化学反应工程研究
内容与应用
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2011/12/27
化学反应工程研究内容与应用
摘要：化学反应工程（chemical reaction engineering ）中既有化学反应，又有传递过程。传递过程的存在并不改变化学反应规律，但却改变了
反应器内各处的温度和浓度，从而影响到反应结果。由于物系相态不同，
反应规律和传递规律也有显著的差别，因此在化学反应工程研究中通常将
反应过程按相态进行分类，如区分为单相反应过程和多相反应过程，后者
又可区分为气固相反应过程、气液相反应过程以及气液固相反应过程等。
关键词：化学相态反应工程反应规律传递规律
1.前言
化学反应工程是化学工程与技术学科的一个分支，以工业反应过程为主要研究对象，以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计为主要目的的一门新兴工程学科。它是在化工热力学、反应动力学、传递过程理论以及化工单元操作的基础上发展起来的。如今，化学反应工程学已进入到有关的各个行业中，并正在发挥其重要作用，如石油化工、精细化工、无机化工、生物化工、环境化工、煤化工等领域。
化学反应工程是采用应用理论推演、结合工程实践的研究方法，研究化学工业及过程工业中普遍存在的物理一化学现象的工程性基础科学，给出可用于工程设计及放大的宏观规律与数学模型。
2.研究目标
化学反应工程的早期研究主要是针对流动、传热和传质对反应结果的影响，如德国G.达姆科勒、美国O.霍根和K.M.华生以及苏联Α.弗兰克－卡曼涅斯基等人的工作。当时曾取名化工动
力学或宏观动力学,着眼于对化学动力学作出某些修正以应用于
工业反应过程。1947年霍根与华生合著的《化工过程原理》第三分册中论述了动力学和催化过程。50年代，有一系列重要的研究论文发表于《化学工程科学》杂志，对反应器内部发生的若干种重要的、影响反应结果的传递过程，如返混、停留时间分布、微观混合、反应器的稳定性等进行研究，获得了丰硕的成果，从而促成了第一届欧洲化学反应工程讨论会的召开。
50年代末到60年代初，出版了一系列反应工程的著作，如S.M.华拉斯的《化工动力学》，O.列文斯比尔的《化学反应工程》等，使学科体系大体形成。此后，一方面继续进行理论研究，积累数据，并应用于实践；另一方面，把应用范围扩展至较复杂的领域，形成了一系列新的分支。例如：应用于石油炼制工业和石油化工中，处理含有成百上千个组分的复杂反应体系，发展了一种新的处理方法，即集总方法（见反应动力学）；应用于高分子化工中的聚合反应过程,出现了聚合反应工程;应用于电化学过程，出现了电化学反应工程；应用于生物化学工业中的生化反应体系，出现了生化反应工程；应用于冶金工业的高温快速反应过程，出现了冶金化学反应工程等。
3.研究方法
由于化学工程对象的这些特点，使得解析方法在化学工程研究中往往失效。也从而形成了自己的研究方法（化学工程研究方法），其中有些方法并非首创，而由别的领域移植而来。
早期的研究方法化学工程初期的主要方法是经验放大，通过多层次的、逐级扩大的试验，探索放大的规律。这种经验方法耗资大、费时长、效果差，人们一直努力试图摆脱这种处境。但是时至今日，对于一些特别复杂，人们迄今尚知之甚少的过程，还不得不求助于或部分求助于此法。
20 世纪初的研究方法相当盛行的是相似论和因次分析，其特点是将影响过程的众多变量通过相似变换或因次分析归纳成为数较少的无因次数群形式，然后设计模型试验，求得这些数群的关系。用这两种方法归纳实验结果，甚为有效。
对于反应过程，逐级的经验方法沿用了很长时间。由于不可能在
满足几何相似和物理量相似的同时满足化学相似条件，用无因次数群关联实验结果以获得反应过程规律的思路归于无效。
50 年代以后的研究方法直至 50 年代，才在化学反应工程领域中广泛应用数学模型方法。这一方法的影响波及到化学工程的其他分支，使研究方法出现了一个革新。但即使采用了这个方法 , 实验工作仍占重要地位 , 基础数据要依靠实验测定，模型要通过实验得到鉴别，模型参数要由实验求取，模型可靠性要由实验验证。
各种化学工程研究方法的基础是实验工作，不论采用哪一种研究方法，都应力求使实验工作有效、可靠和简易可行。各种理论、各种方法以及计算机的应用，目的都是为使实验工作更能揭示事物的规律，更为节省时间、人力和费用。在上述方法的应用中，多方面体现了过程分解（将一个复杂过程分解为两个或几个较简单过程），过程简化（较复杂过程忽略次要因素而以较简单过程简化处理）和过程综合（在分别处理分解了的过程后，再将这些过程综合为一）的思想。
4.研究内容
1.研究化学反应规律，建立反应动力学模型亦即对所研究的化学反应，以简化的或近似的数学表达式来表述反应速率和选择率与温度和浓度等的关系。这本来是物理化学的研究领域，但是化学反应工程工作者由于工业实践的需要，在这方面也进行了大量的工作。不同之处是，化学反应工程工作者着重于建立反应
速率的定量关系式，而且更多地依赖于实验测定和数据关联。多年来，已发展了一整套动力学实验研究方法，其中包括各种实验用反应器的使用、实验数据的统计处理方法和实验规划方法等。
2.研究反应器的传递规律,建立反应器传递模型亦即对各类常用的反应器内的流动、传热和传质等过程进行理论和实验研究，并力求以数学式予以表达。由于传递过程只是物理的,所以研究时可以避免化学反应,用廉价的模拟物系（如空气、水、砂子等）代替实际反应物系进行实验。这种实验常称为冷态模拟实验，简称冷模实验。传递过程的规律可能因设备尺寸而异，冷模实验所采用的设备应是一系列不同尺寸的装置；为可靠起见，所用设备甚至还包括与工业规模相仿的大型实验装置。各类反应器内的传递过程大都比较复杂，有待更深入地去研究。
2.研究反应器内传递过程对反应结果的影响对一个特定反应器内进行的特定的化学反应过程，在其反应动力学模型和反应器传递模型都已确定的条件下，将这些数学模型与物料衡算、热量衡算等方程联立求解，就可以预测反应结果和反应器操作性能。
由于实际工业反应过程的复杂性，至今尚不能对所有工业反应过程都建立可供实用的反应动力学模型和反应器传递模型。因此，进行化学反应工程的理论研究时，概括性地提出若干个典型的传递过程。例如：伴随着流动发生的各种不同的混合，如返混、微观混合、滴际混合等；反应过程中的传质和传热，包括反应相外传质和传热（传质和反应相继发生）和反应相内传质和传热(反应和传质同时进行)。然后，对各个典型传递过程逐个地进行研究，忽略其他因素，单独地考察其对不同类型反应结果的影响。例如，对反应相外的传质，理论研究得出其判据为达姆科勒数Dα，并已导出当Dα取不同值时外部传质对反应结果的影响程度。同样，对反应相内的传质，也得出了相应的判据西勒模数φ。这些理论研究成果构成了本学科内容的重要组成部分。这些成果一般并不一定能够直接用于反应器的设计，但是对于分析判断却有重要的指导意义。
5.应用
1.工业反应过程的开发和放大在化学反应工程学科建立以前，工业界广泛采用的方法是逐级经验放大的方法。其步骤是，首先在小型试验中进行反应器的选型和确定优越的工艺条件（温度、压力、浓度、流速和反应时间度），然后自小至大进行多次中间试验，直至工业规模。由于全部实验带有经验性质，而且试验所用设备的尺寸逐级增大，因而取名为逐级经验放大。中间试验往往耗资大而历时久。化学反应工程学科建立以后，逐步形成一套新的数学模型方法。这种方法是首先在小型试验中确定动力学模型；然后在冷模试验中确定各类候选反应器的传递模型；进而在计算机上进行各候选反应器内反应过程的模拟研究，即在各种不同的工艺条件下对反应器数学模型进行数值求解,预测反应结果,并据此进行反应器的选型，优选工艺条件并设计反应器。采用这种方法时,往往也需要进行适当规模的中间试验,目的是为了“检验”和“修正”模型，以及考察模型中难以包括的因素（如微量杂质的积累，焦油的生成，材质的腐蚀，颗粒粉碎，等等）可能产生影响。而不是为了自小至大进行逐级放大。目前，逐级经验放大和数学模型两种方法同时并存，各有适用范围。但是，即使是逐经级验放大方法，也常是以化学反应工程的理论为指导，而不再是纯经验性的了。
2.工业反应过程的操作优化实际工业反应过程未必在最优的条件下操作。即使设计是优化的，在实施时往往有许多难以预料的因素，使原定的优化设计条件对实际操作未必是优化的。运
用化学反应工程理论对现行的工业反应过程进行分析，结合模拟研究，可找出薄弱环节之所在和进一步调优的方向，通过调节和改造以获得较大的经济效益。
3.新型反应器和反应技术的开发反应工程的理论为新反应器和新反应技术的开发指明了方向，研究者可以据此寻找合理的设备结构和操作方法。例如近年来出现的新的石油化工裂解技术和各种新型流化床反应器，都得益于反应工程理论的指导。
6.未来发展
化学反应工程经过50多年的发展，已成为一门相对较为成熟的工程学科。本文将从化学反应工程理论体系的进一步完善, 新型反应装置开发的个性化，化学反应工程应用范围的进一步拓展3个方面对化学反应工程的未来发展进行分析和讨论，可以看出化学反应工程学科仍具有旺盛的生命力，在解决人类所面临的能源，资源和环境问题，保持社会可持续发展发挥极其重要的作用。
向新领域的渗透这是客观需要，也是学科发展的动力。在历史上，化学工程就在各种新过程的开发和优化，在无机化工和石油化工等装置大型化的推动下得到发展，如大型径向固定床反应器和催化裂化用流化床反应器的开发技术。在解决石油加工中多组分反应物系处理方法时，发展了集总动力学处理方法，这一方法反过来又可用于处理生物反应过程。在向材料工业渗透过程中，出现了将化学反应工程原理
用于聚合过程的聚合反应工程，对于高粘物系传递特性的研究则有了实际应用的课题。随着生物技术的进展, 出现了生物化学工程, 以解决生物反应器和生物制剂分离等问题，如超过滤技术等。能源短缺的情况，使人们重视低温热源的利用，出现了新型换热器。为了保护环境，也为了开发海洋资源，要求研究低浓度混合物的分离技术，于是出现了新的分离技术，如膜分离、泡沫分离等。用化学工程的观点和方法，研究人体内的生理过程，如药物在人体中的扩散，以及研究人工脏器等，形成了生物医学工程这一新的研究领域。为了探索在离心力场、电场、磁场等作用下的过程规律，出现了场致化学工程。化学工程的原理甚至被应用于研究高纯电子器件的制备，喷气技术等等方面。也就是说，在化工生产领域之外，凡是存在反应过程或传递过程并值得重视的场合，几乎都可以找到化学工程的用武之地。这一认识反映了当今化学工程的概貌。
参考文献
[1]. 刘军化学反应工程化学工业出版社 2009
[2].辛忠科学出版社化学工程化学反应技术应用科学出版社2010
[3]. 靳海波译施密特（Schmidt L.D.），臧福禄编化学反应工程（第2版中国石化出版社 2011
[4].吕椰子, 童彦杰, 吴元欣, 吴迎, 朱圣东化学工程与技术
化学反应工程考试总结 一、填空题： 1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指质 量传递、热量传递和动量传递，“一反”是指反应动力学。 2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同，但通常温度升 高有利于活化能高的反应的选择性，反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。 3.测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输 入方法为脉冲示踪法和阶跃示踪法。 4.在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速度方程式的 两种最主要的方法为积分法和微分法。 5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ，轴 向扩散模型的唯一模型参数为Pe（或Ez / uL）。 6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳 定性。 7.平推流反应器的E函数表达式为 , () 0, t t E t t t ?∞= ? =? ≠ ?? ，其无 因次方差2θσ= 0 ，而全混流反应器的无因次方差2θσ＝ 1 。 8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol hr )，该反应为 2 级 反应。 9.对于反应22 A B R +→，各物质反应速率之间的关系为 (-r A)：(-r B)：r R＝ 1：2：2 。
10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产 物是中间产物的串联反应。 →+，则其反应速率表达式不能确11.某反应的计量方程为A R S 定。 12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解，在67℃时转化 50％需要30 min, 而在80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒，该反应的活化能为 3.46×105 (J / mol ) 。 13.反应级数不可能（可能/不可能）大于3。 14.对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应 器时主要考虑反应器的大小；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是目的产物的收率； 15.完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度均一， 并且等于（大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。 二.单项选择 10.(2) B 1、气相反应CO + 3H2CH4 + H2O进料时无惰性气体，CO与2H以1∶2 δ=__A_。 摩尔比进料，则膨胀因子CO A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S P在间歇式反应器中，则目的产物P C___A____。 的最大浓度= max ,P
1、平推流的F(t)~t和E(t)~t曲线有何特征？并画图说明。 答: 平推流的F(t)~t曲线特征：F(t)= 平推流的E(t)~t曲线特征：E(t)={ 2、理想吸附应符合哪些条件？ 答：①均匀表面（理想表面）：即催化剂表面各处的吸附能力是均一的，吸附热于表面已被吸附的程度如何无关②单分子层吸附③被吸附的分子间互不影响④吸附的机理均相同，吸附形成的络合物亦均相同⑤吸附与脱附可以建立动态平衡 3、测定停留时间分布需要借助示踪剂,示踪剂应满足哪些条件？ 答：采用何种示踪剂，要根据物料的物态、相系及其反应器的类型等情况而定。 A不应与主流体发生反应 B与所研究的流体完全互溶，除了显著区别与主流体的某一可检测性质外，二者应具有尽可能相同的物理性质 C便于检测：本身应具有或者易于转变为电信号或者光信号的特点，并且浓度很低时也能够检测 D加入示踪剂不影响所研究流体的流动状态 E不被反应器表面及其反应器内部的固体填充物吸附，用于多相系统检测的失踪剂不发生相间的转移 4、什么是返混，简述返混对复合反应体系的影响。 答：返混是指不同停留时间的物料粒子间的混合，或者不同时间进入反应器的物料间的混合。 对平行反应：若主反应级数高于副反应级数，返混使主产物选择率下降，若主反应级数低于副反应级数，返混使主产物选择率提高。 对连串反应：返混使反应物浓度降低，产物浓度提高，因而使主产物的选择率下降。5、什么是反应器的热稳定性？全混釜稳定操作的必要条件是什么？ 答：反应器的热稳定性是指当操作参数受外界干扰，偏离正常值，出现微小变化时，反应能否正常进行，当外界干扰取消时，操作状态能否自动恢复到规定的正常值。 全混釜稳定操作的必要条件：Q r=Q G dQ r∕dT>dQ G/dT 6、选择操作温度的一般原则是什么？ 答：①反应的热效应不大，反应热较小，活化能较低，而且在相当广的温度范围内，反应的选择性变化很小，则可采用既不供热也不出去热量的绝热操作是最方便的，反应放出或吸收的热量由系统中物料本身温度的升高或者降低来平衡，这种操作温度的变化范围不应超过工艺上许可的范围。 ②对中等热效应的反应，一般先考虑采用绝热操作，因此绝热反应器结构简单，经济，但应对收率、操作费用、反应器大小方面全盘衡量，最后才确定采用绝热或变温的方式。若为液相反应，可采用具有夹套或者盘管的釜式反应器，以便控制在等温下操作。 ③对热效应较大的反应，要求在整个反应过程中同时进行有效地热交换。 ④对极为快速的反应，一般考虑采用绝热操作，或者利用溶剂的蒸发来控制温度。 7、平推流与全混流是流体在反应器中流动的两种极端模型，二者各有何特点？并进行比 较。
化工原理课程设计管壳式换热器汇总 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
设计一台换热器 目录 化工原理课程设计任务书 设计概述 试算并初选换热器规格 1. 流体流动途径的确定 2. 物性参数及其选型 3. 计算热负荷及冷却水流量 4. 计算两流体的平均温度差 5. 初选换热器的规格 工艺计算 1. 核算总传热系数 2. 核算压强降 经验公式 设备及工艺流程图 设计结果一览表 设计评述 参考文献 化工原理课程设计任务书 一、设计题目： 设计一台换热器 二、操作条件： 1、苯：入口温度80℃，出口温度40℃。 2、冷却介质：循环水，入口温度35℃。
3、允许压强降：不大于50kPa。 4、每年按300天计，每天24小时连续运行。 三、设备型式： 管壳式换热器 四、处理能力： 99000吨/年苯 五、设计要求： 1、选定管壳式换热器的种类和工艺流程。 2、管壳式换热器的工艺计算和主要的工艺尺寸的设计。 3、设计结果概要或设计结果一览表。 4、设备简图。（要求按比例画出主要结构及尺寸） 5、对本设计的评述及有关问题的讨论。 1.设计概述 热量传递的概念与意义 1.热量传递的概念 热量传递是指由于温度差引起的能量转移，简称传热。由热力学第二定律可知，在自然界中凡是有温差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。 2. 化学工业与热传递的关系 化学工业与传热的关系密切。这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，多需要进行加热和冷却，例如：化学反应通常要在一定的温度进行，为
一、单项选择题： （每题2分，共20分） 1．反应器中等温进行着A →P(1)和A →R(2)两个反应，当降低A 的浓度后，发现反应生成P 的量显著降低，而R 的生成量略降低，表明(A ) A ．反应(1)对A 的反应级数大于反应(2) B ．反应(1) 对A 的反应级数小于反应 (2) C ．反应(1)的活化能小于反应(2) D ．反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值2θσ为( B ) A ． 1.0 B. 0.25 C ．0.50 D ．0 3．对一平行—连串反应R A Q P A ?→??→??→?) 3()2()1(，P 为目的产物，若活化能次序为：E 2
化学反应工程基础知识总结（笔记） 1、化学反应工程是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。如何将其在工业规模上实现是化学反应工程的主要任务。 2、理想置换反应器的特点：①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料通过反应器的时间都是相同的②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性是一致的③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。 3、全混流反应器的特性①物料在反应器内充分返混②反应器内各物料参数均一③反应器的出口组成与器内物料组成相同④反应过程中连续进料与出料，是一定常态过程。 4、返混的定义：物料在反应器内不仅有空间上的混合而是有时间上的混合，这种混合过程称返混。 5、非均相催化反应过程步骤①反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递②反应组分从外表面向催化剂内表面传递③反应组分在催化剂表面的活性中心上吸附④在催化剂表面上进行化学反应⑤反应产物在催化剂表面上解吸⑥ 反应产物从催化剂内表面向外表面传递⑦反应产物从催化剂的外表面向流体主体传递 6、兰格缪尓（Langmuir）吸附模型条件①催化剂表面上活性中心分布是均匀的②吸附活化能和脱附活化能与表面吸附的程度无关③每个活性中心仅能吸附一个气相分子④被吸附分子间互不影响，也不影响空位对气相分子的吸附。 7、焦姆金（Temkhh）吸附模型： 一般吸附活化能随覆盖率的增加而增大，脱附活化能则随覆盖率的增加而减小，因此吸附热必然随覆盖率的增加而减小。 8、催化剂颗粒内气体扩散：多孔催化剂颗粒内的扩散现象是很复杂的。除扩散路径极不规则外，孔的大小不同时，气体分子扩散机理亦有所不同。当孔径较大时，分子的扩散阻力要是由于分子间碰撞所致，这种扩散通常所称的分子扩散或容积扩散。当微孔的孔径小于分子的平均自由程时，分子与孔壁的碰撞机会超过了分子间的相互碰撞，从而使分子与孔壁的碰撞成为扩散阻力的主要因素，称为克努森（Knudson）扩散。 9、一微拟均相非理想流模型①流体在床层中流动属非理想流动，但遵循轴向扩散模型②流体沿床层径向温度、浓度是均一的，仅沿轴向变化③流体与催化剂在同一截面处的温度、浓度相同。三个基本方程：动量、物料、热量衡算方程。 10、流体床反应器的特点①流体床反应器采用的催化剂颗粒直径远小于固定床反应器选用的颗粒直径。则流化床反应器中颗粒外表面积远大于固定床反应器中颗粒的外表面积②由于流化床反应器颗粒直径较小，催化剂颗粒的内扩
中北大学 课程设计说明书 学生姓名:学号： 1404 学院: 环境与安全工程学院 专业: 安全工程 题目: 乙烯/空气混合气体管道波纹阻火器设计 指导教师：职称:讲师 2018年1 月14日
目录 1 概论 (1) 2 机械阻火器 (2) 2.1 阻火器的工作原理 (2) 2.2 阻火器的种类 (4) 2.3 阻火器主要应用场所 (4) 2.4 阻火器特点 (5) 3 波纹型阻火器（乙烯/空气）设计 (6) 3.1 GZW-1型波纹型阻火器 (6) 3.2波纹型阻火器结构 (8) 3.3阻火器结构设计 (9) 3.4阻火器性能测试 (15) 4课程设计总结 (16) 参考文献 (17)
1概论 爆炸阻隔是一种利用隔爆装置将设备内发生的燃烧或爆炸火焰实施阻隔，使之无法通过管道传播到其他设备中去的一种防爆技术措施。隔爆技术措施按作用机制不同，分为机械隔爆和化学隔爆两种类型，隔爆装置主要有工业阻火器、主动式隔爆装置和被动式隔爆装置等几种类型。工业阻火器又分为机械阻火器、液封阻火器和料封阻火器等类型，主要用于阻隔燃烧和爆炸初期火焰蔓延；主动式隔爆装置通过传感器探到的爆炸信号实施制动；被动式隔爆装置则依靠爆炸波本身引发制动。本次设计产品为波纹型阻火器（乙烯/空气），为机械阻火器的一种。阻火器的作用是防止外部火焰窜入存有易燃、易爆物料的设备、管道、容器内，或者阻止火焰在设备和管道闻蔓延。 乙烯极易发生氧化爆炸，当乙烯气体浓度达到爆炸极限，遇到点火源，便可发生氧化爆炸。乙烯在空气中爆炸浓度范围大约为2.74～36.95%（体积）。同时乙烯爆炸所需点火能很低，约0.096 mJ。此外乙烯具有分解爆炸特性，其分解过程不需要助燃剂氧气的参与。一旦局部气体过热使少量气体分解而波及剩余气体，短时间内气体急剧膨胀并且放出大量热量，最终导致爆炸发生[1]。故通过高效、经济的阻火器来阻止乙烯爆炸，或进行爆炸阻隔很有必要。 防火、灭火技术是防火防爆课程的主要研究内容之一，通过本设计，进一步学习防火、灭火的基本理论知识，掌握各类阻火器的工作原理、规格、用途、效能以及使用方法。
4?从反应器停留时间分布测定中 ，求得无因次方差「二 _ 0.98 ，反应器可视为 XXX 大学 化学反应工程 试题B （开）卷 （答案）2011 — 2012学年第一学 期 一、单项选择题： （每题2分，共20分） 1.反应器中等温进行着 A T P （1）和A T R （2）两个反应，当降低 A 的浓度后，发现反 应生成P 的量显著降低，而 R 的生成量略降低，表明 （） A .反应（1）对A 的反应级数大于反应 （2） B .反应（1）对A 的反应级数小于反应 C .反应（1）的活化能小于反应 （2） D .反应（1）的反应速率常数大于反应 2 一为（） 2?四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值 A . 1.0 B. 0.25 C . 0.50 A （1） > A ⑶ > D . 0 P —-(2)， Q 3. 对一平行一连串反应 为了目的产物的收率最大， A .先高后低 B.先低后高 C .高温操作 4. 两个等体积的全混流反应器进行串联操作， 与第二釜的反应速率-広2之间的关系为（ A . -r Ai > -r A2 B . -r Ai 则最佳操作温度序列为（ ,P 为目的产物，若活化能次序为：E 2 中北大学 中北大学 课 程 设 计 任 务 书 《化学反应工程》试题 XXX大学化学反应工程试题B（开）卷 （答案）2011—2012学年第一学期 一、单项选择题：（每题2分，共20分） 1．反应器中等温进行着A→P(1)和A→R(2)两个反应，当降低A的浓度后，发现反应生成P的量显著降低，而R的生成量略降低，表明(A ) A．反应(1)对A的反应级数大于反应(2) B．反应(1) 对A的反应级数小于反应(2) C．反应(1)的活化能小于反应(2) D．反应(1)的反应速率常数大于反应(2) 2.四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值为( B ) A． 1.0 B. 0.25 C．0.50 D．0 3．对一平行—连串反应，P为目的产物，若活化能次序为：E2 、绪论 1. 研究对象是工业反应过程或工业反应器 研究目的是实现工业反应过程的优化 2. 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 3. 优化指标一一技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念 4. 工程思维方法 1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应 基本特征、分析判断 2. 化学反应速率的工程表示 3. 工业反应动力学规律可表示为： r i f c （G ） f T （T ） a ）浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程 度。 b ）温度效应——E 工程意义是：反应速率对温度变化的敏感程 度。 E ---- cal/mol , j/mol T ----- K R = 1.987cal/mol.K = 8.314 j/mol.K 化学反应动力学 反应速率= 反应量 （反应时间）（反应 已知两个温度下的反应速率常数 k , 可以按下式计算活化能 工程问题 动力学问题 三、PFR与CSTR基本方程 1.理想间歇：t V R V o c Af dC A CA0( J ) x Af dx A XA0( J ) 2.理想PFR V R V o C Af dc A C A0 ( J) C A0 x Af dx A x A 0(「A) 3. CSTR 4. 图解法 V R C A0 C A C A0X A T /C A0 0 X Af X A 四、简单反应的计算 n=1,0,2级反应特征C A C A0(1 X A)浓度、转化率、反应时间关系式 基本关系式PFR（间歇）CSTR V R C Af dC A V R C A0 C A p V。C A0 (：)m v (「A) PFF H CSTR CSTR>PFR C A0X A k p C A0 X A k p n=0 n=1 n=2 C A0 kC A . 11 k p 丁 C A C A0 k p 1吒C A0 化学工程与工艺专业培养方案 （工学，化学工程与工艺，081301） 一、培养目标 以国家建设和社会需求为导向，本专业培养具有高度的社会责任感和良好的职业道德，良好的人文社会科学素养和健康的身心素质，具备化学、化学工程与技术及相关学科的基础知识，基本理论和基本技能，具有较强的工程实践能力和创新意识的高素质应用型工程技术人才。毕业后可在化工、能源、资源、冶金、材料、轻工、医药、食品、环保和军工等部门从事工程设计、技术开发、生产运行与技术管理等工作。 二、培养要求 本专业培养的基本要求是所培养的学生能够适应科技进步和社会发展需要，适应改革开放和社会主义经济建设需要，除了掌握扎实的化工基础及专门知识以外，还要熟悉与该化工领域有关的一个专业方向知识。本专业设高分子化工和能源化工两个方向。其中高分子化工方向应具有扎实的高分子合成、加工与管理的相关知识、能力和素质；能源化工方向应具有较强的能源与环境等方面的知识、能力和素质。 三、培养标准 本专业的培养规格分为知识、能力与素质三大方面，共计15条培养标准。 1. 知识要求 （1）具有较扎实的数学和自然科学基础，了解现代物理、信息科学、环境科学、心理学的基本知识，了解当代科学技术发展的其他主要方面和应用前景； （2）熟练掌握一门外国语；掌握现代计算机技术应用与编程，具有应用计算机技术进行工程表达的能力； （3）掌握化学工程、化学工艺学科的基本理论、基本知识和工程基础知识，受到化学与化工实验技能、工程实践、计算机应用、科学研究与工程设计方法的基本训练； （4）具有一定人文、社会科学基础、科学文献检索和文学表述能力； 识，对本专业范围的科学技术新发展及其动向有一般的了解。 2．能力要求 （1）具有较强的自学能力、具有综合应用各种手段(包括外语)查取资料、获取信息的基本能力；具有应用语言、文字、图件进行工程表达和交流的基本能力；至少掌握一门计算机高级语言，具有计算机应用、主要测试和试验仪器使用的基本能力； （2）具有本专业所必须的实验、测试、计算机应用等技能，掌握化工装置工艺与设备的设计方法、化工过程模拟优化方法，具有对新工艺、新技术、新设备、新产品进行研究、开发、设计和模拟放大的初步能力； （3）具有较强开拓创新精神，初步掌握一门外语，能比较熟练地阅读本专业外文书刊，了解本学科国际前沿性的科学技术最新发展动态，具有一定的创新性思维和科技研究能力； （4）具有综合应用知识的能力，能够进行化工设计、应用和管理；经过一定环节的训练后，具有初步的科学研究或技术研究、应用开发等创新能力； （5）具有综合应用各种手段（包括外语）查询资料、获取信息、拓展知识领域、继续学习的能力。 3．素质要求 （1）热爱社会主义祖国，拥护中国共产党的领导，掌握马列主义、毛泽东思想和邓小平理论的基本原理；愿为社会主义现代化建设服务、为人民服务；有为国家富强、民族昌盛而奋斗的志向和责任感；具有敬业爱岗、艰苦求实、热爱劳动、遵纪守法、团结合作的品质；具有良好的思想品德、社会公德和职业道德； （2）热爱本专业，比较系统地掌握本专业所必需的自然科学基础与技术科学基础的理论知识，具有一定的专业知识和相关的工程技术知识和技术经济、工业管理知识，对本专业学科范围内的科学技术新发展及其动向有一般了解； （3）具有较好的文化素质和心理素质以及一定的修养。积极参加社会实践，走正确的成长道路，受到必要的军事训练，能够同群众结合，理论联系实际，实事求是，热爱劳动； 化学反应工程原理 一、选择题 1、气相反应 CO + 3H 2 CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以1∶2摩尔比进料， 则膨胀因子CO δ=__A_。 A. -2 B. -1 C. 1 D. 2 2、一级连串反应A S K 1 K 2 P 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度=m ax ,P C ___A____。 A. 1 22 )(210K K K A K K C - B. 2 2/1120 ]1)/[(+K K C A C. 122 )(120K K K A K K C - D. 2 2/1210]1)/[(+K K C A 3、串联反应A → P （目的）→R + S ，目的产物P 与副产物S 的选择性 P S =__C_。 A. A A P P n n n n --00 B. 0 A P P n n n - C. 0 0S S P P n n n n -- D. 0 0R R P P n n n n -- 4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n___B__。 A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0 5 、对于单一反应组分的平行反应A P(主) S(副)，其瞬间收率P ?随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为 ____B__。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用____A___。 A. 平推流反应器 B. 全混流反应器 C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器 7 、一级不可逆液相反应 A 2R ，3 0/30.2m kmol C A =， 出口转化率 7.0=A x ，每批操作时间 h t t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3 m 。 A. 19.6 B. 20.2 C. 22.2 D. 23.4 8、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ， s l mol C r A A ?=-/01.0，当l mol C A /10=时，求反应至 l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。 A. 400 B. 460 C. 500 D. 560 9、一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的最优空时 = opt τ_____D__。 A. 1 212) /ln(K K K K - B. 1 221)/ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 2 11K K 10、分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 不包括下列哪一项____B___。 化学反应工程课程设计题目年产80000t乙酸乙酯间歇釜式反应器设计系别化学与化工学院 专业应用化学 学生姓名 学号年级 指导教师职称副教授 2013 年 6 月20 日 一、设计任务书及要求 1.1设计题目 80000t/y 乙酸乙酯反应用间歇釜式反应器设计 1.2设计任务及条件 （1）反应方程式： )()()()(2523523S O H R H C O O C CH B OH H C A COOH CH +?+ （2）原料中反应组分的质量比：A ：B ：S=1：2：1.35。 （3）反应液的密度为1020kg/3m ,并假设在反应过程中不变。C 100?时被搅拌液体物料的物性参数为： 比热容为13.124-??=K mol J C p ，导热系数()C m W ??=/325.0λ，黏度 s Pa .101.54-?=μ。 （4）生产能力：80000t/y 乙酸乙酯，年生产8000小时，，每小时生产10t,乙酸的转化率为40℅。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h 。 （5）反应在100℃下等温操作，其反应速率方程如下： ()K c c c c k r S R B A A /1-= 100℃时，min)./(1076.441mol L k -?=，平衡常数K =2.92。反应器填充系数可取0.70-0.85。乙酸乙酯相对分子质量88；乙酸相对分子质量60；乙醇相对分子质量46；水相对分子质量18。 （6）最大操作压力为10.4P MPa =。加热的方式为用夹套内的水蒸汽进行电加热。 1.3设计内容 1、物料衡算及热量衡算； 2、反应器体积计算及高径比、直径等参数确定； 3、反应搅拌器设计； 4、其他配件； 5、带管口方位图的设备条件图绘制（不用绘制零件图，不用达到设备装配图水平）； 6、设计体会； 1.化学反应工程是一门研究______________的科学。 2.化学反应速率式为β α B A C A C C K r =-，如用浓度表示的速率常数为C K ，用压力表示的速率常数 P K ，则C K =_______P K 。 3. 平行反应 A P(主) S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。 4.对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。 5.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。 6.若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合，这种流体称为_______。 7.流体的混合程度常用_______、_______来描述。 8.催化剂在使用过程中，可能因晶体结构变化、融合等导致表面积减少造成的_______失活，也可能由于化学物质造成的中毒或物料发生分解而造成的_______失活。 9.对于多孔性的催化剂，分子扩散很复杂，当微孔孔径在约_______时，分子与孔壁的碰撞为扩散阻力的主要因素。 10.绝热床反应器由于没有径向床壁传热，一般可以当作平推流处理，只考虑流体流动方向上有温度和浓度的变化，因此一般可用_______模型来计算。 11.对于可逆的放热反应，存在着使反应速率最大的最优温度opt T 和平衡温度eq T ，二者的关系为______________。 12.描述流化床的气泡两相模型，以0U 的气速进入床层的气体中，一部分在乳相中以起始流化 速度mf U 通过，而其余部分_______则全部以气泡的形式通过。 13.描述流化床的数学模型，对于气、乳两相的流动模式一般认为_______相为平推流，而对_______相则有种种不同的流型。 14.多相反应过程是指同时存在_______相态的反应系统所进行的反应过程。 II.1.一级连串反应A → P → S 在全混流釜式反应器中进行，使目的产物P 浓度最大时的最优 空时 = opt τ_______。 A. 1212)/ln(K K K K - B. 1221) /ln(K K K K - C. 2 112)/ln(K K K K D. 211K K 2.全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着A χ的增大而减小，此时该反应的反应级数n_______。 A. ＜0 B. =0 C. ≥0 D. ＞0 3.当反应级数n_______时，微观流体具有比宏观流体高的出口转化率。 A. =0 B. =1 C. ＞1 D. ＜1 4.轴向分散模型的物料衡算方程的初始条件和边界条件与_______无关。 A. 示踪剂的种类 B. 示踪剂的输入方式 C. 管内的流动状态 D. 检测位置 5.对于气-液相反应几乎全部在液相中进行的极慢反应，为提高反应速率，应选用_______装置。A. 填料塔 B. 喷洒塔 C. 鼓泡塔 D. 搅拌釜 6.催化剂在使用过程中会逐渐失活，其失活速率式为d m i d C k dt d ψψ =- ，当平行失活对反应物有强内扩散阻力时，d 为_______。 化学工程的发展与展望 化学工程的发展与展 化学工程是将化学过程和物理过程的基础理论研究与工业化学相结合的学科，不仅是一门具有百年历史的成熟基础学科，也是充满朝气、与时俱进的学科。 1 化学工程的兴起 几千年来过滤、蒸发、结晶等操作在生产中被广泛的应用，但在相当长的时期里，这些操作都是规模很小的手工作业。化学工程这一学科，是在 19 世纪后期随着大规模制造化学工业产品的生产过程的发展而诞生的。 19 世纪70 年代，各种基础化学品的生产等都有了相当的规模，化学工业有了许多杰出的成就。如索尔维法制碱中所用的纯碱碳化塔，高 20 余米，在其中同时进行化学吸收 、结晶、沉降等过程，但是人们还没有从其中找出共有的规律。1880 年，“化学工程” 第一次被英国学者 George E.Davis 正式提出，1888 年，美国麻省理工学院开设了第一个以“化学工程”命名的课程，标志着化学工程学科的诞生。1915 年，本文由论文联盟https://www.doczj.com/doc/a816343018.html, 收集整理美国学者 Arthur D. Little 提出了“单元操作”，将各种化学品的工业生产工艺分解为若干独立的物理操作单元，并阐明了即使是不同的工艺，只要是相同操作单元就遵循的相同原理。 1920 年，在美国麻省理工学院，化学工程从化学系分离出来，成为一个独立的系。1923 年华克尔、刘易斯和 W.H.麦克亚共同写的《化工原理》一书出版，奠定了化学工程作为一门独立的工程学科的基础。 2化学工程的发展 2.120 世纪前叶，化学工程二级学科应运而生 在20 世纪前叶，化学工程学科的发展促进了许多化学工艺的问世，如美国用丙烯合成出异丙醇，被誉为是石油化工的开端。这些化学工艺的出现，许多化学工程二级学科应运而生。 化学热力学，化学反应工程，传递过程，化工系统工程，化工控制工程等多个二级学科相继诞生。 2.220 世纪50～60 年代，化学工程完成了从单元操作到 河南城建学院 《反应工程》课程设计任务书专业： 姓名： 学号： 指导教师： 化学与化学工程系 2012年5月 一、设计时间及地点 1、设计时间：2012年5月28日—— 6月8日 具体安排： 2012年5月28日上午教师组织学生分组，布置课程设计任务 2012年5月28日下午学生开始查阅资料，整理资料，理出设计思路2012年5月29日开始学生在教师指导下开始进行课程设计计算 2012年6月5日开始学生在教师指导下编写设计说明书并绘制图纸2012年6月8日上午分组进行答辩 2、设计地点：9#楼C—509教室 二、设计目的和要求 通过课程设计，要求更加熟悉工程设计基本内容，掌握化学反应器设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、独立工作和创新能力。 三、设计题目和内容 设计题目： 年产（5+（学号-25）×0.5）万吨的银催化氧化乙烯合成环氧乙烷的反 应器设计 设计条件：银催化氧化乙烯合成环氧乙烷。 表1 原料气的组成 组分C2H4CO2O2N2 含量 3.47.7 5.683.3 （mol%) 生产规模：（5+（学号-25）×0.5）万吨/年 原料进入反应器的温度为210°C 反应温度为250°C 反应压力为1MPa 乙烯转化率为[12+(学号-20)×0.5]%；选择性为65%；空速为5000h-1年工作时间7200小时 反应产物分离后回收率为90% 四、设计方法和步骤 1、设计方案简介 根据设计任务书所提供的条件和要求，通过对现有资料的分析对比，初步确定工艺流程。对选定的工艺流程、主要设备的型式以及数值积分计算等进行简要的论述。 2、主要设备的工艺设计计算 ①反应的物料衡算、热量衡算 ②催化剂床层高度计算 3、典型辅助设备的选型和计算: 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定 4、制图： ①绘制带控制点的工艺流程图 ②绘制主体设备图 5、编写设计说明书 五、设计成果的编制 本课程的设计任务要求学生做设计说明书1份、图纸2张。各部分具体要求如下： （一）设计说明书的内容与顺序： 1、封面（包括题目、学生班级、学生姓名、指导教师姓名等） 2、设计任务书 3、目录 4、正文 4.1 绪论：工艺生产技术方法及进展，反应动力学概述、设计任务的意义、设计结果简述 4.2 设计方案简介 4.3 物料流程图及说明 4.4 设计计算说明书（包括装置的工艺计算：物料衡算、热量衡算，反应器床层计算） 4.5 装置流程图（带控制点的工艺流程图和主体设备图）及其说明 4.6 设计结果概要 4.7 设计体会及今后的改进意见 5、参考文献 6、主要符号说明（必须注明意义和单位） 说明书必须书写工整、图文清晰。说明书中所有公式必须写明编 《化学反应工程原理》复习思考题 第一章绪论 1、了解化学反应工程的研究内容和研究方法。 2、几个常用指标的定义及计算：转化率、选择性、收率。 第二章化学反应动力学 1、化学反应速率的工程表示，气固相催化反应及气液相非均相反应反应区的取法。 2、反应速率常数的单位及其换算。 3、复杂反应的反应速率表达式（可逆、平行、连串、自催化）。 4、气固相催化反应的步骤及基本特征。 5、物理吸附与化学吸附的特点。 6、理想吸附等温方程的导出及应用（单组分吸附、解离吸附、混合吸附）。 7、气固相催化反应动力学方程的推导步骤。 8、不同控制步骤的理想吸附模型的动力学方程的推导。 9、由已知的动力学方程推测反应机理。 第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征 1、反应器设计的基本方程式。 2、理想间歇反应器的特点。 3、理想间歇反应器等温、等容一级、二级反应反应时间的计算及反应器体积的计算。 4、自催化反应的特点及最佳工艺条件的确定及最佳反应器形式的选择。 5、理想间歇反应器最优反应时间的计算. 7、可逆反应的反应速率，分析其浓度效应及温度效应。 8、平行反应选择率的浓度效应及温度效应分析。 9、平行反应反应器形式和操作方式的选择。 10、串连反应反应物及产物的浓度分布，t opt C p.max的计算。 11、串连反应的温度效应及浓度效应分析。 第四章理想管式反应器 1、理想管式反应器的特点。 2、理想管式反应器内进行一级、二级等容、变容反应的计算。 3、空时、空速、停留时间的概念及计算。 4、膨胀率、膨胀因子的定义，变分子数反应过程反应器的计算。 第五章理想连续流动釜式反应器 1、全混流反应器的特点。 2、全混流反应器的基础方程及应用。 3、全混釜中进行零级、一级、二级等温、等容反应时的解析法计算。 4、全混釜的图解计算原理及图解示意。 5、全混流反应器中的浓度分布与返混，返混对反应的影响。 6、返混产生的原因及限制返混的措施。 7、多釜串联反应器进行一级、二级不可逆反应的解析法计算。 8、多釜串联反应器的图解法计算原理。 第七章化学反应过程的优化 1、简单反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较及反应器形式的选择。 2、多釜串连反应器串连段数的选择分析。 3、自催化反应反应器的选型分析。 4、可逆放热反应速率随温度的变化规律，平衡温度和最优温度的概念。 5、平行反应选择率的温度效应及浓度效应分析，反应器的选型，操作方式的确定。 6、串连反应影响选择率和收率的因素分析，反应器的选型及操作方式的确定。 7、平推流与全混釜的组合方式及其计算。 第八章气固相催化反应过程的传递现象 1、气固相催化反应的全过程及特点。 2、等温条件下催化剂颗粒的外部效率因子的定义。 3、外扩散、内扩散对平行反应、连串反应选择性的影响分析。 4、气体流速对外扩散的影响分析。 5、等温条件下催化剂颗粒的内部效率因子的定义。水污染控制工程课程设计
课 程 设 计 说 明 书
学生姓名： 学 专 题 院： 业：
郭凯旋
学 号： 化工与环境学院 环境工程
0804014209
目：流量为 8000 m3/h 的城市污水 A2/O 法 脱氮除磷工艺设计
指导教师： 指导教师：
晋日亚
职称: 职称:
副教授
2011 年 5 月 27 日
课程设计任务书
2010~2011 学年第 二 学期
学 专
院： 业：
化工与环境学院 环境工程 郭凯旋
3
学 生 姓 名：
学 号： 0804014209
2
课程设计题目：流量为 8000 m /h 的城市污水 A /O 法 脱氮除磷工艺设计 起 迄 日 期： 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任： 5 月 16 日～5 月 27 日 环境工程系 晋日亚 王海芳
下达任务书日期: 2011 年 5 月 16 日
1．设计目的：
通过课程设计，进一步强化水污染控制工程课程的相关知识的学习，初步掌握污水 处理中常见构筑物的设计方法、 设计步骤。 学会用 CAD 软件绘制构筑物的基本设计图纸。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等） ：
原始数据与基本参数： 原始数据与基本参数： 设计污水流量： 8000 m3/h； z： COD： mg/L， K 1.3， 300 BOD5： 200mg/L； 170mg/L； SS： TN：20mg/L；TP：6 mg/L，水温：10～25℃，处理后二级出水 BOD5：25mg/L；SS： 30mg/L；TN＜5mg/L,TP≤1 mg/L。其它参数查阅相关文献自定。 设计内容和要求： 设计内容和要求 ①计算 A2/O 法脱氮除磷的工艺参数； ②A2/O 法脱氮除磷的工艺构筑物的图纸详细设计。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、 实物样品等〕 ：
（1）课程设计说明书一份； （2）说明书内容包括： ①A2/O 法脱氮除磷的工艺在水处理中的作用说明； ②根据给出参数对 A2/O 法脱氮除磷的工艺各部分尺寸的详细计算过程； ③设计图纸（CAD 绘图）规范，图纸包括整体图和局部图的设计，计算尺寸要在图 中相应的位置标明； ④单位要正确，参考文献必须在说明书中相应的位置标注，语言流畅、规范。 （3）工作量：两周化学反应工程期末考试试题及答案
化学反应工程总结
化学工程与工艺专业培养方案
化学反应工程期末考试真题
化工反应工程反应器课程设计
化学反应工程期末试卷试题(附答案)
化学工程的发展与展望
反应工程课程设计任务书 环氧乙烷的反应器设计
化学反应工程复习题
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