化學反應工程複習總結

一、知識點

1.化學反應工程的研究物件與目的，研究內容。

化學反應工程的優化的技術指標。

2.化學反應動力學

轉化率、收率與選擇性的概念。

反應速率的溫度效應和活化能的意義。

反應速率的濃度效應和級數的意義。

3.理想反應器與典型反應特徵

理想反應器的含義。

等溫間歇反應器的基本方程。

簡單不可逆反應和自催化反應的特徵和計算方法。

可逆反應、平行反應和串聯反應的動力學特徵和計算方法。

4.理想管式反應器

管式平推流反應器的基本方程

典型反應的計算。

停留時間、空時和空速的概念。

膨脹因子和膨脹率的概念。

5.連續流動釜式反應器

全混流模型的意義。

全混流反應器的基本方程

全混流反應器的計算。

迴圈反應器的特徵與計算方法。

返混的概念、起因、返混造成的後果。

返混對各種典型反應的利弊及限制返混的措施。

6.停留時間分布與非理想流動

停留時間分布的意義，停留時間分布的測定方法。

活塞流和全混流停留時間分布表示式，固相反應的計算方法。

多釜串聯模型的基本思想，模型引數

微觀混合對反應結果的影響。

7.反應器選型與操作方式

簡單反應、自催化和可逆反應的濃度效應特徵與優化。

平行反應、串聯反應的濃度效應特徵與優化。

反應器的操作方式、加料方式

8．氣固催化反應中的傳遞現象

催化劑外部傳遞過程分析，極限反應速率與極限傳遞速率。

da和外部效率因子的定義及相互關係。流速對外部傳遞過程的影響。

催化劑內部傳遞過程分析，φ和內部效率因子的定義及相互關係。

擴散對表觀反應級數及表觀活化能的影響。

一級反應內外效率因子的計算。

內外傳遞阻力的消除方法。

9.熱量傳遞與反應器熱穩定性

定態、熱穩定性、臨界著火溫度、臨界熄火溫度的概念。

催化劑顆粒熱穩定性條件和多型特性。

全混流反應器、管式固定床反應器熱穩定條件。

最大允許溫差。

絕熱式反應器中可逆放熱反應的最優溫度分布。

二、具體內容解析

一、緒論

1．研究物件是工業反應過程或工業反應器

研究目的是實現工業反應過程的優化

2．決策變數：反應器結構、操作方式、工藝條件

3．優化指標——技術指標：反應速率、選擇性、能耗

掌握轉化率、收率與選擇性的概念

4．工程思維方法

二、化學反應動力學

1. 反應型別：簡單反應、自催化、可逆、平行、串聯反應

基本特徵、分析判斷

2. 化學反應速率的工程表示

3. 工業反應動力學規律可表示為：

a) 濃度效應——n 工程意義是：反應速率對濃度變化的敏感程度。

b) 溫度效應——e工程意義是：反應速率對溫度變化的敏感程度。

已知兩個溫度下的反應速率常數k，可以按下式計算活化能e：

e——cal/mol，j/mol t——k

r = 1.987cal/mol.k = 8.314 j/mol.k

三、pfr與cstr基本方程

1. 理想間歇：

2. 理想pfr：

3. cstr

4. **法

四、簡單反應的計算

n=1,0,2級反應特徵

濃度、轉化率、反應時間關係式

pfr→cstr，cstr←pfr

基本關係式pfr（間歇cstr

n=0n=1

n=2五、可逆反應 a p

溫度效應：

濃度效應：

pfr積分式

cstr：由基本方程匯出

六、平行反應a，

溫度效應：溫度公升高有利於活化能大的反應

濃度效應：濃度公升高有利於級數大的反應

計算：由基本方程pfr、cstr推出

①反應器選型與組合優化：

β~ca曲線——對應面積=cp

β~xa曲線——對應面積=cp/ca0

②最優加料方式：p163-164

平行反應

pa+bs七、串聯反應

a p s

溫度效應：溫度公升高有利於活化能大的反應（同平行反應）

濃度效應：凡是使增大的因素對串連反應選擇率總是不利的。

①串聯反應的計算

物料衡算

②串聯反應的最優反應時間、轉化率與最大收率

pfrcstr

八、自催化反應

a＋p p＋p

九、變分子反應

①空速sv的物理意義與因次

②膨脹率的定義

③膨脹因子的物理含義

④變分子反應中停留時間t與空時τ的大小關係

十、迴圈反應器的計算

十一、返混

1. 不同年齡的物料相互之間的混合——返混（cstr）

相同年齡的物料相互之間的混合——混合（間歇反應器）

2. 返混的起因：①空間上的反向流動②不均勻的速度分布

3. 返混的結果：反應器內的濃度變化（）

4. 改善措施：分割——橫向分割和縱向分割

5. 和含義

6. 數學期望與方差無因次方差

7. cstr

pfr 和

8. 固相反應的計算

9. 微觀混合對反應結果的影響

(1) 大於一級的反應，上凹曲線，不利

(2) 小於一級的反應，下凹曲線，有利

(3) 一級反應的情況，線性關係，無關

絕熱溫公升

十五、熱量傳遞與反應器的熱穩定性

1. 定態條件熱穩定條件

2. 放熱曲線與移熱曲線，影響因素。多型—a、b、c點的穩定性

3. 最大允許溫差

三、名詞解釋

優化的經濟指標：1.技術上是可行的；2.經濟上的合理的；3.生產的安全程度。

生產成本中原料費用比例大小已成為現代工業生產過程先進性的重要標誌。

三個決策變數：1.結構變數；2.操作方式。3.工藝條件。

反應器的操作方式按其操作連續性可以分為間歇操作，連續操作和半連續操作。

工業反應過程開發就其核心問題而言，需要解決三方面的問題；1.反應器的合理選型；2.反應器操作的優選條件；3.反應器的工程放大。

均相反應應當滿足的兩個條件：1.反應系統可以成為均相；2.預混合過程的時間遠小於反應時間.

活化能的工程意義是反應速率對反應溫度敏感程度的一種度量。活化能越大，表明反應速率對溫度變化愈敏感，即溫度的變化會使反應反應速率發生較大的變化。

反應級數的工程意義是表示反應速率對於反應物濃度變化的敏感程度。反應級數的高低並不單獨決定反應速率的大小，但反應了反應速率對濃度的敏感程度。級數越高，濃度變化對反應速率的影響越大。

（p34）

反應器設計基本方程：反應器設計的基本方程包括反應動力學方程式。物料衡算方程式、熱量衡算方程式和動量衡算方程式。反應動力學方程式是化學反應器設計的基礎。

自催化反應指的是反應產物本身具有催化作用，能加速反應的進行。

自催化反應的特性是自催化反應必須加入微量產物才能啟動。

平行反應選擇率的溫度效應是：提高溫度有利於活化能高的反應；反之，降低溫度則有利於活化能低的反應。

平行反應選擇率與反應物濃度的關係：提高反應物濃度ca,有利於級數高的反應；反之，降低反應物濃度ca,則有利於級數低的反應。

空時、空速和停留時間:

空時又稱空間時間，其定義為反應器體積vr與流體進反應器的體積流量v0的比值。

空速是空時的倒數，其物理意義是單位時間單位反應器體積所能處理進口物料的體積。

停留時間指的是反應物料從進入反應器時算起到離開反應器時為止所經歷的時間。

表徵反應前後分子數變化程度的方法有膨脹率法和膨脹因子法。

膨脹率的定義：是反應組分a全部轉化後系統體積變化的分率。

膨脹因子：是原料a消耗1摩爾時，反應系統總物質的量的變化。

返混：停留時間不動的物料之間的混合，稱為逆向混合或返混。

返混的原因：1.裝置中存在不同尺度的環流；2.不均勻的速度分布。主要措施是分割。

1停留時間分布的表達有停留時間分布密度和停留時間分布函式。

2停留時間分布密度，以f（x）來表達。其定義為，在定常條件下的連續流動系統中，對於某一瞬間t=0時流入反應器的物料，在反應器出口流體物料中停留時間介於t與t+dt之間的物料所佔的分率應為f（t）dt。

3停留時間分布函式，以f(t)表示。其定義為，在定常態下的連續流動系統中，相對於t=0瞬間流入反應器內的物料，在反應器出口物料流中停留時間小於t的物料所佔的分率。

4停留時間分布的實驗測定：停留時間分布通常由實驗測定，主要方法是應答技術，即用一定的方法將示蹤物加入反應器進口，然後在反應器出口物料中檢測示蹤物的訊號，以獲得示蹤物在反應器中停留時間分布規律的實驗資料。

5示蹤物的輸入方法有階躍注入法、脈衝注入法及週期輸入法等。

6示蹤物的基本要求：1.示蹤物必須與進料具有相同或非常接近的流動性能，兩者應具有盡可能相同的物理性質。

2.示蹤物要具有易於檢測的特殊物質，而且這種物質的檢測愈靈敏、愈簡捷，試驗結果就越精確。3.

示蹤物不能與反應物料發生化學反應或被吸附，否則就無法進行對示蹤物的物料衡算。4.用於多相系統檢測的示蹤物不發生由一相轉移到另一相的情況。

連續反應過程的考察方法：

在同乙個連續釜式反應器中分別進行均相反應和固相反應採用的是完全不同的兩種分析方法。兩種方法的根本區別在於考察的物件不同；均相反應是以反應器作為考察物件，而固相反應則以反應物料為考察物件。

滴際混合：是指液滴合併、再分散過程起到了液滴之間的相互混合的作用，稱為滴際混合。

擴散模型:

擴散模型是一種適合於返混程度較小的非理想流動的流動模型。所謂擴散模型即是仿照一般的分子擴散係數來表徵反應器內的質量傳遞，用乙個軸向有效擴散係數de來表徵一維的返混。也就是把具有一定返混的流動簡化為在乙個平推流流動上疊加乙個軸向的擴散。

它是基於如下的基本假設：

1. 沿著與流體流動方向垂直的每乙個截面上具有均勻的徑向濃度；

2. 在每乙個截面上和沿流體流動方向，流體速度和擴散係數均為一恆定值

3. 物料濃度是流體流動距離的連續函式。

多級全混流模型

多級全混流模型是假設乙個實際裝置中的返混情況等效於若干級全混釜串聯式的返混。

化學反應工程研究的目的是實現工業化學反應過程的優化。所謂優化，就是在一定的範圍內，選擇一組優惠的決策變數，使過程系統對於確定的目標達到最優狀態。

工業反應過程的經濟收益是評價生產過程的主要優化目標。

1.自催化反應的優組合 (cstr+pfr)

答：最優反應器組合是先用乙個全混流反應器，控制在最大速率點處操作，然後接乙個平推流反應器，達到高轉化率以充分利用原料。

2.串聯反應，應選擇怎樣的反應器？

答：返混對於串聯反應工程的選擇率是不利因素，因而平推流反應器或多級串聯全混流反應器的選擇率總是優於全混流反應器。（任何使反應器內反應器cp增大和原料ca減小的措施者不利於串聯過程選擇率的提高。

）（pfr或間歇反應器）

1.氣固催化反應步驟（在多孔性催化劑上進行的）

答：①反應物從氣流主體擴散到催化劑顆粒外表面

②反應物從顆粒外表面經催化劑的內孔擴散到顆粒的內表面

③反應物在顆粒內表面上進行化學反應

④反應產物從內孔深處的孔口逆向擴散

化學反應工程複習總結

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化學反應工程

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