化学反应工程第二章-基本概念

第二章 均相反应动力学基础均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。

在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度一、计量方程反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。

计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。

二、化学反应速率单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。

反应物：生成物：对于反应三、化学反应速率方程r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。

32223NH H N =+032223=--N H NH A A Adn r Vd d t C dt=-=-R R Rdn r Vdt dC dt==A B S R A B S Rαααα+=+SABRABSRr r r r αααα===AA AB r [k (T)][f(C ,C ,)]=有两类；双曲函数型和幂函数型。

k -化学反应速率常数； a(b)-反应级数。

(1)反应级数(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。

(2)反应速率常数k[k]: s -1·(mol/m 3)1-nE ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。

E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。

k 0 —指前因子,其单位与 反应速率常数相同；E— 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。

a b A A B r kC C=2220.512H Br HBrHBrBr k c c r c k c =+0exp[]E k k RT=-01ln ln E k k R T=-⨯ln klnk 0 slop=-E/R1/T⏹ 反应速率的温度函数关系● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。

均相反应的动力学基础化学反应工程第二章均相反应动力学基础1§2.1基本概念和术语若参于反应的各物质均处同一个相内进行化学反应则称为均相反应。

均相反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。

§2.1.1化学计量方程化学计量方程：表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。

一个由S个组分参予的反应体系，其计量方程可写成：Si1iAi0式中：Ai表示i组分，i为i组分的计量系数。

通常反应物的计量系数为负数，反应产物的计量系数为正值。

注意：1．计量方程本身与反应的实际历程无关，仅表示由于反应引起的各个参予反应的物质之间量的变化关系。

2．规定在计量方程的计量系数之间不应含有除1以外的任何公因子。

这是为了消除计量系数在数值上的不确定性。

单一反应：只用一个计量方程即可唯一给出各反应组分之间量的变化关系的反应体系。

复杂反应：必须用两个或多个计量方程方能确定各反应组分之间量的变化关系的反应体系例如，合成氨反应的计量方程通常写成：N23H写成一般化的形式为：N23H而错误的形式有：2N26H2222NH32NH304NH30§2.1.2反应程度和转化率反应程度是各组分在反应前后的摩尔数变化与其计量系数的比值，用符化学反应工程第二章均相反应动力学基础2号ξ来表示，即：n1n10nini0nknk01ik或写成：nini0ii1．不论哪一个组分，其反应程度均是一致的，且恒为正值。

2．如果在一个反应体系中同时进行数个反应，各个反应各自有自己的反应程度，则任一反应组分i的反应量应等于各个反应所作贡献的代数和，即：Mnini0j1ijj其中：M为化学反应数，ij为第j个反应中组分I的化学计量系数。

转化率是指某一反应物转化的百分率或分率，其定义为：某某一反应物的转化量该反应物的起始量nk0nknk01．如果反应物不只一种，根据不同反应物计算所得的转化率数值可能是不一样的，但它们反映的都是同一个客观事实。

一、基本概念反应程度；转化率；化学膨胀因子；收率和选择率；反应速率表示方式；空速；接触时间；动力学方程形式；床层空隙率ε；催化剂颗粒有关参数（g g b p t S V θρρρ、、、、、）及相互关系；吸附等温方程；最佳温度和最佳温度曲线。

二、核心内容1．连续系统反应速率的表示方式及其相互关系2．气－固相催化反应本征动力学方程的建立。

第二章本章小结一、基本概念内扩散有效因子ζ；总体速率方程通式；催化剂颗粒内气体扩散方式；努森扩散；综合扩散；有效扩散系数D eff ；曲节因子δ；西勒模数φ；外扩散有效因子ζex ；Damköhler 准数。

二、核心内容1．球形催化剂颗粒内组分的浓度分布和温度分布微分方程；2．等温一级不可逆反应内扩散有效因子的解析解及总体反应速率方程；3．影响内扩散有效因子的基本因素；4．气－固相催化反应总体速率方程；5．气－固相催化反应器的型式和特点。

第三章本章小结一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；反应器设计基本方程；间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器和多级全混流反应器的特点。

二、核心内容1．间歇反应器计算；2．平推流反应器计算；3．全混流反应器计算；4．多级串联全混流反应器计算及其优化。

5．反应器型式选择；第四章 本章小结一、基本概念宏观混合；微观混合；连续反应过程的考察方法；停留时间分布函数和分布密度；阶跃法；脉冲法；停留时间分布数字特征；轴向混合模型及其模型参数E z ；多级串联全混流模型及其模型参数m 。

二、核心内容1．停留时间分布的测定方法及其数字特征；2．轴向混合模型和多级串联全混流模型停留时间分布的数字特征及其模型参数；3．轴向混合反应器和多级串联全混流反应器转化率计算。

一、基本概念带化学反应的气液平衡；溶液中气体溶解度估算；传质模型的主要特征；吸收准数M；化学吸收增强因子β；液相反应利用率η；C不同反应在气膜和液膜中的浓度分布；临界浓度()BL C二、核心内容1．气体在液膜中的扩散－反应方程；2．不同反应扩散－反应方程及β的求解；3．不同反应气液相间的化学吸收速率方程（总体反应速率方程）；提高化学吸收速率的基本措施；4．气液反应器型式和特点。

第二章 气－固相催化反应宏观动力学 概述在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。

42223323322222233332322CH H O CO H CH OH +0.5O HCHO+H OCO H CH OHCH CHCH NH O CH CHCN H ON H NH +++=++=++从上述反应可以得出气－固相催化反应的特点。

1. 反应特点1）反应物和产物均为气体；2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面。

2. 反应步骤反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应过程组成的，反应分5步进行。

1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散；2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。

第1、5步称为外扩散过程，第2、4步称为内扩散过程，第3步称为本征动力学过程。

在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的，相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。

3.宏观动力学气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相主体、固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率的“总和”，称之为总体速率。

气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过程，称之为宏观动力学，其速率称为总体速率。

4.本章主要内容讨论气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内容有以下几方面。

1）催化剂颗粒内气体的扩散；2）催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散有效因子；3）宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。

第一节气－固相催化反应的宏观过程2－1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布设某反应的关键组分为A；催化剂为球形，关径R p；颗粒内活性组分均匀分布；颗粒外表面有滞流边界层；A 在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为C Ag 、C As 、 C Ac ；平衡浓度为C A *。

化学反应工程化学反应工程是研究和应用化学反应的一门学科，主要涉及反应基础、反应动力学、反应工程、反应器设计、反应工艺优化等方面。

本文将介绍化学反应工程的基本概念、关键内容和应用领域。

一、化学反应工程的基本概念化学反应工程是将化学反应原理与工程技术相结合，研究化学反应的机理、动力学和应用，以达到控制和优化反应过程的目标。

它是化工过程工程的重要组成部分，也是化工工业中最基本、最关键的环节之一。

化学反应工程主要研究反应的速率、选择性、稳定性和收率等关键问题，通过设计合适的反应器以及优化反应工艺，来实现预期的反应目标。

反应体系的研究对象包括单一物质和复杂物质之间的化学反应，如气相反应、液相反应、固相反应、催化反应等。

二、化学反应工程的关键内容1. 反应动力学反应动力学研究反应速率与反应物浓度、温度、压力等因素之间的关系。

通过实验和理论模型的建立，可以确定反应的速率常数、反应机理和反应动力学方程。

反应动力学的研究对于反应过程的深入理解和反应器设计具有重要意义。

2. 反应器设计反应器是进行化学反应的装置，其设计旨在实现高效率、高选择性和高产率的反应过程。

根据反应条件的不同，常见的反应器有批式反应器、连续式反应器、循环式反应器等。

反应器设计考虑到传热、质量传递、混合和流动等因素，以最大程度地实现反应条件的控制和反应物的利用率。

3. 反应工艺优化反应工艺优化是指通过调整反应条件、改变反应器结构和优化操作参数等手段，提高反应过程的经济效益和可行性。

优化方法包括响应面法、遗传算法、模拟退火算法等，通过建立反应过程的数学模型，寻求最优解，以达到能源节约、资源利用和环境友好的目标。

三、化学反应工程的应用领域化学反应工程广泛应用于化工领域的各个环节，包括新材料制备、能源开发、环境保护、医药制造等。

以下列举几个典型应用案例：1. 新材料制备化学反应工程在新材料制备中发挥重要作用，如高分子材料的合成、纳米材料的制备和催化剂的研发等。

反应工程反应工程是一门研究化学反应过程、反应器设计、反应条件优化以及反应产物的分析和控制的学科。

它涉及化学、化工、材料科学等多个领域，旨在实现化学反应的高效、可控和可持续进行。

本文将从反应工程的基本概念、反应器设计、反应条件优化、反应产物分析等方面进行探讨。

一、基本概念1.化学反应：化学反应是指物质在原子、离子或分子层面上发生的原子或离子重新组合的过程，伴随着能量的吸收或释放。

化学反应具有方向性、可逆性和平衡性等特点。

2.反应速率：反应速率是指单位时间内反应物浓度变化的快慢。

影响反应速率的因素有温度、浓度、压强、催化剂、反应物表面积等。

3.反应机理：反应机理是指化学反应过程中，反应物分子或离子发生断裂、形成新键等微观过程。

了解反应机理有助于解释反应现象、预测产物结构以及优化反应条件。

4.反应热力学：反应热力学研究化学反应过程中能量变化与反应条件的关系。

主要包括反应焓、反应熵、反应自由能等概念。

二、反应器设计1.反应器类型：根据反应物状态、反应条件、反应机理等因素，反应器可分为气相反应器、液相反应器、固相反应器等。

气相反应器主要包括管式反应器、釜式反应器等；液相反应器主要包括搅拌釜、膜反应器等；固相反应器主要包括固定床反应器、流化床反应器等。

2.反应器设计原则：反应器设计应考虑反应物的混合、反应条件的控制、反应产物的分离、热量传递等因素。

同时，要确保反应器具有良好的操作稳定性、安全性和环保性能。

3.反应器优化：通过改变反应器结构、提高反应物接触效率、优化反应条件等手段，提高反应速率和产物收率。

常见的优化方法有：增加反应物表面积、提高反应温度、使用催化剂等。

三、反应条件优化1.温度：温度是影响化学反应速率和平衡的关键因素。

提高温度有利于加快反应速率，但可能导致平衡向逆反应方向移动。

因此，需要在保证反应速率的前提下，选择合适的温度。

2.浓度：浓度影响反应速率和平衡位置。

适当提高反应物浓度可以加快反应速率，但过高的浓度可能导致反应体系不稳定。

化学反应⼯程基本概念第⼀章1. 化学反应⼯程是⼀门研究 (化学反应个⼯程问题)的科学。

2. 所谓数学模型是指 (⽤数学⽅法表达各变量间的关系)。

3. 化学反应器的数学模型包括（动⼒学⽅程式、物料横算式⼦、热量衡算式、动量衡算式和参数计算式）4. 所谓控制体积是指（能把反应速率视作定值的最⼤空间范围）。

5. 模型参数随空间⽽变化的数学模型称为（分布参数模型）。

6. 模型参数随时间⽽变化的数学模型称为（⾮定态模型）。

7. 建⽴物料、热量和动量衡算⽅程的⼀般式为 (累积量=输⼊量-输出量)。

第⼆章1. 均相反应是指 (在均⼀的液相或⽓相中进⾏的反应)。

2. 对于反应aA + bB → pP + sS ，则r P =( p/a )r A 。

3.着眼反应物A 的转化率的定义式为(转化率Xa=转化了的物料A 的量/反应开始的物料A 的量)。

4. 产物P 的收率ΦP 与得率ХP 和转化率x A 间的关系为( Xp/Xa )。

5. 化学反应速率式为r A =k C C A αC B β，⽤浓度表⽰的速率常数为k C ，假定符合理想⽓体状态⽅程，如⽤压⼒表⽰的速率常数k P ，则k C =[ (RT)的a+B 次⽅]k P 。

6.对反应aA + bB → pP + sS 的膨胀因⼦的定义式为（P+S ）-(A+B))/A 。

7.膨胀率的物理意义为 (反应物A 全部转化后系统的体积变化率)。

8. 活化能的⼤⼩直接反映了 (反应速率) 对温度变化的敏感程度。

9. 反应级数的⼤⼩直接反映了(反应速率) 对浓度变化的敏感程度。

10.对复合反应，⽣成主产物的反应称为 (主反应)，其它的均为(副反应)。

11. 平⾏反应A → P 、A → S 均为⼀级不可逆反应，若E 1＞E 2，选择性S p 与 (A 的浓度)⽆关，仅是 (A 的浓度) 的函数。

12. 如果平⾏反应A → P 、A → S 均为⼀级不可逆反应，若E 1＞E 2，提⾼选择性S P 应(提到温度)。