20160616化學反應工程知識點

1、.化學反應工程知識點郭鍇主編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。 模型必須具有等效性， 而且要與被描述的實體的那

2、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、目前普遍使用關鍵組分a 的轉(zhuǎn)化率來描述一個化學反應進行的程轉(zhuǎn)化了的 a 組分量na 0 na度，其定義為： xana0a 組分的起始量2、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r1 d。v dt3 、對于 反應 a2b3c4d ，反應物a的消耗速率表達式為ra

3、1dna ；反應產(chǎn)物 c 的生成速率表達式為： rc1dncvdtvdt4. 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)。e5. 阿累尼烏斯關系式為 kc kc0 e rt ，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)?50%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計算，確定反應器的幾何尺寸并進行評價

4、。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） 。10. 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)歷的時間可能是各不相同的，存在一

5、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：關鍵組分a 消耗 1mol 時，引起反應物系的量的變化量。 表達式：aa ，總的物質(zhì)的量跟膨脹因子關系( aa )為 ntnt 0na0 x a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)各支路的

7、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、個平推流反應器串聯(lián)操作，其總體積與一個具體體積為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俾士偸请S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，可將反應器分成以下三類：（1）完全不返混

8、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好選擇性。2、固體催化

9、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。3、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，都需要高溫煅燒，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)生于固體表面那些能于氣相分

10、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iv1，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、催化

11、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)上處理失活問題的方法：

12、 （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，說明擴散速率

13、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)的難點和關鍵所在。4、固定床反應器的特點：（ 1）催化劑

14、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，此時床

16、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，所形成的流固混合物稱為

17、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)化的不正常現(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（騰涌

18、）：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。11、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（ 5）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，慢反應是指化學