化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件

第八章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理

第八章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)分支，常簡(jiǎn)稱為反應(yīng)工程。化學(xué)反應(yīng)工程范圍示意圖：第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)分支，常簡(jiǎn)稱為反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)：（1）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，挖掘潛力，降低消耗，提高效率；（2）開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；（3）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中的放大問(wèn)題；（4）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化；（5）不斷發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)：（1）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)宏觀動(dòng)力學(xué)：不涉及傳遞僅研究溫度、濃度等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響(通常利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定)。微觀動(dòng)力學(xué)(本征動(dòng)力學(xué))：由質(zhì)量作用定律直接寫出來(lái)。宏觀流體：以大量分子構(gòu)成的微團(tuán)為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元的流體。(微團(tuán)之間存在傳遞)。微觀流體：以分子為獨(dú)立單元的流體。(均一的，不存在傳遞。)宏觀動(dòng)力學(xué)：不涉及傳遞僅研究溫度、濃度等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影微觀動(dòng)

2-1工業(yè)反應(yīng)器類型（1）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類：（3）按操作方式分類：均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器間歇操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器半連續(xù)(半間歇)反應(yīng)器第二節(jié)工業(yè)反應(yīng)器2-1工業(yè)反應(yīng)器類型（1）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：（2）1—1間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器TU特點(diǎn)：(1)一次性進(jìn)料，反應(yīng)結(jié)束一次性出料。所有物料反應(yīng)時(shí)間相同。(2)在恒溫恒壓條件下，反應(yīng)物和生成物濃度均隨時(shí)間變化，反應(yīng)速率也隨時(shí)間變化，為非定常態(tài)操作過(guò)程。1—1間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器TU特點(diǎn)：(1)一次性進(jìn)料，反應(yīng)l一2連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。(2)在恒定溫度、壓強(qiáng)和流量條件下，反應(yīng)器內(nèi)物料不隨時(shí)間變化，是定常態(tài)操作。(3)反應(yīng)器內(nèi)出口物料的溫度和濃度等于反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度和濃度。(4)流體微團(tuán)的停留時(shí)間不同。停留時(shí)間常以平均停留時(shí)間來(lái)表示，而最終反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也為平均轉(zhuǎn)化率。l一2連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件1—3連續(xù)操作的管式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。(2)在定常態(tài)操作條件下，反應(yīng)器內(nèi)任意截面上的溫度和濃度不隨時(shí)間改變，但不同截面上的溫度和濃度則不同。

(3)當(dāng)處理量大時(shí)，管內(nèi)物料通常處于高度湍流狀態(tài)，各物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間大致相同。該反應(yīng)器既適合均相、也可用于非均相反應(yīng)。1—3連續(xù)操作的管式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出1—4多釜串聯(lián)反應(yīng)器特點(diǎn)：（1）操作方式為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。（2）每一級(jí)內(nèi)有確定不變的物料濃度，但各級(jí)內(nèi)反應(yīng)物濃度不同，便于分段操作和控制。（3）物料通過(guò)串聯(lián)的多釜后，其停留時(shí)間相對(duì)集中，串聯(lián)的釜數(shù)越多，停留時(shí)間越趨于一致。1—4多釜串聯(lián)反應(yīng)器特點(diǎn)：（1）操作方式為連續(xù)進(jìn)料和連化學(xué)計(jì)量方程：它表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過(guò)程中量的變化關(guān)系的方程。如方程：一個(gè)由S個(gè)組分參與的化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)計(jì)量方程為：

ν1

A1+ν2

A2+……+νs

As=0

Ai表示i組分；νi為i組分

的計(jì)量系數(shù)。第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)計(jì)量方程：它表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過(guò)程中量的變化關(guān)系1.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度規(guī)定反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量系數(shù)取負(fù)值，產(chǎn)物取正值，則有3-1化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率1.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度規(guī)定反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量系數(shù)取負(fù)值，產(chǎn)物取正值，則轉(zhuǎn)化率：它表明反應(yīng)的深度，即反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化的百分率。轉(zhuǎn)化率（xA）2.轉(zhuǎn)化率對(duì)所用原料的比例不符合計(jì)量關(guān)系的，通常價(jià)格低的組分過(guò)量。因此通常以價(jià)格高的組分計(jì)算轉(zhuǎn)化率。該組分稱為關(guān)鍵組分。轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)進(jìn)度的關(guān)系是：轉(zhuǎn)化率：它表明反應(yīng)的深度，即反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化的百分率。轉(zhuǎn)化率（x3.收率和選擇性

單一反應(yīng)：只用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式描述的化學(xué)反應(yīng)。復(fù)雜反應(yīng)：用二個(gè)或二個(gè)以上化學(xué)計(jì)量式描述的化學(xué)反應(yīng)。生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)稱為主反應(yīng)，生成副產(chǎn)物的反應(yīng)稱為副反應(yīng)。3.收率和選擇性單一反應(yīng)：只用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式描述的化學(xué)反應(yīng)收率Φ的定義：選擇性β的定義：當(dāng)np,o=0時(shí)當(dāng)np,o=0時(shí)收率Φ的定義：選擇性β的定義：當(dāng)np,o=0時(shí)當(dāng)np,氨接觸氧化的主、副反應(yīng)為：（主反應(yīng)）（副反應(yīng)）已知反應(yīng)器出口處物料組成見(jiàn)下表。組成入口處摩爾分?jǐn)?shù)/%出口處摩爾分?jǐn)?shù)/%NH3O2N2H2ONO11.5223.0562.672.7600.228.7求氨的轉(zhuǎn)化率和一氧化氮的收率和選擇性。氨接觸氧化的主、副反應(yīng)為：（主反應(yīng)）（副反應(yīng)）已知反應(yīng)3-2反應(yīng)體積、反應(yīng)時(shí)間與空間速度1.反應(yīng)體積（1）反應(yīng)器實(shí)際體積

反應(yīng)器實(shí)際體積V是指反應(yīng)設(shè)備中的全部空間所占的體積。（2）反應(yīng)器有效體積

反應(yīng)器有效體積VR是指反應(yīng)器實(shí)際進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所占的體積。3-2反應(yīng)體積、反應(yīng)時(shí)間與空間速度2.反應(yīng)時(shí)間（1）反應(yīng)時(shí)間tr對(duì)于間歇操作而言，反應(yīng)物料從開(kāi)始反應(yīng)到達(dá)到所要求轉(zhuǎn)化率所持續(xù)的時(shí)間。（2）停留時(shí)間和平均停留時(shí)間停留時(shí)間是指物料質(zhì)點(diǎn)從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷時(shí)間。對(duì)于間歇操作而言，各質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間相同，且等于反應(yīng)時(shí)間；對(duì)于連續(xù)操作而言，各質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間不相同，一般用物料流中各質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的平均值即平均停留時(shí)間表示。對(duì)于恒容過(guò)程：2.反應(yīng)時(shí)間對(duì)于恒容過(guò)程：（3）空間時(shí)間

連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中，反應(yīng)器的有效體積(反應(yīng)體積)與指定狀態(tài)下流體入口體積流率qV,0之比，簡(jiǎn)稱空時(shí)。應(yīng)用空間時(shí)間概念時(shí)應(yīng)注意1)對(duì)于液相反應(yīng)和物料總體積流量在反應(yīng)過(guò)程中不發(fā)生變化的氣相反應(yīng)，如果物料流動(dòng)處于高度湍流狀態(tài)，各物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)齊頭并進(jìn)，其停留時(shí)間基本相同，則空間時(shí)間可視為反應(yīng)時(shí)間。2)反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)量發(fā)生變化的氣相反應(yīng)，其總體積流量將隨轉(zhuǎn)化率增加而變化。則依上式計(jì)算的空間時(shí)間并非物料在反應(yīng)器內(nèi)的真實(shí)停留時(shí)間。（3）空間時(shí)間應(yīng)用空間時(shí)間概念時(shí)應(yīng)注意1)對(duì)于液相反應(yīng)和物料3.空間速度表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位反應(yīng)器體積的物料體積，其值為空間時(shí)間的倒數(shù)，用符號(hào)SV表示，即3.空間速度表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位反應(yīng)器體積反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率以及各種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響。研究各種因素如溫度、催化劑、反應(yīng)物組成和壓力等對(duì)反應(yīng)速率、反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，并確定表達(dá)這些因素與反應(yīng)速率間定量關(guān)系的速率方程。3-3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率以及1.化學(xué)反應(yīng)速率的表示法

對(duì)于均相反應(yīng)，常用單位時(shí)間、單位反應(yīng)體積內(nèi)某組分的物質(zhì)的量的變化來(lái)定義該組分的反應(yīng)速率。間歇操作系統(tǒng)1.化學(xué)反應(yīng)速率的表示法對(duì)于均相反應(yīng)，常用單各組分反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：當(dāng)VR恒定時(shí)各組分反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：當(dāng)VR恒定時(shí)反應(yīng)速率方程式，通?？梢杂萌缦聝绾瘮?shù)的形式表示：反應(yīng)速率函數(shù)形式

雙曲函數(shù)型冪函數(shù)型由反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)得質(zhì)量作用定律導(dǎo)得反應(yīng)速率方程式，通?？梢杂萌缦聝绾瘮?shù)的形式表示：反應(yīng)速率雙曲說(shuō)明：①α和β的代數(shù)和稱為反應(yīng)總級(jí)數(shù)。②α和β的值反映了反應(yīng)物A和B的濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

③α和β的值是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，一般不等于各組分的計(jì)量系數(shù)，只有化學(xué)計(jì)量方程和反應(yīng)機(jī)理相同時(shí)(基元方程)才相等。④α和β可以是整數(shù)、分?jǐn)?shù)或負(fù)數(shù)，但反應(yīng)總級(jí)數(shù)一般不大于3。另外要注意速率方程的應(yīng)用范圍，超出實(shí)驗(yàn)范圍誤差增大。⑤在催化劑、溶劑因素固定后，k僅是反應(yīng)溫度T的函數(shù)，并遵循Arrhenius方程：

反應(yīng)級(jí)數(shù)不能獨(dú)立預(yù)示反應(yīng)速率的大小，只是表明反應(yīng)速率對(duì)各組分濃度的敏感程度。

說(shuō)明：①α和β的代數(shù)和稱為反應(yīng)總級(jí)數(shù)。②α和β的值反映了整理得：0整理得：0（1）氣相反應(yīng)的膨脹因子膨脹因子：每變化lmol反應(yīng)物A所引起的反應(yīng)混合物總物質(zhì)的量的變化。根據(jù)定義：3.等溫變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程（1）氣相反應(yīng)的膨脹因子膨脹因子：每變化lmol反應(yīng)物A所引第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件對(duì)于等溫等壓過(guò)程：

VV0對(duì)于等溫等壓過(guò)程：VV0aA+bB→rR+sSt=0時(shí)nA,0

nB,0

0

0t=t時(shí)aA+bB根據(jù)化學(xué)計(jì)量方程例如：A+2B→C+D對(duì)于等分子氣相反應(yīng)注意：膨脹因子只適用于氣相連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)于間歇操作反應(yīng)器、均相反應(yīng)均為恒容過(guò)程。根據(jù)化學(xué)計(jì)量方程例如：A+2B→C+D對(duì)于等分子氣相反應(yīng)SO2催化制取SO3的反應(yīng)式為：已知反應(yīng)器入口處含SO27.15%（摩爾分?jǐn)?shù)），出口物料中含SO2為0.48%，求及SO2的轉(zhuǎn)化率。分析：膨脹因子計(jì)算公式有兩種：一是，另一個(gè)是。根據(jù)已知條件應(yīng)選用后者進(jìn)行計(jì)算。解：膨脹因子轉(zhuǎn)化率SO2催化制取SO3的反應(yīng)式為：已知反應(yīng)器入口處含SO27某反應(yīng)：，在t=700℃、p=3×105Pa(絕壓）條件下反應(yīng)，開(kāi)始時(shí)A為116kg，求當(dāng)反應(yīng)完成50%時(shí)，cA、pA和yA各為多少？解：依題意某反應(yīng)：3—3氣相流動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組分A的轉(zhuǎn)化率

0組分A的物質(zhì)的量流量物料總體積流量組分A的濃度式中：qn,A—表示經(jīng)過(guò)一定反應(yīng)器體積后組分A的物質(zhì)的量流量，mol·s-1；

qV—表示經(jīng)過(guò)一定反應(yīng)器體積后的總體積流量，m3·s-1。3—3氣相流動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組分A的轉(zhuǎn)化率0組分A的第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件氣相用分壓pA或摩爾分率yA表示組成：式中：氣相用分壓pA或摩爾分率yA表示組成：式中：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)模型數(shù)學(xué)模型方法的基本精神有以下幾點(diǎn)：①簡(jiǎn)化。②等效性。③模型簡(jiǎn)化的程度體現(xiàn)在模型參數(shù)的個(gè)數(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法：數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型——在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大或控制過(guò)程中，都需要對(duì)研究對(duì)象作出定量的描述，也就是要用數(shù)學(xué)式來(lái)表達(dá)各參數(shù)間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)模型。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)模型數(shù)學(xué)模型方法的基本精神有以下化學(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括下列內(nèi)容：（1）動(dòng)力學(xué)方程式（2）物料衡算式（3）熱量衡算式（4）動(dòng)量衡算式（5）參數(shù)計(jì)算式化學(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括下列內(nèi)容：（1）動(dòng)力學(xué)方程式數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確任務(wù)

建立數(shù)學(xué)模型

解算數(shù)學(xué)模型

檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型實(shí)際應(yīng)用修改模型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確任務(wù)建立數(shù)學(xué)模型物料在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)可能存在兩種不同的混合。流體粒子（微元）在空間順序上的混合

流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)相對(duì)位置發(fā)生變化而造成的物料微元之間的混合，稱為空間混合，簡(jiǎn)稱空混。流體粒子（微元）在時(shí)間順序上的混合

具有不同停留時(shí)間的粒子（微元）的逆向混合，稱為返混。

空混返混物料在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)可能存在兩種不同的混合。流體粒子（微元流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器返混=∞或返混=0

返混=∞返混=0介于兩種理想流動(dòng)之間

軸向擴(kuò)散模型

多級(jí)全混流模型

流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)物A反應(yīng)物B全混流反應(yīng)器生成物R特點(diǎn)：①假設(shè)反應(yīng)器的攪拌良好。反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器出口的物料組成和溫度。操作穩(wěn)定，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度均不隨位置和時(shí)間而變。4—1全混流模型反應(yīng)物A反應(yīng)物B全混流反應(yīng)器生成物R特點(diǎn)：4—2活塞流模型反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R特點(diǎn)：①反應(yīng)器的長(zhǎng)徑比較大。假設(shè)不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間不發(fā)生逆向混合（返混）。反應(yīng)物沿管長(zhǎng)方向流動(dòng)，反應(yīng)時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)，其濃度隨流動(dòng)方向從一個(gè)截面到另一個(gè)截面而變化?；钊鞣磻?yīng)器4—2活塞流模型反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R特點(diǎn)：①反應(yīng)器的4—3非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型的流動(dòng)形態(tài)介于上述兩種理想流動(dòng)模型之間。即物料微團(tuán)在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有一定程度的返混，但不能達(dá)到完全返混。

描述這種非理想流動(dòng)狀態(tài)的模型有軸向擴(kuò)散和多級(jí)全混流模型。4—3非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型的流動(dòng)形態(tài)介2.軸向擴(kuò)散模型－活塞流+軸向擴(kuò)散

它仿照分子擴(kuò)散的概念，在平推流流動(dòng)上疊加一軸向分散過(guò)程，以表示反應(yīng)器流動(dòng)方向上的返混。

2.軸向擴(kuò)散模型－活塞流+軸向擴(kuò)散它仿照分子擴(kuò)散的概念2.多級(jí)全混流模型原料A生成物R特點(diǎn)：反應(yīng)在多個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，各釜的

入口濃度就是前一釜的出口濃度。串聯(lián)的各反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成和溫度均勻一致，但各級(jí)反應(yīng)器之間是突變的。隨著串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目的增多，其性能愈接近活塞流反應(yīng)器。2.多級(jí)全混流模型原料A生成物R特點(diǎn)：反應(yīng)在多個(gè)串聯(lián)的全混流3)雖然模型概念與實(shí)際過(guò)程返混的機(jī)理完全不同，但模型直觀、簡(jiǎn)單，能對(duì)任何返混現(xiàn)象造成的返混程度做等效描述，相對(duì)于擴(kuò)散模型也更便于求解。注意:

1)返混較全混流在一定程度得到抑制，串聯(lián)釜數(shù)越多，抑制作用越大。因此，串聯(lián)釜數(shù)可以用來(lái)衡量反應(yīng)器內(nèi)物料的返混程度。串聯(lián)釜數(shù)為1時(shí)，為全混流；串聯(lián)釜數(shù)為∞時(shí)，為平推流。2)與擴(kuò)散模型一樣，多級(jí)全混流模型模擬實(shí)際反應(yīng)器也是虛擬的。反應(yīng)器本身并不一定是多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)，只是用這種模型來(lái)表示其中物料的返混程度。3)雖然模型概念與實(shí)際過(guò)程返混的機(jī)理完全不同，第五節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布停留時(shí)間—物料微團(tuán)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間稱為該微團(tuán)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。

在連續(xù)反應(yīng)器中，反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間可能相同，也可能不同。通?？捎梦锪腺|(zhì)點(diǎn)的年齡與壽命來(lái)說(shuō)明停留時(shí)間的長(zhǎng)短。年齡是指反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起已經(jīng)停留的時(shí)間.壽命是指反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)人反應(yīng)器到離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間，即質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中總共停留的時(shí)間。第五節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布停留時(shí)間—物料微團(tuán)從進(jìn)入5一1分布函數(shù)表示單位時(shí)間間隔內(nèi)物料的分率，該分率隨時(shí)間變化，稱為停留時(shí)間分布密度函數(shù)。

設(shè)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的物料量為N，停留時(shí)間在t-t+dt的物料量為dN，dN占進(jìn)料總量的分率為：令：則：5一1分布函數(shù)表示單位時(shí)間間隔內(nèi)物料的分率，該分率停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)定義：在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)的系統(tǒng)中，相對(duì)于某瞬間t=0時(shí)刻流入反應(yīng)器的流體，在反應(yīng)器出口流體中在器內(nèi)停留時(shí)間小于t的流體微團(tuán)所占的分率。E(t)和F(t)關(guān)系為停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)定義：在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)的系統(tǒng)中，

從上式可知，當(dāng)已知F(t)~t曲線時(shí)，可用過(guò)曲線上一點(diǎn)作切線的方法作圖，該切線斜率即為該切點(diǎn)的E(t)值。如上圖中B點(diǎn)切線斜率即為t=t時(shí)E(t)值。從上式可知，當(dāng)已知F(t)~t曲線時(shí)，可用過(guò)曲對(duì)比時(shí)間如果一個(gè)流體微團(tuán)的停留時(shí)間介于區(qū)間(t，t+dt)內(nèi)，則它的無(wú)因次停留時(shí)間也一定介于區(qū)間(θ，θ+dθ)內(nèi)。這是因?yàn)槲覀冎傅氖峭皇录?，所以t和θ介于這些區(qū)間的概率一定相等，于是有：E(θ)dθ=E(t)dtE(θ)=E(t)

對(duì)比時(shí)間如果一個(gè)流體微團(tuán)的停留時(shí)間介于區(qū)間由于F(t)本身是一累積概率，而θ是t的確定性函數(shù)，依據(jù)隨機(jī)變量的確定性函數(shù)的概率應(yīng)與隨機(jī)變量的概率相等的原則，有F(θ)=F(t)由于F(t)本身是一累積概率，而θ是t的確定E（t）特性：

①歸一性：②常出現(xiàn)最大值,t→∝,E（t）→0③E（t）dt無(wú)因次，E（t）因次:時(shí)間－1E（t）特性：

①歸一性：②常出現(xiàn)最大值,t→∝,E

F（t）特性：

①F（t）值在0～1之間，0≤F（t）≤1②F（t）為單調(diào)函數(shù)。③E（t）的最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)于F（t）的拐點(diǎn)。F（t）特性：

①F（t）值在0～1之間，0≤F（t5—2停留時(shí)間分布函數(shù)的測(cè)定

停留時(shí)間分布函數(shù)的測(cè)定一般是在生產(chǎn)裝置上用水或空氣代替反應(yīng)物料進(jìn)行“冷?！痹囼?yàn)的方式進(jìn)行，有時(shí)也可以在模擬裝置上進(jìn)行。

測(cè)定方法：示蹤響應(yīng)法

在反應(yīng)器的入口以一定的方式加入示蹤劑，同時(shí)通過(guò)測(cè)量反應(yīng)器出口處示蹤劑濃度的變化，間接的描述反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間。5—2停留時(shí)間分布函數(shù)的測(cè)定停留時(shí)間分布函數(shù)化學(xué)示蹤劑法折射指數(shù)法

電導(dǎo)示蹤法液相氣相染料示蹤劑測(cè)量法

通常是將相應(yīng)的檢測(cè)器置于進(jìn)口和出口處，根據(jù)兩處濃度的變化曲線計(jì)算停留時(shí)間分布。

優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量直接、迅速、成本低。缺點(diǎn)是對(duì)于非常深色的體系或重油的體系，難以找到合適的染料。優(yōu)點(diǎn)該是簡(jiǎn)單、迅速、易于使用。缺點(diǎn)是一般只用于水溶性體系。優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速。均相反應(yīng)體系通常用于被測(cè)體系是非電導(dǎo)的，引入電導(dǎo)介質(zhì)作示蹤劑，電導(dǎo)率隨濃度的不同而變化。常用的電解質(zhì)NaCl、KCl等。引入了折射指數(shù)，明顯不同于被測(cè)體系的介質(zhì)作為示蹤劑缺點(diǎn)是只適用于透明體系。這種示蹤劑的化學(xué)組成是不同的，所有其他的物理性質(zhì)與非示蹤劑粒子相同。示蹤劑必須不與體系中的其他組分發(fā)生反應(yīng)。取樣必須有代表性。常用的示蹤氣體是氦。化學(xué)示蹤劑法折射指數(shù)法電導(dǎo)示蹤法液相氣相染料示蹤劑測(cè)示蹤劑的加入方法脈沖輸入法階梯輸入法將示蹤劑從測(cè)定系統(tǒng)入口處瞬間注入做定態(tài)流動(dòng)的物料，同時(shí)在出口處跟蹤檢測(cè)示蹤劑量隨時(shí)間的變化。

在測(cè)定系統(tǒng)入口將作定常態(tài)流動(dòng)物料從某一時(shí)刻起切換為流量與原定常態(tài)流動(dòng)物料相同的含有示蹤劑的流體，同時(shí)在系統(tǒng)出口檢測(cè)示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化。示蹤劑的加入方法脈沖輸入法階梯輸入法將示蹤脈沖輸入法脈沖輸入法設(shè)c(t)為任意時(shí)刻t從出口測(cè)得的示蹤劑濃度，qV為物料體積流量，示蹤劑的總量為M0

對(duì)示蹤劑進(jìn)行物料衡算

實(shí)驗(yàn)是穩(wěn)定操作，且qv恒定時(shí)

在t～t+dt時(shí)間間隔內(nèi)子系統(tǒng)流出的示蹤劑量占示蹤劑總量M0的分率為：設(shè)c(t)為任意時(shí)刻t從出口測(cè)得的示蹤劑濃度，qV為物料體積階梯輸入法階梯輸入法對(duì)示蹤劑進(jìn)行物料衡算：切換第二流體后的t時(shí)刻，出口物料中示蹤劑在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間均小于t，其所占的分率為F(t)。設(shè)c(t)為任意時(shí)刻t從出口測(cè)得的示蹤劑濃度，qV為物料體積流量，示蹤劑的總量為M0

實(shí)驗(yàn)是穩(wěn)定操作，且qv恒定。

對(duì)示蹤劑進(jìn)行物料衡算：切換第二流體后的t時(shí)刻缺點(diǎn)：用量較多。兩種方法比較脈沖法優(yōu)點(diǎn)：由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可直接求出E(t)，簡(jiǎn)單且示蹤劑耗量少。

缺點(diǎn)：難以使示蹤劑輸入時(shí)間縮到最短，尤其對(duì)平均停留時(shí)間短的流動(dòng)系統(tǒng)。階梯法優(yōu)點(diǎn)：示蹤劑輸入時(shí)間短。缺點(diǎn)：用量較多。兩種方法比較脈沖法優(yōu)點(diǎn)：由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可直接求出5—3停留時(shí)間分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值1.平均停留時(shí)間流體通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)所需時(shí)間的平均值稱為平均停留時(shí)間，相當(dāng)于隨機(jī)函數(shù)的數(shù)學(xué)期望。5—3停留時(shí)間分布函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值1.平均停留時(shí)間用對(duì)比時(shí)間表示則有：用對(duì)比時(shí)間表示則有：平均停留時(shí)間計(jì)算除了以上公式外，在已知反應(yīng)器有效體積和物料流量情況下，還可用下式計(jì)算：平均停留時(shí)間計(jì)算除了以上公式外，在已知反應(yīng)器方差方差第六節(jié)理想流動(dòng)模型的停留時(shí)間分布6—1活塞流模型的停留時(shí)間分布00第六節(jié)理想流動(dòng)模型的停留時(shí)間分布6—1活塞流模型的停留時(shí)第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件6—2全混流模型的停留時(shí)間分布qV,0M0qV,0反應(yīng)器內(nèi)示蹤劑初始濃度

VR在t~t+dt時(shí)間間隔對(duì)器內(nèi)示蹤劑作物料衡算:t時(shí)刻器內(nèi)原有的示蹤劑量=t+dt時(shí)刻器內(nèi)留存的示蹤劑量+dt時(shí)間內(nèi)自器內(nèi)流出的反應(yīng)器的量?jī)蛇叿e分得：或6—2全混流模型的停留時(shí)間分布qV,0M0qV,0反應(yīng)器內(nèi)示脈沖輸入法而得：脈沖輸入法而得：第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件設(shè)物料為定常態(tài)流動(dòng)，各級(jí)有效容積相等，物料通過(guò)各級(jí)的空間時(shí)間在t=0時(shí)向系統(tǒng)輸入脈沖示蹤劑M0，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，對(duì)示蹤劑進(jìn)行物料衡算：7—2多釜串聯(lián)模型相同。對(duì)于第一級(jí)：對(duì)第二級(jí)在t~t+dt時(shí)間間隔內(nèi)作物料衡算：進(jìn)入第二級(jí)的示蹤劑量離開(kāi)第二級(jí)的示蹤劑量第二級(jí)內(nèi)示蹤劑的改量-=-=形如y′+p(x)y=Q(x)一階線性微分方程，邊界條件：t=0，c2(t)=0

同理對(duì)第三級(jí)進(jìn)行物料衡算，可得：設(shè)物料為定常態(tài)流動(dòng)，各級(jí)有效容積相等，物料通過(guò)各級(jí)的空間時(shí)間對(duì)第N級(jí)設(shè)物料流過(guò)N級(jí)的總空間時(shí)間為對(duì)第N級(jí)設(shè)物料流過(guò)N級(jí)的總空間時(shí)間為第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件某反應(yīng)器用脈沖法測(cè)得如下表中的數(shù)據(jù)，設(shè)反應(yīng)器內(nèi)流體流量qV,0恒定。試求、、。

時(shí)間t/min05101520253035404550試蹤劑度c(t)/g·m-30.02.06.012.012.010.05.02.01.00.50.0某反應(yīng)器用脈沖法測(cè)得如下表中的數(shù)據(jù)，設(shè)反應(yīng)器、、。時(shí)間知識(shí)回顧KnowledgeReview祝您成功！知識(shí)回顧KnowledgeReview祝您成功！第八章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理

第八章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本原理第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)分支，常簡(jiǎn)稱為反應(yīng)工程?；瘜W(xué)反應(yīng)工程范圍示意圖：第一節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)概述是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)分支，常簡(jiǎn)稱為反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)：（1）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，挖掘潛力，降低消耗，提高效率；（2）開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；（3）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過(guò)程開(kāi)發(fā)中的放大問(wèn)題；（4）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)化；（5）不斷發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)：（1）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)宏觀動(dòng)力學(xué)：不涉及傳遞僅研究溫度、濃度等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響(通常利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定)。微觀動(dòng)力學(xué)(本征動(dòng)力學(xué))：由質(zhì)量作用定律直接寫出來(lái)。宏觀流體：以大量分子構(gòu)成的微團(tuán)為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元的流體。(微團(tuán)之間存在傳遞)。微觀流體：以分子為獨(dú)立單元的流體。(均一的，不存在傳遞。)宏觀動(dòng)力學(xué)：不涉及傳遞僅研究溫度、濃度等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影微觀動(dòng)

2-1工業(yè)反應(yīng)器類型（1）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類：（3）按操作方式分類：均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器間歇操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器半連續(xù)(半間歇)反應(yīng)器第二節(jié)工業(yè)反應(yīng)器2-1工業(yè)反應(yīng)器類型（1）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：（2）1—1間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器TU特點(diǎn)：(1)一次性進(jìn)料，反應(yīng)結(jié)束一次性出料。所有物料反應(yīng)時(shí)間相同。(2)在恒溫恒壓條件下，反應(yīng)物和生成物濃度均隨時(shí)間變化，反應(yīng)速率也隨時(shí)間變化，為非定常態(tài)操作過(guò)程。1—1間歇操作攪拌釜式反應(yīng)器TU特點(diǎn)：(1)一次性進(jìn)料，反應(yīng)l一2連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。(2)在恒定溫度、壓強(qiáng)和流量條件下，反應(yīng)器內(nèi)物料不隨時(shí)間變化，是定常態(tài)操作。(3)反應(yīng)器內(nèi)出口物料的溫度和濃度等于反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度和濃度。(4)流體微團(tuán)的停留時(shí)間不同。停留時(shí)間常以平均停留時(shí)間來(lái)表示，而最終反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也為平均轉(zhuǎn)化率。l一2連續(xù)操作攪拌釜式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件1—3連續(xù)操作的管式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。(2)在定常態(tài)操作條件下，反應(yīng)器內(nèi)任意截面上的溫度和濃度不隨時(shí)間改變，但不同截面上的溫度和濃度則不同。

(3)當(dāng)處理量大時(shí)，管內(nèi)物料通常處于高度湍流狀態(tài)，各物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間大致相同。該反應(yīng)器既適合均相、也可用于非均相反應(yīng)。1—3連續(xù)操作的管式反應(yīng)器特點(diǎn)：(1)操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出1—4多釜串聯(lián)反應(yīng)器特點(diǎn)：（1）操作方式為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料。（2）每一級(jí)內(nèi)有確定不變的物料濃度，但各級(jí)內(nèi)反應(yīng)物濃度不同，便于分段操作和控制。（3）物料通過(guò)串聯(lián)的多釜后，其停留時(shí)間相對(duì)集中，串聯(lián)的釜數(shù)越多，停留時(shí)間越趨于一致。1—4多釜串聯(lián)反應(yīng)器特點(diǎn)：（1）操作方式為連續(xù)進(jìn)料和連化學(xué)計(jì)量方程：它表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過(guò)程中量的變化關(guān)系的方程。如方程：一個(gè)由S個(gè)組分參與的化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)計(jì)量方程為：

ν1

A1+ν2

A2+……+νs

As=0

Ai表示i組分；νi為i組分

的計(jì)量系數(shù)。第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)計(jì)量方程：它表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過(guò)程中量的變化關(guān)系1.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度規(guī)定反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量系數(shù)取負(fù)值，產(chǎn)物取正值，則有3-1化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和收率1.化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度規(guī)定反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量系數(shù)取負(fù)值，產(chǎn)物取正值，則轉(zhuǎn)化率：它表明反應(yīng)的深度，即反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化的百分率。轉(zhuǎn)化率（xA）2.轉(zhuǎn)化率對(duì)所用原料的比例不符合計(jì)量關(guān)系的，通常價(jià)格低的組分過(guò)量。因此通常以價(jià)格高的組分計(jì)算轉(zhuǎn)化率。該組分稱為關(guān)鍵組分。轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)進(jìn)度的關(guān)系是：轉(zhuǎn)化率：它表明反應(yīng)的深度，即反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化的百分率。轉(zhuǎn)化率（x3.收率和選擇性

單一反應(yīng)：只用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式描述的化學(xué)反應(yīng)。復(fù)雜反應(yīng)：用二個(gè)或二個(gè)以上化學(xué)計(jì)量式描述的化學(xué)反應(yīng)。生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)稱為主反應(yīng)，生成副產(chǎn)物的反應(yīng)稱為副反應(yīng)。3.收率和選擇性單一反應(yīng)：只用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式描述的化學(xué)反應(yīng)收率Φ的定義：選擇性β的定義：當(dāng)np,o=0時(shí)當(dāng)np,o=0時(shí)收率Φ的定義：選擇性β的定義：當(dāng)np,o=0時(shí)當(dāng)np,氨接觸氧化的主、副反應(yīng)為：（主反應(yīng)）（副反應(yīng)）已知反應(yīng)器出口處物料組成見(jiàn)下表。組成入口處摩爾分?jǐn)?shù)/%出口處摩爾分?jǐn)?shù)/%NH3O2N2H2ONO11.5223.0562.672.7600.228.7求氨的轉(zhuǎn)化率和一氧化氮的收率和選擇性。氨接觸氧化的主、副反應(yīng)為：（主反應(yīng)）（副反應(yīng)）已知反應(yīng)3-2反應(yīng)體積、反應(yīng)時(shí)間與空間速度1.反應(yīng)體積（1）反應(yīng)器實(shí)際體積

反應(yīng)器實(shí)際體積V是指反應(yīng)設(shè)備中的全部空間所占的體積。（2）反應(yīng)器有效體積

反應(yīng)器有效體積VR是指反應(yīng)器實(shí)際進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所占的體積。3-2反應(yīng)體積、反應(yīng)時(shí)間與空間速度2.反應(yīng)時(shí)間（1）反應(yīng)時(shí)間tr對(duì)于間歇操作而言，反應(yīng)物料從開(kāi)始反應(yīng)到達(dá)到所要求轉(zhuǎn)化率所持續(xù)的時(shí)間。（2）停留時(shí)間和平均停留時(shí)間停留時(shí)間是指物料質(zhì)點(diǎn)從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷時(shí)間。對(duì)于間歇操作而言，各質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間相同，且等于反應(yīng)時(shí)間；對(duì)于連續(xù)操作而言，各質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間不相同，一般用物料流中各質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的平均值即平均停留時(shí)間表示。對(duì)于恒容過(guò)程：2.反應(yīng)時(shí)間對(duì)于恒容過(guò)程：（3）空間時(shí)間

連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器中，反應(yīng)器的有效體積(反應(yīng)體積)與指定狀態(tài)下流體入口體積流率qV,0之比，簡(jiǎn)稱空時(shí)。應(yīng)用空間時(shí)間概念時(shí)應(yīng)注意1)對(duì)于液相反應(yīng)和物料總體積流量在反應(yīng)過(guò)程中不發(fā)生變化的氣相反應(yīng)，如果物料流動(dòng)處于高度湍流狀態(tài)，各物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)齊頭并進(jìn)，其停留時(shí)間基本相同，則空間時(shí)間可視為反應(yīng)時(shí)間。2)反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)量發(fā)生變化的氣相反應(yīng)，其總體積流量將隨轉(zhuǎn)化率增加而變化。則依上式計(jì)算的空間時(shí)間并非物料在反應(yīng)器內(nèi)的真實(shí)停留時(shí)間。（3）空間時(shí)間應(yīng)用空間時(shí)間概念時(shí)應(yīng)注意1)對(duì)于液相反應(yīng)和物料3.空間速度表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位反應(yīng)器體積的物料體積，其值為空間時(shí)間的倒數(shù)，用符號(hào)SV表示，即3.空間速度表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位反應(yīng)器體積反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率以及各種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響。研究各種因素如溫度、催化劑、反應(yīng)物組成和壓力等對(duì)反應(yīng)速率、反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，并確定表達(dá)這些因素與反應(yīng)速率間定量關(guān)系的速率方程。3-3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究化學(xué)反應(yīng)速率以及1.化學(xué)反應(yīng)速率的表示法

對(duì)于均相反應(yīng)，常用單位時(shí)間、單位反應(yīng)體積內(nèi)某組分的物質(zhì)的量的變化來(lái)定義該組分的反應(yīng)速率。間歇操作系統(tǒng)1.化學(xué)反應(yīng)速率的表示法對(duì)于均相反應(yīng)，常用單各組分反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：當(dāng)VR恒定時(shí)各組分反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：當(dāng)VR恒定時(shí)反應(yīng)速率方程式，通常可以用如下冪函數(shù)的形式表示：反應(yīng)速率函數(shù)形式

雙曲函數(shù)型冪函數(shù)型由反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)得質(zhì)量作用定律導(dǎo)得反應(yīng)速率方程式，通常可以用如下冪函數(shù)的形式表示：反應(yīng)速率雙曲說(shuō)明：①α和β的代數(shù)和稱為反應(yīng)總級(jí)數(shù)。②α和β的值反映了反應(yīng)物A和B的濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響。

③α和β的值是實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，一般不等于各組分的計(jì)量系數(shù)，只有化學(xué)計(jì)量方程和反應(yīng)機(jī)理相同時(shí)(基元方程)才相等。④α和β可以是整數(shù)、分?jǐn)?shù)或負(fù)數(shù)，但反應(yīng)總級(jí)數(shù)一般不大于3。另外要注意速率方程的應(yīng)用范圍，超出實(shí)驗(yàn)范圍誤差增大。⑤在催化劑、溶劑因素固定后，k僅是反應(yīng)溫度T的函數(shù)，并遵循Arrhenius方程：

反應(yīng)級(jí)數(shù)不能獨(dú)立預(yù)示反應(yīng)速率的大小，只是表明反應(yīng)速率對(duì)各組分濃度的敏感程度。

說(shuō)明：①α和β的代數(shù)和稱為反應(yīng)總級(jí)數(shù)。②α和β的值反映了整理得：0整理得：0（1）氣相反應(yīng)的膨脹因子膨脹因子：每變化lmol反應(yīng)物A所引起的反應(yīng)混合物總物質(zhì)的量的變化。根據(jù)定義：3.等溫變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)程（1）氣相反應(yīng)的膨脹因子膨脹因子：每變化lmol反應(yīng)物A所引第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件對(duì)于等溫等壓過(guò)程：

VV0對(duì)于等溫等壓過(guò)程：VV0aA+bB→rR+sSt=0時(shí)nA,0

nB,0

0

0t=t時(shí)aA+bB根據(jù)化學(xué)計(jì)量方程例如：A+2B→C+D對(duì)于等分子氣相反應(yīng)注意：膨脹因子只適用于氣相連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)于間歇操作反應(yīng)器、均相反應(yīng)均為恒容過(guò)程。根據(jù)化學(xué)計(jì)量方程例如：A+2B→C+D對(duì)于等分子氣相反應(yīng)SO2催化制取SO3的反應(yīng)式為：已知反應(yīng)器入口處含SO27.15%（摩爾分?jǐn)?shù)），出口物料中含SO2為0.48%，求及SO2的轉(zhuǎn)化率。分析：膨脹因子計(jì)算公式有兩種：一是，另一個(gè)是。根據(jù)已知條件應(yīng)選用后者進(jìn)行計(jì)算。解：膨脹因子轉(zhuǎn)化率SO2催化制取SO3的反應(yīng)式為：已知反應(yīng)器入口處含SO27某反應(yīng)：，在t=700℃、p=3×105Pa(絕壓）條件下反應(yīng)，開(kāi)始時(shí)A為116kg，求當(dāng)反應(yīng)完成50%時(shí)，cA、pA和yA各為多少？解：依題意某反應(yīng)：3—3氣相流動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組分A的轉(zhuǎn)化率

0組分A的物質(zhì)的量流量物料總體積流量組分A的濃度式中：qn,A—表示經(jīng)過(guò)一定反應(yīng)器體積后組分A的物質(zhì)的量流量，mol·s-1；

qV—表示經(jīng)過(guò)一定反應(yīng)器體積后的總體積流量，m3·s-1。3—3氣相流動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組分A的轉(zhuǎn)化率0組分A的第8章-化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)課件氣相用分壓pA或摩爾分率yA表示組成：式中：氣相用分壓pA或摩爾分率yA表示組成：式中：第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)模型數(shù)學(xué)模型方法的基本精神有以下幾點(diǎn)：①簡(jiǎn)化。②等效性。③模型簡(jiǎn)化的程度體現(xiàn)在模型參數(shù)的個(gè)數(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法：數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型——在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大或控制過(guò)程中，都需要對(duì)研究對(duì)象作出定量的描述，也就是要用數(shù)學(xué)式來(lái)表達(dá)各參數(shù)間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)模型。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)模型數(shù)學(xué)模型方法的基本精神有以下化學(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括下列內(nèi)容：（1）動(dòng)力學(xué)方程式（2）物料衡算式（3）熱量衡算式（4）動(dòng)量衡算式（5）參數(shù)計(jì)算式化學(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括下列內(nèi)容：（1）動(dòng)力學(xué)方程式數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確任務(wù)

建立數(shù)學(xué)模型

解算數(shù)學(xué)模型

檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型實(shí)際應(yīng)用修改模型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確任務(wù)建立數(shù)學(xué)模型物料在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)可能存在兩種不同的混合。流體粒子（微元）在空間順序上的混合

流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)相對(duì)位置發(fā)生變化而造成的物料微元之間的混合，稱為空間混合，簡(jiǎn)稱空混。流體粒子（微元）在時(shí)間順序上的混合

具有不同停留時(shí)間的粒子（微元）的逆向混合，稱為返混。

空混返混物料在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)時(shí)可能存在兩種不同的混合。流體粒子（微元流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器返混=∞或返混=0

返混=∞返混=0介于兩種理想流動(dòng)之間

軸向擴(kuò)散模型

多級(jí)全混流模型

流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)物A反應(yīng)物B全混流反應(yīng)器生成物R特點(diǎn)：①假設(shè)反應(yīng)器的攪拌良好。反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器出口的物料組成和溫度。操作穩(wěn)定，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度均不隨位置和時(shí)間而變。4—1全混流模型反應(yīng)物A反應(yīng)物B全混流反應(yīng)器生成物R特點(diǎn)：4—2活塞流模型反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R特點(diǎn)：①反應(yīng)器的長(zhǎng)徑比較大。假設(shè)不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間不發(fā)生逆向混合（返混）。反應(yīng)物沿管長(zhǎng)方向流動(dòng)，反應(yīng)時(shí)間是管長(zhǎng)的函數(shù)，其濃度隨流動(dòng)方向從一個(gè)截面到另一個(gè)截面而變化。活塞流反應(yīng)器4—2活塞流模型反應(yīng)物A反應(yīng)物B生成物R特點(diǎn)：①反應(yīng)器的4—3非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型的流動(dòng)形態(tài)介于上述兩種理想流動(dòng)模型之間。即物料微團(tuán)在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)有一定程度的返混，但不能達(dá)到完全返混。

描述這種非理想流動(dòng)狀態(tài)的模型有軸向擴(kuò)散和多級(jí)全混流模型。4—3非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)模型的流動(dòng)形態(tài)介2.軸向擴(kuò)散模型－活塞流+軸向擴(kuò)散

它仿照分子擴(kuò)散的概念，在平推流流動(dòng)上疊加一軸向分散過(guò)程，以表示反應(yīng)器流動(dòng)方向上的返混。

2.軸向擴(kuò)散模型－活塞流+軸向擴(kuò)散它仿照分子擴(kuò)散的概念2.多級(jí)全混流模型原料A生成物R特點(diǎn)：反應(yīng)在多個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，各釜的

入口濃度就是前一釜的出口濃度。串聯(lián)的各反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成和溫度均勻一致，但各級(jí)反應(yīng)器之間是突變的。隨著串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目的增多，其性能愈接近活塞流反應(yīng)器。2.多級(jí)全混流模型原料A生成物R特點(diǎn)：反應(yīng)在多個(gè)串聯(lián)的全混流3)雖然模型概念與實(shí)際過(guò)程返混的機(jī)理完全不同，但模型直觀、簡(jiǎn)單，能對(duì)任何返混現(xiàn)象造成的返混程度做等效描述，相對(duì)于擴(kuò)散模型也更便于求解。注意:

1)返混較全混流在一定程度得到抑制，串聯(lián)釜數(shù)越多，抑制作用越大。因此，串聯(lián)釜數(shù)可以用來(lái)衡量反應(yīng)器內(nèi)物料的返混程度。串聯(lián)釜數(shù)為1時(shí)，為全混流；串聯(lián)釜數(shù)為∞時(shí)，為平推流。2)與擴(kuò)散模型一樣，多級(jí)全混流模型模擬實(shí)際反應(yīng)器也是虛擬的。反應(yīng)器本身并不一定是多個(gè)全混流反應(yīng)器串聯(lián)，只是用這種模型來(lái)表示其中物料的返混程度。3)雖然模型概念與實(shí)際過(guò)程返混的機(jī)理完全不同，第五節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布停留時(shí)間—物料微團(tuán)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間稱為該微團(tuán)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。

在連續(xù)反應(yīng)器中，反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間可能相同，也可能不同。通?？捎梦锪腺|(zhì)點(diǎn)的年齡與壽命來(lái)說(shuō)明停留時(shí)間的長(zhǎng)短。年齡是指反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)算起已經(jīng)停留的時(shí)間.壽命是指反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)人反應(yīng)器到離開(kāi)反應(yīng)器的時(shí)間，即質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中總共停留的時(shí)間。第五節(jié)反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間分布停留時(shí)間—物料微團(tuán)從進(jìn)入5一1分布函數(shù)表示單位時(shí)間間隔內(nèi)物料的分率，該分率隨時(shí)間變化，稱為停留時(shí)間分布密度函數(shù)。

設(shè)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的物料量為N，停留時(shí)間在t-t+dt的物料量為dN，dN占進(jìn)料總量的分率為：令：則：5一1分布函數(shù)表示單位時(shí)間間隔內(nèi)物料的分率，該分率停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)定義：在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)的系統(tǒng)中，相對(duì)于某瞬間t=0時(shí)刻流入反應(yīng)器的流體，在反應(yīng)器出口流體中在器內(nèi)停留時(shí)間小于t的流體微團(tuán)所占的分率。E(t)和F(t)關(guān)系為停留時(shí)間分布函數(shù)F(t)定義：在定常態(tài)下的連續(xù)流動(dòng)的系統(tǒng)中，

從上式可知，當(dāng)已知F(t)~t曲線時(shí)，可用過(guò)曲線上一點(diǎn)作切線的方法作圖，該切線斜率即為該切點(diǎn)的E(t)值。如上圖中B點(diǎn)切線斜率即為t=t時(shí)E(t)值。從上式可知，當(dāng)已知F(t)~t曲線時(shí)，可用過(guò)曲對(duì)比時(shí)間如果一個(gè)流體微團(tuán)的停留時(shí)間介于區(qū)間(t，t+dt)內(nèi)，則它的無(wú)因次停留時(shí)間也一定介于區(qū)間(θ，θ+dθ)內(nèi)。這是因?yàn)槲覀冎傅氖峭皇录?，所以t和θ介于這些區(qū)間的概率一定相等，于是有：E(θ)dθ=E(t)dtE(θ)=E(t)

對(duì)比時(shí)間如果一個(gè)流體微團(tuán)的停留時(shí)間介于區(qū)間由于F(t)本身是一累積概率，而θ是t的確定性函數(shù)，依據(jù)隨機(jī)變量的確定性函數(shù)的概率應(yīng)與隨機(jī)變量的概率相等的原則，有F(θ)=F(t)由于F(t)本身是一累積概率，而θ是t的確定E（t）特性：

①歸一性：②常出現(xiàn)最大值,t→∝,E（t）→0③E（t）dt無(wú)因次，E（t）因次:時(shí)間－1E（t）特性：

①歸一性：②常出現(xiàn)最大值,t→∝,E

F（t）特性：

①F（t）值在0～1之間，0≤F（t）≤1②F（t）為單調(diào)函數(shù)。③E（t）的最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)于F（t）的拐點(diǎn)。F（t）特性：

①F（t）值在0～1之間，0≤F（t5—2停留時(shí)間分布函數(shù)的測(cè)定

停留時(shí)間分布函數(shù)的測(cè)定一般是在生產(chǎn)裝置上用水或空氣代替反應(yīng)物料進(jìn)行“冷?！痹囼?yàn)的方式進(jìn)行，有時(shí)也可以在模擬裝置上進(jìn)行。

測(cè)定方法：示蹤響應(yīng)法

在反應(yīng)器的入口以一定的方式加入示蹤劑，同時(shí)通過(guò)測(cè)量反應(yīng)器出口處示蹤劑濃度的變化，間接的描述反應(yīng)器內(nèi)物料的停留時(shí)間。5—2停留時(shí)間分布函數(shù)的測(cè)定停留時(shí)間分布函數(shù)化學(xué)示蹤劑法折射指數(shù)法

電導(dǎo)示蹤法液相氣相染料示蹤劑測(cè)量法

通常是將相應(yīng)的檢測(cè)器置于進(jìn)口和出口處，根據(jù)兩處濃度的變化曲線計(jì)算停留時(shí)間分布。

優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量直接、迅速、成本低。缺點(diǎn)是對(duì)于非常深色的體系或重油的體系，難以找到合適的染料。優(yōu)點(diǎn)該是簡(jiǎn)單、迅速、易于使用。缺點(diǎn)是一般只用于水溶性體系。優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速。均相反應(yīng)體系通常用于被測(cè)體系是非電導(dǎo)的，引入電導(dǎo)介質(zhì)作示蹤劑，電導(dǎo)率