相、也可用于非均相反应。1—3连续操作的管式反应器特点：(1)操作为连续进料和连续出1—4多釜串联反应器特点：（1）操作方式为连续进料和连续出料。（2）每一级内有确定不变的物料浓度，但各级内反应物浓度不同，便于分段操作和控制。（3）物料通过串联的多釜后，其停留时间相对集中，串联的釜数越多，停留时间越趋于一致。1—4多釜串联反应器特点：（1）操作方式为连续进料和连化学计量方程：它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。如方程：一个由S个组分参与的化学反应，其化学计量方程为：

ν1

A1+ν2

A2+……+νs

As=0

Ai表示i组分；νi为i组分

的计量系数。第三节化学反应动力学基础化学计量方程：它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系1.化学反应进度规定反应物化学计量系数取负值，产物取正值，则有3-1化学反应的转化率和收率1.化学反应进度规定反应物化学计量系数取负值，产物取正值，则转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。转化率（xA）2.转化率对所用原料的比例不符合计量关系的，通常价格低的组分过量。因此通常以价格高的组分计算转化率。该组分称为关键组分。转化率和反应进度的关系是：转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。转化率（x3.收率和选择性

单一反应：只用一个化学计量式描述的化学反应。复杂反应：用二个或二个以上化学计量式描述的化学反应。生成目的产物的反应称为主反应，生成副产物的反应称为副反应。3.收率和选择性单一反应：只用一个化学计量式描述的化学反应收率Φ的定义：选择性β的定义：当np,o=0时当np,o=0时收率Φ的定义：选择性β的定义：当np,o=0时当np,氨接触氧化的主、副反应为：（主反应）（副反应）已知反应器出口处物料组成见下表。组成入口处摩尔分数/%出口处摩尔分数/%NH3O2N2H2ONO11.5223.0562.672.7600.228.7求氨的转化率和一氧化氮的收率和选择性。氨接触氧化的主、副反应为：（主反应）（副反应）已知反应3-2反应体积、反应时间与空间速度1.反应体积（1）反应器实际体积

反应器实际体积V是指反应设备中的全部空间所占的体积。（2）反应器有效体积

反应器有效体积VR是指反应器实际进行化学反应所占的体积。3-2反应体积、反应时间与空间速度2.反应时间（1）反应时间tr对于间歇操作而言，反应物料从开始反应到达到所要求转化率所持续的时间。（2）停留时间和平均停留时间停留时间是指物料质点从反应器入口到出口所经历时间。对于间歇操作而言，各质点停留时间相同，且等于反应时间；对于连续操作而言，各质点停留时间不相同，一般用物料流中各质点在反应器内停留时间的平均值即平均停留时间表示。对于恒容过程：2.反应时间对于恒容过程：（3）空间时间

连续流动反应器中，反应器的有效体积(反应体积)与指定状态下流体入口体积流率qV,0之比，简称空时。应用空间时间概念时应注意1)对于液相反应和物料总体积流量在反应过程中不发生变化的气相反应，如果物料流动处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内齐头并进，其停留时间基本相同，则空间时间可视为反应时间。2)反应过程中物质量发生变化的气相反应，其总体积流量将随转化率增加而变化。则依上式计算的空间时间并非物料在反应器内的真实停留时间。（3）空间时间应用空间时间概念时应注意1)对于液相反应和物料3.空间速度表示在单位时间内通过单位反应器体积的物料体积，其值为空间时间的倒数，用符号SV表示，即3.空间速度表示在单位时间内通过单位反应器体积反应动力学研究化学反应速率以及各种因素对化学反应速率影响。研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些因素与反应速率间定量关系的速率方程。3-3反应动力学均相反应动力学反应动力学研究化学反应速率以及1.化学反应速率的表示法

对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的量的变化来定义该组分的反应速率。间歇操作系统1.化学反应速率的表示法对于均相反应，常用单各组分反应速率之间存在如下关系：当VR恒定时各组分反应速率之间存在如下关系：当VR恒定时反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：反应速率函数形式

双曲函数型幂函数型由反应机理导得质量作用定律导得反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：反应速率双曲说明：①α和β的代数和称为反应总级数。②α和β的值反映了反应物A和B的浓度对反应速率的影响。

③α和β的值是实验测定的，一般不等于各组分的计量系数，只有化学计量方程和反应机理相同时(基元方程)才相等。④α和β可以是整数、分数或负数，但反应总级数一般不大于3。另外要注意速率方程的应用范围，超出实验范围误差增大。⑤在催化剂、溶剂因素固定后，k仅是反应温度T的函数，并遵循Arrhenius方程：

反应级数不能独立预示反应速率的大小，只是表明反应速率对各组分浓度的敏感程度。

说明：①α和β的代数和称为反应总级数。②α和β的值反映了整理得：0整理得：0（1）气相反应的膨胀因子膨胀因子：每变化lmol反应物A所引起的反应混合物总物质的量的变化。根据定义：3.等温变容反应过程（1）气相反应的膨胀因子膨胀因子：每变化lmol反应物A所引第8章-化学反应工程学课件对于等温等压过程：

VV0对于等温等压过程：VV0aA+bB→rR+sSt=0时nA,0

nB,0

0

0t=t时aA+bB根据化学计量方程例如：A+2B→C+D对于等分子气相反应注意：膨胀因子只适用于气相连续流动反应系统，对于间歇操作反应器、均相反应均为恒容过程。根据化学计量方程例如：A+2B→C+D对于等分子气相反应SO2催化制取SO3的反应式为：已知反应器入口处含SO27.15%（摩尔分数），出口物料中含SO2为0.48%，求及SO2的转化率。分析：膨胀因子计算公式有两种：一是，另一个是。根据已知条件应选用后者进行计算。解：膨胀因子转化率SO2催化制取SO3的反应式为：已知反应器入口处含SO27某反应：，在t=700℃、p=3×105Pa(绝压）条件下反应，开始时A为116kg，求当反应完成50%时，cA、pA和yA各为多少？解：依题意某反应：3—3气相流动系统的动力学方程组分A的转化率

0组分A的物质的量流量物料总体积流量组分A的浓度式中：qn,A—表示经过一定反应器体积后组分A的物质的量流量，mol·s-1；

qV—表示经过一定反应器体积后的总体积流量，m3·s-1。3—3气相流动系统的动力学方程组分A的转化率0组分A的第8章-化学反应工程学课件气相用分压pA或摩尔分率yA表示组成：式中：气相用分压pA或摩尔分率yA表示组成：式中：第四节化学反应器内物料的流动模型数学模型方法的基本精神有以下几点：①简化。②等效性。③模型简化的程度体现在模型参数的个数。化学反应工程学的研究方法：数学模型法数学模型——在反应器的设计、放大或控制过程中，都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。第四节化学反应器内物料的流动模型数学模型方法的基本精神有以下化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：（1）动力学方程式（2）物料衡算式（3）热量衡算式（4）动量衡算式（5）参数计算式化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：（1）动力学方程式数学模拟放大法示意图明确任务

建立数学模型

解算数学模型

检验数学模型实际应用修改模型计算机计算机数学模拟放大法示意图明确任务建立数学模型物料在反应器内流动时可能存在两种不同的混合。流体粒子（微元）在空间顺序上的混合

流体粒子在反应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合，简称空混。流体粒子（微元）在时间顺序上的混合

具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。

空混返混物料在反应器内流动时可能存在两种不同的混合。流体粒子（微元流动模型理想流动模型非理想流动模型平推流反应器全混流反应器返混=∞或返混=0

返混=∞返混=0介于两种理想流动之间

轴向扩散模型

多级全混流模型

流动模型理想流动模型非理想流动模型平推流反应器全混流反应物A反应物B全混流反应器生成物R特点：①假设反应器的搅拌良好。反应器内物料的组成和温度处处相等，且等于反应器出口的物料组成和温度。操作稳定，反应器内物料的组成和温度均不随位置和时间而变。4—1全混流模型反应物A反应物B全混流反应器生成物R特点：4—2活塞流模型反应物A反应物B生成物R特点：①反应器的长径比较大。假设不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合（返混）。反应物沿管长方向流动，反应时间是管长的函数，其浓度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化。活塞流反应器4—2活塞流模型反应物A反应物B生成物R特点：①反应器的4—3非理想流动模型非理想流动模型的流动形态介于上述两种理想流动模型之间。即物料微团在反应系统内有一定程度的返混，但不能达到完全返混。

描述这种非理想流动状态的模型有轴向扩散和多级全混流模型。4—3非理想流动模型非理想流动模型的流动形态介2.轴向扩散模型－活塞流+轴向扩散

它仿照分子扩散的概念，在平推流流动上叠加一轴向分散过程，以表示反应器流动方向上的返混。

2.轴向扩散模型－活塞流+轴向扩散它仿照分子扩散的概念2.多级全混流模型原料A生成物R特点：反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的

入口浓度就是前一釜的出口浓度。串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，但各级反应器之间是突变的。随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞流反应器。2.多级全混流模型原料A生成物R特点：反应在多个串联的全混流3)虽然模型概念与实际过程返混的机理完全不同，但模型直观、简单，能对任何返混现象造成的返混程度做等效描述，相对于扩散模型也更便于求解。注意:

1)返混较全混流在一定程度得到抑制，串联釜数越多，抑制作用越大。因此，串联釜数可以用来衡量反应器内物料的返混程度。串联釜数为1时，为全混流；串联釜数为∞时，为平推流。2)与扩散模型一样，多级全混流模型模拟实际反应器也是虚拟的。反应器本身并不一定是多个全混流反应器串联，只是用这种模型来表示其中物料的返混程度。3)虽然模型概念与实际过程返混的机理完全不同，第五节反应器内物料的停留时间分布停留时间—物料微团从进入反应器到离开反应器的时间称为该微团在反应器中的停留时间。

在连续反应器中，反应物料质点的停留时间可能相同，也可能不同。通常可用物料质点的年龄与寿命来说明停留时间的长短。年龄是指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间.寿命是指反应物料质点从进人反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。第五节反应器内物料的停留时间分布停留时间—物料微团从进入5一1分布函数表示单位时间间隔内物料的分率，该分率随时间变化，称为停留时间分布密度函数。

设进入反应系统的物料量为N，停留时间在t-t+dt的物料量为dN，dN占进料总量的分率为：令：则：5一1分布函数表示单位时间间隔内物料的分率，该分率停留时间分布函数F(t)定义：在定常态下的连续流动的系统中，相对于某瞬间t=0时刻流入反应器的流体，在反应器出口流体中在器内停留时间小于t的流体微团所占的分率。E(t)和F(t)关系为停留时间分布函数F(t)定义：在定常态下的连续流动的系统中，

从上式可知，当已知F(t)~t曲线时，可用过曲线上一点作切线的方法作图，该切线斜率即为该切点的E(t)值。如上图中B点切线斜率即为t=t时E(t)值。从上式可知，当已知F(t)~t曲线时，可用过曲对比时间如果一个流体微团的停留时间介于区间(t，t+dt)内，则它的无因次停留时间也一定介于区间(θ，θ+dθ)内。这是因为我们指的是同一事件，所以t和θ介于这些区间的概率一定相等，于是有：E(θ)dθ=E(t)dtE(θ)=E(t)

对比时间如果一个流体微团的停留时间介于区间由于F(t)本身是一累积概率，而θ是t的确定性函数，依据随机变量的确定性函数的概率应与随机变量的概率相等的原则，有F(θ)=F(t)由于F(t)本身是一累积概率，而θ是t的确定E（t）特性：

①归一性：②常出现最大值,t→∝,E（t）→0③E（t）dt无因次，E（t）因次:时间－1E（t）特性：

①归一性：②常出现最大值,t→∝,E

F（t）特性：

①F（t）值在0～1之间，0≤F（t）≤1②F（t）为单调函数。③E（t）的最大点对应于F（t）的拐点。F（t）特性：

①F（t）值在0～1之间，0≤F（t5—2停留时间分布函数的测定

停留时间分布函数的测定一般是在生产装置上用水或空气代替反应物料进行“冷模”试验的方式进行，有时也可以在模拟装置上进行。

测定方法：示踪响应法

在反应器的入口以一定的方式加入示踪剂，同时通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接的描述反应器内物料的停留时间。5—2停留时间分布函数的测定停留时间分布函数化学示踪剂法折射指数法

电导示踪法液相气相染料示踪剂测量法

通常是将相应的检测器置于进口和出口处，根据两处浓度的变化曲线计算停留时间分布。

优点是测量直接、迅速、成本低。缺点是对于非常深色的体系或重油的体系，难以找到合适的染料。优点该是简单、迅速、易于使用。缺点是一般只用于水溶性体系。优点是使用简单、响应迅速。均相反应体系通常用于被测体系是非电导的，引入电导介质作示踪剂，电导率