化学反应工程知识点复习

三传一反动量传递热量传递质量传递反应工程化学反应工程2·1概述•均相反应－－在均一液相或气相中进行的反应•均相反应动力学是解决均相反应器的选型、操作与设计计算所需的重要理论基础•公式：P15dtdnVrdtdnVrdtdnVrRRBBAA1,1,11、化学反应速率及其表示)A1间（单位体积）（单位时物质的量由于反应而消耗的dtdnVrAA对于均相反应aA+bB=rR+sS反应速率定义为：我们选中哪个组分求反应速率，就称做是着眼组分式中rA取负值表示反应物消失的速率)()()()(SrBArsarrarbar对于反应：aA+bB=rR+sS，若无副反应，则反应物与产物的浓度变化应符合化学计量式的计量系数关系，可写成：恒容过程--AdcdtAr或可说，我们用不同的着眼组分来描述化学反应速率，那么反应速率与计量系数之比是相等的。srrrbrarsrBA若以浓度表示则为：dtdcsdtdcrdtdcbdtdaSRBA111c1•答：(A)•答：(A)•答：1/31/2实验研究得知，均相反应速率取决于物料的浓度和温度，反应速率符合下述方程，称之为幂数型动力学方程，是经验方程。冪数型动力学方程和双曲型动力学方程BAAAcckr)()(,3smmol式中k称作反应速率常数；α、β是反应级数。1）幂数型动力学方程aA+bB=rR+sSBAAckcr对于(恒容)气相反应，由于分压与浓度成正比，也可用分压来表示。BApAAPPkdtdnV1)r(问题：化学反应速率式为，如用浓度表示的速率常数为Kc，用压力表示的速率常数Kp，则Kc=KpBACACCKr（3）基元反应基元反应指反应物分子一步直接转化为产物分子的反应。凡是基元反应，其反应速率遵循质量作用定律，即根据化学计量关系，就可以写出反应速率方程。（4）反应级数反应级数：指浓度函数中各组分浓度的幂数。反应的反应级数或总反应级数：指浓度函数中各组分浓度的幂数之和。对可逆反应，有正反应的反应级数和逆反应的反应级数。对于基元反应：aA+bB=rR+sS•分子数：基元反应中反应物分子或离子的个数。对于基元反应来讲α,β必须是正整数，α+β是基元反应的分子数，不能大于3（根据碰撞理论，α+β的取值不能大于3，必须是一个小于等于3的正整数）。BAAAcckr)(分子数：反应级数――指动力学方程中浓度项的幂数，如式中的α和β，α和β分别称作组分A和组分B的反应级数α+β=n，n是基元反应的总反应级数。AR与2A2R意义不同，前者–rA=kACA后者–rA=kACA2BAAAcckr)()(,3smmol非基元反应：aA+bB=rR+Ssα+β=n，n为非基元反应的总反应级数，取值可以是小于或等于3的任何数，α和β的值与计量系数a和b的值无关。取值是通过实验测定的。BAAAcckr)(注意：区分反应级数和反应的分子数。相同点：非基元反应中的反应级数与基元反应中的分子数，取值n≤3；α、β仍称做反应物A或B的反应级数。不同点：非基元反应n的取值还可以是负数、0、小数；分子数是专对基元反应而言的，非基元过程因为不反映直接碰撞的情况，故不能称作单分子或双分子反应。反应级数的大小反映了该物料浓度对反应速率影响的程度。级数愈高，则该物料浓度的变化对反应速率的影响愈显著。2、速率常数k•化学反应速率方程体现了浓度和温度两方面的影响，浓度的影响体现在浓度项上，反应级数表明了反应速率对浓度变化的敏感程度。•温度的影响则是由速率常数k体现的。2.1反应速率常数在一般情况下，反应速率常数kc与绝对温度T之间的关系可以用Arrhenius经验方程表示，即：k0指前因子，其单位与反应速率常数相同Ec化学反应的活化能，J/molRg气体常数，8.314J/(mol.K)RTEekk/01~00Tk∝k之所以称之为常数，是指当反应温度不变时，k是个常数，当反应温度变化较大时它就不再是常数。对于恒温反应因为影响不大k0指前因子或频率因子，看做与温度无关的常数活化能E，根据过度状态理论，反应物生成产物，要超过一个能垒，因此E的取值永远是正值。lnk与1/T是直线关系－E/R为斜率lnk0为截距图2－1通过实验测出不同温度下的速率常数k，作图根据截距就可以求出指前因子k0，再根据直线的斜率求出活化能E对给定的反应，反应速率与温度的关系在低温时比高温时更加敏感。速率常数k及活化能E的求取选择几组不同的反应温度，在等温、恒容下得到均相反应的实验数据，并据此求出相应的k值，进而就可以求得活化能E的值。21RT/E02RT/E01ekkekk1212T1T1REklnkln•一气相分解反应在常压间歇反应器中进行，在400K和500K温度下，其反应速率均可表达为−rA=23pA2mol·m-3s-1，式中pA的单位为kPa。求该反应的活化能。1500A400A22A22A132AAmolJ742150014001314.8exp251650023K50040023smkmol23K400EErrRcrRcrprRTcpAAAA下：同理：下：将分压换算成浓度：对二级不可逆反应：A+B→产物其反应速率方程为：当CA0=CB0时，积分结果为：AAAAABAABAAAAAxxkCxCCxkCCkCdtdxCdtdCr1120000000/ABCCktx1xC1C1C1AA0A0AA例题1：•在0℃时纯气相组分A在一恒容间歇反应器依以下计量方程反应：A→2.5P，实验测得如下数据：•解：•当t→∞时，pAe=0.02，故为可逆反应，设此反应为一级可逆反应，则AeAA0Ae21AA02A1P2A1Aln)5.2(5.2ddpppptkkppkpkpkpktp积分，得以(-ln(pA-pAe))对t作图AA0AA21AeAeA021210327.0131.00131.0131.0102.0)2.01(5.2)(5.21633.05.25035.21633.0ppprkkpppkkKkkty复合反应是指同时存在两个以上独立进行反应的反应过程。从相同的反应物按各自的计量关系同时地发生的过程称为平行反应。如果这些反应是依次发生的，这样的复合反应称为串联反应。在这些反应产物中，有的产物是需要的对象，称为目的产物或主产物，而其余产物都称为副产物。得到目的产物的反应称为主反应，其余反应称为副反应。研究复合反应的目标是如何提高主反应的反应速率、减少副反应的发生的途径，改善产物分布，以提高原料利用率。2.2.2复合反应收率：得率：选择性：APPPnnnnA00＝关键反应物的转化量目的产物的生成量00APPPnnn＝关键反应物的起始量目的产物的生成量00SSPPPnnnnS＝某一副产物的生成量目的产物的生成量APPx⑴收率、得率和选择性瞬时收率：瞬时选择性：APAPPCdCdr-r＝＝关键反应物的消耗速率目的产物的生成速率SPSPPCCddrrs＝＝某一副产物的生成速率目的产物的生成速率答案：D答案：C答案：B答案：B答案：D答案：C答案：A答案：高、低①动力学方程的建立分离变量积分得到：组织实验，得到Ci与t的数据，并以ln(CA0/CA)对t作图，应得到一条通过原点的直线。该直线的斜率为（k1+k2）。瞬时选择性为：SAPAkk21ASSAPPCkdtdCrCkdtdCr21A21AAC)kk(dtdCrAACCtkk021lnSPSPPCCddrrs＝＝⑵平行反应积分得：根据实验数据，以（CP-CP0）对（CS-CS0）作图，得到斜率为k1/k2的直线。结合上述（k1+k2），从而可确定k1和k2。②产物分布则有：0210SSPPCCkkCCtkkAAeCC210tkkAPeCkdtdC2101分离变量积分得：02110]1[21AtkkPPCekkkCC211APAPPkkkdCdCrr212ASSkkkrr)CC)(kkk(CCA0A2110PP类似地可得：这样，就可以以Ci对t作图，得到各组分浓度随时间的分布曲线如图2-8所示。02120]1[21AtkkSSCekkkCC若则瞬时选择性为：可见，影响选择性的因素有：2121aASSaAPPCkdtdCrCkdtdCr2121aaASPPCkkrrsRTEEkkkk21201021exp当E1＞E2时，E1－E2＞0，随着温度提高，exp[－(E1－E2)/RT]增大，k1/k2上升，从而使Sp提高；反之亦然。因此，增加温度，有利于活化能高的反应。当a1＞a2时，a1－a2＞0，随着浓度提高，使Sp提高；反之亦然。当a1=a2时：产物分布由k1、k2唯一决定。方法为：改变操作温度、使用催化剂。对反应：对-rA分离变量积分得：SPAkk21tkCCAA10expPSSPAPPAAACkdtdCrCkCkdtdCrCkdtdCr2211⑶连串反应对A作物料衡算，则有：以各组分浓度对时间作图得到各组分的分布曲线，见图。SPAACCCC0从而得到对应此最高浓度的反应时间为：1212)ln(kkkktopt122210max,kkkAPkkCC2.3.1.膨胀因子膨胀因子是指每转化掉1摩尔反应物A时所引起的反应物料总摩尔数的变化量，即：式中，n0、n分别为反应前后物料的总摩尔数；yA0为组分A的起始摩尔分率。可见，2.3等温变容过程等分子反应缩体反应膨体反应AAAAAxnnnxynnn00000000AAA速率表示式为：2.3.2膨胀率膨胀率是指反应物A全部转化后系统体积的变化分率：它既与反应的化学计量关系有关，也与系统的惰性物量有关。2.3等温变容过程dtdxxyCrAAAAAA001)(001AAAxxxAVVV它与膨胀因子的关系：2.3等温变容过程AAAy0•有如下化学反应•CH4+C2H2+H2=C2H4+CH4•(I)(A)(B)(P)(I)•在反应前各组分的摩尔数分别为nI0=1mol；nA0=2mol；nB0=3mol；nP0=0，求反应物A膨胀率。3131321211111AA0AAA0Ayy3132132122301001AxxxVVV解法二解法一第3章均相反应过程3.1概述⑴基本概念流体单元：反应器中物料温度和浓度均相等的流体团停留时间：在连续流动反应器中，流体单元从反应器入口到出口经历的时间。返混：停留时间不同的流体单元之间的混合。反应时间：实际进行反应的时间平均停留时间：进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，常用平均停留时间来描述。量反应器中物料的体积流反应器容积vVt空速：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。空时：进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间τ。0vV进料的体积流量反应器容积VcFVvSAAV00013.2间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征基本结构搅拌器进料口出料口夹套图3-1间歇反应器示意图特点:1、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2、具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3、物