化学反应工程-3-第一章-均相反应动力学

化学反应工程学问点梳理第一章化学反应工程简介化学反应工程是讨论化学反应和工程问题的科学动量传递，热量传递，质量传递及化学动力学，可概括为“三传一反”－－第三个里程碑； 其次章均相反应动力学AA- dn A VdtBSSRBR（由于反应而消耗的 A 的摩尔数） (- r ) A (单位反应区域 )( 单位时间) dn dt1 V 1 dn S r SA ( r )A V dt反应进度：n A n A 0An Bn B 0Bn Rn R 0Rn P n P0Pn K i 0x ix K 某反应物的转化量 该反应物的起始量n i 0n K 0 n K 0n K转化率：x KKn n K 0 n 0 n Kn n 0 (n n 0 )膨胀因子：KKn K 0 x Kn y x 0 K 0 Ky i K 0 y ( 1x )i 0 K y ( 1 x i )y i i 0 Ky i1y x 1y x KK 0 K KK 0 Kn A Vn A 0 (1 x A ) (1 x A ) A y A0 x A)C AC A0V 0 (1A y A0 x A)(1ERT( r A ) kC A C Bk C( RT )k Pkk e0 E RTln kln k 0不行逆反应AABBSSdC C A 0 A kta b BC CC AAdC A dtab ( r A )kC ACB均相催化反应 CC 为催化剂浓度dC Adt( r )(kC )C A C A自催化反应 → A + C 2C + RdC A dt( r A )kC A C CR+S串联反应 PA + B总收率n P n A0 n P 0n AP单位时间内生成 单位时间内消耗 P 的摩尔数A 的摩尔r p ( r A )瞬时收率dC P / dt dC A / dtdC P dC A得率 yieldX ( n Pn P 0 ) / n A 0P总挑选性 目的产物 P 所生成的摩尔数与副产物S 生成的摩尔数之比，用 S0 表示：n P n S n P 0n S 0S 0αA2 αA1 AαS S 平行反应（ 副 ）αP P A（主）dC A dt（ r A ,1） k 1C A（ r A,2） k 2 C A（ r A ）（ r A,1） ( r A,2 )(k 1k 2 )C AdC dtdC P dtp P S S r P( r A ,1 )k 1C Ar Sk 2 C AA,1A ,1A ,2( k 1 k 2 ) tC AC A 0ek 1k 2AP串联反应S （均为一级反应）dC PdtdC S dtr Pk 1 C A k 2 C P r Sk 2 C P第三章 抱负均相反应器间歇反应器 (BSTR) 反应时间dx r dC x A C A A A t C 等容过程，液相反应A 0( )C A 0( r )A A 实际操作时间 (operating time)= 反应时间 (t) + 帮助时间 auxiliary time(t')反应体积 V 是指反应物料在反应器中所占的体积V = v0 (t + t')VV 实际的反应器体积为：实际为装料系数 (the volume charge coefficient) ，通常在 ～ 平推流反应器 PFR 空时反应器的容积进料的体积流量V v 0反应期的容积dV vV Rt反应器中物料 的体积流量V v 0C A0 ( C A r A )C A0 x A 全混流反应器 (CSTR)( r A )50000 V F A 0dx Ar A )V v 0 C A 0x A VF A0x A r A )F v C R 0 0 R24 M 0( C A 0( Rdx dx dx x A x A x A A A At C A 0C A 0C A0绝热操作恒容间歇反应器的设计式为：nE x A 0( r A )x A 0kCAx A 0n nRTk 0 e C A0(1 x A )1 x A tI ( x A )dx An 1x A 0k C 0A02dx A dlD ( r A ) 4F A02变温平推流反应器F A 0dx A ( r A )dV P( r A ) D dl4化学反应工程讨论的目的是实现工业化学反应过程的优化全混流V mF A 0 x A 0 r AV B F A 0 t BC A 0d x A r Ax A mC A 0BR ：CST R:V PF A 0 d A x r Ax A 平推流PF R:PC A 0多级 CSTR 串联的优化 对于一级不行逆反应应有x A1 kC A0 (1 0 x A1 ) x A2 x A1x Am kC A 0 (1 x Am 1x Am )V v C ...R 0 A 0kC A 0 (1 x A 2 )x Ai 1 x Ai Aix Ai 1 x Ai Ai 111 V R x Aiv 0 k 1 (1 x Ai 11x Ai 10 (i 1,2,.....m 1)x x 2x Ai )1 ln( k / k )k 2( k 1 )k2 k 1k 2C P max C A01 2 k 2PFR ： X 同间歇釜optP maxk 1 C P max C A 01X 1P max12ＣＳＴＲ：2[( k 2 / k 1 )1]optk k 1 2全混流反应器的热衡算方程V ( r A )(v 0 c PH r )UAT m UA UAT m UA T (1) (T 0)Q rT (1) (T 0)v 0 c Pv 0 c Pv 0 c Pv 0 c P第四章非抱负流淌停留时间分布E(t) = P{t < residencetime< t + t}停留时间分布函数F ( t ) = P { residence time < t }t F (t)E(t )dt2(t t ) E (t )dt2 t22 2(t t ) E (t )dtt E (t ) d t t方差E (t) dtPFR0 t t tt 0 1t t t tE(t )t tF (t)2 t22(t t ) E(t)dt ( t t )CSTRttF(t) 1 et2t2 21et最大tE(t) tr2( ) [2 Rr( R 层流流淌)2]F (t) 22t 2轴向扩散模型tE z E z 2 uL / E 2( ) uL 2( ) (1 uLe Z) 2 Pe 1 2 ) (1 Pe 2( e ) Pe。

化学反应⼯程知识点回顾第⼀章知识点1.化学反应⼯程学的范畴和任务2.化学反应⼯程学的基本⽅法3.化学反应⼯程学的学科系统和编排第⼆章均相反应动⼒学基础知识点 1、概念:①化学计量⽅程：反应物 - ，产物 + ②化学反应速率等温定容反应dtdc r AA -=-反应速率之⽐等于各计量系数的⽐值。

③反应转化率反应程度膨胀因⼦δA 关键组分A 的膨胀因⼦物理意义：每反应掉⼀个摩尔A 所引起反应体系总摩尔数的变化量。

④反应速率⽅程:反应级数 a 、b 由实验确定 k 遵循Arrhenius ⽅程i α1A A dn r V dt-=-00-=K KK K n n x n 0kk k n nξα-=1sii A A αδα==∑a bA AB r kC C -=2、单⼀反应的速率⽅程重点：求取动⼒学参数 1)不可逆反应微分⽅程: 积分⽅程: 2)可逆反应微分⽅程: 反应平衡时： 3)均相催化反应微分⽅程积分⽅程4)⾃催化反应当C A = C M0/2 时，反应速率最⼤ 3、复合反应:平⾏反应串联反应总收率选择性exp[]a E k k RT=-a bA A A BdC r kC C dt-==-0A A C Aa b C ABdC kt C C =?'A A A SdC r kC k C dt-=-=-0A Ae Se r kC k C '-=-=()AA C A dC r kC C dt-=-=A A A C dC r kC C dt-=-=0max 0001ln[]A M M A C t C kC C =-0121()ln ln1A C A A C k k C t C x +==-A B P R +→+A B S +→A B P R S+→→+0000()/()///--Φ==P P P P P A A n n p C C pn a C a 0000()/()/;;()/()/--==--p p p p p p A A A A n n P C C PS S n n a C C a第三章理想反应器1返混的基本定义2⼏个时间的定义反应持续时间t r－－在间歇反应器中反应达到⼀定转化率所需时间（不包括辅助时间）。

第一章气－固相催化反应本征动力学 概论化工生产中大多数反应是过程，气-固相催化反应是重要反应之一。

本章讨论： 1， 连续过程中化学反应速率的有关问题；2，气-固相催化反应的化学动力学，即本征动力学。

第一节 化学计量学 1-1化学计量式化学计量学是研究化学反应系统中反应物和产物组成相互关系变化的数学表达式。

化学计量式是化学计量的基础。

化学计量式表示参加反应的各组分的娄量关系，等式左边的组分为反应物，等式右边的组分为产物，化学计量式的通式为： 或 或一般将反应物的化学计量取负值，产物的化学计量取正值。

如果反应系统中有m 个反应，则第j 个反应的化学计量式的通式为或112211.........n n n nA A A A υυυυ--++=++112211 0n n n n A A A A υυυυ-----++=10(1,2,...)ni ii A i n υ===∑10(1,2,...)niji i A i n υ===∑112211.........j j n j n nj nA A A A υυυυ--++=++也可用矩阵表示为1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子 一．反应程度对于间歇反应中的单反应 0A B RA B R υυυ++=进行物料衡算按化学计量关系有0000i i A A B B R R i A B Rn n n n n n n n ----ξ====υυυυ 上式中的ξ称为化学反应程度。

注意上述表达式中各项的正负号。

（1-7）式也可表达为： 0i i i i n n n υξ-=∆=0i i i n n n ∆=- 为i 组分已反应的量，所以，知道反应程度即可计算出所有反应物及产物已经反应（或生成）的量。

二、转化率反应物A 的反应量与其初如量之比称为A 的转化率:0000A A A A A A A A n n n x n n n -∆υξ==-=-工业反应过程中的原料中各组分之间往往不符合化学计量关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。

第一章绪论1.1 化学反应工程学的范畴和任务1.1.1化学反应工程发展简述自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类，物理过程不牵涉化学反应，但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系。

所以化学反应过程是物理与化学两类因素综合体。

远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称。

1.1.2 化学反应工程的范畴和任务化学反应工程学：是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体系。

一、研究的范畴1.化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等），看化学反应是否能进行及其反应程度。

2.反应动力学：专门阐明学反应速率与各项物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系。

为实现某一反应，要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处理能力等，这些都依赖于对反应动力学特性的认识。

3.催化剂4.设备型式、操作方法和流程有小试到扩是出现放大效应，因此工业装置的反映条件必须结合工程上的考虑才能合理的确定。

反应器型式：管式、釜式、塔式、固定床或流化床等。

操作方式：分批式、连续式或半连续式。

反应器的型式与特性表型式适用反应优缺点搅拌槽液相、液—液、液—固相适用性大，操作弹性大，温度、浓度易控制，产品质量均一管式气相、液相返混小，反应器容积小，比传热面大空塔或搅拌塔液相、液—液相结构简单，返混程度与高/径比及搅拌有关，轴向温差大鼓泡塔或挡板鼓泡塔气—液相，气—液—固相气相返混小，液相返混大，温度较易调节，气体压降大，流速有限制填料塔液相、气—液相结构简单，返混小，压降小，有温差，填料装卸麻烦板式塔气—液相逆流接触，气液返混均小，流速有限制，如需传热，常另加传热面喷雾塔气—液相快速反应结构简单，液体表面积大，停留时间受塔高限制，气流速度有限制固定床气—固相返混小，催化剂用量少，不易磨损，装卸麻烦，传热控温不易流化床气—固相，特别是催化剂失活很快的反应传热好，温度均匀，易控制，催化剂有效系数大，磨损大，返混大，对转化率不利，操作条件限制大移动床同上固体返混小，固气比可变性大，床内温差大，调节困难滴流床气—液—固相催化剂带出少，分离易，气液分不要均匀，温度调节困难蓄热床气相，以固相为热载体结构简单，调节范围较广，切换频繁，温度波动大，收率低喷嘴式气相，高速反应的液相传热、传质速度快，流体混合好，反应物急冷易分批式（或间歇）操作：是指一批反应物料投入反应器内后，让它经过一定的反应，然后再取出的操作方法。

《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。

化学反应工程名词解释第一章：1、反应动力学，2、分批式操作，3、连续式操作，4、半分批式操作，5、数学模型。

第二章：1、均相反应，2、化学反应速率，3、单一反应，4、复合反应，5、基元反应，6、非基元反应，7、单分子反应，8、双分子反应，9、三分子反应，10、收率，11、得率，12、选择性，13、单程转化率，14、单程收率，15、平行反应，16、串联反应，17、膨胀因子，18、膨胀率，19、反应级数。

20、总反应级数第三章：1、平推流反应器，2、全混流反应器，3、反应时间，4、平均停留时间，5、停留时间，6、返混，7、空时，8、空速，9、循环比，10、平衡温度，11、绝热温升，12、绝热操作，13、热稳定性。

14、平推流第四章：1、E（t）、F（t），2、脉冲示踪法，3、阶跃示踪法，4、方差，5、Pe，6、轴向分散模型，7、多级混合模型。

8、平均停留时间第五、六、七章1、混合法，2、浸渍法，3、沉淀法或共沉淀法，4、喷涂法及滚涂法，5、热熔法，6、吸附等温线，7、比表面，8、分子扩散或容积扩散，9、努森扩散，10、内扩散有效因子，11、面积当量直径，12、体积当量直径，13、比表面积当量直径，14、形状系数，15、床层空隙率，16、真密度，17、堆积密度，18、颗粒密度，19、临界流化速度，20、滴流床反应器，21、拟均相一维模型，22、带出速度或终端速度。

23、拟均相模型。