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化学反应工程教学大纲四川大学化学工程系梁 斌 教授 绪论：化学反应工程学科的研究内容化学反应及反应器，反应器设计与反应器选择，化学动力学与反应器设计方程，反应器操作条件及操作方式选择，反应器理想与非理想流动状况，反应器稳定性，典型反应器分析化学反应工程学科的历史人类最早对反应的认识，单元操作（1920），扩散、流动同反应耦合，Amsterdam反应工程大会（1957），反应动力学及动力学模型（196080），复杂反应网络分析与反应器放大，反应器非线性行为，反应分离耦合第一章 均相反应动力学反应速率及反应速率方程式反应速率的定义，速度与速率，反应速率的容量性质和强度性质，反应速率与反应物转化摩尔数的关系，转化率的概念反应速率方程，反应速率影响因素，浓度影响：质量作用定律，幂指数函数，反应级数、反应速率常数及其测定，浓度方程的积分形式温度影响：Vant Hoff的温度系数，Hood仿Vant Hoff方程提出的关系，Arrhenius经验式，Arrhenius方程的三种形式，活化能与指前因子的测定复杂反应系统速率可逆反应，可逆反应的平衡限制及最佳温度，平行反应，串级反应，选择性(平均、瞬时)，收率，浓度、温度对速率、选择性影响反应机理与反应速率方程什么是反应机理？反应机理与反应速率方程的关系气固催化反应动力学简单一级化学反应，理想表面，理想表面吸附，Langmuir吸附方程，表面反应动力学方程的推导，真实表面，Elovich表面假设，Temkin吸附方程，管孝男表面假设，Fruedlisch吸附方程，真实表面反应动力学推导第二章 反应器内的流体流动与混合几种理想反应器间歇反应器，全混釜反应器，平推流反应器，不同反应器的体积计算和转化率计算，几种反应器的比较，不同反应器及反应器的组合各种反应器介绍试管、烧瓶、小型反应管、小型反应罐，实验室微分反应器、积分反应器，工业槽式反应器，工业管式反应器，填充床反应器，流化床反应器，浆状床反应器，移动床反应器均相反应器：气相、液相，非均相反应器：气液、气固、气液固、液液、固固，拟均相：固定床、流化床、乳化床工业反应器与实验室反应器之间的差别：混合状态，浓度、温度分布，流速分布三种典型反应器的设计间歇反应器，连续流动置换反应器，连续流动理想混合反应器，几种典型反应器体积计算，反应器的设计原则：质量衡算、能量衡算、动量衡算质量衡算：积累速率 = 输入速率输出速率反应消耗速率反应生成速率间隙反应器：-dNA = VrAdt，NA = NA0(1-xA)，NA0dxA/dt=VrA平推流反应器：连续流动、稳定，FA(y)-FA(y+dy)=rAdv，-dFA/dy=rAAc，FA = v0cA0(1-xA)全混流反应器：均匀、集中参数，FA0FA=VrA，V = (FA0-FA)/rA，t = V/v0 = (cA0-cA)/rA多釜串联全混流反应器：ti = Vi /v = (ci-1-ci)/r，t tiV vt循环平推流反应器：t* V/v1 = -c1c2(1/r)dc，t = (1+R) t*，R=0, 平推流，R，全混釜非理想流动全混流、平推流的流动特性差别，如何确定实际反应器与理想反应器之间的差别，流动统计规律的假设原则随机性，停留时间的概念和描述，流动模型理想反应器的组合描述，流体混合特性：宏观混合与微观混合，非理想流动对反应特性的影响停留时间及停留时间分布停留时间的定义，停留时间分布，停留时间分布函数及分布密度函数，反应器的年龄分布，理想反应器的停留时间分布，停留时间对转化率选择性的影响，停留时间分布测定，停留时间分布与流动模型，反应器的类型与不同反应器的差别补充：概率函数的数学定义停留时间分布的测定脉冲法：E(t) = vc(t)/N0阶跃法：F(t) = 0tE(t- q )dq =c(t)/c0流动模型对反应影响流动模型对反应器体积影响：理想置换，理想混合，串级理想混合，扩散模型流动模型对选择性影响 第三章 非均相反应动力学非均相反应器的拟均相性质固定床反应器的平推流性质，流化床反应器的全混釜性质气固催化反应气固反应器内的动力学问题气体与固体的接触，流体的流动情况，气膜的形成和外扩散传质，微观性质，催化剂的多孔性，催化剂孔内的内扩散传质，催化剂表面的反应气固催化反应的七个步骤气体反应物通过滞留膜向催化剂颗粒表面的传质(外扩散)，气体沿微孔向颗粒内的传质(内扩散)，气体反应物在微孔表面的吸附，吸附反应物在催化剂表面的反应，吸附产物的脱附，气体产物沿微孔向外扩散，气体产物穿过滞流膜扩散到气流主体不同步骤控制条件下的反应速率表面反应速率: rA = k f(cA)，内扩散控制: rA = h k f(cA)，有效因子的定义，孔内浓度的分布，温度效应，外扩散控制: NA = kG(cA0 - cAs)扩散计算：费克定律，主体扩散系数计算，Knudson扩散计算，微孔扩散计算，有效扩散系数计算，孔隙率及弯曲因子的定义有效因子计算等温条件下有效因子计算：一级反应情况下平板、圆柱、球形及不规则形状催化剂有效因子计算，非一级反应情况下有效因子计算，Thiele模数，非等温反应：能量衡算方程，绝热条件内扩散对反应的影响：对选择性的影响，对反应级数的影响，如何利用或避免内扩散的影响动力学方程时的测定积分反应器，微分反应器，循环无梯度反应器，外扩散的消除，内扩散的消除，动力学模型的确定，动力学模型的拟合气固非催化反应缩芯模型的描述假设：颗粒大小不变，反应物是无孔实芯， 球形颗粒反应过程步骤：气相反应物通过气膜扩散到外表面；气体反应物通过产物层扩散到芯表面；气相反应物与固相反应物在表面反应生产固相产物S和气相产物F；气相产物通过产物层扩散到外表面；气相反应物扩散穿过气膜到达气流主体；动力学模型建立，各步骤速率求解，模型判别与其他模型，过程控制的判别其他模型无产物层缩芯模型，整体反应模型，扩散界面模型，微粒模型，单孔模型，破裂芯模型气液反应动力学气液传质与气液反应过程，双膜理论，气液传质设备及气液反应器，气液吸收及解吸，化学吸收，气液反应过程共同特征：加大传质面积改进填料、塔件，强化传质加强气体分散气液反应过程的几个步骤：气相反应物相气液界面的扩散；气体反应物通过液膜相液相主体的扩散；液相反应物通过液膜相气液界面的扩散；气液反应物相遇后的液相化学反应；产物的逆传递。浓度分布及速率方程：瞬间反应、快反应、中速反应、慢反应、极慢反应，增大因子第四章 工业反应器的设计几种均相反应器间歇反应器、平推流反应器、理想混合反应器的设计方法。反应器设计方程：质量方程，能量方程，等温反应器的设计方程，间歇反应器设计原理，等温平推流反应器设计原理，等温全混反应器设计原理几种反应器类型的比较：转化率，选择性非等温反应器的设计非等温反应器的能量衡算方程：能量衡算，非等温间歇反应器，平推流管式反应器，全混反应器。全混反应器的多重定态和热稳定性：绝热反应器比较：可逆反应第五章 气固催化反应器固定床反应器的基本特征固定床催化反应器描述：拟均相处理，平推流特性固定床反应器内催化反应速率的表示方法：反应器生产强度，空速，以重量表示的反应速率，单颗粒催化剂反应量，单位微孔表面反应摩尔数, 反应频数(turnover)气固催化反应器的动量传递粒子直径与床层空隙率：当量直径，形状系数，床层空隙率，床层比表面积，水力半径床层压力降：DP = fM(rgu02/de)(1-e)/e3L摩擦系数：Ergun公式，其他公式，改善流动状况的方法绝热固定床反应器设计单段绝热固定床反应器的设计：可逆放热反应的最佳温度曲线，单段绝热T-X图，单段绝热固定床反应器的设计；固定床中的绝热温升，单段绝热床催化剂体积计算，单段绝热床最佳进口温度和校正因子多段绝热固定床反应器设计：多段反应器的必要性，多段操作的三种冷却方式，间接换热优化条件（第一条件: r(xi,Ti) = r(xi,Ti+10)，第二条件: xixi+11/r(x,T)/T）dx = 0），间接换热反应器设计步骤，原料器冷激反应器设计，非原料气冷激反应器设计；三种冷却方式的T-x图，三种冷却方式比较，反应器的热平衡问题。换热式气固催化反应器换热方式与温度分布，反应床层的传热系数，换热方式与温度分布，换热反应器与绝热反应器的区别，管内换热与管外换热方式，固定床内的传热：床层有效导热系数，静止导热系数，壁膜给热系数，床层与器壁的传热系数，固定床总