化学反应工程_第六章_气液反应工程
- 格式:ppt
- 大小:3.08 MB
- 文档页数:104
第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础 一、思考题1、间歇系统与连续系统中,反应速率的定义式有何异同?2、反应系统中反应速率与化学计量系数有何关系?3、反应速率可以用浓度c i 、分压p i 或摩尔分率y i 来表述,相应的速率常数k c 、k p 、k y 之间有何关系?4、温度增加,反应速率常数肯定增加,对否?5、空速的定义是什么?它的大小反映了反应器的什么能力?6、转化率的定义是什么?在复杂反应系统中,它是否能起到在简单反应系统中所起到的作用?7、化学反应中哪种吸附起主要作用?8、惰性物质不参加反应,所以对吸附、脱附无任何影响,对否?9、吸附或脱附为控制步骤时,关键组分A 的分压有何特点,非关键组分的分压有何特点? 10、表面反应为控制步骤时,反应物、生成物的分压有何特点? 11、表达反应系统体积变化的参数是什么?12、方程式中反应前后摩尔数的变化是否表示反应体积的变化?第二章 气-固相催化反应本证及宏观动力学 一、思考题1、对于球形催化剂,西勒模数(Thiele )越大,则催化剂的内扩散有效因子如何变化?2、如果在某催化剂上测得的反应速率为r ,而内扩散有效因子为0.8,则此反应速率是否为本征反应速率?3、对于气—固相反应,什么情况下,可以不考虑分子扩散的影响?4、对于球型催化剂粒子,西勒模数的定义式是什么?5、本征化学反应速度在内外扩散阻力完全消除的情况下与宏观化学反应速度有何关系?6、孔结构对内扩散有无影响?7、在气体的扩散过程中,如果催化剂的孔径远远小于分子的平均自由程时,可以不考虑哪种扩散? 8、对于气-固相反应,如果本征动力学方程式为r ,催化剂的内扩散有效因子为ζ,则宏观动力学方程式应如何表示? 二、计算题1、某可逆反应:A B C D k k +⇔+21,其均匀表面吸附机理的动力学方程式为:()()()r k P P P P K b P b P bP b P A A B C D A A C CBB D D=-++++1122试写出反应机理及控制步骤,并证明之。
第一章 绪论 1、化学反应工程是化学工程学科的一个分支,通常简称为反应工程。
其内容可概括为两个方面,即反应动力学和反应器设计与分析。
2、传递现象包括动量、热量和质量传递,再加上化学反应,这就是通常所说的三传一反。
3、反应组分的反应量与其化学计量系数之比的值为定值,ξ叫做反应进度且恒为正值。
、本书规定反应物的化学计量系数一律取负值,而反应产物则取正值。
8、工业反应器有三种操作方式: ① 间歇操作;② 连续操作;③ 半间歇(或半连续)操作 9、反应器设计的基本内容一般包括:1)选择合适的反应型式 ;2)确定最佳操作条件 ;3)根据操作负荷和规定的转化程度,确定反应器的体积和尺寸 。
10.反应器按结构原理的特点可分的类型: 管式,釜式 ,塔式,固定床,流化床,移动床,滴流床反应器。
第二章 3、温度对反应速率的影响 如果反应速率方程可以表示为:r=f1 (T)f2(c ),f1(T)是温度的影响。
当温度一定时,其值一定。
通常用阿累尼乌斯方程(Arrhenius ‘ law )表示反应速度常数与温度的关系, 即, 为指前因子,其因次与k 相同;E 为反应的活化能;R 为气体常数。
两边取对数,则有 : lnk=lnA0-E/RT ,lnk 对 1/T 作图,可得-直线,直线的斜率=-E/RT 。
注意:不是在所有的温度范围内上面均为直线关系,不能外推。
其原因包括:(1)速率方程不合适; (2)反应过程中反应机理发生变化;(3)传质的影响;(4)指前因子A0与温度有关。
速率极大点处有: 对应于极大点的温度叫做最佳温度Top 。
速率为零点处有: rA=0 6、多相催化与吸附 1)、催化剂的用途:①加快反应速度②定向作用(提高选择性)-化学吸附作用结果 2)、催化剂的组成:主催化剂-金属或金属氧化物,用于提供反应所需的活性中心。
助催化剂-提高活性,选择性和稳定性。
助催化剂可以是 ①结构性的;② 调变性的。
载体-用于 ① 增大接触表面积;②改善物理性能。
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2-4三级气相反应2NO+O22NO2,在30℃及1kgf/cm2下反应,已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s),若以rA=kppApB表示,反应速率常数kp应为何值?解:原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式(1)2-5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时,R=0.08477,T=303K。
答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。
解:.因,wwnAp=A,微分得RTVdaw案24网pAp,cB=BRTRT3P,其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。
试推导:在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A,yA0=1,总量为n0=nA0。
反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益,敬请来信通知我们!Y http://.cn.co(1)mol/[L s (kgf/cm2) 3]m(1)则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA(2)恒容下上式可转换为pA=P0所以将式(2)和式(3)代入式(1)整理得2-6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应:C4H10发生变化,试求下列各项的变化速率。
(1)乙烯分压;(2)H2的物质的量,mol;(3)丁烷的摩尔分数。
解:P=3kgf/cm2,(1)课MC4H10=58,(2)w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w(3)nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时,系统中含C4H*****kg,当反应完成50%时,丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益,敬请来信通知我们!Y http://.cno2C2H4+H2,dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm(3)dpA1dP= dtδAdt2-9反应APS,( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp,已知t=0时,cA=cA0 ,cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。
《化学反应工程》课程教学大纲制定人:王远强教学团队审核人:门勇开课学院审核人:饶品华课程名称:化学反应工程/Chemical Reaction Engineering课程代码:040311适用层次(本/专科):本科学时:48学分:3 讲课学时:48 上机/实验等学时:0 考核方式:考试先修课程:化工原理,化工热力学,物理化学适用专业:化学工程与工艺、制药工程等教材:张濂、许志美、袁向前,《化学反应工程原理》(第二版),华东理工大学出版社,2007 主要参考书:1、陈甘棠等,《化学反应工程》(第三版),化学工业出版社,20112、朱炳辰等,《化学反应工程》(第五版),化学工业出版社,20123、李绍芬等,《反应工程》(第二版),化学工业出版社,20084、Ronald W. Missen, Charles A. Mims, Bradley A. Saville. Chemical ReactionEngineering and Kinetics. Jon Wiley & Sons, Inc. 1999一、本课程在课程体系中的定位“化学反应工程”是以无机化工、有机化工、煤化工和石油化工生产过程中的化学加工过程为背景,按化学反应与动量、热量、质量传递相互作用的共性归纳综合的宏观反应过程;是将化学反应原理与反应设备相结合的一门学科;本课程是该专业的主干专业基础课,属于必修课,跟学生的学位挂钩。
二、教学目标1.培养学生用自然科学的原理考察、解释和处理工程实践问题;2.使学生掌握化学反应工程学科的理论体系、研究方法,了解学科前沿;3.应用理论推演和实验研究工业反应过程的规律而建立数学模拟结合工程实践的经验应用于工程设计和放大。
三、教学效果通过本课程的学习,学生可具备:1.从全局的角度,思考问题、解决问题的意识;2. 熟悉反应工程基本内容的能力;3.熟练运用“三传一反”基本方程式,求解理想反应器模型的能力;4.能注重研究内容,抓住研究思路,掌握共性规律的能力;5. 运用工程分析方法,解决工程问题的能力。
《化学反应工程》课程教学大纲课程名称:化学反应工程课程类型:必修课,专业课总学时:54 讲课学时:54 实验学时:0学分:3.0适用对象:化学工程、化学工艺先修课程:物理化学、化工工艺学、化工原理、化工热力学一、课程性质、目的和任务课程性质:化学反应工程是以化学反应器原理为要紧线索,要紧研究化学反应过程需要解决的工程问题,是化工生产的龙头、关键和核心,是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科,其内容要紧涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型结构、数学建模方法、操作分析及反应器设计,具有高度综合性、广泛基础性和自身专门性。
课程目的与任务:一是培养学生将物理化学、传递过程、化学工艺、化工热力学、操纵工程等学科知识用之于化学反应工程学的综合能力;二是使学生把握化学反应工程学科的理论体系、研究方法,了解学科前沿;三是使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力二、教学差不多要求通过本课程的教学,要使学生系统地把握化学反应动力学规律、传递过程对化学反应的阻碍规律,把握反应器设计、过程分析及最佳化方法。
四、课程的重点和难点绪论重点是化学反应工程的研究内容和方法。
第一章均相单一反应动力学和理想反应器重点:①化学反应动力学方程②理想反应器设计方程难点:动力学方称的建立;反应器设计运算第二章复合反应与反应器选型重点:复合反应动力学方程表达法;复合反应动力学特点分析;平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。
难点:可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析;循环反应器设计方程的数学推导;复合反应(包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应)在PFR 和CSTR反应器的优化设计运算第三章非理想流淌反应器重点:停留时刻分布的概率函数及特点值;停留时刻分布的实验测定;解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。
第一章习题1化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量方程中的计量系数有何关系?答:化学反应式中计量系数恒为正值,化学计量方程中反应物的计量系数与化学反应式中数值相同,符号相反,对于产物二者相同。
2 何谓基元反应?基元反应的动力学方程中活化能与反应级数的含义是什么?何谓非基元反应?非基元反应的动力学方程中活化能与反应级数含义是什么?答:如果反应物严格按照化学反应式一步直接转化生成产物,该反应是基元反应。
基元反应符合质量作用定律。
基元反应的活化能指1摩尔活化分子的平均能量比普通分子的平均能量的高出值。
基元反应的反应级数是该反应的反应分子数。
一切不符合质量作用定律的反应都是非基元反应。
非基元反应的活化能没有明确的物理意义,仅决定了反应速率对温度的敏感程度。
非基元反应的反应级数是经验数值,决定了反应速率对反应物浓度的敏感程度。
3若将反应速率写成tc rd d AA -=-,有什么条件? 答:化学反应的进行不引起物系体积的变化,即恒容。
4 为什么均相液相反应过程的动力学方程实验测定采用间歇反应器?答:在间歇反应器中可以直接得到反应时间和反应程度的关系,而这种关系仅是动力学方程的直接积分,与反应器大小和投料量无关。
5 现有如下基元反应过程,请写出各组分生成速率与浓度之间关系。
(1)A+2B →C (2)A+2B →C (3)2A+2B →CA+C →D B+C →D A+C →D C+D →E 解(1)D4C A 3D D 4C A 3C 22BA 1C C22B A 1B D4C A 3C 22B A 1A 22c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-=(2)E6D C 5D 4C B 3D E 6D C 5D 4C B 3C 22BA 1C D4C B 3C 22B A 1B C22B A 1A 22c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r +--=+-+--=+-+-=+-=(3)D4C A 3D D 4C A 3C 22B2A 1C C22B 2A 1B D 4C A 3C 22B 2A 1A 2222c k c c k r c k c c k c k c c k r c k c c k r c k c c k c k c c k r -=+--=+-=+-+-=6 气相基元反应A+2B →2P 在30℃和常压下的反应速率常数k c =2.65×104m 6kmol -2s -1。
第一章绪论化学工业生产过程,包括三个步骤,原料的预处理,化学反应,产物的分离反应工程的研究对象是以工业规模进行的化学反应,目的是实现工业反应过程的优化,包括设计优化和操作优化优化的技术指标有三个,反应速率,反应选择率,能耗常用反应器:均相管式反应器:轴向混合小,解热冷却较方便,温度易于控制,釜式搅拌器:有间歇,连续两种操作方式,间歇釜式搅拌器设备简单,操作方便,适用于小批量、多品种生产场合。
连续釜式搅拌器通常物料强烈返混,适用于大规模的生产要求固定床反应器是用来进行气固催化反映的设备。
按操作方式及床层温度分布不同可分为绝热式、等温式和非绝热非等温式。
按换热方式可分为换热式和自热式流化床、气液反应器、涓流床反应器、淤浆反应器反应器的操作方式按其连续性可以分为间歇、连续和半连续,按加料方式可以分为一次加料、分批加料和分段加料化学反应过程有容积过程和表面过程物理过程包括:返混和不均匀流动,传质过程,传热过程研究方法:主要采用数学模型法第二章化学反应动力学化学反应工程中包含的物理过程有,返混、传质、传热在包含物理过程影响的条件下测得的反应速率称为表观反应速率在排除物理过程影响的条件下测得的反应速率称为本征反应速率均相反应的前提是参与反应的所有物料达到分子尺度的均匀混合实现预混合:机械搅拌、高速射流造成的射流混合实现均相应该满足的条件:1.反应系统可以成为均相2.预混合时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对温度的敏感程度,活化能越大,表示温度对反应速率的影响越大,随温度上升而增加的越快反应级数的意义在于反应速率对浓度变化的敏感程度气固相催化的三个步骤:吸附,表面反应,脱附物理吸附是分子间的引力,化学吸附是吸附分子与固体表面间的化学力造成的第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征典型的化学反应包括五类:简单反应、可逆反应、平行反应、串联反应、自催化反应两种理想反应器:搅拌充分的间歇搅拌器、连续流动的理想管式反应器间歇搅拌器:1.剧烈搅拌可达到分子尺度的混合,且各处浓度相等2.有足够的传热条件,各处温度始终相等3.反应物料同时开始同时停止优点是:操作灵活,小批量、多品种、长时间产品生产,缺点是产品质量不稳定,需要消耗填料装料的辅助时间间歇反应器的体积是反应物料在反应器中所占的体积在间歇反应器中,反应物料达到一定转化率所需时间只取决于过程的速率,而与反应器大小无关,反应器的大小只决定于物料的处理量为达到相同转化率或残余浓度,k值的提高都将导致反应时间减少而与反应级数无关达到相同转化率所需反应时间:一级反应,与初始浓度无关;二级反应与初始浓度成反比;零级反应与初始浓度成正比不同级数反应时间比较:零级反应残余浓度与反应时间呈直线下降,一级反应逐渐慢慢下降,二级反应后期变化速率非常小,反应大部分时间消耗在反应后期。