化学反应工程原理

1 绪 论 1.1.3 优化的技术指标 （1） 反应速率 （2） 反应选择率 （3） 能量消耗 1.1.4 决策变量 （1） 结构变量 （2） 操作方式 （3） 工艺条件 1.4.1 化学反应工程理论在反应过程开发中的作用 要解决的问题： （1） 反应器的合理选型 （2） 反应器操作的优选条件 （3） 反应器的工程放大 2 化学反应动力学 2.2.1 均相反应的条件 （1） 反应系统可以成为均相 （2） 预混合过程的时间远小于反应时间 活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量 反应级数的工程意义是表示反应速率对于反应浓度变化的敏感程度 2.3.3 化学吸附的速率与平衡 化学吸附可以分为活化化学吸附和非活化化学吸附。活化化学吸附随着温 度的变化服从阿伦尼乌斯方程；非活化化学吸附的活化能接近于零，吸附速率 极快。常常可以观察到化学吸附最初是非活化的，吸附进行得非常快，而随后 速率变慢，且与温度有关，属于活化化学吸附 1.理想吸附型 理想吸附模型，基于如下假设 （1） 催化剂表面各处的吸附能力的均匀的，各吸附位具有相同的能量 （2） 被吸附物仅形成单分子层吸附 （3） 吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用 （4） 所有吸附的机理是相同的 2.真实吸附模型 不满足理想吸附条件的吸附，都称为真实吸附。以焦姆金和弗隆德里希为 代表提出不均匀表面吸附理论，真实吸附模型认为固体表面是不均匀的，各吸 附中心的能量不等，有强有弱。吸附时吸附分子首先占据强的吸附中心，放出 的吸附热大。随后逐渐减弱，放出的吸附热也愈来愈小。由于催化剂表面的不 均匀性，因此吸附活化能 Ea 随着覆盖率的增加而线性增加，解吸活化能 Ed 则随 覆盖率的增加而线性降低，即 2.4 流固相非催化反应动力学 两种反应 （1） 整体反应模型 （2） 收缩未反应芯模型 3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征 常见的典型化学反应 （1） 简单反应（包括自催化反应） （2） 可逆反应 （3） 伴有平行副反应的复杂反应（或平行反应） （4） 伴有串联副反应的复杂反应（或串联反应） （5） 自催化反应 3.1.2 反应器设计基本方程 （1）物料衡算方程 组分 i 流入量 = 组分 i 流出量 + 组分 i 反应消耗量 + 组分 i 积累量 （2）热量衡算方程式 带入的热焓 = 流出的热焓 + 反应热 + 热量的积累 + 传向环境的热量 （3）动量衡算方程式 动量守恒 物料衡算和反应速率式是描述反应器性能的两个最基本的方程式 3.2.1 理想间歇反应器的特征 从理想间歇反应器操作可以看到有以下特点 （1）由于剧烈的搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应 器内浓度处处相等，因而排除了物质传递问题 （2）由于反应器内具有足够的传热条件，反应器内各处温度始终相等，因 而无需考虑反应器内的热量传递问题 （3）反应器内物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时 间。 于是，理想间歇反应器的反应结果将唯一地由化学反应动力学所确定 间歇反应器的优点是操作灵活，易于适应不同操作条件和不同产品品种， 适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，特别是精细化工与生物化 工产品的生产。间歇反应器的缺点是装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间， 产品质量不易稳定。 3.2.3 简单反应 5.自催化反应 自催化反应指的是反应产物本身具有催化作用，能加速反应的进行。 A+PP+P 特点：有最大反应速率 3.4.3 选择率的温度效应 （会用公式分析） 3.4.4 选择率的浓度效应 4 理想流动管式反应 4.1 理想流动管式反应器的特点 （1）在正常情况下，它是连续定态操作，在反应器的各个径向截面上，物 料浓度不随时间而变化 （2）反应器内各处的浓度未必相等，反应速率随空间位置而变化 （3）由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化， 所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。 由此可见，理想流动管式反应器的反应结果也唯一地由化学反应动力学所 确定。 4.3 空时、空速和停留时间 空时：又称空间时间 空速：空时的倒数，常用符号 SV 表示 停留时间：指的是反应物料从进入反应器时算起到离开反应器时为止所经 历的时间 4.4.1 膨胀率（）法 膨胀率（）法是表征分子数变化程度的一种比较简便的方法。 膨胀率 A 的定义是反应组分 A 全部转化后系统体积变化的分率 4.4.2 膨胀因子（）法 膨胀因子（）法是表征分子数变化程度的另一种方法。膨胀因子 A 的 定义是原料 A 消耗 1 摩尔时，反应系统总物质的量的变化，对反应 5 连续流动釜式反应器 5.1.2 连续流动釜式反应器中的反应速率 逆向混合（返混）：停留时间不同的物料之间的混合，称为逆向混合 或返混。 连续流动釜式反应器的特点 （1）反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度 和温度 （2）物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混 合，即返混程度最大 （3）反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存 在时间这个自变量。 5.3.2 管式循环反应器 循环比（R）：表征反应器特性的一个重要参数，它是表示循环物料的流 量与离开反应系统的流量之比。（max 和 min 对应什么） 5.4.2 限制返混的措施 限制返混的措施: 限制返混主要措施是分割。通常有横向分割和纵向分割 之分，其中重要的是横向分割。 6 反应过程中的混合现象及其对反应的影响 6.2.1 停留时间分布的表达 物料在反应器内的停留时间分布是随机的，可以用两种概率分布规律来定 量描述物料在流动反应器内的停留时间分布，这就是停留时间分布密度与停留 时间分布函数 （1）停留时间分布密度 （2）停留时间分布函数 6.2.2 停留时间分布的实验测定 示踪物的输入方法有阶跃注入法、脉冲注入法及周期输入法等。脉冲法和 阶跃法简便易行，应用广泛。 连续釜式反应器中固相反应（与均相反应的区别） 这种合并再分散的过程起到了液滴之间的相互混合的作用，称之为滴际 混合。 数学模型的精神 简化。等效性。 模型简化的程度体现在模型参数的个数。 Pe，称贝克来准数，其物理意义是轴向对流流动与轴向扩散流动的相对大 小，其数值愈大轴向返混程度愈小。 7 化学反应过程的优化 对可逆放热反应，为使整个反应始终在最大反应速率下操作，应当有一个 沿反应管长度呈前高后低的最优温度序列 8 气固催化反应过程的传递现象 在多孔性催化剂上进行的气固催化反应过程，一般需要经历下列几个步骤： （1）反应物从气流主体扩散到催化剂颗粒的外表面 （2）反应物从颗粒的外表面经催化剂颗粒的内孔扩散到颗粒的内表面。 （3）反应物在颗粒内表面上进行化学反应 （4）反应产物从内孔深处向孔口逆向扩散 （5）反应产物从催化剂外表面扩散返回气流主体 在取反应器微元进行考察时，如取一个催化剂颗粒如图 8-2 所示，它面临 着三种不同的温度和浓度：流体主体的温度 Tb、催化剂颗粒外表面上温度 Tes 和 催化剂颗粒内表面上的温度 Tis；以及流体主体中的浓度 cb、催化剂颗粒外表面 上上的浓度 ces 和催化剂颗粒内孔表面上的浓度 cis。 基于以上原因，通常采用如下两种处理方法： （1）效率因子法 （2）表观动力学法 Da 称为达姆科勒准数，其物理意义是极限反应速率与极限传质速率之比 由西勒准数的物理意义可知， 值大，意味着极限反应速率大于极限颗粒内传