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化学反应工程知识点
—郭锴主编
1
、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宏观化学反应速率的影
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。
2
、任何化工生产，从原料到产品都可以概括为原料的预处理、化学
反应过
程和产物的后处理这三个部分，
而化学反应过程是整个化工生
产
的核心。
3.
化学反应工程的基本研
究方法是数学模型法。
数学模型法是对复杂
的、难以用数学全面
描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一
个简化模型，
并
通过对简化模型的数学求解，
达到利用简单数学方程
描述复杂物
理过程的目的。
模型必须具有等效性，
而且要与被描述的
实体的那一方面的特性相似；
模型必须进行合理简化，
简化模型既要
反映客观实体，又有便于数学求解和使用。
4.
反应器按型式来分类可以分为管式反应器、
槽式反应器
（釜式反应
器）和塔式反应器。
5
反应器按传热条件分类，分为等温反应器
、绝热反应器和非等温非
绝热反应器。
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
1
、目前普遍使用关键组分
A
的转化率来
描述一个化学反应进行的程
度，其定义为：
x
< br>A
?
转化了的
A
组分量
n
A
0
?
n
A
?
A
组分的起始量
n
A
0
2
、化学反应速率定义
（严格定义）为单位反应体系内反应程度随时
间的变化率。其数学表达式为
r
?
1
d
< br>?
。
V
dt
3
、
对
于
反
应
A
?<
/p>
2
B
?
3
C
?
4
D
，
反
应
物
A
的
消
耗
速
率
表
达
式
为
?
r
A<
/p>
?
?
1
dn
A
1
dn
C
；反应产物
C
的生成速率表达式为：
r
C
?
V
dt
V
dt
4.
反应动力学方程：
定量描述反应速率与影响反应
速率之间的关系式
称为反应动力学方程。
大量的实验表明，
均相反应的速率是反应物系
的组成、温度和压力的函数。
5.
阿累尼乌斯关系式为
k
C
?
k
C
e
0
?
E
RT
，其中活化能反应了反应速率对温
度变
化的敏感程度。
6
、半衰期：是指转
化率从
0
变为
50%
< br>所需时间为该反应的半衰期。
7
、反应器的开发大致有下述三个任务：①根据化学反应动力学特性
来选择合适的反应器
型式；
②结合动力学和反应器两方面特性来确定
操作方式和优化
操条件；③根据给定的产量对反应装置进行设计计
算，确定反应器的几何尺寸并进行评价
。
8.
在停留时间相同的物料之间的
均匀化过程，
称之为简单混合。
而停
留
时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。
9.
根据返混情况不同反应器被分为以下类型：
间歇反应器、
理想置换
反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）
、全混流反应器（又称
为连续操作的充分搅拌槽式反应器）
。
10.
反应器设计计算所涉及的基础
方程式就是动力学方程式、物料衡
算方程式和热量衡算方程式，
其中物料衡算所针对的具体体系称为体
积元。
11
、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。在反应器中，由于流动状况的不同，物
料微
元从反应器入口到出口所经历的时间可能是各不相同的，
存在一
个分布，
称停留时间分布。
各流体微元从反应器入口到出口所经
历的
平均停留时间称为平均停留时间。
12.
空间时间是指反应器有效容积与流体特征体积流率之比值。
13.
理想置换反应器（平推流反应器）是指通过反应器
的物料沿同一
方向以相同速度向前流动，
向活塞一样在反应器中
向前平推，
故又称
为活塞流或平推流反应器。
< br>
14.
为了表征反应物系体积变化给反应速率带来的影
响，引入两个参
数，膨胀率和膨胀因子。
15
、膨胀因子的物理意义为：关键组分
A
消耗
1mol
时，引起反应物
系的量的变化量。
表达式：
?
A
?
为
n
t
?
n
t
0
?
n
A
0
x
?
A
第二章
复合反应与反应器的选型
1
、
三种理想的反应器中，
间歇反应器和平推流反
应器完全没有返混，
全混流反应器的返混达到极大的程度。
<
/p>
2
、反应器的选型，其实就是根据不同的反应的特性，选择合适这
种
反应类型的操作方式。
3
、对某个具体反应，选择反应器、操作条件和操作方式主要考虑化
学反应
本身的特征与反应器特性，
最终选择的依据将取决于所有过程
的
经济性。
4
、过程的经济性主要受两
个因素影响，一是反应器的大小，二是产
?
a
< br>?
(
?
a
A
)
，
总的物质的量跟膨胀因子关系
物分布。
5
、确定反应器型式不但要考虑反应的级数，而且要考虑过程进行的
程度，即转化率的高低
；级数越高，要求的转化率也高，这时应采用
平推流反应器；如果反应器只能采用釜式结
构，则采用多釜串联，使
之尽可能接近平推流。
6
、平推流反应器并联各支路的空间时间相同时最终转化率最高或者
达到一定转化率所需的反应器体积最小。
7<
/p>
、Ｎ个平推流反应器串联操作，其总体积Ｖ
Ｒ
与一个具体体积为Ｖ
Ｒ
的单个平推流反应器所能获得的转化
率相同。
8
、
多釜串联的反应器，
由于釜间无返混，
使返混程度减少，
当
N
?
?
时，多釜串联全混反应器组的操作就相当于平推流反应器。
9
、可逆反应速率总是随着转化率升高而降低。可逆吸热反应速率总
是随着温度的升高而加快；
而可逆放热反应按最佳温度曲线操作时速<
/p>
率最大。
10
、反应物能同时进行两个或两个以上的反应，称为平行反应。连串
反应是指反应产物能进
一步反应成其他副产物的过程。
第三章
非理想流动反应器
1
、按返混程度不同，可将反应器分成以下三类：
（
1<
/p>
）完全不返混型
反应器、充分返混型反应器和部分返混型反应器。
2
、停留时间分布函数
F
（
x
）
< br>：是指当物料以稳定的流量流入反应器
而不发生化学变化时，
在流出物料中停留时间小于
t
的物料占总流出
物的分率。
3
、示踪法中
入口物料输入示踪剂称为激励，在出口处获得的示踪剂
随时间变化的输出讯号称为响应。
第四章
气固相催化反应本征动力学
1
、催化反应过程的特征
（
1
）催化剂改变反应历程，改变反应速率，其本
身在反应前后没有
变化。
（
2
）对可逆反应，催化剂不会改变反应物质最终所能达到的平衡状
态。
（
3
）对任何一个可逆反应，催化剂既会加快正反应速率，也必将以
同样的倍
数加快逆反应速率。
（
4
）催化剂对反应过程有良好选择性。
2
、固体催化剂包括催化活性物质、载体、助催化剂和抑制剂。一个
好的固
体催化剂必须具有高活性、
高选择性、
高强度和长寿命等特点。
3
、助催化剂的类型可分为结构型催
化剂和调变型催化剂。
4
、制备固体
催化剂，经干燥后，都需要高温煅烧，其目的是：
（
1
）
除掉易挥发组分，
保证一定化学组成，
从而使催化剂具有稳定的活性；
（
2
）使催化剂保持一定的晶型、晶粒大小、孔隙结构和比表面积；
（
3
）提高催化剂的机械强度。
5
、催化剂的性能主要包括活性、选择性和寿命。对催化剂性能影响
最大的物理性质主要是比表面积、孔体积和孔体积分布。
6
、比表面积：单位质量催化剂具有的表面积称为比表面积
< br>
7
、活性中心：是指化学吸附只能发生于固体表面那些
能于气相分子
起反应的原子上，通常把该类原子称为活性中心。
8
、
组分
A<
/p>
的吸附率是指固体表面被
A
组分覆盖的活
性中心数与总活
性中心数之比。
9<
/p>
、焦姆金吸附模型认为一般吸附活化能随覆盖率的增加而增大，脱
附活化能随覆盖率的增加而减小。
10
、本征反应速率方程的推导方法
①假定反应机理，即确定反应所经历的步骤；②确定速率控制步骤，
该步骤的速率即为反应过程的速率，
根据速率控制步骤的类型，
写出
该步骤的速率方程；
③非速率控制步骤均达到平衡。<
/p>
若为吸附或解析
步骤，
列出兰格缪尔吸附
等温式，
若为化学反应，
则写出化学平衡式；
< br>④利用所列平衡式与
?
?
I
?
?
V
?
1
，将速率方程中各种表面浓度变换为
气相组分
分压的函数，即得所求的反应速率方程。
11
、
催化剂在使用之前通常需要活化。
催化剂表面的活化
过程可以除
去吸附和沉积的外来杂质，
而且可以改变催化剂性质
，
在空气中会很
快起来变化的催化剂必须在卸出之前小心地使之
钝化。
12
、
以颗粒催化剂体积为基准的平均反应速率称为宏观反应速率。
宏
观反应速率还受催化剂颗粒的大小、形状以及气体扩散过程的影响。
宏观反应速率与其
影响因素之间的关系称为宏观动力学。
13
< br>、对于流体与催化剂外表面间的连续稳定传质过程，反应组分
A
< br>在单位时间内由气相主体扩散到颗粒外表面上的量应该等于
A
组分
在催化剂中反应掉的量。
1
4
、
催化剂失活的类型和原因很复杂，
大致可以分为三类：
结构变化、
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