0616化學反應工程知識點

1、20160616化學反應工程知識點化學反應工程知識點一郭錯主編1、化學反應工程學不僅研究化學反應速率與反應條件之間的關(guān)系, 即化學反應動力學,而且著重研究傳遞過程對宏觀化學反應速率的影 響，研究不同類型反應器的特點及其與化學反應結(jié)果之間的關(guān)系。2、任何化工生產(chǎn)，從原料到產(chǎn)品都可以概括為原料的預處理、化學 反應過程和產(chǎn)物的后處理這三個部分,而化學反應過程是整個化工生 產(chǎn)的核心。3 .化學反應工程的基本研究方法是數(shù)學模型法。數(shù)學模型法是對復雜 的、難以用數(shù)學全面描述的客觀實體，人為地做某些假定，設想出一 個簡化模型，并通過對簡化模型的數(shù)學求解，達到利用簡單數(shù)學方程 描述復雜物理過程的目的。模型必須

2、具有等效性，而且要與被描述的 實體的那一方面的特性相似；模型必須進行合理簡化，簡化模型既要 反映客觀實體，又有便于數(shù)學求解和使用。4 .反應器按型式來分類可以分為管式反應器、槽式反應器（釜式反應 器）和塔式反應器。5反應器按傳熱條件分類，分為等溫反應器、絕熱反應器和非等溫非 絕熱反應器。第一章均相單一反應動力學和理想反應器1、目前普遍使用關(guān)鍵組分A的轉(zhuǎn)化率來描述一個化學反應進行的程 度 其定義為.x -轉(zhuǎn)化了的A組分量一"八0 一 八良丹7E 乂力.F A組分的起始量八02、化學反應速率定義（嚴格定義）為單位反應體系內(nèi)反應程度隨時 間的變化率。其數(shù)學表達式為孚。V dt3、對于反應力

3、+ 28 = 3C + 4。，反應物A的消耗速率表達式為_/產(chǎn)_粵；反應產(chǎn)物C的生成速率表達式為：化=；牛V atV at4 .反應動力學方程:定量描述反應速率與影響反應速率之間的關(guān)系式稱為反應動力學方程。大量的實驗表明，均相反應的速率是反應物系 的組成、溫度和壓力的函數(shù)。5 .阿累尼烏斯關(guān)系式為七二2，其中活化能反應了反應速率對溫 度變化的敏感程度。6、半衰期：是指轉(zhuǎn)化率從0變?yōu)?0%所需時間為該反應的半衰期。7、反應器的開發(fā)大致有下述三個任務：根據(jù)化學反應動力學特性來選擇合適的反應器型式;結(jié)合動力學和反應器兩方面特性來確定 操作方式和優(yōu)化操條件；根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應裝置進行設計廿 算，確定

4、反應器的幾何尺寸并進行評價。8 .在停留時間相同的物料之間的均勻化過程，稱之為簡單混合。而停 留時間不同的物料之間的均勻化過程，稱之為返混。9 .根據(jù)返混情況不同反應器被分為以下類型：間歇反應器、理想置換 反應器（又稱平推流反應器或活塞流反應器）、全混流反應器（又稱 為連續(xù)操作的充分攪拌槽式反應器）o10 .反應器設計計算所涉及的基礎方程式就是動力學方程式、物料衡 算方程式和熱量衡算方程式,其中物料衡算所針對的具體體系稱為體 積元。11、停留時間又稱接觸時間，用于連續(xù)流動反應器，指流體微元從反 應器入口到出口經(jīng)歷的時間。在反應器中，由于流動狀況的不同，物 料微元從反應器入口到出口所經(jīng)歷的時間可

5、能是各不相同的,存在一 個分布，稱停留時間分布。各流體微元從反應器入口到出口所經(jīng)歷的 平均停留時間稱為平均停留時間。12 .空間時間是指反應器有效容積與流體特征體積流率之比值。13 .理想置換反應器（平推流反應器）是指通過反應器的物料沿同一 方向以相同速度向前流動，向活塞一樣在反應器中向前平推，故又稱 為活塞流或平推流反應器。14 .為了表征反應物系體積變化給反應速率帶來的影響，引入兩個參 數(shù)，膨脹率和膨脹因子。15、膨脹因子的物理意義為：關(guān)鍵組分A消耗lmol時，引起反應物 系的量的變化量。表達式：久=2，總的物質(zhì)的量跟膨脹因子關(guān) （一內(nèi)）系為+小。屹I第二章復合反應與反應器的選型1、三種理

6、想的反應器中，間歇反應器和平推流反應器完全沒有返混, 全混流反應器的返混達到極大的程度。2、反應器的選型，其實就是根據(jù)不同的反應的特性，選擇合適這種 反應類型的操作方式。3、對某個具體反應，選擇反應器、操作條件和操作方式主要考慮化 學反應本身的特征與反應器特性,最終選擇的依據(jù)將取決于所有過程 的經(jīng)濟性。4、過程的經(jīng)濟性主要受兩個因素影響，一是反應器的大小，二是產(chǎn) 物分布。5、確定反應器型式不但要考慮反應的級數(shù)，而且要考慮過程進行的 程度，即轉(zhuǎn)化率的高低；級數(shù)越高，要求的轉(zhuǎn)化率也高，這時應采用 平推流反應器；如果反應器只能采用釜式結(jié)構(gòu)，則采用多釜串聯(lián)，使 之盡可能接近平推流。6、平推流反應器并聯(lián)

7、各支路的空間時間相同時最終轉(zhuǎn)化率最高或者 達到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應器體積最小。7、N個平推流反應器串聯(lián)操作，其總體積Vr與一個具體體積為Vr 的單個平推流反應器所能獲得的轉(zhuǎn)化率相同。8、多釜串聯(lián)的反應器，由于釜間無返混，使返混程度減少，當N-s 時，多釜串聯(lián)全混反應器組的操作就相當于平推流反應器。9、可逆反應速率總是隨著轉(zhuǎn)化率升高而降低?？赡嫖鼰岱磻俾士?是隨著溫度的升高而加快;而可逆放熱反應按最佳溫度曲線操作時速 率最大。10、反應物能同時進行兩個或兩個以上的反應，稱為平行反應。連串 反應是指反應產(chǎn)物能進一步反應成其他副產(chǎn)物的過程。第三章非理想流動反應器1、按返混程度不同，可將反應器分成以

8、下三類：(1)完全不返混型 反應器、充分返混型反應器和部分返混型反應器。2、停留時間分布函數(shù)F (x)：是指當物料以穩(wěn)定的流量流入反應器 而不發(fā)生化學變化時，在流出物料中停留時間小于t的物料占總流出 物的分率。3、示蹤法中入口物料輸入示蹤劑稱為激勵，在出口處獲得的示蹤劑 隨時間變化的輸出訊號稱為響應。第四章氣固相催化反應本征動力學1、催化反應過程的特征(1)催化劑改變反應歷程，改變反應速率，其本身在反應前后沒有 變化。(2)對可逆反應，催化劑不會改變反應物質(zhì)最終所能達到的平衡狀 態(tài)。(3)對任何一個可逆反應，催化劑既會加快正反應速率，也必將以同樣的倍數(shù)加快逆反應速率。(4)催化劑對反應過程有良

9、好選擇性。2、固體催化劑包括催化活性物質(zhì)、載體、助催化劑和抑制劑。一個好的固體催化劑必須具有高活性、高選擇性、高強度和長壽命等特點o3、助催化劑的類型可分為結(jié)構(gòu)型催化劑和調(diào)變型催化劑。4、制備固體催化劑，經(jīng)干燥后，都需要高溫段燒，其目的是：(1)除掉易揮發(fā)組分,保證一定化學組成,從而使催化劑具有穩(wěn)定的活性;(2)使催化劑保持一定的晶型、晶粒大小、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積;(3)提高催化劑的機械強度。5、催化劑的性能主要包括活性、選擇性和壽命。對催化劑性能影響 最大的物理性質(zhì)主要是比表面積、孔體積和孔體積分布。6、比表面積：單位質(zhì)量催化劑具有的表面積稱為比表面積7、活性中心：是指化學吸附只能發(fā)生于固體

10、表面那些能于氣相分子起反應的原子上，通常把該類原子稱為活性中心。8、組分A的吸附率是指固體表面被A組分覆蓋的活性中心數(shù)與總活性中心數(shù)之比。9、焦姆金吸附模型認為一般吸附活化能隨覆蓋率的增加而增大，脫附活化能隨覆蓋率的增加而減小。10、本征反應速率方程的推導方法假定反應機理，即確定反應所經(jīng)歷的步驟；確定速率控制步驟, 該步驟的速率即為反應過程的速率，根據(jù)速率控制步驟的類型，寫出 該步驟的速率方程；非速率控制步驟均達到平衡。若為吸附或解析 步驟，列出蘭格繆爾吸附等溫式，若為化學反應，則寫出化學平衡式; 利用所列平衡式與=1,將速率方程中各種表面濃度變換為 氣相組分分壓的函數(shù)，即得所求的反應速率方程

11、。11、催化劑在使用之前通常需要活化。催化劑表面的活化過程可以除 去吸附和沉積的外來雜質(zhì)，而且可以改變催化劑性質(zhì)，在空氣中會很 快起來變化的催化劑必須在卸出之前小心地使之鈍化。12、以顆粒催化劑體積為基準的平均反應速率稱為宏觀反應速率。宏 觀反應速率還受催化劑顆粒的大小、形狀以及氣體擴散過程的影響。 宏觀反應速率與其影響因素之間的關(guān)系稱為宏觀動力學。13、對于流體與催化劑外表面間的連續(xù)穩(wěn)定傳質(zhì)過程，反應組分A 在單位時間內(nèi)由氣相主體擴散到顆粒外表面上的量應該等于A組分 在催化劑中反應掉的量。14、催化劑失活的類型和原因很復雜，大致可以分為三類：結(jié)構(gòu)變化、 物理中毒和化學中毒。15、工業(yè)上處理失

12、活問題的方法：（1）改進催化劑；（2）采用“中期 活性”或安全系數(shù)設計反應器；（3）嚴格控制操作條件；（4）優(yōu)化操 作，以彌補失活造成的生產(chǎn)能力下降。第5章氣固相催化反應宏觀動力學1、催化劑顆粒內(nèi)氣體擴散類型有分子擴散（容積擴散）、克努森擴散、 和綜合擴散。2、對于一個連續(xù)穩(wěn)定的外擴散過程，反應組分A在單位時間內(nèi)由氣 相主體擴散到顆粒外表面上的量應該等于A組分在催化劑中反應掉 的量。3、坦克萊數(shù)的物理意義為化學反應速率與外擴散速率之比。4、西勒模數(shù)實質(zhì)上是以顆粒催化劑體積為基準，最大反應速率與最 大內(nèi)擴散速率比值。西勒模數(shù)反映反應速率、內(nèi)擴散速率對過程的影 響程度的參數(shù)。5、西勒模數(shù)值越小，說

13、明擴散速率相對與反應速率越大，宏觀反應 速率受擴散的影響越小，過程屬反應動力學控制。6、催化劑失活原因包括結(jié)構(gòu)變化、物理中毒和化學中毒。7、處理催化劑失活的方法：改進催化劑；采用合理的安全系數(shù)設計 反應器、嚴格控制操作條件；優(yōu)化操作條件。8、有效因子物理意義_催化劑內(nèi)實際反應速率“一催化劑內(nèi)無濃度差時的反應速率第6章氣固相催化反應固定床反應器1、體積當量直徑(dv)：與顆粒具有相同體積的球體的直徑稱為該 顆粒的體積當量直徑。2、比表面當量直徑：與顆粒具有相同比表面積的球體的直徑稱為比 表面積當量直徑。3、對于熱效應大的反應過程，傳熱和控溫是固定床技術(shù)的難點和關(guān) 鍵所在。4、固定床反應器的特點：

14、(1)催化劑不易磨損而且可長期使用；(2)床層內(nèi)流體接近平推流，生產(chǎn)能力較強；(3)停留時間可以控制、溫度分布可適當調(diào)節(jié)，有利于達到高的轉(zhuǎn) 化率和高的選擇性；(4)傳熱較差，催化劑載體又往往是導熱不良物質(zhì)，而化學反應常 伴有熱效應，反應速率對溫度的敏感性強；(5)更換催化劑時必須停止生產(chǎn)。5、流化床反應器的特點是：(1)顆粒劇烈攪動和混合，整個床層處于等溫狀態(tài)，可在最佳溫度 點操作；(2)傳熱強度高，適于強吸熱或放熱反應過程；(3)顆粒比較細小，有效系數(shù)高，可減少催化劑用量；(4)壓降恒定，不易受異物堵塞；(5)返混較嚴重，不適于高轉(zhuǎn)化率過程;(6)為避免溝流、偏流等，對設備精度要求較高。7、

15、根據(jù)氣體冷卻或加熱方式不同，多段絕熱式反應器可分為中間間 接換熱式和冷激式等類型。8、多段絕熱式反應器是筒體內(nèi)放置幾次擱板，擱板上放置催化劑, 層與層之間設置氣體的冷卻(或加熱)裝置。9、在設計固定床反應器時應做到盡可能大的生產(chǎn)強度，即單位床層 的生產(chǎn)能力大；氣體通過床層的阻力小，結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定性好, 運行可靠，維修方便。第7章 氣固相催化反應流化床反應器1、當流體自下而上通過堆積有固體顆粒的床層時，床層內(nèi)顆粒必將 受到流體對顆粒的浮力、流動的流體對顆粒產(chǎn)生的曳力以及顆粒自身 重力的影響。當顆粒受到的升力(浮力和曳力之和)小于顆粒自身重 量時，顆粒在床層內(nèi)靜止不動，流體有顆粒之間的空隙通過

16、，此時床 層稱為固定床。2、隨著流體流量的增加，顆粒受到的曳力也隨著增加。若顆粒受到的升力恰好等于自身重量時，顆粒受力處于平衡狀態(tài)，故顆粒將在床 層內(nèi)作上下、左右、前后的激烈運動，這種現(xiàn)象被稱為固體的流態(tài)化, 整個床層稱為流化床。3、當流速進一步增大，顆粒受到的升力大于自身重量時，顆粒將隨流體一起運動而被帶出床層。這種狀態(tài)稱為移動床。4、隨著流體流量的加大，床層內(nèi)的空隙率增大，顆粒之間間距加大, 而顆粒在床層中分布均勻，流體基本上以平推流形式通過床層，這種 流化形式稱為散式流態(tài)化。5、當流體通過固體床層的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出 速度時，顆粒在氣流作用下懸浮于床層中，所形成的流固混

17、合物稱為 濃相段6、在濃相段上升的氣泡在界面上破裂，氣泡內(nèi)顆粒以及受氣泡夾帶的乳化相中顆粒將被拋向濃相段上方空間。這段空間稱為稀相段或稱 分7流態(tài)化的不正?，F(xiàn)象：溝流和節(jié)流（沸騰） 8、簡述流化床反應器的特點（1）流化床使用固體催化劑顆粒直徑小于固定床反應器選用的顆粒直徑，傳質(zhì)效果好，對反應也有利；（2）催化劑內(nèi)擴散影響可被忽略，流體流速較快，外擴散也可不考 慮。宏觀動力學方程和本征動力學方程相同。（3）流體通過床層時基本上可視為平推流，催化劑顆粒在床層內(nèi)運 動接近全混流。（4）顆粒在床層內(nèi)運動激烈，故要求顆粒有足夠強度。顆粒在床內(nèi)被氣流帶出損失較大，對使用昂貴催化劑的過程是不利的。9、節(jié)涌（

18、騰涌）：在流化床的內(nèi)徑較小而床高于床徑比較大時，氣泡在上升過程中因聚并而增大，氣泡有可能占據(jù)整個床層截面，氣流將 床層一節(jié)節(jié)地往上做柱塞式推動，在上升到某一位置而崩落，流化床 的正常操作被破壞。這種情況稱節(jié)涌（或稱騰涌）。10、逸出速度：當氣體在反應器內(nèi)實際氣速與空塔速度相同，床內(nèi)已無固體顆粒時，此時的速度稱逸出速度。H、流化床的熱量傳遞過程大體可分為：固體顆粒之間的熱量傳遞、氣體與固體之間的熱量傳遞；床層與床壁(包括換熱器)之間的熱量 傳遞。流化床內(nèi)的熱傳遞問題實際上是床層與器壁(及換熱器壁)之 間的熱交換速率問題。第8章 氣液相反應過程與反應器1、氣液相反應過程是指氣相中的組分必須進入到液相中才能進行反 應的過程。2、氣液相反應的步驟:(1)氣相中反應組分由氣相主體透過氣膜擴散到氣液界面(2)該組分進入液相后通過液膜擴散到液相主體(3)進入液相的該組分與液相中反應組分進行反應生成產(chǎn)物(4)產(chǎn)物由液相主體透過液膜擴散到氣液界面產(chǎn)物從氣液界面透過氣膜擴散到氣相主體3、對于氣液相反應來說，慢反