化学反应工程英文版期末总结【超精简实用】

1、第一章 概论1.1 化学反应的重要性1.2 反应的分类1.3 影响反应速率方程的变量1.4 反应速率的定义1.5化学反应的速度第二章 均相反应动力学*概念：单一反应类型：间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器速率方程：对于一个单相反应实验表明：速率方程受浓度和物料能量的影响。能量包括温度、磁场强度、光强等等，一般仅考虑温度。2.1 浓度主导的速率方程2.1.1 单一和复杂反应2.1.2 基元和非基元反应基元反应：反应速率方程与化学计量数有关非基元反应：反应速率方程与化学计量数无关，是一系列基元反应的组合。2.1.3 反应级数和反应分子数 略2.1.4 速率常数K对于这样的n级反应的速率常数的单

2、位：2.2 温度主导的速率方程，讨论：1、 对于不可逆反应，温度对反应速率的影响利用Arrhennius关系，可逆反应还要考虑其它因素；2、 对于吸热反应，所以对于可逆吸热反应，提高T总是有利的；对于放热反应，所以对于可逆放热反应，提高T不一定能提高速率，需要寻找最优温度（r-T图是个开口向下的抛物线），注意：放热反应对T的变化较为敏感；3、 可逆放热反应的最优温度（仅可逆放热有最优温度）：，由于，则；4、 对于所有反应（可逆和不可逆的吸热、放热），均有：T一定时，；对于正逆反应，均有：；对于不可逆反应和可逆吸热反应，；对于可逆放热反应，存在最优温度（略）。5、 活化能越大，T对反应速率的影响

3、越大；低温时，T的变化对反应速率影响也很大。2.2.1 活化能和浓度决定因素lnk-1/T图讨论1、由阿伦尼乌斯定律得到lnk-1/T图是一条直线，斜率即为E，活化能E越大，其斜率越大；2、高活化能的反应对温度非常敏感；3、低温下的反应对温度非常敏感；4、K0一定时，为使反应速率翻倍：E越大，反应操作起来越困难；5、根据阿伦尼乌斯定律，指前因子K0不会影响温度敏感性，即指数项比指前项对温度更敏感。2.3 寻找一个机理步骤：1、化学计量学，2、动力学，3、机理讨论：1、由化学计量数可以知道一个反应是不是基元的简单反应；2、基元反应的分子数不超过3；3、可逆反应中，正反应为基元反应，则逆反应也为基

4、元反应，反之亦然。所以，若正反应不超过3个反应分子数，而逆反应却超过3个分子数时，该反应不是基元反应；4、当浓度较低时，非基元反应也可以视为基元反应处理。5、平行反应的反应速率取决于对温度敏感的那一步。连串反应的反应速取决于对温度不敏感的那一步；6、基元反应的lnk-1/T图是一条直线，如果实验测得的lnk-1/T图不是直线，则该反应不是基元反应；7、对于活化能随温度改变的情况，可见书P31页图2.3，但这种情况很少见。2.4 从理论中推导的反应速率和可预言性反应速率r是浓度和温度的函数。第三章 间歇反应器的实验数据处理3.1 恒容的间歇反应器反应物总压和分压之间的关系：，当时，不变，即-0=

5、0，即总压不变。注意：如果未知反应的化学计量式，或有多种计量方程可以表示这个反应式，就不能使用“总压”这一概念。3.1.1 转化率，产物没有转化率的说法。3.1.2 数据分析的积分方法（先尝试积分法，再尝试微分法，比较实验和理论的C-t图是否一致）1、单分子的一级不可逆反应2、两分子的二级不可逆反应（有两种C-t图）（1）、令，有：当（2）、当时，即可以将二级反应写为：3、0级反应（反应速率与反应物的浓度无关）转化率与时间成正比：讨论：仅在确定的、高浓度的范围内会有0级反应，低浓度时0级反应一般不是基元反应。这是因为在低浓度时，反应速率更加取决于反应物浓度，这让反应级数大于0。4、n级反应的理

6、论速率方程5、不可逆反应的半衰期如果反应物是按它们的计量系数之比加入反应的，则它们会一直保持着计量系数之比的关系反应下去。对于n级反应的半衰期，有：注意：这是化学反应的半衰期，仅在一级反应中，它与放射性物质的衰变是一样的。6、半衰期的扩展对于n级反应的F衰期。令，有：不同级数下的关系曲线。注意：n=1时，半衰期与CA,0无关。7、基元一级平行不可逆反应为了得到K值，有以下公式由以上的k1+k2 和k1/k2关系可以得到K值。基元一级平行不可逆反应的曲线关系（用来得到K）8、均相催化反应即使现在没有催化剂反应也会进行。并且催化反应速率与催化剂浓度成正比。反应的产物的竞争关系注意：如图的情况是对于

7、有着不同催化剂浓度的均相催化反应的速率常数9、自动催化反应（没有R不反应，R太多了也不反应）用转化率表示：自动催化反应的曲线检验一个反应是否为自动催化反应，就画C-t图来看该直线是否通过了O点。10、连串的不可逆反应（R是副产物，S是目的产物，或者R是目的产物，S是副产物，k1和K2的值共同决定着R的最大浓度）讨论：（1）、当时，类似于一级不可逆反应的，这说明反应速率取决于第一步。如果目的产物是R，说明几乎所有的反应物都变成了副产物，产物S多一些。（2）、当时，反应速率取决于慢的一步，即取决于K2。所有连串反应的总体反应速率都取决于最慢的那一步。但无论K1值有多大，只要反应时间足够充分，R一定

8、会转化为S。（3）、一级连串反应的Ct图（4）、对于一级连串反应：一级连串反应C-t图，只有当最后两种化合物取最大值时同时形成拐点。11、一级可逆反应令，在平衡时，所以有：12、对于一个反应由XAe表示转化率，这可看成一个拟一级不可逆反应（1）单分子可逆反应：不可逆反应仅仅是当CAe = 0或 KC =时的可逆反应的特例。（2）二级可逆反应：除了一级和二级反应以外，速率方程的积分变得繁琐。最好的寻找一个适当的速率方程方法是微分法。（3）、变级数的反应在较高的下，这个反应是速率常数为的0级反应；在较低的下，这个反应是速率常数为的1级反应。可由同样的处理得到。3.1.2 数据分析的积分方法（比较难

9、操作，请使用电脑）步骤：（1）、画出，描出光滑曲线。（2）、确定各浓度处的斜率，这些斜率是该组成下的反应速率。（3）、找到一个速率表达式来表示。改：F3.18 intercept=logk3.2 可变容积情形的间歇反应器*概念*所有情形下都有，。但并不是所有情形下都有，不恒容时等式不成立。对于等温变容情形，满足线性关系时，有转化率和浓度的关系：变容反应器中反应速率与转化率的关系为：3.2.1分析的微分方法思路与恒容时的一样，方法意义上很简单但实际操作起来很困难，作图时，然后取对数作图。3.2.2分析的积分方法：一级一级的尝试 只有极少数的简单级数反应可以由积分法得到V-T图，即如下三个：1、0

10、级反应当恒压变容的均相0级反应的2、一级反应注意：恒压变容的均相1级反应的3、 二级反应恒压变容均相二级反应的图注意：除了0、1、2级的反应，其他级数的反应都不适合用积分法。3.3 温度与反应速率温度对于一个反应的决定性由阿伦尼乌斯定律得到。由不同的C和P来描述物料的浓度时E的表达形式不同。*第三章的小结*这一章在讨论怎样得到间歇反应器的速率方程有积分、微分两种方法电脑也是个可靠的工具第四章 反应器设计的介绍物料平衡：单位体积流入的热量的速率=单位体积流出的热量速率+单位体积反应消耗的热量速率+单位体积累积的热量速率间歇反应器需要用到的一些参数：平推流反应器需要用到的一些参数：CA和XA之间的

11、关系：有两个描述反应程度的值,CA和XA。但是,CA和XA之间的关系常常不明显，取决于许多因素。这导致三个特殊情况：特殊情况1、恒定密度的间歇反应器和流动体系这包括大多数的液相反应和恒T、P下的气相反应将A的变化与B、R联系起来：特殊情况2、恒T、P，变的间歇反应和气相流动系统此时由于反应摩尔数在反应过程中不断变化，所以体系的密度会改变。我们令体积和转化率成线性关系，有：当时，将A的变化与B、R联系起来：对于反应物，有；对于产物和惰性物，有注意：如果时，就不好计算了。特殊情况3、普遍情形下的间歇反应器和流动体系（变、变T，变总压）对于反应假定，选择一个反应物作为描述转化率的基准，称为关键反应物

12、。对于气相反应：高压下，把修正成（Z为压缩因子）。A和B反应物之间的关系：对于恒压和恒的液相反应和气相反应，有简化：第五章 简单反应的理想反应器5.1 理想的间歇反应器对于气相有可能不恒容，但对于液相一定恒容。5.1.1 反应时间t流体密度恒定时，流体密度不恒定时，图表形式：（1） 对于间歇反应器的通用：（2） 仅仅在恒密度体系时有：5.1.2 空时单位：s5.1.3空速单位：s-1注意：空速越大越好，空时越短越好。5.2 稳态的全混流反应器（-rA是一个常数，不随时间变化）5.2.1空时和空速 图表形式：（1） 对于全混流反应器通用：（2） 仅仅在恒密度体系时有：（随着）注意：A间歇<

13、A全混流；t间歇<t全混流5.2.2 讨论在各种反应中1、一级反应2、可变密度3、密度为常数的二级反应 -rA=kCA24、时的停留时间（一般都是液相反应，所以这种情况很少发生）5、由于全混流有，这与反应速率的定义有高度一致性，所以用全混流反应器来研究反应动力学很有用。5.3稳态的平推流反应器5.3.1 空时注意：图表形式：（1）、对于平推流反应器通用：（2）、仅仅在密度恒定时：5.3.2 各级反应（1） 、0级均相反应，当时。（2）、1级不可逆反应，当时。（3）、1级可逆反应，当时。（4）、2级不可逆反应或者，当时。5.3.3平推流与间歇反应器进行比较1、 对于恒定密度的体系，它们二者

14、的速率方程是等价的，平推流的相当于间歇反应器的t；2、 对于可变密度的体系，它们二者的速率方程之间没有直接的关系，并且不同的情形下要有不同的速率方程；3、 在处理量、组成、温度、转化率一定时，所需反应体积：管式<多釜串联<单釜。5.3.4 平推流和全混流反应器中的空时和停留时间5.4 理想反应器之间的相同点及区别1、返混 略2、不同停留时间的混合3、间歇&平推流无返混，为04、全混流返混达到最大刚好是反应速率的定义。*第五章小结*1、 三种理想反应器和它们的反应方程2、 空时和停留时间第六章 简单反应的设计6.1 简单反应器的大小比较从图形得到的结论：1、 对于任何相同的生

15、产任务，和任何正反应级数下，全混流的体积总是大于平推流的体积，体积的比率随着反应级数的增加而增加；2、 当转化率很小时，反应表现仅仅由流动模型轻微地影响。在高转化率下的反应表现比率增加得非常快。在这种转化率范围下，一个合适的流动模型的选择显得非常重要；3、 在反应过程中密度的改变影响着设计。然而这一点与选择流型比较起来就没那么重要了；4、 记住，最有效的影响反应器大小的因素是反应速率，它仅仅与A的浓度有关，而不是T。反应的级数、转化率、膨胀因子都将影响A的浓度；5、 XA越大，纵坐标的值越大，N越大，截距越高；6、 0级反应即为X坐标；7、 因为体积越小，反应速率越大，时，虚线位于实线的上方。

16、由上图可以看出，n>0的n级反应，在一定的生产任务下，全混流的反应体积总比平推流的大。6.2 多种反应器系统6.2.1连串或平行的同等大小的平推流反应器1、总体积为V的N个平推流反应器的串联，其效果与一个体积为V的平推流反应器一致。2、平行反应的各路上V/F 或必须相同。这是最高效的流入情况。例题：6.16.2.1连串的同等大小的全混流反应器1、在平推流中,反应物的浓度在整个系统中是逐渐降低的;但全混流中的浓度是突然下降到一个较低的值。2、视一个系统有N个全混流反应器串联连接。可忽略密度的变化。有以下几种：（1）一级反应N个相同体积的全混流反应器串联与一个平推流一级反应的比较注意：（2）

17、二级反应CA0=CB0对于基元的二级反应，比较N个大小相同的全混流反应器串联和视为恒容的一个平推流反应器。直观地用反应器体积之比或空时之比得到下图：例：6-2扩展：对于正常动力学的反应：1、 当反应时间一定时，全混流反应器中反应物的转化率低于间歇反应器；2、 当要求的转化率一定时，多个全混流串联的所需反应体积小于单釜；3、 各釜空时相同时，多釜并联操作的体积与并联各体积之和的单釜相当（并联等于没并）；4、 间歇反应器是非稳态过程，反应组分浓度随时间变化，而平推流和全混流是稳态过程；5、 全混流的定态操作点有3个，其中2个是不稳定的，一个是稳定的。6.2.2连串的不同大小的全混流反应器（无法做定

18、量推导，略，解决办法：图解）两种类型的问题可能会问:1、对于一个给定的全混流反应器串联系统，怎样得到它的转化率？3、 对于制定的转化率要求，怎样进行配置能使生产得到最优？ （1）类型一：已知全混流反应器串联情况，求其出口转化率。，利用图表来找到转化率：作出-r和C的图。由如图所示的方法直接代公式求得。（3） 类型二：对于给定的转化率，来选择一个最优的方案。这个问题也可以是由图形来解决：得到KLMN矩形的最大值。当NL连线的斜率等于图形在M处切线的斜率，则可以得到KLNM矩形的面积最大值。对于一个r-C曲线单调上升的n级反应（n>0），反应器连串。讨论：1、 当n>1时，r-C曲线是

19、凹的，应该尽量保持反应物的浓度高一些；当n<1时，r-C曲线是凸的，应该尽量保持反应物的浓度低一些；2、 应该根据实际的曲线的形式和转化率级别来安排反应器的大小和排序，并没有简单的规则可以指导我们；3、 不管反应体系的动力学是什么样的，利用图来安排最佳的反应单元都是最好的方法。6.3 循环反应器循环反应器的图形表示：1、所有的情形下：4、 仅仅在的恒容体系下，有：5、 循环极端地接近于平推流和全混流讨论：视小循环比大循环的阴影面积小。比较：图6.16一级反应的N=3的平推流与R=2的循环起始大致相同。6.4 自动催化反应器一开始要加入一点R才能进行反应，无R不反应，R太多也不反应。无循环

20、时的平推流和全混流的自动催化反应比较。得到结论：1、 在低转化率时，全混流反应器比平推流反应器更为优越；2、 在高转化率下平推流更好。 最佳循环操作只有自催化反应需要选择最优的循环比。最优循环比是由积分得到的第七章 平行反应的设计7.1 产率的定性讨论讨论：1、 当a1>a2时，反应物的CA0越多，对生成R越有利，用间歇和平推流反应器更适合。2、 当a1<a2时，反应物的CA0越少，对生成R越有利，用全混流反应器更适合。全混流反应器总在低浓度下操作。3、 当a1=a2时，即两个反应的级数都是一样的。，与浓度无关。只能靠调节温度，来令k1>k2，或者使用催化剂，令rR增加。（注

21、意：如果两个反应的级数和活化能都相等时，只能用催化剂）4、 平行反应生成R还是S，主要不是受化学计量数的影响，而是k1和k2的影响。扩展：1、当E1>E2时，应尽可能不连续操作（间歇操作）条件下浓度高低不同的反应物的情形。连续操作条件下浓度高低不同的反应物的情形。7.2 产率和反应器大小的定量处理7.2.1 收率对于连续的全混流串联反应器：定义为基于N的M的收率。7.2.2 选择性第八章 复杂反应的合集8.1 一级不可逆连串反应8.1.1 产率分配的定性讨论中间产物R有一个最大值。该操作方式有利于R的生成，应该尽量减少过程的返混程度。两条原则：对于不可逆连串反应，不同组成的流体的返混是中

22、间物形成的关键因素，当没有返混时，不同组成的流体或不同的转化率下会得到任何或所有的中间物可能的最大值.8.1.2 平推流、间歇反应器的定量处理8.1.3 全混流反应器的定量处理注意：无论是平推流、间歇还是全混流， 8.2 1级反应之后跟随0级反应8.3 0级反应之后跟随1级反应8.4 连续的不同级数的不可逆反应（明确的解难以获得）数值方法提供处理此类反应的最佳工具。对于平行反应,反应物浓度的增加有利于高级数的反应;低的反应物浓度有利于低级数的反应。8.5 可逆反应8.6 不可逆的平行连串反应8.6.1 定性讨论产率分配对于二级平行连串不可逆反应，有：R是目的产物，S是副产物。A和B有三种混合方

23、式：1、 将A缓慢地加入B中：反应就像：2、 将B缓慢地加入A中：反应就像：3、 A和B迅速混合在一起，再慢慢反应反应就像：结论：平行连串反应既有连串特征又有平行特征，优化的方式与单独的连串和平行反应相对应。8.6.2 定量处理平推流、间歇反应器中的不可逆平行连串反应在间歇反应器或平推流中：前提8.6.3 定量处理全混流反应器中的不可逆平行连串反应第九章 温度和压力的影响简单回顾：9.1 单一反应热力学给出了两条信息：1、反应是放热还是吸热；2、最高最优的转化率。热力学中可以从一个温度下的反应热来计算另一个温度下的反应热。9.1.1 从热力学得到的平衡常数 f 是组分在平衡条件下的逸度。 f

24、0 是组分在指定温度T下的标准逸度.对于气体：一般取25，即f 0=1atm。对于固体：f的变化可以忽略，f= f 0G0的规定也是如此。几种平衡常数之间的关系：注意：1、 热力学平衡常数不受反应体系中的压力、惰性物的存在与否或反应动力学方程式的影响，而是只受温度影响；2、 尽管热力学平衡常数不受上述因素影响，但是平衡条件时的物料的平衡组成会受到以上因素影响；3、4、 T温度增加，对于吸热反应K增加；对于放热反应K减少。5、 增压有利于总mole数减少的气相反应；6、 惰性物的减少会导致气相反应的分压的增加。9.1.2 一般图表的设计程序1、对于给定温度和生产能力，求反应器大小的步骤：（1）画

25、出XA和T图。这是操作的操作线。（2）沿着这条曲线找出不同XA下的rA。（3）做出1/(-rA) vs. XA曲线（4）找到这条曲线下的面积。这就是V / FA0。9.1.3 最优温度（达到最小的空时或V所需的温度）减小反应器大小的操作路径。（利用适宜的温度T）讨论：1、 这种最优温度可能是定值也可能会变化；2、 对于不可逆反应，最高的rA出现在最高允许温度；3、 对于吸热反应，；4、 对于放热反应，9.1.4 热效应如果反应是放热的，而释放的热量又无法及时地散发出体系去的话，反应体系的温度将上升。如果反应是吸热的，而吸收的热量又无法及时地补充到体系里的话，反应体系的温度将下降。9.1.5 绝

26、热操作仅有反应中释放或吸收的热量来对反应进行加热或冷却。讨论：根据一定的生产任务进行反应器体积的选择的原则：对于平推流，用1/-rA与XA图进行积分，对于全混流，简单地利用反应器条件中的速率。仔细地看一下书P2241、 如果反应速率随XA的增加而减少，则用平推流反应器更合适；2、 对于放热反应，T一直很高，RA先增后降，这是自动催化反应的特点，因此选用循环反应器；3、 由（操作线的斜率）来决定用平推流还是全混流。结论：对于小的（比如纯气相的情形），全混流反应器更好；对于大的（比如有较多惰性物的气相和液相情形），用平推流更好。9.1.6 非绝热操作（非等温）一级不可逆反应在全混流中的操作由反应产

27、生的热：用来加热进入物料和冷却流体的热量：所以，放热不可逆反应的最优操作点：注意：不可逆放热反应：平推流中，轴向的反应温度T随转化率的增大而增大。扩展：平推流中的吸热反应，反应器中轴向反应温度T随转化率的增加而减小。 平推流中的可逆放热反应，存在最佳温度。9.2 复杂反应高温更倾向于活化能高的反应，低温更倾向于活化能低的反应。第十一章 非理想流动的基础*概念*微观流体和宏观流体：微观流体是以分子水平互相混合，宏观流体是以较大的分子团为单位。一般情况：固体：宏观流体，气液：根据情况来看是微观还宏观。1、 平均停留时间分布RTD是反应时间， 是混合时间，是停留时间。大多数情况下，但更为广义。2、

28、流体流动的聚集状态3、 单相体系和两相体系4、 早混和迟混：（对1级反应无影响，仅对微观流体的非1级反应有影响。）对于两种流体流入体系的情况，早混和迟混对它们的影响很大。微观流体进行n级反应（只要n不等于1），早混和迟混的情况是不一样的。非理想反应器的设计的思路：反应器模型计算方法宏观流体E函数+间歇反应器设计方程多釜串联求出模型参数，按第三章介绍的方法逐釜计算轴向扩散求出模型参数，解微分方程11.1 E，流体的年龄分布，RTD11.1.1 E：停留时间为t的粒子在t=0时刻进入的全部粒子中所占的分率。E(t)dt的物理意义：1、 流体粒子停留时间介于t到t+dt之间的概率；2、 在t到t+d

29、t之间离开系统的粒子所占的分率；3、 在t到t+dt时间间隔内停留时间为t的粒子所占的分率；4、 在t到t+dt时间间隔内寿命为t的粒子所占的分率。：平均停留时间在t,t + dt之间的微元百分数。11.1.2、F: 停留时间<t 的粒子在t=0时刻进入的全部粒子中所占的分率。流体粒子停留时间小于t的概率。11.1.3、寻找E的实验方法（1）脉冲方法化简得到（2）阶跃实验 极短的时间内改变示踪剂的浓度，浓度有个阶跃的变化。（3）卷积法进口浓度的Cin信号会在出口被修改为Cout信号。问题是通过知道Cin和E函数，来找到Cout。F和E曲线的关系：，。平推流反应器的E函数，宽度为0但总面积

30、为1。11.2 非理想反应器的转化率评估非理想反应器行为总的来说我们必须知道四个因素：1反应的动力学2 RTD3早或迟的流体混合详细讨论在16章4是否微观或宏观流体流体微观流体进行n级反应，早混和迟混的情况是不一样的。 迟混适合反应级数n>1的反应 早混适合反应级数n<1的反应 对于宏观流体，出口组成将受到反应动力学和RTD的影响。第12章 隔离区模型我们必须要知道M和V以及v，隔离区模型可以用来诊断反应器的问题第13章 分散模型13.1 轴向扩散模型定义：扩散系数D m2.s-1和无因此数群D/(uL)来描述轴向扩散模型。用两个变量来描述扩散，平均时间和方差。方差：扩散很小时，D

31、/uL<0.01，接近于平推流，无需边界条件复杂的方程就有解：扩散较大时，D/uL>0.01比较偏离于平推流，需要以下的边界条件求解：13.1.1 边界条件（4种）1、开式（在边界内外无区别，均有D/uL>0.01）2、闭式（在边界内外有区别，边界内D/uL>0.01，边界外D/ uL <0.01）没有E和F的解析解，但有：3、开闭/闭开式4、对比扩散很小和扩散很大时5、 讨论对于D/Ul小的情况，所有边界条件均适用。13.2 轴向扩散的相关性（不做要求）13.3 化学反应和扩散第14章 多釜串联模型本章是要令一个非理想流动反应器的RTD与N个假设的全混流反应器串联起来的效果一样。14.1 脉冲响应实验与RTD一个全混流时，两个全混流串联时，N个全混流串联时：14.1.1 扩散和多级串联釜的比较14.1.2 讨论和延伸1、独立性：流体的同一微元从第一个槽流入第二个槽时，它流动的快慢之间是没有关联的，是个概率，但层流流动的RTD规律不是概率。2、平均停留时间和方差具有加和性