化學(xué)反應(yīng)工程總復(fù)習(xí)

化學(xué)反應(yīng)工程總復(fù)習(xí)第1頁(yè)/共31頁(yè)第二章均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一、主要基本概念、基本理論

表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過(guò)程中量的變化關(guān)系，如方程：aＡ＋bＢ=pＰ＋sＳ表明每反應(yīng)掉ａ個(gè)摩爾的Ａ，將同時(shí)反應(yīng)掉ｂ個(gè)摩爾的Ｂ，并生成ｐ個(gè)摩爾的Ｐ和ｓ個(gè)摩爾的Ｓ。⒈化學(xué)計(jì)量方程物料衡算：第2頁(yè)/共31頁(yè)

定義：化學(xué)反應(yīng)速率為單位時(shí)間、單位體積內(nèi)關(guān)鍵組分的質(zhì)量摩爾數(shù)的變化量公式：ri＝±⒉化學(xué)反應(yīng)速率⒊反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性①．轉(zhuǎn)化率②．收率Yp

＝③．選擇性Sp

＝④．轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性三者之間的關(guān)系Yp=x·Sp第3頁(yè)/共31頁(yè)⒋動(dòng)力學(xué)方程⑴．反應(yīng)速度常數(shù)．Arrhenius方程⑵．簡(jiǎn)單不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程①．一級(jí)反應(yīng)②．二級(jí)反應(yīng)

第4頁(yè)/共31頁(yè)⑶．簡(jiǎn)單可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程①．一級(jí)反應(yīng)②．一、二級(jí)反應(yīng)

⑷．復(fù)雜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程①.一級(jí)平行反應(yīng)

第5頁(yè)/共31頁(yè)②．一級(jí)連串反應(yīng)

⑸．其它反應(yīng)

均相自催化反應(yīng)

⒌恒溫變?nèi)葸^(guò)程⑴．定義①．膨脹因子δi：

δi表示關(guān)鍵組分i每消耗(或生成)一摩爾時(shí)，整個(gè)物系摩爾數(shù)的變化值。例

第6頁(yè)/共31頁(yè)②．膨脹率εA：εA表示當(dāng)關(guān)鍵組分i全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化分率③．膨脹因子δA與膨脹率εA的關(guān)系：二、例題部分【例1-1】實(shí)驗(yàn)測(cè)得五氧化二氮在不同溫度下分解反應(yīng)的速度常數(shù)如下：求反應(yīng)速度常數(shù)的頻率因子和活化能。溫度Ｋ288.1298.1313.1323.1338.1ks-11.04×10-53.38×10-52.47×10-47.59×10-44.87×10-3第7頁(yè)/共31頁(yè)【解】由Arrheniuus方程可得：lnk＝lnk0－E/(RT)1/T3.74×10-33.35×10-33.19×10-33.10×10-32.96×10-3lnk-11.47-10.30-8.31-7.18-5.32

以lnk對(duì)1/T作圖得到一條直線由直線的斜率和截距即可求得E和k0：

k0＝1.59×1013S-1E＝100.48kJ/mol【例1-2】某反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量方程式為A+B＝2R，問(wèn)此反應(yīng)的級(jí)數(shù)是多少？【解】反應(yīng)級(jí)數(shù)不一定要與化學(xué)計(jì)量系數(shù)相符，而且反應(yīng)級(jí)數(shù)與化學(xué)計(jì)量系數(shù)常常是不相符的，因?yàn)闆](méi)有反應(yīng)速率的數(shù)據(jù)，所以不能確反應(yīng)級(jí)數(shù)。第8頁(yè)/共31頁(yè)【例1-3】反應(yīng)A→B為n級(jí)不可逆反應(yīng)。已知在300K時(shí)，要使A的轉(zhuǎn)化率達(dá)到20％需12.6分鐘，而在340K達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率僅需要3.20分鐘，求：該反應(yīng)的活化能?！窘狻?/p>

反應(yīng)速度為：

當(dāng)n≠1時(shí)

由此可得：

式中

因此有k300＝M÷12.6k340＝M÷3.2解得:E＝29.06(kJ/mol)第9頁(yè)/共31頁(yè)【解】題中沒(méi)有給反應(yīng)級(jí)數(shù)，也就是反應(yīng)速率的濃度屬性不知道，因?yàn)闆](méi)有給出求取高濃度下反應(yīng)速率的足夠資料，所以不能回答這個(gè)問(wèn)題。【例1-4】假如CA=1mol/l時(shí)，問(wèn)CA=10mol/l時(shí)的反應(yīng)速率是多少？第10頁(yè)/共31頁(yè)【例1-5】在一均相等溫液相聚合反應(yīng)中，單體的初始濃度為0.04mol/l和0.8mol/l時(shí)，在34分鐘內(nèi)單體均消失20％，問(wèn)單體的消失速率是多少？【解】因?yàn)橄俾逝c初始濃度無(wú)關(guān)，所以此反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，即：

式中：C0為單體初始濃度，C為單體濃度。

代入已知值可求出速率常數(shù)

所以單體的消失速率為：

第11頁(yè)/共31頁(yè)【例1-6】液體A按二級(jí)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)式分解，在間歇反應(yīng)器中5分鐘時(shí)轉(zhuǎn)化50％，問(wèn)轉(zhuǎn)化75％的A需要增加多少時(shí)間？【解】對(duì)二級(jí)反應(yīng)

對(duì)于50％轉(zhuǎn)化率

對(duì)于75％轉(zhuǎn)化率

所以需要增加10分鐘。

第12頁(yè)/共31頁(yè)【例1-7】在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)可逆反應(yīng)，CA0=0.5mol/l，CR0=0，8分鐘時(shí)A的轉(zhuǎn)化率為33.3％，而平衡轉(zhuǎn)化率為66.7％，求此反應(yīng)的速率式。

【解】

積分得

反應(yīng)平衡rA=0∴

(1)

(2)

代入(1)得

所以

(3)

聯(lián)立(2)式和(3)式得

k2=0.0866÷3=0.02887

min-1

k1=2k2=2×0.02887=0.05774min-1

所以的消失速率式為rA=0.05774CA－0.02887CRmol/(min·l)第13頁(yè)/共31頁(yè)第三章均相反應(yīng)器一、主要基本概念、基本理論⒈物料衡算：以質(zhì)量守恒定律為基準(zhǔn)，是計(jì)算反應(yīng)器體積的基本方程。以反應(yīng)物Ａ為例：(A的流入量)＝(A的流出量)＋(A的反應(yīng)量)＋(A的累積量)1234⑴連續(xù)系統(tǒng)：①穩(wěn)態(tài)時(shí)第4項(xiàng)等于零。②非穩(wěn)態(tài)時(shí)4項(xiàng)都存在。⑵間歇系統(tǒng)：第1、2項(xiàng)等于零。第14頁(yè)/共31頁(yè)⒉熱量衡算：以能量守恒定律為基準(zhǔn)，是計(jì)算反應(yīng)器中溫度變化的基本方程。

(帶入的熱量)＝(帶出的熱量)＋(反應(yīng)吸熱量)＋(熱量的累積)＋(傳向環(huán)境的熱量)12345⑴連續(xù)系統(tǒng)：①穩(wěn)態(tài)時(shí)第4項(xiàng)等于零。②絕熱時(shí)第5項(xiàng)等于零。③非穩(wěn)態(tài)、非絕熱時(shí)5項(xiàng)都存在。⑵間歇系統(tǒng)：①非絕熱時(shí)第1、2項(xiàng)等于零。②絕熱時(shí)第1、2、5項(xiàng)等于零。第15頁(yè)/共31頁(yè)⒊間歇反應(yīng)器：物料按一定配比一次加入進(jìn)反應(yīng)器，反應(yīng)終了時(shí)，產(chǎn)物一次取出。⑴特點(diǎn)：①任一瞬間，在反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的物料濃度相同、溫度相同。②在反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)的物料濃度、溫度隨反應(yīng)時(shí)間變化。⑵設(shè)計(jì)式：①

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式：

②

恒

容

時(shí)：

⑶變溫過(guò)程：式中：

U─

給熱系數(shù)

Ah─

與單位物料體積相當(dāng)?shù)膫鳠崦娣e

Tm─傳熱介質(zhì)溫度ρ─物料密度第16頁(yè)/共31頁(yè)⒋平推流反應(yīng)器：物料連續(xù)流入、流出反應(yīng)器。⑴特點(diǎn)：①穩(wěn)態(tài)時(shí)，所有物料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。②

穩(wěn)態(tài)時(shí)，同一截面上的物料組成、溫度不隨時(shí)間變化。

③

在流動(dòng)方向上沒(méi)有物料返混，反應(yīng)物的濃度、溫度沿反應(yīng)器管長(zhǎng)連續(xù)變化。

⑵設(shè)

計(jì)

式：

①

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式

②

恒

容

時(shí)

⑶變溫過(guò)程：第17頁(yè)/共31頁(yè)⒌全混流反應(yīng)器：物料連續(xù)流入、流出反應(yīng)器。⑴特點(diǎn)：

①

穩(wěn)態(tài)時(shí)，釜內(nèi)各空間位置上的物料濃度、溫度都相同，且不隨時(shí)間變化。

②

穩(wěn)態(tài)時(shí)，釜內(nèi)的物料組成、溫度與反應(yīng)器出口處的物料組成、溫度相同。

⑵設(shè)計(jì)式：①

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式：

②

恒

容

時(shí)：

⑶熱量衡算：⑷熱穩(wěn)定判據(jù)：

①Q(mào)T=Qg②

式中：QT─移熱速率Qg─放熱速率第18頁(yè)/共31頁(yè)【例題2-1】考慮在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行的丁二烯和丙烯酸甲酯的縮合反應(yīng)：CH2＝CH─CH＝CH2＋CH2＝CH─COOCH3─→C6H9COOCH3（簡(jiǎn)寫(xiě)為Ａ＋Ｂ─→Ｃ），以AlCl3為催化劑，反應(yīng)溫度為20℃，液料的體積流速為0.5m3/h，丁二烯和丙烯酸甲酯的濃度為CA0=96.5mol/m3，CB0=184mol/m3，催化劑AlCl3的濃CD=6.63mol/m3。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速度方程為：

rA=kCACD

k=1.15×10-3

m3/(mol·ks)若要求丁二烯的轉(zhuǎn)化率為40％，試求反應(yīng)器的體積?！窘狻?/p>

對(duì)于全混流反應(yīng)器

故反應(yīng)器的體積為:ＶR=Q0τ=0.5×24.28=12.14(m3)第19頁(yè)/共31頁(yè)【例題2-2】一混合物含90％(mol比)A(45mol/l)和10％(mol比)雜質(zhì)B(5mol/l)，為使產(chǎn)品質(zhì)量令人滿意，反應(yīng)終了時(shí)，混合物中的A和B的分子比必須等于或高于100:1，Ｄ、A和B均可以反應(yīng)，反應(yīng)式如下:Ａ＋Ｄ─→ＲrA=21CACDＢ＋Ｄ─→ＳrB=147CBCD假設(shè)Ｄ反應(yīng)完全，為獲得所希望的質(zhì)量每批混合物中需加多少Ｄ？第20頁(yè)/共31頁(yè)【解】已知

-dCA/dt=21CACD

①

-dCB/dt=147CBCD

②

①、②兩式相除，分離變量并積分

題意要求最終混合物中

CAf≥100CBf

③

④

將④式代入③式：

所以CBf=0.3mol/lCAf=30mol/l因此需加入的Ｄ為：50－0.3－30=19.7(mol/l)即每升混合物必須加入和反應(yīng)掉19.7molＤ。(反應(yīng)掉的A：45-30=15；反應(yīng)掉的B：5-0.3=4.7消耗掉的D:15+4.7=19.7)

第21頁(yè)/共31頁(yè)【例題2-3】某液相反應(yīng)

A+B→P在兩個(gè)串聯(lián)的全混釜中進(jìn)行，已知反應(yīng)為二級(jí)，

速率常k=0.8m3/(kmol·s)，進(jìn)液流量、料液濃度及限制反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率均標(biāo)于圖中，試分別求出兩個(gè)反應(yīng)器體積VR1和VR2(假定反應(yīng)過(guò)程中物料的密度衡定)。

第22頁(yè)/共31頁(yè)【解】 FAO=Q01CA0=0.004×0.02=0.00008kmol/sFB0=Q02CB0=0.001×1.00=0.001kmol/s因此A為限制性反應(yīng)物

CA0'=0.00008÷(0.004＋0.001)=0.016kmol/m3

CB0'=0.001÷(0.004＋0.001)=0.2kmol/m3

第23頁(yè)/共31頁(yè)【例題2-4】在一定空時(shí)(空時(shí)=體積/流量)的全混釜中進(jìn)行如下反應(yīng)，求R產(chǎn)量最大時(shí)的反應(yīng)溫度(注意和活化能聯(lián)系起來(lái))?！窘狻?1)若E1>E2

、E3，應(yīng)采用盡可能高溫；

(2)若E1<E2

、E3，應(yīng)采用盡可能低溫；(3)若E1介于E2、E3之間，對(duì)Ａ：

對(duì)Ｒ：

第24頁(yè)/共31頁(yè)對(duì)上式求導(dǎo)并令其為零：

得

滿足此式的T使CR最大。

第25頁(yè)/共31頁(yè)【例題3.1】在兩個(gè)串聯(lián)的溫度相同的全混流釜式反應(yīng)器中進(jìn)行一級(jí)液相反應(yīng)（如附圖所示），試證明當(dāng)反應(yīng)器大小相同時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)器的總?cè)莘e最小。C0C1C2證明：總?cè)莘e最小，相當(dāng)于總的空時(shí)最小。對(duì)第一個(gè)反應(yīng)器：對(duì)第二個(gè)反應(yīng)器：上兩式相加得：為使總空時(shí)最?。杭矗?1)(2)代入VR公式得出V1=V2第26頁(yè)/共31頁(yè)【例題3.2】?jī)煞N反應(yīng)液依次進(jìn)入一個(gè)全混流釜式反應(yīng)器和一個(gè)平推流管式反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行基元反應(yīng)A+B→R+S。其中B大大過(guò)量?，F(xiàn)在提出了各種提高產(chǎn)量的方法，其一是調(diào)換兩個(gè)反應(yīng)器的次序，試問(wèn)這樣做對(duì)轉(zhuǎn)化率有何影響？C0C0C1C2C1‘C2‘解：因B是大大過(guò)量的，所以對(duì)A是一級(jí)反應(yīng)。對(duì)于原方案：對(duì)全混流釜式反應(yīng)器：對(duì)平推流管式反應(yīng)器：由上兩