化學(xué)反應(yīng)工程知識(shí)點(diǎn)

1、化學(xué)反應(yīng)工程知識(shí)點(diǎn)郭鍇主編1、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)不僅研究化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系，即化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而且著重研究傳遞過程對宏觀化學(xué)反應(yīng)速率的影響，研究不同類型反應(yīng)器的特點(diǎn)及其與化學(xué)反應(yīng)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(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)過程和產(chǎn)物的后處理這三個(gè)部分，而化學(xué)反應(yīng)過程是整個(gè)化工生產(chǎn)的核心。3.化學(xué)反應(yīng)工程的基本研究方法是數(shù)學(xué)模型法。數(shù)學(xué)模型法是對復(fù)雜的、難以用數(shù)學(xué)全面描述的客觀實(shí)體，人為地做某些假定，設(shè)想出一個(gè)簡化模型，并通過對簡化模型的數(shù)學(xué)求解，達(dá)到利用簡單數(shù)學(xué)方程描述復(fù)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(shí)體的那一方面的特性相似

2、；模型必須進(jìn)行合理簡化，簡化模型既要反映客觀實(shí)體，又有便于數(shù)學(xué)求解和使用。4.反應(yīng)器按型式來分類可以分為管式反應(yīng)器、槽式反應(yīng)器（釜式反應(yīng)器）和塔式反應(yīng)器。5反應(yīng)器按傳熱條件分類，分為等溫反應(yīng)器、絕熱反應(yīng)器和非等溫非絕熱反應(yīng)器。第一章 均相單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和理想反應(yīng)器1、目前普遍使用關(guān)鍵組分A的轉(zhuǎn)化率來描述一個(gè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，其定義為：2、化學(xué)反應(yīng)速率定義（嚴(yán)格定義）為單位反應(yīng)體系內(nèi)反應(yīng)程度隨時(shí)間的變化率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為。3、對于反應(yīng)，反應(yīng)物A的消耗速率表達(dá)式為；反應(yīng)產(chǎn)物C的生成速率表達(dá)式為：4.反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率之間的關(guān)系式稱為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。大量的實(shí)驗(yàn)表明，均相

3、反應(yīng)的速率是反應(yīng)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，其中活化能反應(yīng)了反應(yīng)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(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。7、反應(yīng)器的開發(fā)大致有下述三個(gè)任務(wù)：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性來選擇合適的反應(yīng)器型式；結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)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(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器的幾何尺寸并進(jìn)行評價(jià)。8.在停留時(shí)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(shí)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(yīng)器被分為以下類型：間歇反應(yīng)器、理想置換反應(yīng)器（又稱平推流反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器）、全

4、混流反應(yīng)器（又稱為連續(xù)操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器）。10.反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算所涉及的基礎(chǔ)方程式就是動(dòng)力學(xué)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(shí)間又稱接觸時(shí)間，用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。在反應(yīng)器中，由于流動(dòng)狀況的不同，物料微元從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷的時(shí)間可能是各不相同的，存在一個(gè)分布，稱停留時(shí)間分布。各流體微元從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷的平均停留時(shí)間稱為平均停留時(shí)間。12.空間時(shí)間是指反應(yīng)器有效容積與流體特征體積流率之比值。13.理想置換反應(yīng)器（平推流反應(yīng)器）是指通過反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動(dòng)，向活塞

5、一樣在反應(yīng)器中向前平推，故又稱為活塞流或平推流反應(yīng)器。14.為了表征反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來的影響，引入兩個(gè)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1mol時(shí)，引起反應(yīng)物系的量的變化量。表達(dá)式：，總的物質(zhì)的量跟膨脹因子關(guān)系為第二章 復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器的選型1、三種理想的反應(yīng)器中，間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器完全沒有返混，全混流反應(yīng)器的返混達(dá)到極大的程度。2、反應(yīng)器的選型，其實(shí)就是根據(jù)不同的反應(yīng)的特性，選擇合適這種反應(yīng)類型的操作方式。3、對某個(gè)具體反應(yīng)，選擇反應(yīng)器、操作條件和操作方式主要考慮化學(xué)反應(yīng)本身的特征與反應(yīng)器特性，最終選擇的依據(jù)將取決于所有過程的經(jīng)濟(jì)性。4、過程

6、的經(jīng)濟(jì)性主要受兩個(gè)因素影響，一是反應(yīng)器的大小，二是產(chǎn)物分布。5、確定反應(yīng)器型式不但要考慮反應(yīng)的級(jí)數(shù)，而且要考慮過程進(jìn)行的程度，即轉(zhuǎn)化率的高低；級(jí)數(shù)越高，要求的轉(zhuǎn)化率也高，這時(shí)應(yīng)采用平推流反應(yīng)器；如果反應(yīng)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(yīng)器并聯(lián)各支路的空間時(shí)間相同時(shí)最終轉(zhuǎn)化率最高或者達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)器體積最小。7、個(gè)平推流反應(yīng)器串聯(lián)操作，其總體積與一個(gè)具體體積為的單個(gè)平推流反應(yīng)器所能獲得的轉(zhuǎn)化率相同。8、多釜串聯(lián)的反應(yīng)器，由于釜間無返混，使返混程度減少，當(dāng)時(shí)，多釜串聯(lián)全混反應(yīng)器組的操作就相當(dāng)于平推流反應(yīng)器。9、可逆反應(yīng)速率總是隨著轉(zhuǎn)化率升高而降低。可

7、逆吸熱反應(yīng)速率總是隨著溫度的升高而加快；而可逆放熱反應(yīng)按最佳溫度曲線操作時(shí)速率最大。10、反應(yīng)物能同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)，稱為平行反應(yīng)。連串反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)一步反應(yīng)成其他副產(chǎn)物的過程。第三章 非理想流動(dòng)反應(yīng)器1、按返混程度不同，可將反應(yīng)器分成以下三類：（1）完全不返混型反應(yīng)器、充分返混型反應(yīng)器和部分返混型反應(yīng)器。2、停留時(shí)間分布函數(shù)F（x）：是指當(dāng)物料以穩(wěn)定的流量流入反應(yīng)器而不發(fā)生化學(xué)變化時(shí)，在流出物料中停留時(shí)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(lì)，在出口處獲得的示蹤劑隨時(shí)間變化的輸出訊號(hào)稱為響應(yīng)。第四章 氣固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)1、催化反應(yīng)過程的特征

8、（1）催化劑改變反應(yīng)歷程，改變反應(yīng)速率，其本身在反應(yīng)前后沒有變化。（2）對可逆反應(yīng)，催化劑不會(huì)改變反應(yīng)物質(zhì)最終所能達(dá)到的平衡狀態(tài)。（3）對任何一個(gè)可逆反應(yīng)，催化劑既會(huì)加快正反應(yīng)速率，也必將以同樣的倍數(shù)加快逆反應(yīng)速率。（4）催化劑對反應(yīng)過程有良好選擇性。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(gè)好的固體催化劑必須具有高活性、高選擇性、高強(qiáng)度和長壽命等特點(diǎn)。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(xué)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

9、比表面積；（3）提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)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(xué)吸附只能發(fā)生于固體表面那些能于氣相分子起反應(yīng)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(rèn)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(yīng)速率方程的推導(dǎo)方法假定反應(yīng)機(jī)理，即確定反應(yīng)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(yīng)過程的速率，根據(jù)速率控制

10、步驟的類型，寫出該步驟的速率方程；非速率控制步驟均達(dá)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(xué)反應(yīng)，則寫出化學(xué)平衡式；利用所列平衡式與，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(yīng)速率方程。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(huì)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(zhǔn)的平均反應(yīng)速率稱為宏觀反應(yīng)速率。宏觀反應(yīng)速率還受催化劑顆粒的大小、形狀以及氣體擴(kuò)散過程的影響。宏觀反應(yīng)速率與其影響因素之間的關(guān)系稱為宏觀動(dòng)力學(xué)。13、對于流體與催化劑外表面間

11、的連續(xù)穩(wěn)定傳質(zhì)過程，反應(yīng)組分A在單位時(shí)間內(nèi)由氣相主體擴(kuò)散到顆粒外表面上的量應(yīng)該等于A組分在催化劑中反應(yīng)掉的量。14、催化劑失活的類型和原因很復(fù)雜，大致可以分為三類：結(jié)構(gòu)變化、物理中毒和化學(xué)中毒。15、工業(yè)上處理失活問題的方法：（1）改進(jìn)催化劑；（2）采用“中期活性”或安全系數(shù)設(shè)計(jì)反應(yīng)器；（3）嚴(yán)格控制操作條件；（4）優(yōu)化操作，以彌補(bǔ)失活造成的生產(chǎn)能力下降。第5章 氣固相催化反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)1、催化劑顆粒內(nèi)氣體擴(kuò)散類型有分子擴(kuò)散（容積擴(kuò)散）、克努森擴(kuò)散、和綜合擴(kuò)散。2、對于一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的外擴(kuò)散過程，反應(yīng)組分A在單位時(shí)間內(nèi)由氣相主體擴(kuò)散到顆粒外表面上的量應(yīng)該等于A組分在催化劑中反應(yīng)掉的量。3、坦克萊

12、數(shù)的物理意義為化學(xué)反應(yīng)速率與外擴(kuò)散速率之比。4、西勒模數(shù)實(shí)質(zhì)上是以顆粒催化劑體積為基準(zhǔn)，最大反應(yīng)速率與最大內(nèi)擴(kuò)散速率比值。西勒模數(shù)反映反應(yīng)速率、內(nèi)擴(kuò)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(kuò)散速率相對與反應(yīng)速率越大，宏觀反應(yīng)速率受擴(kuò)散的影響越小，過程屬反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(xué)中毒。7、處理催化劑失活的方法：改進(jìn)催化劑；采用合理的安全系數(shù)設(shè)計(jì)反應(yīng)器、嚴(yán)格控制操作條件；優(yōu)化操作條件。8、有效因子物理意義第6章 氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器1、體積當(dāng)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(dāng)量直徑。2、比表面當(dāng)量直徑：與顆粒具有

13、相同比表面積的球體的直徑稱為比表面積當(dāng)量直徑。3、對于熱效應(yīng)大的反應(yīng)過程，傳熱和控溫是固定床技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。4、固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)：（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(qiáng)；（3）停留時(shí)間可以控制、溫度分布可適當(dāng)調(diào)節(jié)，有利于達(dá)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(dǎo)熱不良物質(zhì)，而化學(xué)反應(yīng)常伴有熱效應(yīng)，反應(yīng)速率對溫度的敏感性強(qiáng)；（5）更換催化劑時(shí)必須停止生產(chǎn)。5、流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)是：（1）顆粒劇烈攪動(dòng)和混合，整個(gè)床層處于等溫狀態(tài)，可在最佳溫度點(diǎn)操作；（2）傳熱強(qiáng)度高，適于強(qiáng)吸熱或放熱反應(yīng)過程； (3)顆粒比較細(xì)小，有效系數(shù)高，可減

14、少催化劑用量；（4）壓降恒定，不易受異物堵塞；（5）返混較嚴(yán)重，不適于高轉(zhuǎn)化率過程；（6）為避免溝流、偏流等，對設(shè)備精度要求較高。7、根據(jù)氣體冷卻或加熱方式不同，多段絕熱式反應(yīng)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(yīng)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(shè)置氣體的冷卻（或加熱）裝置。9、在設(shè)計(jì)固定床反應(yīng)器時(shí)應(yīng)做到盡可能大的生產(chǎn)強(qiáng)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(yùn)行可靠，維修方便。第7章 氣固相催化反應(yīng)流化床反應(yīng)器1、當(dāng)流體自下而上通過堆積有固體顆粒的床層時(shí)，床層內(nèi)顆粒必將受到流體對顆粒的浮力、流動(dòng)的流體對顆粒產(chǎn)生的曳力以及

15、顆粒自身重力的影響。當(dāng)顆粒受到的升力（浮力和曳力之和）小于顆粒自身重量時(shí)，顆粒在床層內(nèi)靜止不動(dòng)，流體有顆粒之間的空隙通過，此時(shí)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(shí)，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(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為固體的流態(tài)化，整個(gè)床層稱為流化床。3、當(dāng)流速進(jìn)一步增大，顆粒受到的升力大于自身重量時(shí)，顆粒將隨流體一起運(yùn)動(dòng)而被帶出床層。這種狀態(tài)稱為移動(dòng)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、

16、當(dāng)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(shí)，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(yīng)器的特點(diǎn)（1）流化床使用固體催化劑顆粒直徑小于固定床反應(yīng)器選用的顆粒直徑，傳質(zhì)效果好，對反應(yīng)也有利；（2）催化劑內(nèi)擴(kuò)散影響可被忽略，流體流速較快，外擴(kuò)散也可不考慮。宏觀動(dòng)力學(xué)方程和本征動(dòng)力學(xué)方程相同。（3）流體通過床層時(shí)基本上可視為平推流，催化劑顆粒在床層內(nèi)運(yùn)動(dòng)接近全混流。（4）顆粒在床層內(nèi)運(yùn)動(dòng)

17、激烈，故要求顆粒有足夠強(qiáng)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）：在流化床的內(nèi)徑較小而床高于床徑比較大時(shí)，氣泡在上升過程中因聚并而增大，氣泡有可能占據(jù)整個(gè)床層截面，氣流將床層一節(jié)節(jié)地往上做柱塞式推動(dòng)，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(dāng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際氣速與空塔速度相同，床內(nèi)已無固體顆粒時(shí)，此時(shí)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(shí)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(yīng)過程與反應(yīng)器1、氣液相反應(yīng)過程是指氣相中的組分必須進(jìn)入到液相中才能進(jìn)行反應(yīng)的過程。2、氣液相反應(yīng)的步驟：（1）氣相中反應(yīng)組分由氣相主體透過氣膜擴(kuò)散到氣液界面（2）該組分進(jìn)入液相后通過液膜擴(kuò)散到液相主體（3）進(jìn)入液相的該組分與液相中反應(yīng)組分進(jìn)行反應(yīng)生成產(chǎn)物（4）產(chǎn)物由液相主體透過液膜擴(kuò)散到氣液界面（5）產(chǎn)物從氣液界面透過氣膜擴(kuò)散到氣相主體3、對于氣液相反應(yīng)來說，慢反應(yīng)是指化學(xué)反應(yīng)將