化学反应过程与设备(杨西平)模块一课件

原料预处理化学反应分离提纯化学反应过程是化工生产的核心绪论化工生产包括脱出杂质产物产品原010203概况三点击此处输入相关文本内容整体概况概况一点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容010203概况三整体概况概况一概况二化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应和反应器化学反应化学工程流体的返混和不均匀流动传质过程传热过程化学反应动力学化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应和反应器化化学反应动力学特性物理过程对反应的影响反应器的设计和优化主要教学内容反应器的操作化学反应动力学特性物理过程对反应的影响反应器的设计和优化主要化工反应原理与设备与相邻学科的关系化学反应工程流体流动传质与传热传递工程化学工艺工艺路线流程、设备最佳化催化剂反应条件物理化学化学动力学化学热力学工程控制测量与控制动态特性化工反应原理与设备与相邻学科的关系化学反应流体流动传递工程化化工反应原理与设备的研究方法数学模型法１模型方法：建立简化物理模型，建立数学模型讨论特性规律２用模型法进行开发的步骤：实验室规模的实验小试研究化学反应规律根据化学反应规律合理选择反应器类型大型冷模试验研究传递过程规律综合反应和传递规律，预测反应器性能，寻找优化条件热模试验检验模型的合理性化工反应原理与设备的研究方法数学模型法１模型方法：建立简化物模块一、基础知识1、掌握反应过程中的基本概念和常用物理量的计算2、理解动力学基本概念、常见动力学方程的表示方法和工程应用3、能分析反应活化能和反应温度间的关系，具备控制反应温度的技能4、理解均相和非均相反应过程的特征5、了解本征动力学和宏观动力学的区别与联系6、掌握反应器内理想流动和非理想流动的特征7、了解不同非均相反应过程的传质、传热原理目标要求：模块一、基础知识目标要求：化学反应类型反应过程进行的条件反应特性相的类别和数目项目一、化学反应器类型化学反应类型化学反应类型反应过程反应特性相的类别和数目项目一、化学反应器半间歇半连续操作连续操作间歇操作反应器操作方式非定态过程定态过程非定态过程定态过程：物系的组成与温度随时间变化非定态过程：物系的组成与温度不随时间变化半间歇半连续操作连续操作间歇操作反应器操作方式非定态过程定态管式反应器釜式反应器鼓泡塔反应器流化床反应器固定床反应器反应器类型管式反应器釜式反应器鼓泡塔流化床反应器固定床反化学反应过程与设备(杨西平)模块一课件常见的工业反应器

均相间歇反应器半间歇反应器常见的工业反应器均相间歇反应器连续搅拌反应器组合

连续搅拌反应器组合轴向填充床催化反应器流化床催化反应器

轴向填充床催化反应器Sasol/sastechPTLimited公司的反应器（直径3.5米高38米）Sasol/sastechPTLimited公司的反应器物料衡算热量衡算动力学方程式基本方程项目二、反应器设计基本方程式反应器的设计计算反应器的校核计算工艺设计物料衡算基本项目二、反应器设计基本方程式反应器的设计计算物料衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：ＣA=ƒ(t，位置）

微元时间内微元时间内微元时间微元微元时间微进人微元体积－离开微元体积+体积内变化的=元体积内关键组分量关键组分量关键组分量关键组分的累积量某一物质物料守恒单位时间单位体积．单位：mol/s物料衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：Ｃ热量衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：T=ƒ(t，位置）微元时间内进入微元时间内离开微元时间微元微元时间微元微元时间微微元体积的物料－微元体积的物料十体积内反应过程十体积内和外界＝元体积内热带入的热量带出的热量的热效应的热交换量量的累积量单位时间单位体积．单位：kJ/s体系内所有物质能量守恒热量衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：T某一物质若为反应物则变化的组分量前符号为“-”若为生成物则变化的组分量前符号为“+”注意事项衡算范围在所选的范围内，操作条件不变。热效应若为放热反应和外界的热交换量前符号为“-”若为吸热反应和外界的热交换量前符号为“+”操作方式

连续操作:累积量（物料、热量）＝０间歇操作:进入和离开的组分量（热量）=0绝热操作:和外界的热交换量＝０操作方式某一物质若为反应物则变化的组分量前符号为“-”注意事项动力学方程式均相反应：本征动力学方程非均相反应：宏观动力学方程反应速率与影响反应速率的影响因素之间的函数表达式定量描述反应速率与影响因素之间的关系式。动力学方程式均相反应：本征动力学方程反应速率与影响反应速率反应速率定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间的变化率。或单位时间单位体积物料数量的变化。

注意：1、上述定义无论对反应物和产物均成立。若为反应物则为消失速度.若为产物则为生成速度.反应速率定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间的变化反应速率2、反应速率恒为正值3、不同体系：反应体系的量所取不同。均相：反应体积。非均相：相界面积，催化剂的重量或体积4、速度的表示形式和化学计量系数有关对于反应速率2、反应速率恒为正值3、不同体系：反应体系的量所取不反应速率5、在复杂反应体系中，即在同一反应系统中同时进行若干个化学反应时。对于任意组分i，该组分的反应速率为它所参加的所有化学反应速率的代数和：反应速率5、在复杂反应体系中，即在同一反应系统中同影响因素温度浓度压力溶剂催化剂固定速率方程或动力学方程定量描述反应速率和温度及浓度的关系式动力学方程式影温度浓度压力溶剂催化剂固定速率方程或动力学方程定量描述反应动力学方程式基本方程1、基元反应：根据质量作用定律动力学方程式：

rA

一反应速率，kmol/(m3·h)cA、cB一反应物的浓度，kmol/m3νA、νB

一分别为反应物A、B的反应级数，反应总级数为n=νA+νBkc一以浓度表示的反应速率常数，（kmol/m3）1-n·h-1动力学方程式基本方程1、基元反应：根据质量作用定律动力学方程动力学方程式基本方程2、非基元反应：可分为几个基元反应，选取其中一个基元反应为控制步骤，一般为对反应起决定性作用的那一个基元反应即反应速率最慢那一个基元反应，其余各步基元反应达到平衡。然后根据质量作用定律推导出动力学方程。对气相反应：理想气体：动力学方程式基本方程2、非基元反应：对气相反应：理想气体：1、反应分子数和反应级数反应分子数=化学计量系数反应级数=νA、νB

=f(机理）当且仅当基元反应时，反应级数=化学计量系数总反应级数n=νA+νB+…

动力学方程式反应级数2、反应级数的意义：表示物料浓度对反应速率影响的程度。该值可为”“+”、可为“-”、也可为0。但最高绝对值不大于3

1、反应分子数和反应级数反应分子数=化学计量系数反应级数=ν动力学方程式反应速率常数定义：也称为比速率动力学方程式反应速率常数定义：也称为比速率k=f（T,Catalyst,pressure,粒子强度，溶剂等）影响：动力学方程式反应速率常数（1）线性关系的斜率为-E/R；（2）活化能越大，温度对反应速率的影响越显著；（3）k与T的关系低温时比高温时更敏感。k=f（T,Catalyst,pressure,粒子强度，反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率对于下列化学反应：初始

nA0nB0nR0ns0某一时刻

nAnBnRns反应的量

nA-nA0<0

nB-nB0<0nR-nR0＞0nS-nS0＞0

其中为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而言为“＋”。

反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率对于下列化学反应：初1、反应程度反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率根据化学反应方程式可知：定义反应程度：

反应进行到某一时刻，各组分摩尔数与反应程度的关系为：1、反应程度反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率根据化学2、转化率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率注意：1）关键组分的选择2）起始量的选择全程转化率（新鲜物料）单程转化率（反应器入口）转化率与反应程度的关系：某一时刻摩尔数与转化率的关系：2、转化率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率注意：1）初始：nA0nB0nR0ns0某一时刻nAnBnRns反应器计算中常用的几个物理量3、膨胀因子和膨胀率恒容过程：液相反应一般认为是恒容（密度不变）气相反应反应前后的摩尔数不变特性：V＝V0

生产中的三率nt0=∑ni0=nA0+nB0+nR0+ns0

nt=∑ni=nA+nB+nR+ns

变容过程：初始：nA0nB0nR0反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率膨胀因子：A>0摩尔数↑的反应A<0摩尔数↓的反应。A=0等分子反应物理意义:关键组分A消耗1mol时,引起整个物系摩尔数的变化量.反应器计算中常用的几个物理量3、膨胀因子和膨胀率生产中的三率此时：则：膨胀因子：A>0摩尔数↑的反应物理意义:关键组分A反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率膨胀率：当物系体积随转化率变化呈线性关系物理意义：反应物全部转化后系统体积的变化率两者关系：A=yA0A

浓度变化关系：反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率4、收率和产率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率收率：指通入反应器的原料量中有多少生成了目的产品。产率：是指参加反应的原料量中有多少生成了目的产品。也称选择性。三率的关系为：4、收率和产率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率收率：反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念1、反应持续时间

反应持续时间也叫反应时间，主要用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的转化率所需要的时间。其中不包括装料、卸料、升温等非生产时间。

2、停留时间

停留时间又称接触时间，主要用于连续流动反应器，指流体微元从进入反应器到离开反应器所经历的时间。停留时间分布、平均停留时间反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念1、反应持续反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念3、空间时间反应器的有效容积VR与流体特征体积流率V0即在反应器入口条件下及转化率为零时的体积流率的比值4、空间速度空速指单位有效反应器容积所能处理的反应混合物料的标准体积流率。两者关系：反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念3、空间时间项目三、流体流动流体的流动特征主要是指反应器内流体的流动状态和混合情况，它们随反应器的几何结构（包括内部构件）和几何尺寸不同发生变化。正是由于反应流体在反应器内流动的复杂性导致反应器内不仅存在流体流速的分布，更重要的是还存在浓度和温度的分布。使得反应器内存在不同停留时间的流体粒子以及不同停留时间流体粒子之间的混合即返混，从而导致反应器内反应物料处于不同的温度和浓度下进行反应。影响反应速率和反应选择性，使反应结果发生变化。项目三、流体流动流体的流动特征主要是指反应器内流体的流动状态停留时间分布密度函数E(t)E(t)=0t<0E(t)≥0t≥0归一化条件流体流动的描述1、停留时间分布密度函数停留时间分布停留时间分布密度函数E(t)E(t)=0t<0停留时间分布函数F(t)流体流动的描述2、停留时间分布函数停留时间分布t≤0，F(t)=00＜t＜∞，0<F(t)<1t＝∞，F(t)＝1。停留时间分布函数F(t)流体流动的描述2、停留时间分布函数停留时间分布的特征值流体流动的描述1、数学期望2、方差停留时间分布的特征值流体流动的描述1、数学期望2、方差用对比时间表示停留时间分布流体流动的描述

222020)()(1)()()()()()()()(tdEttdEtFFtEtddttEEdEdttEtttsqqqqsqqqqqqqqqqq=-=========òò¥¥用对比时间表示停留时间分布流体流动的描述222020)

阶跃法－升阶法降阶法脉冲法：

简单、示踪剂用量少，可直接测出停留时间分布密度函数；要求输入理想脉冲。阶跃法操作容易；示踪剂用量大，直接测出的是停留时间分布函数。流体流动的描述停留时间分布规律测定脉冲法升阶法降阶法脉冲法：流体流动的描述停留时间分布规律测定脉冲停留时间分布规律测定流体流动的描述1、脉冲法停留时间分布规律测定流体流动的描述1、脉冲法停留时间分布的特征值流体流动的描述2、阶跃法主流体Q0Q系统检测器含示踪剂的流体（C(∞)

）c(∞)c0(t)tt=00输入曲线c(∞)c(t)t0响应曲线停留时间分布的特征值流体流动的描述2、阶跃法主流体Q0Q系特点：由于流体沿同一方向以相同的速度推进，所有流体粒子在反应器内的停留时间相等；在定态下，沿流体流动方向上，流体的参数（如温度、浓度、压力等）不断变化，而与流动方向相垂直的径向方向上所有的参数均相同；返混程度为0.假设基础：高速湍流长径比较大、流速较快的管式反应器内的流体流动可认为是理想置换流动模型。理想置换流动模型反应器内理想流动模型特点：由于流体沿同一方向以相同的速度推进，所有流tE(t)01.00反应器内理想流动模型停留时间描述理想置换流动模型tE(t)0tE(t)01.00反应器内理想流动模型停留时间描述理想置换特点：认为进入反应器的新鲜流体粒子与存留在反应器内流体粒子能在瞬间混合均匀，使反应器内所有流体粒子具有同样的温度、同样的浓度且等于反应器出口的温度和浓度。返混程度为无穷大.假设基础：高效搅拌搅拌效果很好的釜式反应器内的流体流动可认为是理想混合流动模型。反应器内理想流动模型理想混合流动模型特点：认为进入反应器的新鲜流体粒子与存留在反应器内流体粒子能停留时间描述反应器内理想流动模型理想混合流动模型停留时间描述反应器内理想流动模型理想混合流动模型非理想形成的原因反应器内非理想流动模型1、滞留区的存在2、沟流和短路3、循环流4、流体流速分布不均匀5、扩散非理想形成的原因反应器内非理想流动模型1、滞留区的存在2、沟反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型假设①在垂直于流体流动方向的每一截面上，具有均匀的径向流速；②在流体流动方向上（轴向）存在扩散，并以轴向扩散系数E来表示，并可用费克定律来描述；③轴向扩散系数在反应器内是恒定的，不随轴向位置发生变化模型参数：特征：Pe越大，返混程度越小；Pe越小，返混程度越大。当Pe→0时，对流流动速率比扩散速率慢得多，可以认为是全混流；当Pe→∞时，轴向扩散系数接近0，可以认为是平推流。反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型假设①在垂直反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型用轴向扩散模型进行反应器计算步骤：1、测反应器的停留时间分布，求出2、根据，求出模型参数Pe3、解反应模型求转化率。反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型用轴向扩散模反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型假设①它是由N个体积相等的全混流反应器组成；②从一个全混流反应器到另一个全混流反应器之间的物料不发生任何反应；③认为每个全混流反应器内的反应均为等容过程。模型参数：模型中串联的釜数特征：N越大，返混程度越小；当N越小，返混程度越大。当N=1表示为全混流；当N=∞表示为平推流；1﹤N﹤∞时，表示为实际流动反应器。

反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型假设①它是由反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型用多釜串联模型进行反应器计算步骤测反应器的停留时间分布，求出根据，求出模型参数N（N要圆整）逐釜计算求出最终转化率。反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型用多釜串联模反应器内非理想流动模型非理想流动的改善改善措施1、增大流体在设备内的湍流程度，以消除轴向扩散而造成的停留时间分布不均匀的现象。2、在反应器内装设填充物，以改变设备内速度分布和浓度分布，从而使停留时间分布趋于均一化。但要注意避免沟流和短路现象的发生。3、增加设备级数或在设备内增设挡板。4、采用适当的气体分布装置，或调节各组反应管的阻力，使其均匀一致。

反应器内非理想流动模型非理想流动的改善改善措施1、增大流体在项目四、气固相催化过程许多化工生产过程中都使用催化剂。催化剂是指能够改变化学反应历程,但其质和量在反应前后不发生变化的物质。气固相催化过程是指气相反应物在固体催化剂上进行的反应，是一非均相过程。由于是非均相反应过程，反应的动力学方程就比较复杂，不仅和化学反应有关，还和传质过程有很大的关系。同时催化剂的性质也对反应有很大的影响。项目四、气固相催化过程许多化工生产过程中都使用催化剂。催化剂固体催化剂的基本特性催化剂的催化特征1、催化剂能够改变反应历程，加快化学反应速率，但它本身在反应前后没有变化。2、催化剂只能改变反应速率，不能改变反应的趋向性。3、催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的状态4、催化剂对反应具有选择性固体催化剂的基本特性催化剂的催化特征1、催化剂能够改变反应历固体催化剂的基本特性催化剂的组成活性组分载体助催化剂抑制剂抑制剂是指如果在活性组分中添加少量的物质，便能使活性组分的催化活性适当调低，甚至在必要时大幅度地下降。提供有效表面和适合的孔结构；使催化剂获得一定的机械强度；提高催化剂的热稳定性；提供活性中心；与活性组分作用形成新的化合物；节省活性组分用量。载体有时又称为催化活性组分色分散剂、粘合物或支撑体一些本身对某一反应没有活性或活性很小，但于催化剂之中添加少量（一般小于催化剂总量的10%）却能使催化剂具有所期望的活性、选择性或稳定性的物质

它是催化剂的主要成分，是起催化作用的根本性物质活性组分有时由一种物质组成有时则由多种物质组成固体催化剂的基本特性催化剂的组成活性组分载体助催化剂抑制剂抑固体催化剂的基本特性催化剂的物理性质比表面积：单位质量催化剂所具有的表面积，记为Sg，单位为㎡/g孔容积：指单位催化剂中内部微孔所占有的体积记为Vg，单位为ml/g

孔径分布：孔径都是不均匀的。多孔性催化剂的孔径大小可从10-10～10-6m级孔隙率：指催化剂颗粒孔隙体积与催化剂颗粒总体积之比固体催化剂的基本特性催化剂的物理性质比表面积：单位质量催化剂固体催化剂的基本特性催化剂的物理性质真密度：催化剂颗粒中固体实体单位体积（不包孔体积）的质量。用表示。单位为g/cm3

假密度：催化剂颗粒中固体实体单位体积（不包括孔体积）的质量。用表示。单位为g/cm3

关系：固体催化剂的基本特性催化剂的物理性质真密度：催化剂颗粒中固体固体催化剂的基本特性催化剂的性能活性选择性使用寿命其他性质指催化剂改变反应速率的能力。可用比活性、转化率、空时收率来表示。促使反应向所要求的方向进行而得到目的产物的能力

在反应条件下从开始使用到经过再生仍然不能使用的使用时间

除了上述性质外，还需要考虑有机械强度、热稳定性和抗毒稳定性。固体催化剂的基本特性催化剂的性能活性选择性使用寿命其他性质指固体催化剂的基本特性催化剂的制备制备方法沉淀法浸渍法混合法熔融法离子交换法破碎

造球

挤条压片成型方法固体催化剂的基本特性催化剂的制备制备方法沉淀法浸渍法混合法熔固体催化剂的基本特性催化剂的使用1运输、贮藏与填装2催化剂的活化4催化剂失活与再生3开停车及钝化固体催化剂的基本特性催化剂的使用1运输、贮藏与填装2催化剂的AB⑴⑹⑵⑺⑶⑷⑸cAGcAS气固相催化反应的过程催化反应过程AB⑴⑹⑵⑺⑶cAGcAS气固相催化反应的过程催化反应过程气固相催化反应的过程催化反应过程反应组分从流体主体向催化剂外表面传递反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递反应组分在催化剂表面的活性中心吸附反应组分在催化剂表面上反应反应组分在催化剂表面脱附反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递反应产物从催化剂外表面向流体主体传递气固相催化反应的过程催化反应过程反应组分从流体主体向催化剂外距离0cAcAGcAScACRP气固相催化反应的过程反应物的浓度分布距离0cAcAGcAScACRP气固相催化反应的过程反应物气固相催化反应的过程反应过程的控制步骤控制步骤外扩散作控制步骤内扩散过程的阻力很小，表面反应过程的速率很快。反应过程的速率取决于外扩散的速率。浓度变化为CAG>>CAS≈CAC≈CAe内扩散作控制步骤外扩散过程的阻力很小，表面反应过程的速率很快。反应过程的速率取决于内扩散的速率。浓度变化为CAG≈CAS>>AC≈CAe表面反应作控制步骤传质过程的阻力很小可以忽略。反应过程的速率取决于表面反应过程。浓度变化为CAG≈

CAS≈CAC>>Ae气固相催化反应的过程反应过程的控制步骤控制步骤外扩散作控制步气固相催化反应本征动力学吸附等温方程气固相催化反应的本征动力学是指表面反应做控制步骤时的动力学。表面反应过程是由反应组分在催化剂表面的活性中心吸附、吸附的物质在催化剂表面上进行化学反应、反应产物在催化剂表面上脱附三步组成的。因此，气固相催化反应的本征动力学存在三种情况：吸附做控制步骤的动力学化学反应做控制步骤的动力学脱附做控制步骤的动力学气固相催化反应本征动力学吸附等温方程气固相催化反应的本征动力物理吸附化学吸附吸附剂所有的固体物质某些固体物质吸附的选择性临界温度以下的所有气体只吸附某些起化学变化的气体温度范围温度较低，接近沸点温度较高，远高于沸点吸附速率和活化能很快，活化能低<4kJ/mol非活化的，低活化能；活化的，高活化能。>40kJ/mol覆盖情况多分子层单分子层可逆性高度可逆常不可逆重要性用于测定表面积、微孔尺寸用于测定活化中心的面积及阐明反应动力学规律化学吸附和物理吸附气固相催化反应本征动力学吸附等温方程物理吸附化学吸附吸附剂所有的固体物质某些固体物质吸附的选择性气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)基本假设：1、催化剂表面各处的吸附能力是均匀的，各吸附位具有相同的能量；2、每个吸附中心只能吸附一个分子（单分子层吸附）；3、吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用；4、吸附活化能与脱附活化能与表面吸附程度无关。

气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（lan气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)吸附速率脱附速率覆盖率空位率气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（lan气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)净速率:吸附速率与脱附速率之差

平衡时:即吸附速率与脱附速率相等其中：气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（lan平衡时:气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)若组分A在吸附过程时发生解离如：N2=2N平衡时:气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程若吸附过程不仅吸附A，同时还吸附B气固相催化反应本征动力学理想吸附等温方程（langmuir)吸附等温方程若吸附过程不仅吸附A，同时还吸附B气固相催化反应本征动力学理气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（langmuir)若有n个不同的分子同时被吸附，则i组分的吸附方程为：气固相催化反应本征动力学吸附等温方程理想吸附等温方程（lan气固相催化反应本征动力学吸附等温方程真实吸附等温方程1、焦姆金吸附模型:吸附分子间有影响;吸附热随覆盖度的增加而减小吸附热气固相催化反应本征动力学吸附等温方程真实吸附等温方程1、焦姆气固相催化反应本征动力学吸附等温方程真实吸附等温方程2、Freundlich吸附模型：吸附和脱附活化能及吸附热随覆盖率发生变化吸附热推导得吸附方程式为

气固相催化反应本征动力学吸附等温方程真实吸附等温方程2、Fr气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学表面反应过程是由吸附－反应－脱附三步串联进行的。因此，本征动力学方程的推导方法可按如下步骤进行：1、先假设反应机理，确定反应所经历的步骤；2、在吸附－反应－脱附三个步骤中必然存在一控制步骤；3、本征反应速率即为该控制步骤的速率，其余各步则认为达到平衡。4、利用各平衡式和将速率方程中的表面浓度变换成气相组分分压，得到用气相组分分压表示的动力学方程式。

气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学表面反应过程是由吸气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学某一化学反应:A↔RA的吸附过程:A+σ↔Aσ表面化学反应:Aσ↔RσR的脱附过程:Rσ↔R+σ各步骤的表观速率方程:吸附过程速率rA:表面反应速率rS:吸附过程速率rR:气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学某一化学反应:气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学1、化学反应做控制步骤:反应速率:其余各步达到平衡:得：气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学1、化学反应做控制气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学2、吸附为控制步骤:反应速率:其余各步达到平衡:得：气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学2、吸附为控制步骤气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学3、脱附为控制步骤:反应速率:其余各步达到平衡:得：气固相催化反应本征动力学双曲线型本征动力学3、脱附为控制步骤内扩散控制宏观动力学气固相催化反应过程中，由于受内、外扩散的影响，颗粒内各处的温度和浓度不同，导致反应速率在床层内各处均不同。即传质过程对气固相催化反应动力学的影响是不能忽略的。考虑了传质过程的动力学方程为宏观动力学。它是以催化剂颗粒体积为基准的平均反应速率内扩散控制宏观动力学气固相催化反应过程中，由于受内、外扩散的内扩散控制宏观动力学内扩散是指反应物从催化剂的外表面向催化剂的内表面的扩散。由于内扩散的影响，使催化反应的动力学发生了变化。这种影响可以用效率因子来表示。即:内扩散控制宏观动力学内扩散是指反应物从催化剂的外表面向催化剂内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内气体扩散催化剂颗粒是一多孔性的物质，流体要通过催化剂的孔道进行扩散传质。由于孔道的大小、结构均不相同，导致扩散的机理也不同。不论是何种扩散，扩散速率方程均可用费克（Fick）定律来描述：当扩散机理不同时，扩散速率中的扩散系数是不同的。内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内气体扩散催化剂颗粒是一多孔性内扩散控制宏观动力学单一孔道的扩散催化剂颗粒内气体扩散分子扩散：孔径较大。λ/2ra10-2

阻力：分子间碰撞努森扩散：孔径较小。λ/2ra10阻力：分子与孔壁碰撞内扩散控制宏观动力学单一孔道的扩散催化剂颗粒内气体扩散分子扩内扩散控制宏观动力学单一孔道的扩散催化剂颗粒内气体扩散综合扩散：孔径10-2

λ/2ra10。阻力：分子间碰撞、分子与孔壁碰撞均存在。定态下双组分扩散:NA=-NB其中:内扩散控制宏观动力学单一孔道的扩散催化剂颗粒内气体扩散综合扩内扩散控制宏观动力学多孔颗粒中的扩散催化剂颗粒内气体扩散工业上所使用的催化剂，孔隙结构错综复杂。孔道间会有相互交叉，孔径大小不一，各孔道的形状和每根孔道的不同部位的截面积也不相同。导致在催化剂颗粒中的扩散距离与在圆柱形孔道中的扩散距离有所不同。因此需加一校正因子τ，也叫曲折因子。该值一般由实验确定，通常取为3～7。催化剂的有效扩散系数:内扩散控制宏观动力学多孔颗粒中的扩散催化剂颗粒内气体扩散工业例：镍催化剂在200℃进行苯加氢反应.若催化剂的平均孔径d0=5*10-9m,εp=0.43,τ=4,求系统总压为3039.3kpa时,氢在催化剂内的有效扩散系数De解：氢A:MA=2，VA=7.07cm3/mol苯B:MB=78，VB=90.68cm3/mol氢在苯中的扩散系数:催化剂颗粒内气体扩散内扩散控制宏观动力学例：镍催化剂在200℃进行苯加氢反应.若催化剂的平均孔径d0等温球形催化剂上进行一级不可逆反应为例对反应组分A作物料衡算：

输出A:反应消耗A:积累A:0(连续稳定过程)内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布根据物衡公式：输入A:等温球形催化剂上进行一级不可逆反应为例输出A:反应消耗A等温一级反应：代入边界条件解该二阶齐次常微分方程得：边界条件:内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布定义新物理量Thiele模数等温一级反应：代入边界条件解该二阶齐次常微分方程得：边界条件内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布梯尔模数φ的物理意义:1、反应物的浓度cA从催化剂的外表面到催化剂的内表面都是逐渐减小的。2、φs值不同，其降低的程度亦不同。

φs越大，反应物的浓度变化越剧烈，

φs越小，浓度变化越平坦。梯尔模数的大小反映了反应过程受化学反应及内扩散影响的程度内扩散控制宏观动力学催化剂颗粒内浓度分布梯尔模数φ的物理意义内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则球形颗粒等温一级反应动力学方程式为：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则球形颗粒等温一根据效率因子定义：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则动力学方程式为：效率因子为：根据效率因子定义：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程蒂勒模数与效率因子关系：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式φs↓→η↑则扩散速率大于反应速率,动力学控制当φs<0.3时,η=1则内扩散无影响.当φs>9时,η=1/φs反应速率大于扩散速率,内扩散控制.蒂勒模数与效率因子关系：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式不同形状的催化剂：推导过程与球形颗粒相同，只是蒂勒模数的表示方法不同。无限圆柱体：圆形薄片：球形：通用表达式：内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式不同形状的催化剂内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则效率因子为：球形催化剂颗粒上进行的等温非一级反应

令蒂勒Thiele模数:内扩散控制宏观动力学等温反应宏观动力学方程式则效率因子为：球内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式催化反应速率快，热效应大，热量得不到及时补充或移出，就会导致催化剂内部存在温度分布。因此，要讨论催化剂内部的温度分布关系。仍以球形催化剂为例：定常态下,体积元放出的热量=反应放出的热量传递的热量:内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式催化反连续稳定过程:一阶微分方程，边界条件:r=R,T=Ts,cA=cAS内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式反应物的浓度cA=0时，即处于催化剂颗粒中心位置，此时的温差为最大

连续稳定过程:一阶微分方程，边界条件:r=R,T=T催化剂内不同位置处的温度:内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观动力学方程式若要求非等温时宏观动力学方程，则

三式联立求解。一般没有解析解催化剂内不同位置处的温度:内扩散控制宏观动力学非等温反应宏观外扩散控制宏观动力学外扩散是指反应物从流体主体向催化剂的外表面扩散的过程。由于外扩散的影响，导致催化反应的动力学发生了变化。这种影响也可以用效率因子来表示。一般情况下，颗粒外表面上的反应物的浓度总是低于气相主体的浓度，因而效率因子值是小于1的。外扩散控制宏观动力学外扩散是指反应物从流体主体向催化剂的外表外扩散控制宏观动力学外扩散过程传质过程：传热过程：由于催化剂的外表面上存在一层流边界层，使得气相主体反应物的浓度与催化剂外表面反应物的浓度有所不同，同时，气相主体的温度与催化剂外表面的温度也有所不同αG:流体与催化剂颗粒外表面的传热系数J/(m2.h.K)

kG:气相传质系数cm/s

外扩散控制宏观动力学外扩散过程传质过程：传热过程：由于催化剂外扩散控制宏观动力学外扩散过程传质系数kG和传热系数αG计算传质因子：

传热因子：

当0.3<Rem

<300时：JD＝2.10Rem-0.51

JH＝2.26Rem-0.51当300<Rem

<6000时：JD＝1.19Rem-0.41

JH＝1.28Rem-0.4

固定床反应器中，雷诺数：外扩散控制宏观动力学外扩散过程传质系数kG和传热系数αG计外扩散控制宏观动力学外扩散浓度与温度分布浓度分布：物衡：一级反应：二级反应：

其中：Da是化学反应速率与外扩散速率的比值。该值反映了外扩散对反应的影响。该值越大，说明外扩散的阻力越大，外扩散对反应过程的影响越大。

外扩散控制宏观动力学外扩散浓度与温度分布浓度分布：物衡：一级外扩散控制宏观动力学外扩散浓度与温度分布温度分布：热衡：将物衡式代入上式：对于多数气体可认为Pr/Sc≈1,因此JH≈JD

因此：催化剂外表面与流体主体的温差与浓度差成线性关系

外扩散控制宏观动力学外扩散浓度与温度分布温度分布：热衡：将物外扩散控制宏观动力学外扩散宏观动力学宏观动力学方程：即只要求出效率因子，就可得到动力学方程效率因子一级反应：Da越大，效率因子值越小。即外扩散效率因子总是随坦克莱数的增加而下降。反应级数越高，η随Da增加而下降的越明显。外扩散控制宏观动力学外扩散宏观动力学宏观动力学方程：即只要求项目五、气液相反应过程气液相反应过程是指气相中的组分必须进入到液相中才能进行反应的过程。一种情况：所有反应组分是气相的，而催化剂是液相的，反应组分必须经相界面传质进入到液相中，然后在液相中发生反应；另一种情况：一种反应物是气相的，而另一种反应物是液相的，气相的反应物必须进入到液相中才有可能发生反应。不管是哪种形式，气液相反应均需要进行相间传递才能进行。项目五、气液相反应过程气液相反应过程是指气相中的组分必须进入气液相反应传质过程双膜理论：气液相反应传质过程双膜理论：气液相反应传质过程双膜理论：⑴气相中的反应组分A从气相主体通过气膜向气液相界面扩散，其分压从PAG降至PAi。⑵在相界面处组分A溶解并达到相平衡⑶溶解的组分A从相界面通过液膜向液相主体扩散。在扩散的同时，与液相中的反应组分B发生化学反应生成产物。此过程是反应与扩散同时进行。⑷反应生成的产物向其浓度下降的方向扩散。产物若为液相，则向液体内部扩散；产物若为气相，则扩散方向为：液相主体­—液膜—相界面－气膜—气相主体。气液相反应传质过程双膜理论：⑴气相中的反应组分A从气相主体气液相反应传质过程传质速率：

由于在相界面处气液两相达到平衡，则：其中：

气液相反应传质过程传质速率：由于在相界面处气液两相达到平衡气液相反应宏观动力学宏观动力学方程建立反应

组分A物衡：DAL为常数：

组分B物衡：二级不可逆气液相反应的基础方程。二阶微分方程。边界条件有两个：z=0，cA=cAi，dcB/dz=0。而另一个边界条件则与气液相反应类型有关。气液相反应宏观动力学宏观动力学方程建立反应组分A物衡：DA气液相反应宏观动力学反应类型1、瞬间反应当组分A与组分B的反应速率远远大于由液膜两侧向膜内的传质速率时，气相组分A与液相组分B之间的反应为瞬间完成，即两者不能在液相中共存

边界条件：z=δL，cB=cBL，cA=0.若液相中B的浓度高，气相A扩散到达界面时即反应完毕，则反应面移至相界面上。总反应速率取决于气膜内A的扩散速率

气液相反应宏观动力学反应类型1、瞬间反应当组分A与组分B气液相反应宏观动力学反应类型2、快速反应当A与B的反应速率大于A与B由液膜两侧向膜内的传质速率时，通过相界面溶解到液膜内的组分A在膜内全部与组分B反应，反应面为整个液膜

边界条件：z=δL，cB=cBL，cA=0.其中：为八田准数。

气液相反应宏观动力学反应类型2、快速反应当A与B的反应速气液相反应宏观动力学反应类型3、中速反应当A与B的反应速率与A在液膜内的传质速接近时，通过相界面溶解到液膜内的组分A在膜内不可能全部与组分B反应，因此，在液相主体内仍然发生化学反应。即反应过程在液膜和液相主体内同时进行。总反应速率既和传质速率有关又和化学反应速率有关。气液相反应宏观动力学反应类型3、中速反应当A与B的反应速率气液相反应宏观动力学反应类型4、慢速反应当A与B的反应速率小于A与B由液膜两侧向膜内的传质速率时，通过相界面溶解到液膜内的A在液膜中与液相B发生反应，但由于液相主体内的反应速率已大于A在液膜内的传质速率，所以液膜内的传质阻力可以忽略，致使大部分A反应不完而扩散进入液相主体，并在液相主体中与B发生反应。故反应主要在液相主体中进行。宏观动力学方程即为物理吸收过程的规律气液相反应宏观动力学反应类型4、慢速反应当A与B的反应速率气液相反应宏观动力学反应类型5、极慢速反应由于A与B的反应速率远远小于A与B由液膜两侧向膜内进行传质的速率，导致组分A在气膜和液膜内的传质阻力可以忽略。所以组分A在液相主体和相界面上的浓度是相等的，与气相主体中组分A的反应成相平衡。反应速率完全取决于化学反应动力学。气液相反应宏观动力学反应类型5、极慢速反应由于A与B的反应气液相反应过程重要参数化学增强系数定义：

物理意义：由于化学反应的发生使得传质系数增加的倍数。也可以认为是表观反应速率与物理传质速率的比值瞬间反应：

快速反应:

中速反应:

慢速反应:

极慢速反应：

气液相反应过程重要参数化学增强系数定义：物理意义：由于化学提问与解答环节Questionsandanswers提问与解答环节添加标题添加标题添加标题添加标题此处结束语点击此处添加段落文本.您的内容打在这里，或通过复制您的文本后在此框中选择粘贴并选择只保留文字添加标题添加添加添加标题此处结束语点击此处添加段落文本.最后、感谢您的到来·讲师：XXXX·时间：202X.XX.XX最后、感谢您的到来

原料预处理化学反应分离提纯化学反应过程是化工生产的核心绪论化工生产包括脱出杂质产物产品原010203概况三点击此处输入相关文本内容整体概况概况一点击此处输入相关文本内容概况二点击此处输入相关文本内容010203概况三整体概况概况一概况二化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应和反应器化学反应化学工程流体的返混和不均匀流动传质过程传热过程化学反应动力学化学反应工程学是研究工业规模的化学反应过程化学反应和反应器化化学反应动力学特性物理过程对反应的影响反应器的设计和优化主要教学内容反应器的操作化学反应动力学特性物理过程对反应的影响反应器的设计和优化主要化工反应原理与设备与相邻学科的关系化学反应工程流体流动传质与传热传递工程化学工艺工艺路线流程、设备最佳化催化剂反应条件物理化学化学动力学化学热力学工程控制测量与控制动态特性化工反应原理与设备与相邻学科的关系化学反应流体流动传递工程化化工反应原理与设备的研究方法数学模型法１模型方法：建立简化物理模型，建立数学模型讨论特性规律２用模型法进行开发的步骤：实验室规模的实验小试研究化学反应规律根据化学反应规律合理选择反应器类型大型冷模试验研究传递过程规律综合反应和传递规律，预测反应器性能，寻找优化条件热模试验检验模型的合理性化工反应原理与设备的研究方法数学模型法１模型方法：建立简化物模块一、基础知识1、掌握反应过程中的基本概念和常用物理量的计算2、理解动力学基本概念、常见动力学方程的表示方法和工程应用3、能分析反应活化能和反应温度间的关系，具备控制反应温度的技能4、理解均相和非均相反应过程的特征5、了解本征动力学和宏观动力学的区别与联系6、掌握反应器内理想流动和非理想流动的特征7、了解不同非均相反应过程的传质、传热原理目标要求：模块一、基础知识目标要求：化学反应类型反应过程进行的条件反应特性相的类别和数目项目一、化学反应器类型化学反应类型化学反应类型反应过程反应特性相的类别和数目项目一、化学反应器半间歇半连续操作连续操作间歇操作反应器操作方式非定态过程定态过程非定态过程定态过程：物系的组成与温度随时间变化非定态过程：物系的组成与温度不随时间变化半间歇半连续操作连续操作间歇操作反应器操作方式非定态过程定态管式反应器釜式反应器鼓泡塔反应器流化床反应器固定床反应器反应器类型管式反应器釜式反应器鼓泡塔流化床反应器固定床反化学反应过程与设备(杨西平)模块一课件常见的工业反应器

均相间歇反应器半间歇反应器常见的工业反应器均相间歇反应器连续搅拌反应器组合

连续搅拌反应器组合轴向填充床催化反应器流化床催化反应器

轴向填充床催化反应器Sasol/sastechPTLimited公司的反应器（直径3.5米高38米）Sasol/sastechPTLimited公司的反应器物料衡算热量衡算动力学方程式基本方程项目二、反应器设计基本方程式反应器的设计计算反应器的校核计算工艺设计物料衡算基本项目二、反应器设计基本方程式反应器的设计计算物料衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：ＣA=ƒ(t，位置）

微元时间内微元时间内微元时间微元微元时间微进人微元体积－离开微元体积+体积内变化的=元体积内关键组分量关键组分量关键组分量关键组分的累积量某一物质物料守恒单位时间单位体积．单位：mol/s物料衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：Ｃ热量衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：T=ƒ(t，位置）微元时间内进入微元时间内离开微元时间微元微元时间微元微元时间微微元体积的物料－微元体积的物料十体积内反应过程十体积内和外界＝元体积内热带入的热量带出的热量的热效应的热交换量量的累积量单位时间单位体积．单位：kJ/s体系内所有物质能量守恒热量衡算衡算范围：衡算对象：衡算原则：衡算方程：衡算意义：T某一物质若为反应物则变化的组分量前符号为“-”若为生成物则变化的组分量前符号为“+”注意事项衡算范围在所选的范围内，操作条件不变。热效应若为放热反应和外界的热交换量前符号为“-”若为吸热反应和外界的热交换量前符号为“+”操作方式

连续操作:累积量（物料、热量）＝０间歇操作:进入和离开的组分量（热量）=0绝热操作:和外界的热交换量＝０操作方式某一物质若为反应物则变化的组分量前符号为“-”注意事项动力学方程式均相反应：本征动力学方程非均相反应：宏观动力学方程反应速率与影响反应速率的影响因素之间的函数表达式定量描述反应速率与影响因素之间的关系式。动力学方程式均相反应：本征动力学方程反应速率与影响反应速率反应速率定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间的变化率。或单位时间单位体积物料数量的变化。

注意：1、上述定义无论对反应物和产物均成立。若为反应物则为消失速度.若为产物则为生成速度.反应速率定义:某一时刻单位量的反应体系中反应程度随时间的变化反应速率2、反应速率恒为正值3、不同体系：反应体系的量所取不同。均相：反应体积。非均相：相界面积，催化剂的重量或体积4、速度的表示形式和化学计量系数有关对于反应速率2、反应速率恒为正值3、不同体系：反应体系的量所取不反应速率5、在复杂反应体系中，即在同一反应系统中同时进行若干个化学反应时。对于任意组分i，该组分的反应速率为它所参加的所有化学反应速率的代数和：反应速率5、在复杂反应体系中，即在同一反应系统中同影响因素温度浓度压力溶剂催化剂固定速率方程或动力学方程定量描述反应速率和温度及浓度的关系式动力学方程式影温度浓度压力溶剂催化剂固定速率方程或动力学方程定量描述反应动力学方程式基本方程1、基元反应：根据质量作用定律动力学方程式：

rA

一反应速率，kmol/(m3·h)cA、cB一反应物的浓度，kmol/m3νA、νB

一分别为反应物A、B的反应级数，反应总级数为n=νA+νBkc一以浓度表示的反应速率常数，（kmol/m3）1-n·h-1动力学方程式基本方程1、基元反应：根据质量作用定律动力学方程动力学方程式基本方程2、非基元反应：可分为几个基元反应，选取其中一个基元反应为控制步骤，一般为对反应起决定性作用的那一个基元反应即反应速率最慢那一个基元反应，其余各步基元反应达到平衡。然后根据质量作用定律推导出动力学方程。对气相反应：理想气体：动力学方程式基本方程2、非基元反应：对气相反应：理想气体：1、反应分子数和反应级数反应分子数=化学计量系数反应级数=νA、νB

=f(机理）当且仅当基元反应时，反应级数=化学计量系数总反应级数n=νA+νB+…

动力学方程式反应级数2、反应级数的意义：表示物料浓度对反应速率影响的程度。该值可为”“+”、可为“-”、也可为0。但最高绝对值不大于3

1、反应分子数和反应级数反应分子数=化学计量系数反应级数=ν动力学方程式反应速率常数定义：也称为比速率动力学方程式反应速率常数定义：也称为比速率k=f（T,Catalyst,pressure,粒子强度，溶剂等）影响：动力学方程式反应速率常数（1）线性关系的斜率为-E/R；（2）活化能越大，温度对反应速率的影响越显著；（3）k与T的关系低温时比高温时更敏感。k=f（T,Catalyst,pressure,粒子强度，反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率对于下列化学反应：初始

nA0nB0nR0ns0某一时刻

nAnBnRns反应的量

nA-nA0<0

nB-nB0<0nR-nR0＞0nS-nS0＞0

其中为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而言为“＋”。

反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率对于下列化学反应：初1、反应程度反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率根据化学反应方程式可知：定义反应程度：

反应进行到某一时刻，各组分摩尔数与反应程度的关系为：1、反应程度反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率根据化学2、转化率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率注意：1）关键组分的选择2）起始量的选择全程转化率（新鲜物料）单程转化率（反应器入口）转化率与反应程度的关系：某一时刻摩尔数与转化率的关系：2、转化率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率注意：1）初始：nA0nB0nR0ns0某一时刻nAnBnRns反应器计算中常用的几个物理量3、膨胀因子和膨胀率恒容过程：液相反应一般认为是恒容（密度不变）气相反应反应前后的摩尔数不变特性：V＝V0

生产中的三率nt0=∑ni0=nA0+nB0+nR0+ns0

nt=∑ni=nA+nB+nR+ns

变容过程：初始：nA0nB0nR0反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率膨胀因子：A>0摩尔数↑的反应A<0摩尔数↓的反应。A=0等分子反应物理意义:关键组分A消耗1mol时,引起整个物系摩尔数的变化量.反应器计算中常用的几个物理量3、膨胀因子和膨胀率生产中的三率此时：则：膨胀因子：A>0摩尔数↑的反应物理意义:关键组分A反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率膨胀率：当物系体积随转化率变化呈线性关系物理意义：反应物全部转化后系统体积的变化率两者关系：A=yA0A

浓度变化关系：反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率3、膨胀因子和膨胀率4、收率和产率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率收率：指通入反应器的原料量中有多少生成了目的产品。产率：是指参加反应的原料量中有多少生成了目的产品。也称选择性。三率的关系为：4、收率和产率反应器计算中常用的几个物理量生产中的三率收率：反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念1、反应持续时间

反应持续时间也叫反应时间，主要用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的转化率所需要的时间。其中不包括装料、卸料、升温等非生产时间。

2、停留时间

停留时间又称接触时间，主要用于连续流动反应器，指流体微元从进入反应器到离开反应器所经历的时间。停留时间分布、平均停留时间反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念1、反应持续反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念3、空间时间反应器的有效容积VR与流体特征体积流率V0即在反应器入口条件下及转化率为零时的体积流率的比值4、空间速度空速指单位有效反应器容积所能处理的反应混合物料的标准体积流率。两者关系：反应器计算中常用的几个物理量生产中常用的几个概念3、空间时间项目三、流体流动流体的流动特征主要是指反应器内流体的流动状态和混合情况，它们随反应器的几何结构（包括内部构件）和几何尺寸不同发生变化。正是由于反应流体在反应器内流动的复杂性导致反应器内不仅存在流体流速的分布，更重要的是还存在浓度和温度的分布。使得反应器内存在不同停留时间的流体粒子以及不同停留时间流体粒子之间的混合即返混，从而导致反应器内反应物料处于不同的温度和浓度下进行反应。影响反应速率和反应选择性，使反应结果发生变化。项目三、流体流动流体的流动特征主要是指反应器内流体的流动状态停留时间分布密度函数E(t)E(t)=0t<0E(t)≥0t≥0归一化条件流体流动的描述1、停留时间分布密度函数停留时间分布停留时间分布密度函数E(t)E(t)=0t<0停留时间分布函数F(t)流体流动的描述2、停留时间分布函数停留时间分布t≤0，F(t)=00＜t＜∞，0<F(t)<1t＝∞，F(t)＝1。停留时间分布函数F(t)流体流动的描述2、停留时间分布函数停留时间分布的特征值流体流动的描述1、数学期望2、方差停留时间分布的特征值流体流动的描述1、数学期望2、方差用对比时间表示停留时间分布流体流动的描述

222020)()(1)()()()()()()()(tdEttdEtFFtEtddttEEdEdttEtttsqqqqsqqqqqqqqqqq=-=========òò¥¥用对比时间表示停留时间分布流体流动的描述222020)

阶跃法－升阶法降阶法脉冲法：

简单、示踪剂用量少，可直接测出停留时间分布密度函数；要求输入理想脉冲。阶跃法操作容易；示踪剂用量大，直接测出的是停留时间分布函数。流体流动的描述停留时间分布规律测定脉冲法升阶法降阶法脉冲法：流体流动的描述停留时间分布规律测定脉冲停留时间分布规律测定流体流动的描述1、脉冲法停留时间分布规律测定流体流动的描述1、脉冲法停留时间分布的特征值流体流动的描述2、阶跃法主流体Q0Q系统检测器含示踪剂的流体（C(∞)

）c(∞)c0(t)tt=00输入曲线c(∞)c(t)t0响应曲线停留时间分布的特征值流体流动的描述2、阶跃法主流体Q0Q系特点：由于流体沿同一方向以相同的速度推进，所有流体粒子在反应器内的停留时间相等；在定态下，沿流体流动方向上，流体的参数（如温度、浓度、压力等）不断变化，而与流动方向相垂直的径向方向上所有的参数均相同；返混程度为0.假设基础：高速湍流长径比较大、流速较快的管式反应器内的流体流动可认为是理想置换流动模型。理想置换流动模型反应器内理想流动模型特点：由于流体沿同一方向以相同的速度推进，所有流tE(t)01.00反应器内理想流动模型停留时间描述理想置换流动模型tE(t)0tE(t)01.00反应器内理想流动模型停留时间描述理想置换特点：认为进入反应器的新鲜流体粒子与存留在反应器内流体粒子能在瞬间混合均匀，使反应器内所有流体粒子具有同样的温度、同样的浓度且等于反应器出口的温度和浓度。返混程度为无穷大.假设基础：高效搅拌搅拌效果很好的釜式反应器内的流体流动可认为是理想混合流动模型。反应器内理想流动模型理想混合流动模型特点：认为进入反应器的新鲜流体粒子与存留在反应器内流体粒子能停留时间描述反应器内理想流动模型理想混合流动模型停留时间描述反应器内理想流动模型理想混合流动模型非理想形成的原因反应器内非理想流动模型1、滞留区的存在2、沟流和短路3、循环流4、流体流速分布不均匀5、扩散非理想形成的原因反应器内非理想流动模型1、滞留区的存在2、沟反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型假设①在垂直于流体流动方向的每一截面上，具有均匀的径向流速；②在流体流动方向上（轴向）存在扩散，并以轴向扩散系数E来表示，并可用费克定律来描述；③轴向扩散系数在反应器内是恒定的，不随轴向位置发生变化模型参数：特征：Pe越大，返混程度越小；Pe越小，返混程度越大。当Pe→0时，对流流动速率比扩散速率慢得多，可以认为是全混流；当Pe→∞时，轴向扩散系数接近0，可以认为是平推流。反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型假设①在垂直反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型用轴向扩散模型进行反应器计算步骤：1、测反应器的停留时间分布，求出2、根据，求出模型参数Pe3、解反应模型求转化率。反应器内非理想流动模型非理想流动模型轴向扩散模型用轴向扩散模反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型假设①它是由N个体积相等的全混流反应器组成；②从一个全混流反应器到另一个全混流反应器之间的物料不发生任何反应；③认为每个全混流反应器内的反应均为等容过程。模型参数：模型中串联的釜数特征：N越大，返混程度越小；当N越小，返混程度越大。当N=1表示为全混流；当N=∞表示为平推流；1﹤N﹤∞时，表示为实际流动反应器。

反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型假设①它是由反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型用多釜串联模型进行反应器计算步骤测反应器的停留时间分布，求出根据，求出模型参数N（N要圆整）逐釜计算求出最终转化率。反应器内非理想流动模型非理想流动模型多釜串联模型用多釜串联模反应器内非理想流动模型非理想流动的改善改善措施1、增大流体在设备内的湍流程度，以消除轴向扩散而造成的停留时间分布不均匀的现象。2、在反应器内装设填充物，以改变设备内速度分布和浓度分布，从而使停留时间分布趋于均一化。但要注意避免沟流和短路现象的发生。3、增加设备级数或在设备内增设挡板。4、采用适当的气体分布装置，或调节各组反应管的阻力，使其均匀一致。

反应器内非理想流动模型非理想流动的改善改善措施1、增大流体在项目四、气固相催化过程许多化工生产过程中都使用催化剂。催化剂是指能够改变化学反应历程,但其质和量在反应前后不发生变化的物质。气固相催化过程是指气相反应物在固体催化剂上进行的反应，是一非均相过程。由于是非均相反应过程，反应的动力学方程就比较复杂，不仅和化学反应有关，还和传质过程有很大的关系。同时催化剂的性质也对反应有很大的影响。项目四、气固相催化过程许多化工生产过程中都使用催化剂。催化剂固体催化剂的基本特性催化剂的催化特征1、催化剂能够改变反应历程，加快化学反应速率，但