化学反应工程总结

一、 绪论 1． 2． 3． 4．

研究对象是工业反应过程或工业反应器 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 优化指标——技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念 工程思维方法

研究目的是实现工业反应过程的优化

工程问题

二、化学反应动力学

1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应

基本特征、分析判断

2. 化学反应速率的工程表示

反应量

(反应时间)(反应区)

3. 工业反应动力学规律可表示为： r i =f C (C i ) ⋅f T (T )

a) 浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程度。

b) 温度效应——E 工程意义是：反应速率对温度变化的敏感程度。

已知两个温度下的反应速率常数k ，可以按下式计算活化能E ：

E ——cal/mol，j/mol

T ——K

R = 1.987cal/mol.K = 8.314 j/mol.K

三、PFR 与CSTR 基本方程

c A f dc x A f dx V R A A

=-⎰=c A 0⎰1. 理想间歇：t =

c A 0(-r ) x A 0(-r ) v 0A A c A f dc x A f dx V R A A =-⎰=c A 0⎰2. 理想PFR ： τp = c x A 0A 0v 0(-r A ) (-r A )

3. CSTR ： 4. 图解法

τp =

V R c A 0-c A c A 0x A

==

v (-r A ) (-r A )

τ

0 x Af x A

四、简单反应的计算

n=1,0,2级反应特征 浓度、转化率、反应时间关系式 PFR →CSTR ，CSTR →PFR

基本关系式 PFR （间歇） CSTR

c Af dc V R A ==-⎰c A 0(-r A ) p

v 0

c A =c A 0(1-x A )

τ

n=0

τm =

V R c A 0-c A

= v (-r A )

c A 0x A =k τp c A 0x A =k τp

n=1

n=2

五、可逆反应

k 2

P

k 1

(-r A ) =k 1C A -k 2C P =k 1C A -k 2(C A 0-C A )

=(k

1+k 2)(C A -C Ae )

=(k 1+k 2) C A 0(x Ae -x A )

温度效应： 浓度效应：

E 2-E 1

(-r A ) =0⇒ T eq = k 20x A

R l n ]

k 10(1-x A )

E 2-E 1=opt E 2k 20x A R ln[]E 1k 10(1-x A )

PFR 积分式

CSTR ：由基本方程导出

六、平行反应

P （主反应）

S （副反应）

β=r n

1

P r =k 1C A

n 1n 2

， P +r S k 1C A +k 2C A

f

=

C pf -⎰

C A C βdC A 0

A

C -C =

C -C 温度效应：温度升高有利于活化能大的反应 浓度效应：浓度升高有利于级数大的反应

计算： 由基本方程PFR 、CSTR 推出

①反应器选型与组合优化：

各种情况分析。 β~CA 曲线——对应面积=CP

β~XA 曲线——对应面积=CP /CA0

②最优加料方式：p193-194 平行反应

P r n 1m 1p =k 1C A C B A+B

S r n 2m 2s =k 2C A C B

七、串联反应

P S

(-r A ) =k 1C A

k 1

k 2

r P =k 1C A -k 2C P r S =k 2C P

温度效应：温度升高有利于活化能大的反应（同平行反应） 浓度效应：凡是使C P /C A 增大的因素对串连反应选择率总是不利的。

①串联反应的计算 PFR

CSTR 物料衡算

C A =C A 0e -k 1t

A 0A P S

②串联反应的最优反应时间、转化率与最大收率 PFR CSTR

-k 1τo p t

x opt =

x opt =1-e

k 1τopt 1+k 1τopt

八、自催化反应

A ＋

P ＋P

(-r A ) =kC A C P

(C A ) opt =

C T 0C A 0+C P 0

=

22

C A 0+C P 0=C A +C P =C T 0

反应器组合优化

九、变分子反应

①空速SV 的物理意义与因次 ②膨胀率的定义εA =

V x A =1-V x A =0

V x A =0

③膨胀因子的物理含义δA =

(p +s ) -(a +b )

a

④变分子反应中停留时间t 与空时τ的大小关系

十、循环反应器的计算

R =

v R

v 0

十一、返混

1. 不同年龄的物料相互之间的混合——返混（CSTR ） 相同年龄的物料相互之间的混合——混合（间歇反应器） 2. 返混的起因：①空间上的反向流动②不均匀的速度分布 3. 返混的结果：反应器内的浓度变化（C A ↓C P ↑） 4. 改善措施：分割——横向分割和纵向分割 5. f (t ) 和F (t ) 含义

6. 数学期望t 与方差σ 无因次方差σθ=

2

t

2

-

σt 2

t

-2

7. CSTR f (t ) =-e

t

1

-t

t

-t F (t ) =1-e σθ2=1

PFR f (t ) 和F (t ) 8. 固相反应的计算

σθ2=0

∞c (t ) c A

=⎰A f (t ) dt 0c c A 0A 0

-

x A =⎰0x A (t ) f (t ) dt 9. 微观混合对反应结果的影响

(1) 大于一级的反应，上凹曲线，不利

(2) 小于一级的反应，下凹曲线，有利 (3) 一级反应的情况，线性关系，无关

-

∞

十二、外部传递过程与内部传递过程

“化学反应工程”总结

9

=∆十三、工程思维方法

Sh =A Re 2Sc 工程问题

动力学问题

“化学反应工程”总结

10

十二、热量传递与反应器的热稳定性 1. 定态条件Q g =Q r

热稳定条件

2. 放热曲线与移热曲线，影响因素。多态—A 、B 、C 点的稳定性

3. 临界着火状态与临界着火温度Tig 4. 临界熄火状态与临界熄火温度Tex

Q

2

T ex

T b

ig

T si

T se

T

5. 最大允许温差