化學(xué)反應(yīng)工程知識點(diǎn)1~3講義

1、知識點(diǎn)1.緒論一、主要講解內(nèi)容介紹化學(xué)反應(yīng)工程相關(guān)的基本知識，包括化學(xué)反應(yīng)工程的定義、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的發(fā)展、化學(xué)反應(yīng)工程的任務(wù)、化學(xué)反應(yīng)工程和其他學(xué)科的關(guān)系。二、學(xué)習(xí)要求本章要求學(xué)生能夠掌握化學(xué)反應(yīng)工程的定義，明確化學(xué)反應(yīng)工程的任務(wù)。三、視頻（已錄制完成）四、講義1.1化學(xué)反應(yīng)工程的定義在工業(yè)規(guī)模上開發(fā)和應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)的工程活動。1.2化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的發(fā)展自然界的物質(zhì)的運(yùn)動或變化過程由物理或化學(xué)的兩類，物理過程不牽涉化學(xué)反應(yīng)，但化學(xué)過程卻總是與物理因素有著緊密聯(lián)系。所以化學(xué)反應(yīng)過程是物理與化學(xué)兩類因素綜合體。遠(yuǎn)溯古代，陶瓷制作、釀酒等工藝，但直到本世紀(jì)五十年代一直還未形成一門專門研究的獨(dú)立學(xué)

2、科，到1957年舉行的第一次歐洲反應(yīng)工程會議上確立了這一學(xué)科的名稱。1.3 化學(xué)反應(yīng)工程的任務(wù)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是一門研究化學(xué)反應(yīng)的工程問題的科學(xué)，既以化學(xué)反應(yīng)作為研究對象，又以工程問題為研究對象，把二者結(jié)合起來的學(xué)科體系。其主要任務(wù)包括：分析化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)、確定合適的反應(yīng)條件；選擇合適的反應(yīng)器并對其進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)；對反應(yīng)器進(jìn)行最優(yōu)操作和控制。1.4 化學(xué)反應(yīng)工程和其他學(xué)科的關(guān)系a. 數(shù)學(xué)，微積分、方程的解析求解和數(shù)值求解、極值問題等，均是化學(xué)反應(yīng)工程問題求解的基礎(chǔ)。b. 反應(yīng)動力學(xué)：專門闡明學(xué)反應(yīng)速率與各項(xiàng)物理因素（如溫度、壓力、催化劑等）之間的定量關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)某一反應(yīng)，要選定合易的條件及反應(yīng)器

3、的結(jié)構(gòu)型式、尺寸和處理能力等，這些都依賴于對反應(yīng)動力學(xué)特性的認(rèn)識。c. 化工熱力學(xué)：確定物系的各種物性常數(shù)（熱容、研所引資、反應(yīng)熱等），看化學(xué)反應(yīng)是否能進(jìn)行及其反應(yīng)程度。為化學(xué)反應(yīng)工程提供反應(yīng)熱、反應(yīng)平衡常數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。d. 催化作用e. 傳遞工程和流體力學(xué)：裝置中有動量、熱量、質(zhì)量傳遞（三傳），當(dāng)規(guī)模放大時(shí)，出現(xiàn)放大效應(yīng)?！叭齻饕环础笔侨齻骱头磻?yīng)動力學(xué)。五、小結(jié)本章介紹了化學(xué)反應(yīng)工程的定義、學(xué)科的發(fā)展、任務(wù)極其與數(shù)學(xué)、化工熱力學(xué)、催化作用及傳遞工程等學(xué)科之間的密切關(guān)系。六、自測題1.三傳一反是指動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和反應(yīng)動力學(xué)。知識點(diǎn)2. 計(jì)量方程及反應(yīng)分類一、主要講解內(nèi)容主要介紹計(jì)

4、量方程的含義，并對反應(yīng)從不同的角度進(jìn)行分類。二、學(xué)習(xí)要求掌握計(jì)量方程的含義，掌握不同的反應(yīng)分類方法。三、視頻（已錄制完成）四、講義1. 化學(xué)計(jì)量方程計(jì)量方程是表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過程的計(jì)量關(guān)系的方程?；瘜W(xué)計(jì)量方程僅是表示由于反應(yīng)而引起的各個(gè)參與反應(yīng)的物質(zhì)之間量的變化關(guān)系，計(jì)量方程本身與反應(yīng)的實(shí)際歷程無關(guān)。計(jì)量方程兩側(cè)同乘以一非零的系數(shù)后，可得一個(gè)計(jì)量系數(shù)不同的新的計(jì)量方程。2.反應(yīng)分類反應(yīng)可依據(jù)不同的方式進(jìn)行分類：a. 根據(jù)參與反應(yīng)的相數(shù)分類可分成均相反應(yīng)和非均相反應(yīng)。均相反應(yīng)：參與反應(yīng)的相數(shù)為1，例如在均一的液相或氣相中進(jìn)行的反應(yīng)。非非均相反應(yīng)：反應(yīng)的進(jìn)行需要至少兩相或兩相以上存在（不

5、一定各相都參與反應(yīng)）。b. 依據(jù)催化作用分類可分成催化反應(yīng)和非催化反應(yīng)。例：煤球的燃燒為非催化非均相反應(yīng)，石油的催化裂化催化反應(yīng)為非均相反應(yīng)。c. 根據(jù)計(jì)量方程的個(gè)數(shù)分類可分成單一反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)。只用一個(gè)計(jì)量方程即可唯一的給出各反應(yīng)組分之間的變化關(guān)系的反應(yīng)體系為單一反應(yīng)；必須用兩個(gè)(或多個(gè))計(jì)量方程方能確定各反應(yīng)組分在反應(yīng)時(shí)量的變化關(guān)系的反應(yīng)，稱為復(fù)合反應(yīng)，例如：CO+2H2=CH3OHCO+ 3H2=CH4+ H2Od.根據(jù)反應(yīng)中體積的變化分類可分為恒容反應(yīng)和變?nèi)莘磻?yīng)，例如恒溫、恒壓、恒摩爾的氣相反應(yīng)為恒容反應(yīng)，壓力不是很高的情況下的液相反應(yīng)。e. 依據(jù)反應(yīng)的熱效應(yīng)分類可分為吸熱反應(yīng)和放熱反

6、應(yīng)f. 依據(jù)反應(yīng)的可逆性分類可分為可逆反應(yīng)與不可逆反應(yīng)。g. 依據(jù)反應(yīng)機(jī)理分類可分為基元反應(yīng)與非基元反應(yīng)。計(jì)量方程能夠表示反應(yīng)機(jī)理或?qū)嶋H的反應(yīng)歷程的反應(yīng)為基元反應(yīng)。計(jì)量方程不能夠表示反應(yīng)機(jī)理的反應(yīng)為非基元反應(yīng)，非基元反應(yīng)可以假定為一系列的基元步驟。例如可看假定為如下的基元步驟：五、小結(jié)計(jì)量方程是表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過程的計(jì)量關(guān)系的方程，計(jì)量方程與反應(yīng)歷程之間無必然聯(lián)系?；瘜W(xué)反應(yīng)依據(jù)不同的基準(zhǔn)可分為不同的類別，掌握各種反應(yīng)分類的基準(zhǔn)。六、自測題1. 化學(xué)計(jì)量方程反映的是A。A. 反應(yīng)中各反應(yīng)物、產(chǎn)物之間的計(jì)量關(guān)系；B. 實(shí)際的反應(yīng)歷程。2. 基元反應(yīng)和非基元反應(yīng)之間的區(qū)別在于A。A. 計(jì)量

7、方程是否反映了實(shí)際的反應(yīng)歷程；B. 表示反應(yīng)所需的計(jì)量方程數(shù)不同；C. 參與反應(yīng)的相數(shù)不同。知識點(diǎn)3. 反應(yīng)速率及動力學(xué)方程一、主要講解內(nèi)容本部分介紹了反應(yīng)速率的定義方法、反應(yīng)速率方程的形式、反應(yīng)級數(shù)和基元反應(yīng)分子數(shù)、反應(yīng)速率對溫度的依賴關(guān)系。二、學(xué)習(xí)要求掌握反應(yīng)速率的定義式，了解兩種反應(yīng)速率方程的形式，掌握反應(yīng)級數(shù)和基元反應(yīng)分子數(shù)之間的區(qū)別和聯(lián)系，掌握Arrehenius定律。三、視頻（已錄制完成）四、講義1. 反應(yīng)速率反應(yīng)速率定義：mol/(m3.s)其中，i 關(guān)鍵組分；dNidt時(shí)間內(nèi)反應(yīng)生成的i的摩爾數(shù)；V反應(yīng)器的有效體積。對于氣相反應(yīng)：流體體積=反應(yīng)器有效體積=反應(yīng)器體積；對于液相反

8、應(yīng)：流體體積=反應(yīng)器有效體積，但不一定等于反應(yīng)器體積。對于任意的反應(yīng)，例如，AR，對反應(yīng)物，為負(fù)值,而產(chǎn)物是正值。對于反應(yīng)物，為了保證速率數(shù)值為正，反應(yīng)速率通常表示為:。對于恒容的情況，。根據(jù)計(jì)量方程可得給定反應(yīng)中各個(gè)物質(zhì)反應(yīng)速率之間的關(guān)系：即：其他速率定義方式：對于流固非均相反應(yīng)，以其中固體的質(zhì)量為基準(zhǔn)：mol/(kg固體.s)其中W固相質(zhì)量，kg。對于兩流體體系或者流固反應(yīng)體系：mol/(m2.s)其中S界面面積,m2; 針對流固反應(yīng)體系：mol/(m3solid.s)其中Vs固相體積，m3； mol/(m3.s)其中Vr反應(yīng)器體積，m3。不同基準(zhǔn)的速率之間的關(guān)系：2 速率方程/動力學(xué)方程

9、均相反應(yīng)動力學(xué)是研究各種因素如溫度、催化劑、反應(yīng)物組成和壓力等對反應(yīng)速率反應(yīng)產(chǎn)物分布的影響，并確定表達(dá)這些因素與反應(yīng)速率間定量關(guān)系的速率方程。目前主要考慮溫度、濃度的影響；其它影響因素視為恒定：首先考慮單一反應(yīng)，動力學(xué)方程的形式分為雙曲函數(shù)型與冪函數(shù)型。1）雙曲型動力學(xué)方程雙曲函數(shù)型動力學(xué)方程由反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)得。例如：按照反應(yīng)機(jī)理可將反應(yīng)分類為基元反應(yīng)和非基元反應(yīng)，對于基元反應(yīng)，動力學(xué)方程可直接寫出，動力學(xué)方程與計(jì)量方程之間存在對應(yīng)關(guān)系：其中，a+b分子數(shù)，只能是1、2 或者3，不可能大于3。由得。注意：a. 如下的兩個(gè)基元反應(yīng)不等價(jià)： 分子數(shù)為1 分子數(shù)為2b. 分子數(shù)只能是整數(shù)例如反應(yīng)，動力學(xué)

10、方程為，計(jì)量方程和動力學(xué)方程之間存在對應(yīng)關(guān)系，但是該反應(yīng)如果是基元反應(yīng)，就出現(xiàn)了分子數(shù)為小數(shù)的情況，所以該反應(yīng)肯定不是基元反應(yīng)。對于非基元反應(yīng)，通?？杉俣橐幌盗械幕襟E。例如可看假定為如下的基元步驟：實(shí)際上真正的反應(yīng)歷程是不是這樣，其中存在很大的不確定性。這些基元步驟中涉及到了Br·及H·等這樣的中間物種，實(shí)際反應(yīng)中涉及的中間物種是不是這些？我們并不能肯定，其中的原因有以下幾點(diǎn)：a. 中間物種壽命非常短暫, 很難捕捉到其存在的信息。b. 其濃度非常低，低于一般的儀器設(shè)備的檢測極限。c. 中間物種不具有正?；衔锏慕Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)，即使有時(shí)候我們能夠檢測到一些信息，也很難確定這

11、些物種究竟是何物。所以我們所說的反應(yīng)機(jī)理通常具有很大的主觀性。2) 冪函數(shù)型動力學(xué)方程冪函數(shù)型動力學(xué)方程通常由經(jīng)驗(yàn)推出：其中k速率常數(shù)；、分別為A和B的反應(yīng)級數(shù)；+總反應(yīng)級數(shù)。注意：冪數(shù)型動力學(xué)方程中通常未排除傳遞過程的影響；通常只能在實(shí)驗(yàn)范圍能使用，外延使用范圍需慎重；此類動力學(xué)方程和計(jì)量方程之間無必然聯(lián)系。冪數(shù)型動力學(xué)方程可視為雙曲型的特例，例如對于如下雙曲型動力學(xué)方程，當(dāng)時(shí)，變?yōu)閮鐢?shù)型方程，當(dāng)時(shí)，變?yōu)閮鐢?shù)型方程?？梢哉f該反應(yīng)可視為一個(gè)變級數(shù)反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)在m-n和m之間變化。又例如：當(dāng)（或CA很高）時(shí)，該反應(yīng)動力學(xué)方程變成0級，這也是零級反應(yīng)通常存在的范圍，即高濃區(qū)。對于如下冪數(shù)型動力學(xué)

12、方程，mol/m3.s可推得動力學(xué)常數(shù)k的單位為濃度1-n時(shí)間-1，例如1級反應(yīng)，k的單位應(yīng)為s-1，2級反應(yīng)，k的單位應(yīng)為m3.mol-1.s-1，0級反應(yīng)，k的單位應(yīng)為mol.m-3s-1。其中的反應(yīng)級數(shù)通常3 , 可以是正數(shù)、負(fù)數(shù)、零或者小數(shù)。反應(yīng)速率常數(shù)k通常滿足Arrehenius定律，其中k0指前因子或頻率因子；E活化能，大于零，J/mol。由Arrehenius定律兩側(cè)求對數(shù)得，即，lnk1/T成線性關(guān)系，如圖2-1所示，其斜率為-E/R，截距為lnk0，從而根據(jù)不同溫度下的速率常數(shù)數(shù)據(jù)可由上述直線關(guān)系求得指前因子k0和活化能E。但是需要注意，由此得到的k0和E值盡量限于此實(shí)驗(yàn)溫

13、度范圍之內(nèi)，若用于其它溫度范圍需要慎重，這是因?yàn)橥ǔＮ覀儠l(fā)現(xiàn)在較寬的溫度范圍內(nèi)，lnk1/T的關(guān)系會發(fā)生變化，參見圖2-2，之所以會有這樣的變化其中的原因可能有3個(gè)方面：速率控制步驟發(fā)生改變；機(jī)理發(fā)生改變；速率常數(shù)中包含了平衡常數(shù)。Slope=-E/Rlnk0lnk1/Tlnk1/T圖2-1 lnk1/T之間的線性關(guān)系 圖2-2 寬溫度范圍內(nèi)lnk1/T之間的關(guān)系關(guān)于活化能，有幾點(diǎn)說明：l 活化能反映了反應(yīng)速率對溫度的敏感程度；l 活化能越高，反應(yīng)對溫度越敏感;l 低溫下反應(yīng)對溫度的敏感性較高溫下更強(qiáng)；l 指前因子k0幾乎不影響反應(yīng)對溫度的敏感性。對于復(fù)合反應(yīng)，動力學(xué)方程的寫法與單一反應(yīng)類似

14、，例如：ARSk1k2 ，ARSk1k2，四、小結(jié)1. 反應(yīng)速率定義：mol/(m3.s)2. 根據(jù)反應(yīng)計(jì)量方程可知各個(gè)反應(yīng)物速率之間的關(guān)系，即：3. 基元反應(yīng)，動力學(xué)方程與計(jì)量方程之間存在對應(yīng)關(guān)系：a+b稱為分子數(shù)，只能是1、2 或者3，不可能大于3。4. 冪數(shù)型動力學(xué)方程，mol/m3.s動力學(xué)常數(shù)k的單位為濃度1-n時(shí)間-1，例如1級反應(yīng)，k的單位應(yīng)為s-1，2級反應(yīng)，k的單位應(yīng)為m3.mol-1.s-1，0級反應(yīng)，k的單位應(yīng)為mol.m-3s-1。5. 反應(yīng)速率常數(shù)k通常滿足Arrehenius定律，其中k0指前因子或頻率因子；E活化能，大于零，J/mol。活化能反映了反應(yīng)速率對溫度的敏感程度；活化能越高，反應(yīng)對溫度越敏感;低溫下反應(yīng)對溫度的敏感性較高溫下更強(qiáng)；指前因子k0幾乎不影響反應(yīng)對溫度的敏感性。五、自測題判斷對錯(cuò)1、 某反應(yīng)速率常數(shù)的單位為mol /( m3.hr)，該反應(yīng)為二級級反應(yīng)。 （X）2、 某反應(yīng)的計(jì)量方程為，則其反應(yīng)速率表達(dá)式為。