第六章 多相系统中的化学反应与传递现象
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第一章绪论习题1.1 解题思路:(1)可直接由式(1.7)求得其反应的选择性(2)设进入反应器的原料量为100 ,并利用进入原料气比例,求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水),如下表:组分摩尔分率摩尔数根据式(1.3)和式(1.5)可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数,即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成:第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据,先作出的关系曲线,用镜面法求得反应时间下的切线,即为水解速率,切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式(2.10)及式(2.27)可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应,反应物A的消耗速率为两反应速率之和,即利用式(2.6)积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:(1)恒容过程,将反应式简化为:用下式描述其反应速率方程:设为理想气体,首先求出反应物A的初始浓度,然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率,利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
(2)恒压过程,由于反应前后摩尔数有变化,是个变容过程,由式(2.49)可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A,故有:由式(2.52)可求得反应物A的瞬时浓度,进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:(1)亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率(2)乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式,然后利用式(3.8)即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态,即反应物初始浓度、反应温度和转化率,与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:(1)因为B过量,与速率常数k 合并成,故速率式变为对于恒容过程,反应物A和产物C的速率式可用式(2.6)的形式表示。
6 多相系统中的化学反应与传递现象多相反应按相态分为气-液、气-固、液-固、气-液-固,按是否使用催化剂分为催化反应、非催化反应,根据化学反应进行的部位分为在两相界面处发生反应、在一个相内发生反应、在两个相内同时发生反应。
本章主要讨论气固催化反应,着重阐明传递现象对化学反应过程的影响。
6.1 多相催化反应过程步骤 6.1.1 固体催化剂的宏观结构及性质绝大多数固体催化剂颗粒为多孔结构,即颗粒内部都是由许许多多形状不规则互相连通的孔道所组成。
颗粒内部存在着巨大的内表面,而化学反应就是在这些表面上发生的。
1.比表面积g S :单位质量催化剂所具有的表面积,衡量催化剂表面大小,单位:[]kg m/2。
由BET 法或者色谱法测定。
比表面与孔道的大小有关,孔道越细,比表面越大。
2.孔容g V :单位质量催化剂所具有的孔的容积,单位:[]kg m /3。
∵孔道粗细不一,∴常用孔径分布来描述,有时用平均孔半径a r 表示,而孔径分布常用孔容分布计算得到。
WV V g 孔=一般用平均孔半径<r a >表示催化剂孔的大小:⎰>=<Vga g a dV r V r 01。
3.孔隙率:1<⋅====P g PpP V W V V V ρρε孔孔固体颗粒体积孔的体积4.颗粒密度: pP V W==颗粒体积颗粒质量ρ;真密度: 孔固体体积颗粒质量V V Wp t -==ρ; 堆积密度: BB V W==床层体积颗粒质量ρ。
5.床层空隙率:PB B PB P B B V V V V V ρρε-=-=-==11床层体积颗粒之间的空隙体积6.颗粒直径的三种表示方法:对于固体颗粒,由于其形状不规则,因此其颗粒直径有三种表示方法:①体积相当直径V d :31P 6⎪⎭⎫ ⎝⎛=πV d VP V ——粒子的体积,3S P 61S d V V π== ②面积相当直径a d :πpa a d =,p a ——粒子的外表面积③比表面积相当直径S d :ppS a V d 6=7.形状系数a ψ :Vp s a a a ⎪⎭⎫⎝⎛=ψ 因为在体积相同的几何体中,圆球的外表面积最小,故1≤a ψ,Ψa 又称为圆球度,即接近球形的程度,1=a ψ为球形。
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。
第六章、多相系统中的化学反应与传递现象1、气-固催化反应A (g)→B (g)包括七个步骤:①反应物A 由气相主体扩散到颗粒外表面;②A 由外表面向孔内扩散,到达吸附反应活动中心;③进行A 的吸附;④A 在表面上反应生成B ;⑤产物B 自表面脱附;⑥B 由内表面扩散到外表面;⑦B 由颗粒外表面扩散到气相主体。
2、外扩散有效因子ηx :显然,CAS 总是小于CAG ,因此,只要反应级数为正,则ηx ≤1;反应级数为负时,ηx ≥1。
3、Da 称丹克莱尔数,是化学反应速率与外扩散速率之比,Da 越大,外扩散阻力越大。
当kw 一定时,此值越小,即外扩散影响越小。
除反应级数为负外,外扩散有效因子总是随丹克莱尔数的增加而降低;且α越大,ηx 随Da 增加而下降得越明显;无论α为何值:Da 趋于零时,ηx 总是趋于1。
4、孔扩散分为以下两种形式:当λ/2ra ≤102时,孔内扩散属正常分子扩散,这时的孔内扩散与通常的气体扩散完全相同。
扩散速率主要受分子间相互碰撞的影响,与孔半径尺寸无关。
当λ/2ra ≥10时,孔内扩散为努森扩散,这时主要是气体分子与孔壁的碰撞、故分子在孔内的努森扩散系数DK 只与孔半径ra 有关,与系统中共存的其他气体无关。
5、梯尔模数表示表面反应速率与内扩散速率的相对大小6、当φ<0.4 时, η≈1,当φ>3.0 时,η=1/φ (5.4-23) η是φ的函数,总是随φ值的增大而单调地下降,提高η办法有: ①减小催化剂颗粒的尺寸,φ值减小,η值可增大。
②增大催化剂的孔容和孔半径,可提高有效扩散系数De 的值,使φ值减小,η值增大。
7、Bi m =kGL /De ,称为传质的拜俄特数,它表示内外扩散阻力的相对大小。
当Bim → ∞ 时,外扩散阻力可不计,η0=tanh (φ)/φ=η当Bim → 0 时,内扩散阻力可忽略, tanh (φ)/φ=1,η0=1/(1+Da )=ηx8、内扩散的判定:减小催化剂粒度,测反应速率。
第六章多相系统中的化学反应与传递现象(复习)6 多相系统中的化学反应与传递现象一、固体催化剂的宏观结构及性质1、内表面积:通常用比表面积来衡量催化剂的内表面积大小。
单位质量催化剂所具有的表面积, 单位体积催化剂所具有的表面积,2、孔容和孔隙率单位质量催化剂内部孔道所占的体积称为孔容,孔隙率等于孔隙体积与催化剂体积之比,3、平均孔径4、密度真密度=固体的质量/固体的体积颗粒密度(表观密度) =固体的质量/颗粒的体积床层密度(堆密度) =固体的质量/ 床层的体积颗粒孔隙率=颗粒孔隙体积/颗粒的体积床层空隙率=床层空隙体积/床层的堆体积 5、颗粒当量直径(1)体积相当直径;(2)面积相当直径;(3)比表面相当直径。
二、气固相催化的过程步骤以气相催化不可逆反应为例(1) 反应物A 由气相主体扩散到颗粒外表面(2) 反应物A 由外表面向孔内扩散, 到达可进行吸附/反应的活性中心g m S g /,2g V p g p V ρε=gg a S V r /2=t ρp ρB ρp εε(3) 反应物A 被活性中心吸附 (4) 反应物A 在表面上反应生成产物B (5) 产物B 从活性中心上脱附下来 (6) 产物B 由内表面扩散到颗粒外表面 (7) 产物B 由颗粒外表面扩散到气相主体(3,4,5)总称为表面反应过程, 即催化反应的本征动力学 (1,7)称为外扩散过程, (2,6)称为内扩散过程三、流体与催化剂颗粒外表面间的传质与传热1、传质通量:2、传热通量:3、定态下传质通量和传热通量:4、传递系数对固定床反应器, 有:四、外扩散对多相催化反应的影响外扩散有效因子:1、单一反应一级不可逆反应(在忽略传热阻力和内扩散阻力时):)(AS AG m G A C C a k N -=)(G S m S T T a h q -=))(()(R A A A H q N ?--?=-?=3/2)(Sc Gk j G D ρ=3/2(Pr)pSH GC h j =μλμρμ/Re /Pr /G d C D Sc p f p ===3000Pr 6.010Re 30Re 395.04.56.01000Re 3Re 357.0536.0359.0≤≤≤≤=≤≤≤≤=--H D j Sc j εε表面处的反应速率外扩散无影响时颗粒外表面处的反应速率外扩散有影响时颗粒外=x ηA GA S A GW A SW C C k x ==η)1/(1Da x +=η丹克莱尔准数Da 是化学反应速率与外扩散速率之比正级数反应, Da 增加, 外扩散阻力增大, 降低,且反应级数越大,外扩散有效因子随丹克莱尔准数Da 增加下降的越明显,无论反应级数为何值,Da 趋于零时,外扩散有效因子总是趋于1。
淮海工学院化学反应工程复习参考1 绪论1.化学反应工程研究的内容P12 通常所说的三传一反指什么P13 什么是转化率关键组分的转化率与100%的关系P34 单程转化率与全程转化率的大小关系P45 收率与转化率是针对什么物质而言的,数值能否大于100%P56 收率与转化率,选择性的关系P52 反应动力学基础1.反应速率定义P152 流动系统的反应速率三种表示形式及换算方法P163 基元反应速率方程的写法与级数的分析, 基元反应与非基元反应的关系P17-184温度对三种反应速率的影响,对反应速率常数的影响,不可逆.可逆吸热与放热反应P235 复合反应的类型P26-296 δA的计算方法P317 多相催化反应的步骤P368 物理吸附与化学吸附及理想吸附的特点分析P373 釜式反应器1.等温间歇釜式反应器的计算有单一反应,平行反应及连串反应最大收率的计算P57-652 空时,空速与生产能力的关系P66-673 连续釜式反应器体积的计算P67-684 什么是正常动力学与反常动力学,连续釜式反应器串并联特点P695 釜式反应器的总收率与总选择性的变化特点P75-766 平行反应分析P767 连串反应分析P79-80 4 管式反应器1.理想反应器模型的特点,与实际反应器对应的是什么反应器P982 等温管式反应器的计算P1003 管式与釜式反应器反应体积比较结果P107-1095 停留时间分布与反应器的流动模型1.停留时间的年龄分布与寿命分布定义P1282 停留时间分布的定量描述E(t)与F(t)的定义P128-1293 停留时间分布的实验测定有几种方法及分别测定什么P130-1324 停留时间统计值有两个参数分别表示什么P1345 理想反应器停留时间分布的计算F(θ) E(θ)的计算6 多相系统中的化学反应与传递现象1.颗粒的三个密度大小比较P1592 气固催化反应过程进行的步骤P1603 外扩散对催化反应的影响分析单一反应,复合反应分析P165-1664 孔扩散的三种方式P1675 内扩散有效因子Φ的分析P1706 内外扩散有效因子分析P1767 内扩散对复合反应选择性的影响分析P1778 消除内外扩散影响的方法P178-1797 多相催化反应器的设计与分析1.固定床内空隙率大小分析P1862 多段固定床绝热反应器的类型P1943 流化床反应器中压降与流速的变化关系P211 8 多相反应器1.气液反应机理P2222 η值大小分析P224-2253 气液固反应器机理P2324 滴流床反应器的四个区域P2339 生化反应工程基础1.酶的组成与类型P2442 生化反应过程的特点P2453 酶催化反应特点P2464 酶催化反应的四种抑制机理P248-2505 影响酶催化反应速率的因素p2516 酶与细胞固定化技术P257-2587 影响固定化酶催化反应动力学的因素p2581一、单项选择题1.下列反应器可视为活塞流的反应器是()反应器A:管式B:釜式C:塔式2.对于基元反应2A+B→2C,则反应速率方程为()反应器A:r=kc A2C B B:r A=kC A C B C:r A=Kc A C B2D: r A=kC A C B C c3.在全混流反应器中,反应器的有效容积V R与进料流体的流速Q0之比为()A:空时τB:反应时间t C:停留时间t D:平均停留时间t4.化学反应速率式为-r A=K C CαA C Bβ,如果用浓度表示的速率常数为K C,用压力表示的速率常数为K P,则K C=()K P A:(RT)-(α+β)B:(RT)(α+β) C:(RT)(α-β)5.对于基元反应:2A+B→2P的反应,对A的反应总级数为()级A:1 B:3 C:2 D:06.在平行反应中,A→P,2A→Q,r P=k1C A,r Q=k2C A2,P为目的产物,k1,k2为常数,浓度对瞬时选择性S的影响是()7.完成同样的任务所需反应器体积在()时,平推流反应器与全混釜一样A:反应级数大于零B:零级反应C、反应级数小于零8.阶跃示踪法测定停留时间分布对应的曲线为()A:E(t)曲线 B:F(t)曲线 C:I(t)曲线 D:y(t)曲线9.对正常动力学,完成同样的任务,所需反应器体积最小的操作是()A:单釜 B:二釜串联 C:三釜串联 D:四釜串联O,已知k=0.01L/s.mol,则反应级数为()10.反应NaOH+HCl→NaCl+H2A:1 B:2 C:3 D:011.对于基元反应A+B→2C,则反应速率方程为()反应器A:r=kc A2C B B:r A=kC A C B C:r A=Kc A C B2D: r A=kC A C B C c12.在连续操作的全混流反应器中,反应物的平均停留时间为()A:大于空时τB:小于空时τC:等于空时τ13.完成同样的任务所需反应器体积在()时,平推流反应器与全混釜一样A:反应级数大于零B:零级反应C、反应级数小于零14. 对正常动力学,瞬时选择性S随转化率增大而降低的情况下,反应器内的目的产物最终收率最大的操作是()A:间歇釜反应器 B:连续单釜 C:二釜串联=()15.气相反应2A+B→3P+S,进料时为惰性气体,A与B的摩尔比为2:1进料,则膨胀因子δAA:-1 B:-0.5 C:0.5 D:116.反应产物的质量收率,其最大值为()A:100% B:大于100% C:小于100%117.催化剂颗粒上的反应速率大小与三个有效因子有关,分别是外扩散ηx 、内扩散η、内外扩散总有效因子η,忽略内扩散影响时,它们之间的关系是( )A:ηX >η B:ηX=η C:ηX=ηD:η=η18. 对于()的反应器,在恒容反应过程的平均停留时间、反应时间、空时是一致的。
多提宝贵意见,共同总复习第1章绪论1.化学反应工程2.反应进度ξ永远为正值3.关键组份(着眼组分)4.单程转化率5.全程转化率6.收率7.选择性8.转化率、收率与选择性三者的关系Y = XS9.按反应器的结构原理的特点可分为几种类型:10.工业反应器有三种操作方式:11.反应器的工艺设计包含:12.反应器设计的基本方程:第二章反应动力学基础1.化学反应速率的一般定义2.连续流动的反应速率3.多相系统反应速率的表示4.反应速率方程5.基元反应根据质量作用定律写出反应速率方程6.非基元反应由反应机理推导7.幂函数型速率方程8.双曲函数型速率方程9.阿累尼乌斯方程10.活化能的求取lnk对1/T作图11.正逆反应活化能与反应热的关系推导12.可逆放热反应的最适宜温度的推导求取13.可逆放热反应T-X图14.最佳温度曲线图及应用15.独立反应数16.并列反应(同时反应),平行反应和连串反应17.平行反应瞬时选择性18.浓度效应19.温度效应20.提高平行反应目的产物的选择性与收率的方法?21.连串反应各组份浓度变化规律22.连串反应的选择性23.提高连串反应目的产物的选择性与收率的方法?24.膨胀因子δΑ25.恒容过程26.变容过程27.28.29.固体催化剂组成及作用30.物理吸附与化学吸附31.理想吸附模型32.单组份吸附等温方程33.双组份及多组份吸附等温方程34.吸附分子解离时的吸附等温方程35.非均匀表面吸附36.焦姆金(ТЕМКИН)吸附模型37.焦姆金(ТЕМКИН)吸附模型的吸附等温方程38.弗鲁德里希(Freundlich)吸附模型39.弗鲁德里希(Freundlich)吸附模型的吸附等温方程40.控制步骤41.理想吸附多相反应本征动力学方程推导第三章釜式反应器1. 间歇釜式反应器适用于2. 辅助生产时间3. 间歇反应器的物料衡算式 反应时间与反应器体积计算(单一反应)4. 恒容5. 间歇反应器的反应体积 计算 Vr =Q0(t+t0)6. 装料系数7. 平行反应 浓度与时间关系 8. 连串反应浓度与时间关系 9. 最优反应时间 推导 10. 会求收率,选择性11. 连续釜式反应器的特点12. 连续釜式反应器反应体积的计算公式13. 连续釜式反应器的反应体积计算(单一反应)14. 单一反应 间歇釜 连续釜 多釜串联体积比较 15. 空时 空速16. 连续釜式反应器串联时的设计计算 一级反应等温等体积串17. 串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比 n 级反应?: 18. 反应器选型与加料方式 19. 瞬时收率、选择性与转化率 20. 总收率与总选择性 21. 间歇反应器热量衡算 22. 绝热温升23. 反应器的热稳定性) 24. 稳定的定态点,25. 定态操作稳定的必要条件 26. 操作条件改变对稳定的影响? 27. 着火温度 28. 熄火温度第四章 管式反应器 1. 返混2. 理想流动模型3. 活塞流)⎰⎰===-=-==⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡Af x rA A A t AA r A A A A A A A ArA V r dx n dt t dt dxn V r dx n dn x n n dt dn V r A A A A 00000010分离变量积分:--物质量的累在反应器内单位时间内积=物质量反应掉的单位时间-物质量流出的单位时间-物质量流入的单位时间⎰⎰-==A A Af c c AAx A A A r dc t or r dx c t 00000001()A A A A r AA Q C C Q C x V r r -==4.全混流5.活塞流和全混流的区别?6.等温管式反应器设计方程7.拟均相模型。