下载文档原格式
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。
化工类的名词解释化学工程是研究和应用化学原理、物理原理、数学方法以及工程技术的学科，主要涉及化学过程的设计、操作和优化。
在化学工程领域中，有许多名词常常被提及，下面将为您解释其中一些重要的名词。
一、反应器反应器是化学反应的核心设备，用于控制和驱动化学反应发生。
反应器根据不同的需求可以分为多种类型，如连续流动反应器和批量反应器。
连续流动反应器中，反应物以连续的方式流经反应器，反应时间较短；而批量反应器中，反应物一次性投入反应器，反应时间较长。
反应器往往由反应容器、搅拌装置、加热或冷却设备等组成。
二、塔式设备塔是一种常见的分离设备，广泛应用于化学工程中。
它可以通过物料之间的质量传递或物理吸附作用，使混合物中的组分得到分离。
常见的塔式设备有吸收塔、除尘塔、萃取塔等。
吸收塔用于将气体中的污染物吸收到液体中，除尘塔则用于去除气体中的颗粒物，而萃取塔则可将混合物中不同的组分分离出来。
三、催化剂催化剂是一种可以加速化学反应速率而不直接参与其中的物质。
它通过提供一个反应活化能的更低路径，降低了反应所需的能量。
催化剂在化学工程中被广泛应用，如在石油加工中用于裂解和改质反应、在氨合成中用于提高反应速率等。
常见的催化剂包括金属、金属氧化物和贵金属等。
四、溶液溶液是由溶质和溶剂组成的稳定混合物。
溶质是指能够在溶剂中溶解的物质，而溶剂是指能够溶解其他物质的介质。
溶液在化学工程中常常被用于反应介质、分离介质和催化剂载体等。
溶液的组成和浓度往往对反应速率和分离效果起着重要影响。
五、材料工程材料工程是研究材料制备、性能、改性和应用的学科。
在化学工程中，材料工程起着重要作用。
材料工程师通过研究和设计新的材料，以满足化学工程中的不同需求。
例如，高性能催化剂的开发、新型的分离膜材料的研究等，都离不开材料工程的支持。
六、可持续发展可持续发展是指在满足当前需求的同时，不危及未来世代满足其需求的能力。
在化学工程中，可持续发展的理念被广泛应用。
搅拌釜式反应器简介报告装备0210037033杜鑫一、反应器简介1、反应器总述化学工业的生产过程是由一系列化学反应过程与物理处理过程有机地组合而成的，而物理处理过程是为化学反应服务的，化学反应过程则是生产过程中的中心环节，反应进行的好坏对产品的收率和质量有着决定性的影响。
而化学反应的进行，是必须要在反应设备内完成的。
我们在实验室当然可以在烧杯、锥形瓶、试管等容器中进行，而将其扩大到工业规模，要做到反应物料的温度、浓度均匀一致，全部物料同时反应就不是那么容易了，因此这需要结合反应与设备，设备的结构、型式、尺寸以及操作方式等在物料的流动、混合、传热和传质等方面为化学反应提供了一定的条件。
2、反应器的分类工业反应过程不仅与反应本身特性有关，而且也与反应设备的特性有关。
反应器可以按照反应的特性分类，也可以按照设备的特性分类，设备的特性是指反应器的型式、操作方式及温度调节方式等，它们决定了反应物系的流动、混合及传热、传质等条件。
在这里，就说下按操作方式的分类，反应器按操作方式可分为：①间歇釜式反应器（或称间歇釜）操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。
间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。
但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
②连续釜式反应器（或称连续釜）可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。
在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。
在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。
此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。
此外连续釜非常适合自催化反应的进行。
③半连续釜式反应器。
指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。
二、搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器由搅拌器和釜体组成。
化学反应工程期末总结重点知识点归纳1、化学反应分类:(按相类分类)均相反应,非均相反应,(按操作分类)间歇操作,连续操作,半连续操作。
2、反应器分类:⑴ 管式反应器,一般长径比大于30⑵ 槽式反应器,一般高径比为1—3 ⑶ 塔式反应器,一般高径比在3—30之间;按传热条件分类:等温反应器,绝热反应器,非等温、非绝热反应器3、化学反应速率:4、化学反应动力学方程: 阿累尼乌斯关系:5、反应级数:m ,n :A ,B 组分的反应级数,m +n 为此反应的总级数。
如果反应级数与反应组份的化学计量系数相同,即m =a 并且n =b ,此反应可能是基元反应。
基元反应的总级数一般为1或2,极个别有3,没有大于3级的基元反应。
6、有如下基元反应过程,请写出各组分生成速率与浓度之间的关系。
7、动力学方程的方法:积分法、微分法8、化学反应器的设计基础:按混淆分类:间歇反应器,平推流反13s m mol d d 1--⋅=t V r ξ13B A c A s m mol --⋅=-n m c c k r RT Ek k -=ec0c 222A B C A C DB D E +↔+↔+↔222123422125622212342345656222222A A BC A CD B A B C B DE C A B C A C DD A C D B D EE B D Er k c c k c k c c k c r k c c k c k c c k c r k c c k c k c c k c r k c c k c k c c k c r k c c k c =-+-+=-+-+=--+=--+=-应器(理想置换反应器、活塞流反应器),全混流反应器9、间歇反应器的特点:①由于剧烈搅拌、混合,反应器内有效空间各位置的物料温度、浓度都相同;②由于一次加料,一次出料,反应过程没有加料、出料,所有物料在反应器停留时间相同,不存在不同停留时间物料的混合,即无返混现象;③出料组成与反应器内物料的最终组成相同;④为间歇操作,有辅助生产时间。
化学反应⼯程第三章均相理想反应器第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺⼨、确定操作条件。
2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。
最根本任务—最⾼的经济和社会效益。
3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒⼦之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒⼦之间的混合。
注意：返混≠混合！平推流—物料以均⼀流速向前推进。
特点是粒⼦在反应器中的停留时间相同，不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变（齐头并进⽆返混，变化随轴不随径）。
全混流（理想混合）—物料进⼊反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最⼤。
3．1．2 反应器设计的基础⽅程反应器的⼯艺设计包括两⽅⾯的内容：1．由给定⽣产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进⾏较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。
反应器设计的基础⽅程主要是：1．动⼒学⽅程；2．物料衡算⽅程；3．热量衡算⽅程；4．动量衡算⽅程。
⼀、物料衡算⽅程对反应器内选取的⼀个微元，在单位时间内，对物质A有：进⼊量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)⽤符号表⽰：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程⽆进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
复 习 题 选择题（每小题2分，共16分） 1．一简单酶催化反应，若初始酶浓度CE0=0.01mmol/L, 酶催化最大反应速率是0.197mmol/L.h,则产物生成速率常数是多少？ ( A ) A 19.7h-1 B 9.5h-1 C 2.7h-1 D 18.2h-1 2．有一均相酶反应，当底物的初始浓度CE0=1χ10-5mmol/L，若反应进行一段时间后，此时的底物浓度为0.9χ10-5mmol/L,则底物转化率为多少？ ( D ) A.20% B.12% C.15% D. 10% 3．某酶的Km值为2.0χ10-5mol/L，如果rmax值为4.0χ10-5mol/(L.min)，在底物浓度为1χ10-4mol/L和在竞争性抑制剂浓度为2χ10-4mol/L情况下，假定KI为2χ10-4mol/L，其反应速率为多少？（ 2.86×10的-5次方） A．2.0χ10-5mol/(L.min) B．1.43χ10-5mol/(L.min) C．1.43χ10-4mol/(L.min) D．2.0χ10-4mol/(L.min) 4．一简单酶催化反应的反应速率为6.0χ10-5m ol/(L.min)，当有抑制剂时的反应速率变为1.5χ10-5m ol/(L.min)，问其抑制程度有多大？（0.75 ） A．2.0 B．0.2 C．0.25 D．0.5 5.某酶催化的反应速率为1.5χ10-5mol/(L.min)，当此酶固定于无微孔的球形载体上进行同类反应时，反应速率变为1.2χ10-5mol/(L.min)，该固定化酶的扩散有效因子是多少？（A ） A 0.8 B 1.0 C 0.75 D 0.5 6．固定于无微孔的球形载体上的酶促反应,假定其外扩散传质速率为1.0χ10-6m ol/(L.min),则在定态条件下的反应速率为（ B） A．2.0χ10-5mol/(L.min) B．1.0χ10-6mol/(L.min) C．2.0χ10-6mol/(L.min) D．1.2χ10-6mol/(L.min) 7．某微生物反应的动力学方程为 ，则KS为（ B） A 1.2 B 2 C 1.8 D 2.5 8. 在甘露醇中培养大肠杆菌,当甘露醇溶液以1.5L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时,稀释率为（D ）. A．0.4min-1 B．1.4min-1 C．5min-1 D．0.3min-1 填空题（每小题2分，共20分） 1、假定CSTR中进行等温均相反应，反应器有效体积恒定不变，其基本设计方程为流入速率=流出速率+反应消耗速率+累积量，则对底物S的物料衡算表达式为 dCs Vr————=F（Cso-Cs）-VrTs dt 2、酶或细胞的固定化方法有 载体结合法、自聚焦法、包埋法 。 3、影响固定化酶动力学的因素有：空间效应、扩散效应、分配效应。 4、生物反应器如按操作方式分类可分为分批操作、连续操作、补料分批操作，若根据反应器内物系的相态分可分为均相反应器、非均相反应器； 5、固定化酶催化反应外扩散效应影响的判断依据主要有两个：Da和ηE ηE＝1时，不存在外扩散影响，为 动力学 控制；当 ηE<1时，存在外扩散影响,宏观反应速率变慢；ηE<<1时，完全为 外扩散 控制。 6、发酵产物的生成速率与菌体生长速率之间大致存在三种不同类型的关联，它们是 生长偶联型 、 生长部分偶联 、 非生长偶联 。 7． 生物反应器是整个生化反应过程的关键设备。它的结构、操作方式和操作条件与产品的质量、收率（转化率）和能耗有着密切关系。 8．生物反应器有两种基本的理想流动模型，即返混极大的 全混流 反应器和没有返混的 活塞流 反应器。 9．酶催化反应的可逆抑制可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合型抑制。 10. 通用式机械搅拌发酵罐的基本结构包括筒体、 搅拌器 、 冷却管 、挡板、 轴封 、电动机与变速装置和空气分布器等。或填消沫器 名词解释 (每小题2分，共8分) 1．稀释率：稀释率（又称稀释度）符号为D，其定义为体积流量qv和有效体积VR的比值。 2. 连续培养：使细胞或细菌生长和繁殖状态长时间维持稳定的培养技术。一方面以一定速度连续流入新鲜培养基和通入无菌空气，并立即搅拌均匀；另一方面，利用溢流的方式，以同样的流速不断流出培养物。于是容器内的培养物就可达到动态平衡，其中的微生物可长期在指数期的平衡生长状态和衡定的生长速率上，于是形成了连续生长。 3．扩散有效因子：扩散阻力对固定化生物催化反应过程速率的影响程度 4．细胞生长比速率：以单位细胞浓度为基准的细胞生长速率 简答题1．某酶固定于无微孔的球形载体上，在排除外扩散影响的条件下测得其动力学参数为rmax=8×10-5mol/(L? s)， 现将固定化酶颗粒装入底物浓度为1×10-5mol/L反应器中，并已知在这一操作条件下流体传质系数为0.4(1/S)，判断此时该反应过程由反应动力学控制还是扩散速率控制。Da=rmax/(kLacs0) 2. 固定化酶和固定化细胞在实际应用中的显著特点是什么？ 可以长期保留在反应器内通过再生和反复使用，以实现连续化生产，易与产物分离，避免了对产物的污染，简化了产物分离工艺 3．生物反应器设计的主要目标及核心内容分别是什么? 目标：将生物催化剂的活性控制在最佳水平，以提高催化反应过程的效率，提高产品质量和技术经济水平 核心内容：反应器的类型；反应器结构设计与确定各种结构参数；确定工艺参数及其控制方式。 计算题(第1、2小题各8分,第3小题各15分，共31分) 1. 在啤酒酵母（CH1.66N0.13O0.4）的生长实验中，消耗 0.2kg 糖，得到 0.0746kg 酵母细胞，释放0.121kgCO2，并消耗了0.0672kgO2，求出： (1)酵母细胞得率Yx/s (2)呼吸商RQ。 解：（1）Yx/s=0.0746/0.2=0.373 （2）RQ=f（二氧化碳生成的物质的量）/a（氧气消耗的物质的量）=（0.121*1000g/44）/（0.0672*1000/32）=1.31 2.对某一S→P的均相酶反应，假定其反应动力学符合M-M方程，又已知其Km=1.2mol/L,rmax=3χ10-2mol/(L.min).现要设计BSTR，使其产物P年产量为72000mol，并已知cso=2mol/L，Xs=0.95,全年反应器的操作时间为7200h，每批操作的的辅助时间为2h，试求所需反应器的有效体积。 解：根据公式rmax*tr=Cso*Xs=Km*Ln（1/（1-Xs）），求得tr=3.05/h。则有：全年反应批次=7200/（tr+tb）=1425.74批 每批次的产物量=年产量72000/批数1425.74=50.5mol 每批产物浓度=2.0*0.95=1.9mol/h 则有所需要的体积为=50.5/1.9=26.6L 3. 有一均相酶催化反应，Km值为2×10-3mol.L-1, 当底物的初始浓度Cso 为1×10-5mol.L-1时，若反应进行1min，则底物的转化率Xs为2％。试计算：（1）当反应进行3min时，底物转化率为多少？此时，底物和产物的浓度如何？（2）当Cso为1×10－6mol.L-1 时，也反应3min，底物和产物的浓度又是多少？（3）最大反应速率的rP,max为多少？ 解：因为Cso<（1）根据rmax*t=Km*Ln（Cso/Cs）=Km*Ln（1/（1-Xs））得到rmax=4.04×10-5mol/（L.min）当反应进行3min时，代入上式，可求得Cs=9.42×10-6mol/（L.min）则有Xs=5.8％ （2）根据rmax*t=Km*Ln（Cso/Cs）求得Cs=9.41×10-7，Cs=Cso（1-Xs）得到Xs=5.9％，所以Cp=5.9％×1×10－6mol.L-1=5.9×10－8mol.L-1 （3）rp,max=Cso*rmax=4.04×10－10mol.L-1 生物反应工程习题精解第一章绪论 第一章绪论 主要内容包括： 1、生化反应工程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程，常称为生化反应工程。 其实质是利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。 主要有四个部分组成：（1）原材料的预处理；（2）生物催化剂的制备；（3）生化反应器及其反应条件的选择和监控；（4）产物的分离纯化。 2、生化反应工程的特点：生化反应过程是一门综合性学科；采用生物催化剂；采用可再生资源为主要原料，成本低廉但难以控制成分；与一般化工产品相比，设备简单，能耗低，但通常反应产物浓度低，反应器生产效率低，产物提取困难。 3、生化反应工程的分类：主要有酶催化反应过程、细胞反应过程以及废水的生物处理过程。 4、生化反应工程的研究内容：生物反应动力学（包括酶动力学、微生物动力学、动植物细胞动力学）；生物反应器（包括反应器的选型、反应器的传递特性、反应器的流动特性、反应器的优化与控制）；生化反应过程的放大与缩小。 5、生化反应工程的研究方法：目前多数仍以经验方法为主，今后的趋势是以数学模型为主要研究方法。
第2章均相酶催化反应动力学 均相酶反应是指酶与反应物处于同一相――液相的酶催化反应，不存在相间的物质传递。均相酶催化反应动力学反映了该反应过程的本征动力学关系，是分子水平上的反应。 1、简单酶催化反应机理： 根据活性中间体学说，简单酶催化反应分为两步，首先是酶E与底物S形成中间体复合物[ES]，然后再分解为产物P和酶E 2、简单酶催化反应动力学的推导假设： (1)基元反应质量作用定律 （2）质量守恒原理 （3）快速平衡或拟稳态假说 3、简单酶动力学推导：主要是两种方法，即Michaelis-Menten法和Briggs-Haldane法。前者采用快速平衡的假设，中间产物生成速度远大于产物生成速度；后者采用稳态平衡的假设，中间复合物生成速度与产物生成速度相差不大。 4、简单酶催化反应动力学方程 rmaxCs rs=———— Km+Cs
