化学反应与设备期末复习提纲

化学反应设备与过程期末复习提纲一 反应器选型1、 均相反应器的选型（掌握管式反应器、釜式反应器的应用、特点、结构、选型依据）2、 非均相反应器的选型（掌握固定床反应器、流化床反应器的应用、特点、使用反应类型、反应器结构、选型依据）练习题1、管式反应器的特点是什么？基本结构有哪些？ 答：管式反应器是由多根细管串联或并联而构成的一种反应器，通常长径比大于50100。管式反应器的特点为：1）单位体积传热面积大； 2）生产效率高；3）适用于大型化和连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有保证； 4）返混小，管内流体流型接近于理想置换。管式反应器的结构组成包括：直管、弯管、密封环、法兰及紧固件、温差补偿器、传热夹套、连接管和机架等。2、固定床反应器分为哪几种类型？其中单段绝热式固定床可适用于哪些化学反应类型？答：按传热方式分，固定床反应器可分为绝热式和换热式固定床； 按反应器中流体流动方向分，固定床反应器可分为轴向流动和径向流动固定床。单段绝热式固定床可适用于反应热效应不大，过程中允许温度有较宽变动范围的反应； 或者反应热效应比较大，但反应对于温度变化不敏感的化学反应； 或者反应热效应很大，但是反应速率非常快的化学反应。3、釜式反应器的基本结构及其作用是什么？答：略釜式反应器主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分；各部分的作用，壳体：盛装物料，提供反应空间； 搅拌装置：加强反应釜内物料的均匀混合，强化传热和传质； 轴封：防止反应釜中物料泄漏； 换热装置：控制反应温度。4、简述固定床反应器的优缺点？ 答：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。优点：催化剂在床层内不易磨损； 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式反应器相比，用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力； 缺点：固定床中的传热较差； 催化剂的更换必须停产进行。5、简述流化床反应器的优缺点？ 答：优点：1）传热效能高，而且床内温度易维持均匀； 2）大量固体粒子可方便的往来输送，对于催化剂迅速失活而需随时再生的过程来说，能够实现大规模的连续生产；3）由于粒子细，可以消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。缺点：1）气流状况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气固两相接触不够有效； 2）粒子运动基本上是全混式，因此停留时间不一。在以粒子为加工对象时，影响产品质量的均一性，且粒子的全混造成了气体的部分返混，影响反应速率和造成副反应的增加； 3）粒子的磨损和带出造成催化剂的损失，并要设置旋风分离器等粒子回收系统。二 反应器的设计及优化1、 基本概念宏观动力学、本征动力学、化学动力学方程、均相反应、单一反应、复杂反应、基元反应、非基元反应、转化率、反应分子数、反应级数、反应活化能、催化作用的定义、催化剂的特征、组成及功能2、 均相反应动力学（1）单一反应的动力学方程a) 反应速率的定义：化学反应速率是单位时间，单位反应体积内反应物的消耗量或产物的生成量。 各反应速率间的关系：当V恒定时， =即以各组分的摩尔浓度的变化速率来表示反应速率，上式仅适用于分批式操作。对连续操作（开放系统） b)恒温恒容条件下 零级、一级、二级不可逆反应的动力学计算（公式、特点）A产物（零级） A产物（一级） 2A 产物（二级） A+B产物（） A+B产物（） c)恒温变容条件下：膨胀因子的定义及涵义恒温变容条件下0级、1级反应的动力学计算。(2)复杂反应的动力学方程 掌握可逆反应、平行反应、连串反应的动力学方程的表达a)可逆反应：AR（一级反应） b)平行反应 （主） （副）假设其均为一级不可逆反应，其微分速率方程： （主） （副）反应物A的总反应速率为： C)连串反应 3、 非均相反应动力学气固催化反应过程的一般步骤及控制步骤兰格缪尔吸附模型及吸附等温方程（单组分不解离吸附、两组分不解离吸附）如：单组份的表面覆盖率练 习填空、判断与选择1、反应时间长短与初始浓度大小无关的是（一）级反应。2、对反应级数n1的反应，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间将增加。3、对反应级数n1的反应，初始浓度提高，达到同样转化率，反应时间将减少。4、反应级数nl的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。5、有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述的称为（复杂）反应。6、所谓双分子反应是针对基元反应而言的。7、对非基元反应，反应级数等于化学反应式的计量系数。8、反应级数只反映反应速率对（浓度）的敏感程度。级数越高，（浓度）对反应速率的影响越大。9、活化能只表明反应速率对（温度）的敏感程度。活化能越大，（温度）对反应速率的影响越大。10、反应A + B C，已知，则反应级数n=（B）。A. 0 B. 1 C. 2 D. 311、反应3A P，已知，则反应级数n=（A）。A. 0 B. 1 C. 2 D. 312、下列属于均相反应的是（C）。A. 催化重整 B. 催化裂解 C. HCl与NaOH的中和 D. 水泥制造13、下列属于非均相反应的是（D）。A. 乙酸乙酯水解 B. 氢气燃烧 C. HCl与NaOH的中和 D. 催化裂解14、对于一非恒容均相化学反应，反应组分A的化学反应速率（A）。A. B. C. D. 15、对于一非恒容均相化学反应，反应产物B的化学反应速率（B）。A. B. C. D. 4、流动模型部分（1）基本概念停留时间、返混（2）理想流动模型理想置换流动模型的特点理想混合流动模型的特点（3）非理想流动实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因降低返混程度的措施练习：填空与判断：1、 理想流动模型分为两种类型，即（理想混合流动模型）和（理想置换流动模型）。2、 返混专指（不同时刻）进入反应器的物料之间的混合。3、 说明下列反应器中的返混情况：间歇反应器中返混为（0）, 理想置换反应器返混为（0）。4、 理想混合反应器返混为（无穷大）, 非理想流动反应器返混为（0到无穷大）。5、 返混带来的最大影响是（反应器进口处反应物高浓度区的消失或降低）。6、 返混对反应来说是有害的，必须采取各种措施进行抑制。7、 降低返混程度的主要措施是（分割），通常有（横向分割）和（纵向分割）两种，其中重要的是（横向分割）。8、 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用（多釜串联）的操作。9、简述理想反应器的种类？ 答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。5、理想反应器设计 （1）反应器计算的基本内容及基本方程（2）各种反应器的设计计算a)间歇操作釜式反应器：特点体积和数量计算动力学计算法 或 间歇操作釜式反应器达到一定转化率需要的反应时间，只取决于过程的反应速率，与反应器的大小无关。b)连续操作釜式反应器：基本特征：过程参数既不随时间变化，也不随反应器内部空间位置而变化，各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口处的组成和温度。单个连续操作的釜式反应器：多个串联连续操作的釜式反应器解析法 ：图解法：已知CA0 、CAN （或XAN）、VRi，求N 。c)连续操作的管式反应器基础计算方程式: 或 恒温恒容的管式反应器的计算：零级反应：一级反应：二级反应：6、反应器生产能力的比较间歇釜式、连续管式、连续釜式生产能力的比较；多个串联的连续操作釜式反应器的组合优化：掌握两釜串联，等温下进行一级不可逆反应的优化问题；自催化反应的组合优化：自催化反应的速率特征，自催化反应的组合优化；复杂反应的选择性复杂反应选择性的定义：掌握可逆反应和一级不可逆连串反应的浓度效应和温度效应，会根据动力学分析选择最佳反应器型式或反应器组合方式，或适宜的投料方式。练习：填空、选择1、某一反应要求反应物A浓度低、B浓度高对反应有利，应采用以下半间歇操作形式中的（A、B）情况A B C D2、下列（A、D）操作方式适合用于可逆反应。 A B C D3、平行反应均为一级不可逆反应，若，选择性Sp与（浓度）无关，仅是（温度）的函数。 4. 如果平行反应均为一级不可逆反应，若，提高选择性应（升温）。5、气相反应4A + B 3R + S进料时无惰性气体，A与B以31的摩尔比进料，则膨胀因子=（C）。A. 1/4 B. 2/3 C. 1/4 D. 2/36、全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为（Qt=Qc）、（dQr/dTdQc/dT）。7、对于自催化反应，最合适的反应器为（连续管式）。（全混流串平推流）8、在间歇反应器中进行等温二级反应A B，当时，求反应至所需时间t=（D）秒。（D）A. 8500 B. 8900 C. 9000 D. 99009、对于反应级数n0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用（A）。A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器10、对于反应级数n0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用（B）。A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器 D. 全混流串接平推流反应器11、对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调增大，则最适合的反应器为（A）。A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器12、 对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调下降，则最适合的反应器为（B）。A. 平推流反应器 B. 全混流反应器C. 多釜串联全混流反应器 D. 全混流串接平推流反应器简答1、对于气固催化反应 ，；，当时如何选择操作条件可以提高目的产物的收率？ 答：该反应为平行反应，且，根据选择性分析，应尽可能提高反应温度，方可提高P的选择性，提高P的收率。2、对于可逆放热反应如何选择操作温度？ 答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度； 2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。判断1、对于吸热反应必须考查釜式反应器的热稳定性问题。（错）2、釜式反应器可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。（ 对）3、化工生产上，为了控制300500的反应温度，常用导生油作热载体。（错）计算1、对硝基氯苯经磺化、盐析制备1-氯-4硝基苯磺酸钠，磺化时物料总量为每天5，生产周期为13；盐析时物料总量为每天20，生产周期为20。若每个磺化釜体积为2，求（1）磺化釜数量与后备系数；（2）盐析器数量、体积（）及后备系数。2、在连续操作釜式反应器进行某一级可逆反应AB，操作条件下测得正向化学反应速率常数k1=10h-1，逆向k2=2h-1，在反应物料A中不含有B，其进料量为10m3/h，当反应的转化率达到50%时，平均停留时间和反应器的有效体积各为多少？3、在连续操作釜式反应器中进行一均相液相反应AP，反应开始时反应物中不含产物，动力学方程为（-rA）=kcA2，转化率为50%。如果换用体积相同的管式反应器，其他保持不变，则转化率为多少？4、应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应，假定各釜操作温度都相同，已知此时的速率常数k=0.92h-1，原料液的进料速度=10m3/h，要求最终转化率0.9，试求V1、V2和总容积V。5、液相反应A + BP + S在一全混釜中进行，速率常数，求：1）时，反应器的容积； 2）若进料流量为，求进口料液中A的浓度。非均相反应器设计部分 1、气固相催化反应器（1）、基本概念固定床反应器（及其特点）、流化床反应器（及其特点）、空隙率、形状系数、有效系数、空速、流态化、散式流化床、聚式流化床、临界流化速度、带出速度、流化数、临界压降、膨胀比（2）固定床反应器 催化剂颗粒的当量直径及相互换算； 空隙率的定义、计算及影响因素； 流体流过固定床产生压降的原因； 固定床中的传热过程及简化处理。（3）流化床反应器 流化床的压降计算； 对g-s系统： 流化床反应器内的传热 影响流化床与外壁的给热系数大小的因素 练习1. 由于催化反应的吸附、脱附以及表面反应都是与催化剂表面直接有关，故吸附控制、表面反应控制和脱附控制称为动力学控制。（对）2. 单位体积的催化剂所具有的表面积称为形状系数。（错）3. 固定床的压力降由流道阻力和分布阻力所组成。（错）4. 固定床反应器主要分为（绝热式）式和（换热式）式两大类。5. 流体通过固定床的压力降主要是由于（摩擦）阻力和 （局部）阻力引起，当流体流动状态为湍流时，以（局部）阻力为主。6. 催化剂有效系数是指_实际反应速度与催化剂内外表面温度、浓度相等时的反应速度之比，当=1时，反应过程属于（动力学）控制，当1时，属于（内扩散）控制。7. 当气体由下而上流过催化剂床层时，由于uOG的不同，床层经历了 固定床 、流化床、 输送床 三个阶段。8. 固定床反应器中，催化剂的表观密度是1000kg/m3,床层的堆积密度是300 kg/m3,则床层的空隙率为 0.7 。9. 工业上，引进流化数k表示操作气速，流化数是指流化速度与临界流化速度之比。10. 固定床中的传热实质上包括了（颗粒与颗粒之间的传热）、（颗粒与流体之间的传热）以及（床层与器壁的传热）几个方面。11. 气流通过床层时，其流速虽然超过临界流化速度，但床内只形成一条狭窄通道，而大部分床层仍处于固定床状态，这种现象称为（A）。A.沟流 B.大气泡 C. 节涌 D.腾涌12. 气固系统常见的流化状态为（C）：A、散式流化 B、沟流 C、聚式流化 D、大气泡和腾涌13. 某流化床反应器中所采用的催化剂颗粒的堆积密度与颗粒密度分别为2900kg/m3和5050kg/m3,试计算当床层膨胀比为3时,流化床床层空隙率是多少?（0.81）14.所谓流态化就是固体粒子像（流体）一样进行流动的现象。15.对于流化床反应器，当流速达到某一限值，床层刚刚能被托动时，床内粒子就开始流化起来了，这时的流体空线速称为（起始流化速度）。16.对于液固系统的流化床，流体与粒子的密度相差不大，故起始流化速度一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作（散式流化床）。17.对于气固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床称为（聚式流化床）。18.对于气固系统的流化床反应器，气泡在上升过程中聚并并增大占据整个床层，将固体粒子一节节向上推动，直到某一位置崩落为止，这种情况叫（节涌）。19.对于流化床反应器，当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，则粒子会被气流带出，这一速度称为（带出速度或终端速度）。20.对于流化床反应器，当气速增大到某一定值时，流体对粒子的（曳力）与粒子的（重力）相等，则粒子会被气流带出，这一速度称为带出速度。21.对于气固相流化床，部分气体是以起始流化速度流经粒子之间的空隙外，多余的气体都以气泡状态通过床层，因此人们把气泡与气泡以外的密相床部分分别称为（气泡相）与（乳化相）。22.在流化床反应器中，当达到某一高度以后，能够被重力分离下来的颗粒都以沉积下来，只有带出速度小于操作气速的那些颗粒才会一直被带上去，故在此以上的区域颗粒的含量就近乎恒定了，这一高度称作（分离高度）。21.简述聚式流化床的形成？ 答：对于气固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床称为聚式流化床。22.简述Langmuir等温吸附方程的基本特点？ 答：1）均匀表面（或理想表面）：即催化剂表面各处的吸附能力是均一的，吸附热与表面已被吸附的程度如何无关； 单分子层吸附； 3）被吸附的分子间互不影响，也不影响别的分子； 4）吸附的机理均相同，吸附形成的络合物均相同。23.气固相催化反应的动力学步骤？ 答：1）反应物从气流主体向催化剂的外表面扩散和内孔扩散； 2）反应物在催化剂表面上吸附； 3）吸附的反应物转化成反应的生成物； 4）反应生成物从催化剂表面上脱附下来； 5）脱附下来的生成物向催化剂外表面、气流主体中扩散。24.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作（固定床反应器）。25.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于（平推流），因此与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。26.固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积的球粒子直径，表达式=_。27.固定床中颗粒的面积相当直径是以外表面相同的球形粒子的直径，表达式=_。28.固定床中颗粒的比表面相当直径是以相同的比表面的球形粒子直径来表示，表达式=_。29.对于非球形粒子，其外表面积必大于同体积球形粒子的外表面积，故可定义颗粒的形状系数_。30.颗粒的形状系数对于球体而言，_，对于其他形状的颗粒_。（=1、均小于1）31.固定床中的传热实质上包括了（粒内传热）、（颗粒与流体间的传热）以及（床层与器壁的传热）几个方面。简答题：1、管式反应器的特点是什么？基本结构有哪些？答：管式反应器是由多根细管串联或并联而构成的一种反应器，通常长径比大于50100。管式反应器的特点为：1）单位体积传热面积大； 2）生产效率高；3）适用于大型化和连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有保证； 4）返混小，管内流体流型接近于理想置换。管式反应器的结构组成包括：直管、弯管、密封环、法兰及紧固件、温差补偿器、传热夹套、连接管和机架等。2、固定床反应器分为哪几种类型？其中单段绝热式固定床可适用于哪些化学反应类型？答：按传热方式分，固定床反应器可分为绝热式和换热式固定床；按反应器中流体流动方向分，固定床反应器可分为轴向流动和径向流动固定床。单段绝热式固定床可适用于反应热效应不大，过程中允许温度有较宽变动范围的反应；或者反应热效应比较大，但反应对于温度变化不敏感的化学反应； 或者反应热效应很大，但是反应速率非常快的化学反应。3、釜式反应器的基本结构及其作用是什么？答：釜式反应器主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分；各部分的作用，壳体：盛装物料，提供反应空间； 搅拌装置：加强反应釜内物料的均匀混合，强化传热和传质； 轴封：防止反应釜中物料泄漏； 换热装置：控制反应温度。4、简述均相反应及其动力学的研究内容？答：参与反应的各物质均处于同一个相内进行的化学反应称为均相反应。均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。5、简述Langmuir等温吸附方程的基本特点？答：1）均匀表面（或理想表面）：即催化剂表面各处的吸附能力是均一的，吸附热与表面已被吸附的程度如何无关； 单分子层吸附； 3）被吸附的分子间互不影响，也不影响别的分子； 4）吸附的机理均相同，吸附形成的络合物均相同。6、气固相催化反应的动力学步骤？答：1）反应物从气流主体向催化剂的外表面扩散和内孔扩散；2）反应物在催化剂表面上吸附；3）吸附的反应物转化成反应的生成物；4）反应生成物从催化剂表面上脱附下来；5）脱附下来的生成物向催化剂外表面、气流主体中扩散。7、简述气液反应的宏观过程：A（g） + bB（l） 产物（l）？答：1）反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面，在界面上假定达到气液相平衡；2）反应物气相组分A从气液相界面扩散入液相，并在液相内反应；3）液相内的反应产物向浓度下降方向扩散，气相产物则向界面扩散；4）气相产物向气相主体扩散。8、简述理想反应器的种类？答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。9、对于可逆放热反应如何选择操作温度？答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。10、简述固定床反应器的优缺点？答：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。优点：催化剂在床层内不易磨损； 床层内流体的流动接近于平推流，与返混式反应器相比，用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力； 缺点：固定床中的传热较差； 催化剂的更换必须停产进行。11、简述流化床反应器的优缺点？答：优点：1）传热效能高，而且床内温度易