常州大学化学反应工程考试

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化学反应工程1、化学反应工程学是一门研究涉及化学反应的工程问题的学科。2、化学反应工程学不仅研究化学反应速率与反应条件之间的关系，即化学反应动力学，而且，着重研究传递过程对化学反应速率的影响；研究不同类型反应器的特点及其与化学反应结果之间的关系。3、化学反应和反应器的分类：按反应系统涉及的相态分类，分为均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液—固相反应等。按操作方式分类，分为间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。按反应器型式来分类，分为管式反应器，一般长径比大于30槽式反应器，一般高径比为1—3塔式反应器，一般高径比在3—30之间按传热条件分类，分为等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。；绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。；非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。4、化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。5、化学反应式：6、7、转化率：一个化学反应进行的程度。8、化学反应速率：反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率••nA：反应体系内，反应物A的摩尔数；•V：反应体积•t：时间例题：9、反应动力学方程：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。10、动力学方程：：cA，cB：A，B组分的浓度mol.m-311、阿累尼乌斯关系：12、kc0：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反应速率常数相同的因次。19\nE：活化能，[J·mol-1]，从化学反应工程的角度看，活化能反映了反应速率对温度变化的敏感程度。13、反应级数：m，n：A，B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。14、15、对一级不可逆反应，恒容过程，有：16、半衰期：定义反应转化率达到50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。17、定义反应转化率达到50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。18、二级反应：19、动力学方程表现的是化学反应速率与反应物温度、浓度之间的关系。而建立一个动力学方程，就是要通过实验数据回归出上述关系。20、积分法：例如：一级反应：例题1：等温条件下进行醋酸(A)和丁醇(B)的醋化反应：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmolm-3。测得不同时间下醋酸转化量如表所示。试求反应的速率方程。第一步；题目没有交代这个反应是几级反应，所以设这个反应是几级反应将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系19\n21、化学反应器设计基础：物料衡算方程22、23、24、停留时间t和平均停留时间停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。25、空间时间τ其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。即26、空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间。27、空间速度SV：空速的一般定义为在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。28、返混：如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程。29、按返混情况不同反应器被分为以下四种类型：①、间歇反应器:在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。②、平推流反应器：在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。③、全混流反应器：连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。④、非理想流反应器：物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。30、间歇反应器：反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。31、间歇反应器特点：①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。32、间歇反应器设计方程：恒容条件下：19\n33、间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。34、例题：某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70℃用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：•cA0=4kmol.m-3•若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1h，反应器装填系数为0.75，求：•(1)转化率分别为xA=0.5，0.6，0.8，0.9时，所需反应时间为多少?•(2)求转化率为0.8，0.9时，所需反应器体积为多少?•解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：xA=0.5•xA=0.6tr=3.18h•xA=0.8tr=8.5h•xA=0.9tr=19.0h•(2)反应器体积的计算•xA=0.8时：tt=tr+t’=8.5+1=9.5h•每小时己二酸进料量FA0，己二酸相对分子质量为146，则有：•处理体积为：•实际反应器体积VR：•反应器有效容积V’R：•实际反应器体积VR：•当xA=0.9时：•tt=19+1=20h•V’R=0.171×20=3.42m3•VR=3.42／0.75=4.56m319\n35、平推流反应器：通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，36、理想置换反应器的特性：①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。37、理想置换反应器的设计方程：进入量-排出量-反应量=累积量•故FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0•由于FA=FA0(1-xA)•微分dFA=-FA0dxA•所以FA0dxA=(-rA)dVR例1-4条件同例1-3，计算转化率分别为80％、90％时所需平推流反应器的大小。•对PFR：•代入数据xA=0.8时：38、变容反应过程膨胀因子和膨胀率：为了表征由于反应物系体积变化给反应速率带来的影响，引入两个参数，膨胀因子和膨胀率。39、膨胀因子•膨胀因子：即关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数的相反数例题：19\n40、膨胀因子的物理意义：关键组分A消耗1mol时，引起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变化。δA>0是摩尔数增加的反应，反应体积增加。δA<0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。δA=0是摩尔数不变的反应，反应体积不变。41、膨胀率：物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。42、即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。43、膨胀因子与膨胀率的关系：44、变容过程转化率与浓度的关系：例题：均相气相反应A→3R，其动力学方程为-rA=kcA，该过程在185℃，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性气，为使反应器出口转化率达80％，该反应器体积应为多大?•解：该反应为气相反应A→3R•已知yA0=0.5，因此εA=yA0δA=1•平推流反应器设计方程例题2、在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯。年设计生产能力为14万吨乙烯。反应是不可逆的一级反应，要求达到乙烷转化率为80％，反应器在1100K等温，恒压600kPa下操作，已知反应活化能为347.3kJ·mol-1，1000K时，k=0.0725s-1。设计工业规模的管式反应器。19\n•解：设A为乙烷，B为乙烯，C为氢气•反应器流出的乙烯的摩尔流率是：•进料乙烷的摩尔流率是：••计算1100K时反应速率常数：•膨胀因子：••膨胀率：•••进口体积流量：•平推流反应器设计方程19\n45、流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。46、恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间τ不同。如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。•恒容条件下，εA=0，上式还原为：47、全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。48、全混流反应器特性：①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④连续、稳定流动，是一定态过程。49、全混流反应器基本设计方程：•50、恒容条件下又可以简化为：例题：条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率分别80％、90％时，所需反应器的体积。由设计方程•代入数据，xAf=0.8时•••代入数据，xAf=0.9时51、从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体积略大些，这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化率增加时，所需反应体积迅速增加。Page11419\n复合反应与反应器选型52、间歇反应器与平推流反应器：平推流反应器在结构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但有一点是共同的，就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。53、间歇反应器与全混流反应器：间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样。54、单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较：55、理想流动反应器的组合：56、(1)平推流反应器的并联操作•VR=VRl+VR2•因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：•V0=V01+V02由平推流反应器的设计方程尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此，57、全混流反应器的并联操作多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。19\n58、平推流反应器的串联操作：考虑N个平推流反应器的串联操作，对串联的N个反应器而言：59、全混流反应器的串联操作N个全混流反应器串联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应。•对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。•对恒容、定常态流动系统，V0不变，•，故有：•对于N釜串联操作的系统，总空间时间：•τ小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时的空间时间。•计算出口浓度或转化率•对于一级反应：•如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：19\n•对二级反应，以上面方法，可以推出：•例2-1条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用四釜串联的全混釜，求己二酸转化率为80％时，各釜出口己二酸的浓度和所需反应器的体积。•要求第四釜出口转化率为80%，即•以试差法确定每釜出口浓度•设τi=3h代入•由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、cA3、cA4，看是否满足cA4=0.8的要求。将以上数据代入，求得：•cA4=0.824kmol·m-3•结果稍大，重新假设τi=3.14h，求得：•cA1=2.202kmol·m-3•cA2=1.437kmol·m-3•cA3=1.037kmol·m-3•cA4=0.798kmol·m-3•基本满足精度要求。•循环反应器:在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度，以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法，如图所示。•循环反应器的基本假设：①反应器内为理想活塞流流动；②管线内不发生化学反应；③整个体系处于定常态操作。•反应器体积可按下式计算：•为方便起见，设循环物料体积流量与离开反应系统物料的体积流量之比为循环比β，即19\n平推流反应器设计方程中，转化率的基准应当与反应器入口处体积流量及这一体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔流率对应:•式中，F’A0是一个虚拟的值，它由两部分组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流率。即：•由此得到循环反应器体积：•当循环比β为0时，还原为普通平推流反应器设计方程。•当循环比β→∞时，变为全混流反应器设计方程。•当0<β<∞时，反应器属于非理想流动反应器。•当β=0，为平推流反应器。当β→∞，为全混流反应器。通过调节循环比β，可以改变反应器流动性能，对于一定的反应，可以使得反应器体积最小，这时的循环比称为最佳循环比。•它表示最佳循环比应使反应器进口物料的反应速率的倒数等于反应器内反应速率倒数的平均值。如图所示。图中KL代表反应器进口的值，PQ代表整个反应器的平均值。自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化作用，加速该反应过程的进行。•反应1•反应219\n通常k2值远大于k1。在反应初期尽管反应物的浓度较高，但产物浓度很低，所以总反应速率不大。随着反应的进行，产物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低，但其值仍然较高。因此，反应速率将是增加的。当反应进行到某一时刻时，反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下降。•反应1的动力学方程为：•反应2的动力学方程为：•A组分的消耗速率为：•在整个反应过程中，A组分被反应掉了，但生成了等量的P组分，则A与P的总摩尔数是恒定的，即•A组分的消耗速率为：•分离变量积分得：•最大反应速率对应的反应物浓度为：反应器组合为了使得反应器组的总体积最小，设计这样一组反应器，在这组反应器中，反应大部分控制在最高速率点或接近最高速率点处进行。为此，可使用一个全混釜式反应器，它可以不必经过较低反应速率的中间组成，而直接控制在最高速率组成下操作。然后再由平推流反应器完成最终反应19\n可逆反应特性与反应器选型•设可逆反应：•总反应速率(-rA)为正逆反应速率之差：•当正逆反应速率相等时，总反应速率为零，反应达到平衡（-rA）=0。•式中：KC为此反应在当前反应温度下以浓度表示的平衡常数，因次为浓度单位的Δn次方；xAe为平衡转化率。•平衡常数K为热力学参数，无因次，与反应速率及其表达式无关，可以通过参与此反应的各组分的标准生成自由焓求得。•平衡常数与温度的关系：19\n可逆反应过程特点•(1)在温度恒定时，随关键组分转化率xA的增加，正反应速率k1f(xA)将随之下降；逆反应速率k2g(xA)将随之上升；总反应速率-rA=ak1f(xA)-ak2g(xA)将随之下降。•(2)温度对反应速率的影响在一定转化率下，可逆吸热反应的速率总是随着温度的升高而增加。•可逆放热反应的速率随温度的变化规律如图所示，当温度较低时，反应净速率随温度升高而加快，到达某一极大值后，随着温度的继续升高，净反应速率反而下降。平行反应特性与反应器选型•反应物能同时进行两个或两个以上的反应，称为平行反应。•一般情况下，在平行反应生成的多个产物中，只有一个是需要的目的产物，而其余为不希望产生的副产物。在工业生产上，总是希望在一定反应器和工艺条件下，能够获得所期望的最大目的产物量，副产物量尽可能小。•考虑下列等温、恒容基元反应：•A→P(目的产物)•A→S(副产物)•反应物A的消耗速率为：平行反应的选择性平行反应是一种典型的复合反应，流动状况不但影响其所需反应器大小，而且还影响反应产物的分布。优化的主要技术指标是目的产物的选择性。（目的产物）•（付产物）生成目的产物的反应速率：•生成付产物的反应速率：•转化率：•式中nA0、nA为进入系统和离开系统A物质的摩尔数。•平均选择性19\n•式中(ΔnA)P、(ΔnP)为生成目的产物P消耗的A量和生成目的产物P的量。•收率y•三者关系：•瞬时选择性SP•对于上述平行反应瞬时选择性与平均选择性的关系•对平推流或间歇反应器•对全混流反应器•对N个串联的全混流反应器影响瞬时选择性的因素•a．温度对选择性的影响(浓度不变时)①当El>E2时，E1-E2>0，随着温度的上升，选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬时选择性；②当E1a2，bl>b2时，升高浓度，使选择性增加，若要维持较高的cA、cB，则应选择平推流反应器、间歇反应器或多釜串联反应器19\n•例2-2有一分解反应••••其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0=5kmol·m-3，cP0=cS0=0，体积流速为5m3h-1，求转化率为90％时：•(1)全混流反应器出口目的产物P的浓度及所需全混流反应器的体积。•(2)若采用平推流反应器，其出口cP为多少?所需反应器体积为多少?•(3)若采用两釜串联，最佳出口cP为多少?相应反应器体积为多少?•(1)全混流反应器•全混流反应器平均选择性等于瞬间选择性19\n•(2)平推流反应器•(3)两个全混釜串联•为使cP最大，求，•得cA1=1.91kmol·m-319\n连串反应特性与反应器选型•对连串反应••瞬时选择性定义为：••如果是一级反应且a=p=1当生成中间产物的活化能E1大于进一步生成副产物活化能E2(即E1>E2)时，升高温度对生成中间目的产物是有利。当生成中间产物的活化能E1小于生成副产物活化能E2(即E1

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