《化学反应工程》(第五版)第二、第三章部分课后习题答案.pdf 88页

'2-5丁烯制丁二烯　C4H8C4H6+H2假设反应按如下步骤进行:()ACH+()⇔(CH)4848()(BCH)⇔(CH)+H48462()(CCH)⇔CH+()4646（1）分别写出A、C为控制步骤的均匀吸附动力学方程；（2）写出B为控制步骤的均匀吸附动力学方程，若反应物和产物的吸附都很弱，问，此时反应对丁烯是几级反应。 （1）A为控制步骤nrCH48＝kpaCH48(1−∑θi)−kdθCH48−−−−1i=1n∗∗1−∑θi=1/1（+bCH48pCH48+bCH46pCH46)−−−−2，i=1∗bpCH48CH48θ＝−−−−3CH481＋bp∗＋bp∗CH48CH48CH46CH46反应属于CH化学吸附控制，根据平衡近似假设：48∗∗p=p，p=P−−−−4;CH46CH46H2H2∗∗ppPP由4式，又由表面反应的化学平衡：K=CH46H2⇒P∗=CH46H2−5PP∗CH48KCH48Pka将上2、3、4、5条件代入1式，又有b=，并令k=k，可得：CH48kadkp（kp－pp/K）r＝CH48CH46H2pCH481＋b（pp/K）＋bpCH48CH46H2pCH46CH46 （1）C为控制步骤nrCH46＝kdCHθ46−kpaCH46(1−∑θi)−−−1i=1∗nbp∗∗CH46CH461−∑θi=1/1（+bCH48pCH48+bCH46pCH46)2−，θCH46＝1＋bp∗＋bp∗−3i=1CHCHCH48CH484646由题设知反应属于CH的脱附控制，根据平衡近似假设：46∗∗p=p，p=P−−−−4;CH48CH48H2H2∗∗ppKP由4式，又由表面反应的化学平衡：K=CH46H2⇒P∗=PCH48−5PP∗CH46PCH48H2ka将2、3、4、5代入1式，又有b=，并令k=k，可得：CH46kadkp（kpK/p－p）r＝CH48pH2CH46CH461＋b（pK/p）＋bpCH46CH48pH2CH48CH48 （2）B为控制步骤r=kθ−k"θP−−1CH48CH48CH46H2∗bpCH48CH48由θ＝−−−−2CH481＋bp∗＋bp∗CH48CH48CH46CH46反应属于化学反应控制，根据平衡近似假设：∗∗∗p=p，p=p,p=P−−−−3;CH46CH46CH48CH48H2H2"kbp−kbppCH48CH48CH46CH46H2将上2、3代入1式，可得：r=CH461+bp+bpCH48CH48CH46CH46kp−kpp1CH482CH46H2令k＝kb，k＝kb",r=1CH482CH46CH461+bp+bpCH48CH48CH46CH46 （2）丁烯反应级数判断∗bpCH48CH48θ＝−−1CH481＋bp∗＋bp∗CH48CH48CH46CH46由题设知反应属于化学反应控制，根据平衡近似假设：∗∗p=p,p=p−−2;CH48CH48CH46CH46bpCH48CH48θ＝CH481＋bp＋bpCH48CH48CH46CH46因为反应物CH，产物CH吸附都很弱，即：4846bp<<1,bp<<1CH48CH48CH46CH46所以，θ≈bpCH48C4H8CH48所以反应对与丁烯，是1级反应。 22-10某氨合成催化剂还原后比表面积Sg=13.1m/g，孔容Vg=0.082mL/g。气体混合物中yNH3=0.09，yH2=0.57，yN2=0.19，yCH4=0.10，yAr=0.05，温度400℃，压力30.4MPa。催化剂的孔隙率θ=0.50，曲折因子δ=2.5。已知计算分子扩散系数时，各组分的分子扩散体积如下：氢6.12；氮18.5；氨20.7；甲烷25.14；氩16.2。求：(1)计入Knudsen扩散时，氨的有效扩散系数Deff,NH3;(2)不计入Knudsen扩散时，氨的有效扩散系数Deff,NH3; 解：由双分子扩散系数的经验公式得：1.75110.50.001T(+)MMD=NH3jcm2/(sj=N、H、CH、Ar)NH3,j1/31/32224⎡⎤p⎢⎣⎢⎣⎢⎣((∑V))+((∑V))⎥⎦⎥⎦⎥⎦NH3j又T=400+273.15K=637.15K;P=30.4MPa;∑∑(V)N2=18.5；∑∑(V)H2=6.12；∑∑(V)CH4=25.14;∑∑(V)Ar=16.2;∑∑(V)NH3=20.7;M=28;M=2;M=16;M=40;M=17N2H2CH4ArNH3带入数据得：−32−22D=3.1410×cm/;sD=1.0610×cm/;sNH,NNHH,3232−32−32D=3.2110×cm/;sD=3.0810×cm/sNHCH,NH,Ar343 CH4、Ar不参加反应，所以，NCH4=0;NAr=0。又：N+3H⇔2NH223所以：NNH3NN2NH2NN21NH23−==,即=−;=−213N2N2NHNH33由Stefan-Maxwell方程得：−1⎡ny−yN/N⎤iNHjNHD=⎢∑∑33⎥NHm,3D⎢⎣⎢⎣⎢⎣jNH≠3NH3,j⎥⎦⎥⎦⎥⎦ 即得：1y−yN/Ny−yN/NNNHNNHHNHHNH=2323+2323DDDNHm,NH,NNHH,33232yy+CH4+ArDDNHCH,NH,Ar34312代入数据得=787.32/scmDNHm3,由于r=2V/S=×20.082/(13.110)×4=1.2510×−6cmagg−22D=9700rTM/=7.6410×cm/sKNHaNH33 (1)当计入Knudsen扩散时11112=+=787.32+=800.41/scm−2DDD7.6410×NHeNHm,KNH,333得：θ0.501−42D=D=×=2.5010×cm/seffNH,NHe3δ32.5800.4(2)当不计入Knudsen扩散时112==787.32/scmDDNHeNHm,33θ0.501−42得：D=D=×=2.5410×cm/seffNH,NHe3δ32.5787.32 2-11求下述情况下，催化剂孔道中的CO的有效扩散系数。已知气体混合物中各组分的摩尔分数：yH2O=0.50，yCO=0.1，yCO2=0.06，yN2=0.24;温度400℃，压力0.709MPa。催化剂平均直径10nm，孔隙率0.50，曲折因子2.06。−9−9−7解：d=2r=10nm=10m⇒r=×510m=×510cmaa−710λ/2=r≥10，为努森扩散，所以有：a−810−7673.15D=9700rTM/=9700510××KCOaCO28−22=2.37810×cm/sθθ0.5−2D=D=D=×2.37810×effCO,NHeKCOδ3δ2.06−32=5.77210×cm/s 2-12用空气在常压下烧去催化剂上的积碳，催化剂颗粒直径为5nm，颗粒有效导热系数λe=0.35J/(m.s.K),每燃烧1molO2放出8热量5.4×10J，燃烧温度760℃,时，氧在催化剂颗粒内的有效扩散系数为5×10-72cm/s。试估计定态下，催化剂颗粒表面与中心的最大温差。解：由已知条件：8λ=0.35J/(m.s.K);∆rH(T,P)=−5.4×10J/mole−112T=760+273.15K=1033.15K;D=5×10m/seff常压下的气体可看作理想气体混合物，所以：PyO21013250.21×3P=CRT⇒C===2.477molm/O2O2O2RT8.31451033.15× 由球形催化剂内组分的浓度差与温度差的关系式C−CASA(T−T)=D⎡⎣⎡⎣⎡⎣−∆HTP(,)⎤⎦⎤⎦⎤⎦SAeffrλe知当颗粒中心处O2的浓度为零，即CO2=0时，温差最大。C−0AS即∆T=D⎡⎣⎡⎣⎡⎣−∆HTP(,)⎤⎦⎤⎦⎤⎦maxAeffrλe代入数据−1182.477=×510×5.410××0.35=0.191K 2-13乙烯直接水合制乙醇可视为对乙烯的一级不可逆反应，在300℃、7.09MP-1-42a下，k=0.09s,Deff=7.04×10cm/s，采用直径与高均为5mm的圆柱形催化剂，求内扩散有效因子。解：由已知条件：T=300+273.15K=573.15K;P=7.09MPa;−1−42k=0.09s;D=7.04×10cm/sVCeff对于不同形状的催化剂颗粒，西勒模数均可表示为:VρSkVkppgspVφ==CSDSDpeffpeff−32−3π(2.510)××(510)×0.09=−32−3−3−82(2.510)π×+2(2.510)(510)7.0410π××××=0.942 1⎡11⎤ζ=⎢−⎥φ⎣th(3)φ3φ⎦30.942×−×30.9421⎡e+e1⎤=⎢−⎥30.942×−×30.9420.942⎣e−e30.942×⎦=0.693 2-14某催化反应在500℃下进行，已知本征反应速率rA=-527.696×10PAmol/(g.s)(式中PA的单位为MPa)，催化剂为直径与高皆为5mm的圆柱体，ρ3P=0.8g/cm,颗粒外表面A的分压2PA=0.101325MPa，粒内组分A的有效扩散系数Deff=0.025cm/s。求催化剂的内扩散有效因子。解：由题意知，此为二级反应dNdNdNAAA−=kfc();−=kfc();−=kfc()wSVdWdSdVCC又dS=SdW;ρdV=dW所以k=kSk;=kρgPCwSgvcwP−52所以，r=7.69610×ρ×PAPA−562−623=7.69610×ρ×(10RT)(10C)mol/(cm⋅s)PA−523k=7.6910××0.8(8.3145773.15)××cm/(mols⋅)Vc33=2.54410×cm/(mols⋅) 由题意知，此为二级反应n−1VpρpSkCgsAsVpkCVcAsVpkPVcAs/RTφ===1SDSDSDpeffpeffpeff−32−33π(2.510)××(510)×2.54410××0.101325=−32−3−32(2.510)π×+2(2.510)(510)8.3145773.150.025π×××××=1.05531.055×−×31.0551⎡11⎤1⎡e+e1⎤由ζ=⎢−⎥=⎢−⎥31.055×−×31.055φ⎣th(3)φ3φ⎦1.055⎣e−e31.055×⎦111得ζ=0.91 习题3-1解答xAdxA解：根据CSTR基本方程t=cA0∫0(−r)A当c/c=1时,22B0A0(−r)=kc(1−x)AA0AxAdx1xAd(1−x)1xAAAt==−=1∫02∫02kc(1−x)kc(1−x)kc(1−x)A0AA0AA0A10.5当x=0.5时,t1=×=5.30(h)A0.615×0.307(1−0.5)10.9当x=0.9时,t1=×=47.70(h)A0.615×0.307(1−0.9)10.99当x=0.99时,t1=×=524.70(h)A0.615×0.307(1−0.99) 当c/c=5时,2B0A0(−rA)=kcA0(1−xA)(5−xA)1xAdxAt=2∫kc0(1−x)(5−x)A0AA1xAdxxAdxAA=[∫−∫]4kc0(1−x)0(5−x)A0AA15−xA=ln4kcA05(1−xA)当xA=0.5时,15−0.5t=ln=0.78(h)24×0.615×0.3075×(1−0.5) 当x=0.9时,A15−0.9t=ln=2.79(h)24×0.615×0.3075×(1−0.9)当x=0.99时,A15−0.99t=ln=5.81(h)24×0.615×0.3075×(1−0.99)分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长；若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。 习题3-2解答已知:A+B→C+D;C=C=0.02mol/LA0B02k=5.6L/(min⋅mol);r=kCC=5.6CAABAxAf根据:t=kC(1−x)A0Af33∴当V=1m和2时:(反应时间与反应体积无关）R0.95t==169.64(min)5.6×0.02(1−0.95) 习题3-3解答1解：（1）PFRkτ=ln（1）(1−x)AfpxAfc（2）CSTRkτ=（2）(1−x)Afc操作条件不变，等体积反应器，则xAfc11kτ==ln=ln=2.303(1−x)(1−x)(1−0.9)AfcAfp2.303x==0.697Afc3.303 习题3-4解答1x平推流kτ=ln;全混流kτ=A211221−xA11−xA2−E/RTτ1=τ2;k=k0e−E/RT2kkex120A2==/ln−E/RT1kke1−x1−x10A2A1118.3140.71−=ln[/ln]423T83.68×10001−0.71−0.62118.314−=×0.9347;T2=441K423T83.68×10002 习题3-5解答11CA0=×3.0=1.5mol/L;CB0=×2.0=1.0mol/L22C=C=0;CB0xBf1.0×0.80.533;x=0.8;P0R0x===BfAfC1.5A0CA=1.5×(1−0.533)=0.7;CP=CR=CB0xBf=1.0×0.8=0.8;VRCA0xAfVR(8CACB−1.7CPCR)CB=1×(1−0.8)=0.2;∵=;V0=CxV(r)A0Af0Af0.1×(8×0.7×0.2−1.7×0.8×0.8)V==0.004L/min01.5×0.533V0∴V=V==0.5×0.004=2mL/min01022 习题3-6解答2已知:r=kC;k=17.4ml/(mol⋅min)AAρ=0.75g/ml;V0=7.14L/min;CA0=7.14mol/L;试求下列方案的转化率。解：（1）串联两个体积0.25m3的CSTRVCxC(x−x)RA0A1A0A2A1τ===22VkCkC0A1A20.25==35min−37.14×10 xx−xA1A2A1==35kC22A0(1−x)(1−x)A1A2−63=35×17.4×10×7.14×10=4.3524.35−9.7x+4.35x=0;A1A1x=0.62A1x−0.62A2=4.352(1−x)A224.97−9.7x+4.35x=0A2A2x=0.80A2 （2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFRVCxxA2dx0.25RA0A1Aτ===C==35min2A0∫2−3VkCxA1kC7.14×100A1A2xxA2dxA1A==4.35;∵x=0.622∫x2A1(1−xA1)A1(1−xA2)xA2dx11∴A=4.35;−=4.35;∫0.62(1−x)21−xA21−0.62A211=6.98;xA2=1−=0.861−x6.98A2 （3）一个0.25m3的PFR，后接一个0.25m3的CSTRVxA1dxC(x−x)RAA0A2A1τ==C=A0∫022VkCkC0A1A10.25==35−37.14×10xA1dx(x−x)AA2A1==4.35∫0(1−x)2(1−x)2A1A211−1=4.35;xA1=1−=0.81(1−x)5.35A1 (x−0.81)A22=4.35;5.16−9.7x+4.35x=02A2A2(1−x)A2x=0.88A2（4）两个0.25m3的PFR串联VxA1dxxA2dxRAAτ==C=CA0∫02A0∫x2V0kCA1A1kCA20.25==35min−37.14×10 xA1dxxA2dxAA==4.35∫02∫x2(1−xA1)A1(1−xA1)111−1=−=4.351−x1−x1−xA1A2A111−1=4.35;=5.35;x=0.81;A11−x1−xA1A111−5.35=4.35;xA2=1−=0.901−x9.7A2 习题3-7讲解3-7已知：APr=kCC;C=0AAPP0−233k=10m/(kmol⋅s);V=0.002m/s03CA0=2kmol/m;问xA=0.98时,下列各种情况下的反应体积。解：（1）单个PFRVxAdxRA根据τ==CA0∫V0r0A xAdx1xAdxAAτ=C=A0∫∫0kC(1−x)CxkC0(1−x)xA0AA0AA0AA1∵被积函数:f(x)=是关于x=0.5的对称函数;A(1−x)xAA∴原积分可改写为V2xAdx2xAdxRAAτ==∫+∫Vkc0.5(1−x)k0.5x0A0AA2xA0.982×3.892=[ln]==389.2s0.5kC(1−x)0.01×2A0A3V=Vτ=0.002×389.2=0.778mR0 VRCA0xAf（2）单个CSTR根据τ==Vr0AVRCA0xAf∴τ==VkC(1−x)[C−C(1−x)]0A0AfA0A0Af1==2500(s)0.01×2×(1−0.98)3V=2500×V=2500×0.002=5(m)R0 （3）两个CSTR串联VCxC(x−x)RA0A1A0A2A1根据τ===Vrr0A1A2m=1m=2CxC(x−x)A0A1A0A2A1=kC(1−x)CxkC(1−x)CxA0A1A0A1A0A2A0A21(xA2−xA1)xA2=0.98=;(1−x)(1−x)xx≈0.85A1A2A2A1 V11R1τ===VkC(1−x)0.01×2×(1−0.85)0A0A13V=333.33×V=333.33×0.002=0.67(m)R103V=2V=2×0.67=1.34(m)RR1V(x−x)(0.98−0.85)R2A2A1==VkC(1−x)x0.01×2×(1−0.98)×0.980A0A2A2V3R2=331.63(s);V=0.002×331.63=0.66(m)R2V0 习题3-8讲解3-8已知：ARrA=k1CA−k2CR*21x=;x=;AAf331如何调节加料速率，使x=?Af2解：当反应达到平衡转化率时r=kC−kC=0A1A2R**kCC−C(1−x)x2/31RA0A0AA=====2**kCC(1−x)1−x1−2/32AA0AA VRCA0xAfCA0xAf∵==V(r)kC−kC0Af1A2RCxxA0AfAf==kC(1−x)−kCxk(1−x)−kx1A0Af2A0Af1Af2Af11VR31VR=2=1==;V01212k1−k2V02k1−k1k1−k2k−k12132322 Vk−kk/k−12−11021212====V2k−k2k/k−14−130112121V=V02013加料速率减小到原来的1/3倍，可使转化率达到0.5。 习题3-9讲解3-9已知：AL(异构反应)r=kCA11A2AM2(二聚反应)r=kCA21A进料浓度为CA0。试证明在PFR中，ln(1+α)k2L最大收率为,式中α=CA0αk1(r)证明：PmaxY==S⋅xmaxmaxAfrA CAf−sdC∫ACCA0Lf对于PFR：S==C−CC−CA0AfA0ACAfrCA0kCL1AC=−dC=dCLf∫CA∫C2AA0rAAfk1CA+k2CACA0k1=dC=S∫ACAfk+kC12A显然当C=0时,C值最大.AL CAf∫C−sdCACA0−CAfA0x=S=;AfCC−CA0A0Af0−sdC∫AC−CCA0A0AfY=S⋅x=⋅maxmaxAfC−CCA0AfA01CA01CA0k1=sdC=dC∫A∫AC0C0k+kCA0A012A kCA0d(k+kC)112AY=max∫kC0k+kC2A012Ak21+CA01k+kC1k12A01=ln=lnαkα111=ln(1+α)α证毕。 习题3-10解答1已知：A+BLr1=k1CACB2L+BMr2=k2CLCB3C=0.1kmol/mB大量过量，A0tcAcMt10.0550.038t20.010.042k2(2)BSTR:C=?(3)x=?(1)=?L,maxAk1【分析与解答】 液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。结果为：r1=k1CACB=k1′CA;r2=k2CLCB=k2′CLtcAcLcMt10.0550.0070.038t20.010.0480.042解：（1）由于是间歇反应器，所以cA2dccL2dcALt−t=−=21∫c∫cA1(−rA)L1(−rL) 0.01dc0.048dcALt−t=−=21∫∫0.055k′c0.007k′c1A2L10.05510.048=ln=lnk′0.01k′0.007121.7051.925==k′k′12k′k1.92522==≈1.129k′k1.70511 (2)BSTR:C=?L,maxk2根据:C=c(k1)k2−k1L,maxA0k2k2/k11.129C=c(1/k2)k2/k1−1=0.1×(1)1.129−1L,maxA0k1.1291=0.1×0.346=0.0346(3)x=?A cA0−cAc=ce−k1tt=lnk2/k1;∵x=;;AAA0optcA0k2−k1lnk2/k1lnk2/k1−k1()−()c=cek2−k1=cek2/k1−1AA0A0ln1.129=0.1×exp(−)=0.1×0.3901.129−1c−c0.1−0.039A0A∴x===0.61Ac0.1A0 习题3-11解答解：rr11LL∵s====22rr+r+r1+2c+c(1+c)ALMNAAA对于CSTR：1cLfcA0−cAfS=s==;c=2Lf2(1+c)c−c(1+c)AfA0AfAf由此可以看出,只有当c=0时,c有最大值AfLc−0A0c==cL,max2A0(1+0) 对于PFR：rr11LL∵s====22rr+r+r1+2c+c(1+c)ALMNAAA由于PFR中的选择率沿不同管截面而发生变化，其总选择率应为瞬时选择率的积分：ccA01Afdc∫−sdc∫c2AcAAf(1+c)cA0ALS===c−cc−cc−cA0AfA0AfA0Af cA0111c=dc=−L∫2AcAf(1+c)1+c1+cAAfA0由此可以看出,只有当c=0时,c有最大值AfL11cA0c=−=L,max1+01+c1+cA0A0证毕。 习题3-12解答在平推流反应器中进行基元反应Lk2Mk1Ak3NL为目的产物，已知k2=k1+k3，求L的最大收率及最优接触时间。cL,max解：根据Ymax==S⋅xAfcA0同11题一样，求L的最大浓度。dcA∵−=kc+kc=(k+k)c=kc1A3A13A2Adt∵k=k+k213 −k2t∴c=ceAA0dcL−k2t又∵=kc−kc=kce−kc1A2L1A02Ldt数学知识：一阶非齐次线性微分方程：dy=p(x)y+q(x)的通解为dxy=e(∫p(x)dx)(q(x)e−∫p(x)dxdx+c)∫c=e−k2t(kce−k2t⋅ek2tdt+c)L∫1A0 c=e−k2t(kcdt+c)=e−k2t(kct+c)L∫1A01A0∵当t=0时,c=0;∴c=0L∴c=kcte−k2t,dcLL1A0CL存在极大值的必要条件是：=0dt则该反应的最佳时间为：t=1/kopt2c=kc1e−k2/k2=k1cA0CL的最大浓度为：L,max1A0kke22cL,maxk1cA0/k2ek1Y====0.3679k/kmax12cckeA0A02 习题3-13解答33已知:CSTRVR=10m;CA0=5kmol/m;3c=2.201kJ/(kg⋅);V0=0.01m/s;p3(−∆H)=20000kJ/kmol;ρ=850kg/m;R13−1k=10exp(−12000/T),s原料进口温度:T=290K,T=300K,T=310K,123求定状的反应温度和转化率。解：根据QR和QC方程确定定态点Q=(−∆H)VCk/(1+τk)RRRA0 Q=(KF+Vρc)(T−T);C0p0V10Rτ===1000(s);KF=0(绝热)V0.0101320000×10×5×10exp(−12000/T)Q=R131+1000×10exp(−12000/T)1810exp(−12000/T)=161+10exp(−12000/T)Q=0.01×850×2.201×(T−290)C1=18.709T−5425.465Q=0.01×850×2.201×(T−300)C2=18.709T−5612.550 Q=0.01×850×2.201×(T−310)C3=18.709T−5799.635分别作T~QR、QC11600.000935.45QC2、QC3曲线，有1400.0005个交点，其中是稳1200.000态操作点2个，分别1000.000187.09为Q1=187.09,和800.000600.000Q2=935.45;对应温400.000度分别为:200.000T=310K10.000T2=345K123456789 18.709T−5612.550=187.091187.09+5612.550T==310K118.70918.709T−5612.550=935.452935.45+5612.550T==345K218.70913−4−1k=10exp(−12000/310)=1.544×10(s)113−1k=10exp(−12000/345)=0.00784(s)2 VRCA0xAf∵τ===1000(s)VkC(1−x)0A0AfxAf1∴=1000(s)−41.544×10(1−x)Af10.1544x==0.144Af11.1544xAf2=1000(s)0.00784(1−x)Af27.84x==0.887Af28.84 3、为什么将流动模型中的“混合”称为“返混”？物料粒子从出口流出状况①先流入的物料粒子有序无序不一定先流出2511141~301~3010828②同时流入的物料粒2313159子不一定同时流出12221226173③物料粒子在反应器418202427621内的停留时间各不29相同516197 第一节理想流动模型概述反应器内的混合——不同停留时间的物料粒子间的混合，称之为返混。停留时间——①物料粒子从反应进口算起，到出口为　　　止所耗费的时间；②物料粒子的标签，以区别物料在反应　　　器内反应时间的不同；③描述物料粒子在反应器内返混程度强弱的一个参量。思考：如果停留时间等于平均停留时间的物料粒子越多说明该反应器内返混程度是强还是弱？ 第一节理想流动模型概述物料粒子：①认识反应物料的一种概念模型；②反应物料的最小构成单元；③既不属于微观粒子，也不属于宏观颗粒；④等同于流体质点假说；⑤其大小与原子、分子相比，是一个很大的集合体，但与宏观颗粒相比，是一个微不足道的微小单元。 第一节理想流动模型概述流动模型1、理想置换——活塞流模型不存在任何“返混”现象同一截面上组成、温度、流速、密度等均匀一致。2、理想混合——全混流模型cA达到最大程度的“返混”反应器内均匀一致，浓度、cAf温度等参数与出口浓度相等。 第一节理想流动模型概述理想流动反应器：物料的流动状况具有理想流动模型特征的反应器称为理想流动反应器。间歇反应器——无返混，物料粒子同进同出。（BSTR）连活塞流反应器——无返混，物料粒子同进同出。续流（PFR）动反全混流反应器——返混程度极大，不同停留时应（CSTR）间的物料粒子混合均匀。器 第一节理想流动模型概述没有混合（BSTR）（PFR）（CSTR）间歇反应器活塞流反应器全混流反应器（平推流反应器） 第一节理想流动模型概述思考题：试比较混合与返混的区别。混合返混*不同外观特征的个体*不同停留时间的个体混和在一起的过程混和在一起的过程*不仅是空间位置的搅*仅仅是空间位置的搅混过程，而且是时间混过程顺序的搅混有混合（BSTR）无返混 第一节理想流动模型概述•偏离平推流的情况漩涡运动：涡截面上流沟流、短路：填流、湍动、碰速不均匀料或催化剂装填撞填料不均匀 第一节理想流动模型概述•偏离全混流的情况死角短路搅拌造成的再循环 第一节理想流动模型概述•流动状况对化学反应的影响-----由物料粒子的停留时间不同所造成短路、沟流停留时间减少转化率降低A+B→P：有效反应体积减少死区、停留时间再循环过长A+B→P→S产物P减少→停留时间的不均 反应器设计的基本内容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+某组分累积量反应器流入流出积累反应器反应单元流入流出反应量累积量量量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√ 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器带入带出累积传给环境反应器反应单元带入带出反应热累积量量量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√ 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。 例题讲解请考虑化学反应A+B⎯催化剂⎯⎯⎯D→C该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20℃，液料的体积流量为0.5m3/h,CA0=96.5mol/m3,CB0=184mol/m3,催化剂的浓度CD=6.63mol/m3。实验测得该反应的速度方程为：rA=kCACD式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求A的转化率为40%，试求反应器的体积。 解：设A的转化率为x，则有：r=kC(1−x)CAA0D对于全混流反应器，应有：C(x−x)CxxA00A0τ===rkC(1−x)Ck(1−x)CAA0DD0.40τ==87.4ks=24.28h−3(1.15×10)(1−0.4)(6.63)3V=Vτ=0.5×24.28=12.14mR0 3-7理想流动反应器的组合与反应体积比较相同的反应，（一级不可逆反应）相同进料流量和浓度比较基准相同温度和最终反应率相同体积比较参量——不同组合方式下的出口浓度（比什么）C全混流C=A,i−1A,i1+kτi −kτi平推流C=CeA,iA,i−1CCCCA,i−1CA,iCA,m−1A,mA,0A,1……V0im1V,CA,i−dCCA,i−dC对于i级τ=Ri=A=Ai∫∫VCA,i−1rCA,i−1kC0A,iA1CA,iC=Ce−kτiτ=−lniA,iA,i−1kCA,i−1 停留时(a)CSTR——CSTR并联间延长物料处理量V0均分到每个CSTR，则VV1τ=R=R=2τV=V并并0VV/22并0分母增大CA0CA0残余浓度C==Af,a低1+kτ1+2kτ并结论：完成相同生产任务，若改用两台同体积CSTR并联组合生产，残余浓度低，转化率提高。 (b)CSTR——CSTR串联CCA,i−1A,0C=C=A,iA,11+kτ1+kτi1CA,1VC=C=(∵τ=τ=R)A,fA,21+kτ122V0结论：完成相同生产任务，CC=A0若改用两台同体积CSTR串联Af,b2(1+kτ)组合生产，残余浓度比(a)更低，转化率比(a)更高。 (c)PFR——CSTR串联CA,i−1C=Ce−kτiCA,i=A,iA,i−11+kτi−kτ1CA,1C=CeCA,2=A,1A,01+kτ2−kτCe结论：完成相同生产任务，A0C=Af,c若用PFR-CSTR串联组合1+kτ生产，残余浓度比(b)更e−kτ<1低，转化率比(b)更高。 (d)CSTR——PFR串联CA,i−1C=Ce−kτiCA,i=A,iA,i−11+kτiC−kτA,02C=C=CeA,11+kτA,2A,11结论：完成相同生产任务，−kτCe若用CSTR-PFR串联组合A0CAf,d=生产，残余浓度和转化率同1+kτ©等效。 (e)PFR——PFR并联V−kτRiτ=τ=2=2τCA,i=CA,i−1e12V0C=Ce−kτ1C=Ce−kτ2A,1A,0A,2A,0C=C=C=Cexp(−2kτ)Af,eA1A2A0结论：完成相同生产任务，若用两台同体积PFR并联组合生产，出口浓度低，转化率较高。 (g)PFR——CSTR并联τ=τ=2τ12C−kτA,i−1iC=C=CeA,i1+kτA,iA,i−1iCC=Ce−kτ1≠C=A,0A,1A,0A,21+kτ2结论：完成相同生产1−2kτCA0任务，若用PFR–C=[Ce+]Af,gA0CSTR并联组合生产，21+2kτ残余浓度为两者混合物的平均浓度。 理想流动反应器反应体积比较相同的反应，相同进料流量和浓度比较基准CSTR反应体相同温度和最终反应率积比较参量——不同理想反应器的反应体积（比什么）VRMV0CA0xAfxAfdxA=[]/[VC]0A0∫V(r)0rRPAfAPFR反应体xAfxAfdxA积=[]/∫(r)0rAfA 理想流动反应器反应体积比较相同的反应，相同进料流量和浓度比较基准CSTR反应体相同温度和最终反应率积比较参量——不同理想反应器的反应体积（比什么）VRMV0CA0xAfxAfdxA=[]/[VC]0A0∫V(r)0rRPAfAPFR反应体xAfxAfdxA积=[]/∫(r)0rAfA 多级CSTR与PFR比较（一级不可逆反应）mV1xAfdx0V=VCAVRM=[1/m−1]R0A0∫0k(1−xAm)rA相同的反应，比较基准相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率比较参量V11RM=m[−1]/[ln]1/m（比什么）VRP(1−xAf)1−xAf （b）两个CSTR串联CA0113C===kmol/mAf22(1+kτ)(1+1×1)4CAf1x=1−=1−×1=0.75AfC4A02.7183（c）PFR-CSTR串联−kτ−1×1CA0e1×e13C===kmol/mAf,c1+kτ1+1×12eCAf1x=1−=1−×1=0.816AfC2eA0 （d）CSTR-PFR串联=（c）（e）PFR–PFR并联−2kτ−2×1×1C=Ce=1×eAf,eA03=0.135kmol/mCAf0.135x=1−=1−=0.865AfC1A0（f）PFR-PFR串联=（e） （g）PFR–CSTR并联1−2kτCA0C=[Ce+]Af,gA021+2kτ1113=[1×1×+]=0.234kmol/m22e1+2CAf0.234x=1−=1−=0.766AfC1A0其中（e）PFR–PFR并联和（f）PFR-PFR串联时，残余浓度最低，转化率最高。'