李绍芬主编反应工程知识点
化学反应工程_备课笔记
绪论一、化工生产中设备的分类化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产品的全过程。
图1是以天然气或石脑油为原料生产合成氨的工艺过程。
图2每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：1，工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；2，化工设备分为两大类（1）不含化学反应的设备这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学性质。
图中的鼓风机、泵、换热器、冷却塔和贮槽中没有化学反应发生，只有物理过程，是不含化学反应的设备。
在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变化；贮槽只是起贮存物料作用（2）化学反应器在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。
物料在反应器中发生了化学反应，物料性质起了变化。
可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生产过程的关键。
化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生产的核心设备。
“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。
二、《化学反应工程》任务“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。
1957年如开了第一次欧洲化学反应工程伎议，会议确定了化学反应工程的研究内容和任务。
“化学反应工程是化学工程的一个部分，它是科学的一个分支，它还处在发展阶段。
它的目的在于控制工业规模的化学转化率并最终达到恰当和成功的反应器设计。
有各种因素对反应器设计起着重要作用，如流动现象、质量和热量传递以及反应动力学。
首先必须对这些因素了解，工业规模反应器的开发只能从上述因素间的关系和相互作用中得到了解”。
化学反应工程的任务是研究化学反应器中质量和热量的传递过程、流动状况和反应动力学，最终目的是设计化学反应器。
三、化学反应器的特点考察CO变换反应：CO + H2O CO2+ H2反应在固定床变换炉中进行，变换炉中装有固体催化剂，反应过程如下：CO 、 H2O由气相主体到达颗粒外表面；CO 、 H 2O 由颗粒外表面到达颗粒内表面； CO 、 H 2O 在颗粒内表面上起反应；CO 2 、 H 2由颗粒内表面到达颗粒外表面； CO 2 、 H 2由颗粒外表面到达气相主体。
《反应过程》李绍芬版 第二章 反应动力学基础
A
B
R
常数 r
1 dni r iV dt
r
1 d (c AV ) dc c dV A A V dt dt V dt
恒容
r
1 d V dt
dcA rA dt
2.1 化学反应速率
2. 对于流动反应器（定常态过程）：
FA0
M
Vr
取反应器内任意一个小微元 M，其体积为dVr，可认为此 体积内物系参数均匀。
Temperature Dependent Term of a Rate Equation
正、逆反应活化能与反应热的 关系 E 1 1nk 1nA ( ) R T
k/ k K
1 / C
( 2.25)
1
d1nk E dT RT 2
1n k 1n k 1nK p
r 0
k f ( X A ) k g( X A )
吸热反应
E＞E
dk kE dT RT 2
dk kE dT RT 2
E
2
RT
k f ( X A )＞
E
2
RT
k g( X A )
(
r E E ) xA k f ( X ) k g( X A ) A 2 2 T RT RT
可见，非基元反应的速率方程不能根据质量作用定律写出。
2.2 反应速率方程
举例2：一氧化氮氧化反应 2NO+O2→ 2NO2
反应机理（1）： 反应机理（2）：
NO+NO
反应工程李绍芬
（2）得率：生成目的产物P与着眼反应物A起始的物质的量之比。
XP
nP np0 nA0
（3）选择性：生成目的产物P与副产物S的物质的量之比。
瞬时选择性
sP
dcP dcS
rP rS
总选择性
SP
nP nS
np0 nS0
(4)
XP PxA
能源与动力工程学院化工系
1平行反应
一种反应物按不同途径反应，生成不同的反应物。根据 反应种类可分为若干种组合。
研究对象：反应速率及其影响因素 微观动力学 准确描述反应机理的理论模型基础上的 反应动力学 宏观动力学 包含了传递过程影响在内的反应动力学 本征动力学 排除了传递过程影响的反应动力学
能源与动力工程学院化工系
2.1 反应速率
vAA vBB vRR
以单位时间，单位反应体积内反应物系中某一反应组分 的变化量来定义速率。
A
dt
AA B
k
C
1
A
CB
• dCA dt
[k ] [t C 1 1 ]
1级反应： [k]=[t-1] 1级反应： [k]=[t-1c-1]
能源与动力工程学院化工系
2.2.3可逆反应
A S 1级，CS0=0，恒容
(rA )
dCA dt
k
CA
kCS
k
CA
k(CA0
)
( k k )CA kCA0
能源与动力工程学院化工系
2.2.2单一反应动力学方程的建立
对于不可逆反应（把它看做恒容反应）
aA+bB产物
假定其动力学方程为：
( r
)
dC A
k
c c
A
反应工程 公式总结
4.反应速率与转化率的关系
5.多相催化与吸附
过渡状态理论认为化学反应速 率决定于反应物和反应产物间 形成过度络合物的自由能。催 化剂的存在正是使自由能减少， 从而使催化反应的速率远远大 于非催化反应。对于复合反应， 催化剂起到定向作用，即加速 主反应，使目的产物收率增加， 改善反应的选择性。 物理吸附：分子引力起作用 化学吸附：化学键力起作用 理想吸附（朗格谬尔模型）： 1.吸附表面能量均匀，吸附位能 量相同； 2.被吸附分子间作用力不计； 3.单层吸附。 真实吸附：催化剂表面不均，分子间作用 力
学习总结
2016.12.7
电化学极化
《反应工程》学习总结
参考资料： 《反应工程》第二版 李绍芬
主要学习：
1.反应动力学基础 2.吸附与脱附
1.反应动力学基础
2.动力学方程
3.温度对反应速率的影响
根据2.2图，曲线为等速曲线，r=0为平衡 曲线，相应的为平衡转化率。随温度升高， 平衡转化率增大。下方为非0等速线，且 r4>r3>r2>r1 可知，温度一定时，反应速 率随着转化率增大而减小。转化率一定时， 反应速率随温度升高而升高。
根据左图，可逆放热反应反应速率随温度 升高即可能增加也可能减小，图中曲线为 等转化率曲线。当温度较低时，反应速率 随温度上升而增加较快，在到达某一极值 时，速率开始随温度上升而下降。极大值 点叫做最佳温度。
对于不同反应速率下的反应，都有一个极大 值点，即转化率最大。对应的温度为最佳温 度。连接所有等速率曲线的转化率最大点构 成的曲线叫最佳温度曲线。 总之不论是可逆还是不可逆反应。反应速率 都是随着转成。
5.1吸附速率与脱附速率
反应工程(总复习)
积分变换为求导
t
知道E(t)，积分后就可以求F(t)的值 知道F(t)，t时刻对应曲线的点P作切线， 直线AP的斜率就是E(t)值
A
P
dF (t ) E (t ) = dt
第五章 停留时间分布与反应器的流动模型
程反应速率
或r为常数，不随空间和时间而改变。需要提醒的是，反应速率
常数计算按反应器内的反应物料组成计算，此组成与出口物料组成相同。
第三章 釜式反应器
空 时
τ越小，说明反应器的处理物料量越大 τ越大，说明反应器的处理物料量越小
连续釜式反应器的串联与并联
对于一级反应，由N个体积和 空时均相等的釜串联，其空 时可以由下式计算：
第三章 釜式反应器
连串反应
跟平行反应一样，只根据一个物料衡算式便可
求定达到一定转化率所需的反应时间，但同样 是确定不了此反应时间时P的浓度和收率。
反应物A的浓度随反应时间的增加而降低 反应产物Q的浓度随反应时间的增加而增加
反应产物P的浓度先随反应时间的增加而增加，
后随着反应时间的增加而降低，存在一最大值 P为目的产物最优反应时间
《反应工程》第二版，李绍芬主编，化学工业出版社
考试题型：
考试时间：
待 定
1
填空题
20分
2
选择题
20分
考试地点： 待 定
3
计算题
60分
第一章 绪论
化学反应工程是化学工程学科的一个分支，通常简称为反应工程，包括反应动力
学和反应器设计与分析。
均相反应：气相、液相和固相 化学反应分类： 非均相反应：气固、气液、液液、液固、固固和气液固。 催化反应和非催化反应
就是每一个反应对整个反应速率的贡献之和
李绍芬主编反应工程知识点
反应工程知识点第1章 绪论1. 反应动力学主要研究化学反应进行的机理和速率。
2. 反应工程一般是按反应物系的相态来分类，将化学反应分为均相反应和多相反应两大类。
3. 根据反应过程是否使用催化剂，将化学反应分为催化反应和非催化反应两大类。
4. 反应进度是指任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比，反应进度永远为正值。
5. 转化率是针对反应物而言的，收率则是对反应产物而言，转化率、收率和选择性三者的关系：Ｙ＝SX 。
6. 化学反应工程的主要研究对象是工业反应器，反应器设计的核心内容是确定反应体积，反应器设计最基本的内容是：①选择合适的反应器型式；②确定最佳的操作条件；③确定反应体积。
7. 工业反应器放大主要方法是逐级经验放大法和数学模型法。
8. 反应器类型可以搞看图填写。
9. 工业反应器有三种操作方式：①间歇操作；②连续操作；③半间歇（或半连续操作）。
第2章 反应动力学基础1.反应速率是指单位时间内单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。
2.以R v v A v R B A →+反应为例，其反应速率的表达式是dtdn V r A A 1-=或dt dn V r B B 1-=或dt dn V r R R 1=，用反应进度表式反应速率的表达式：dtd V r ξ1-=-，其反应物转化量与反应产物生产量之间的关系R B A R B A v v v dn dn dn ::::=。
3.在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率与温度及浓度的关系的关系式叫做速率方程或动力学方程，其数学函数表达式),(T c f r =，以以R v v A v R B A →+不可逆基元反应为例，其速率方程为B A v B v A A c kc r =。
4.k 为反应速率常数，为温度的函数，其关系式为)/exp(RT E A k -=。
5.绝大多数反应都是非基元反应，但是非基元反应可以看成是若干基元反应的综合结果，即反应机理。
李绍芬《反应工程》课后习题答案
李绍芬《反应工程》课后习题答案1 绪 论1.1在银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应：3222CH OH O 2HCHO 2H O +→+ 32222CH OH 3O 2CO 4H O +→+进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇的转化率达72%，甲醛的收率为69.2%。
试计算（1） （1） 反应的选择性；（2） （2） 反应器出口气体的组成。
解：（1）由（1.7）式得反应的选择性为：0.629Y S 0.961196.11%X 0.720====（2）进入反应器的原料气中，甲醇：空气：水蒸气=2：4：1.3（摩尔比），组分 摩尔分率y i0 摩尔数n i0(mol) CH 3OH 2/（2+4+1.3）=0.2740 27.40 空气 4/（2+4+1.3）=0.5479 54.79 水 1.3/（2+4+1.3）=0.1781 17.81 总计 1.000 100.0A P 出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数n A 、n P 和n c 分别为：n A =n A0(1-X A )=7.672 mol n P =n A0Y P =18.96 moln C =n A0(X A -Y P )=0.7672 mol结合上述反应的化学计量式，水（n W ）、氧气（n O ）和氮气（n N ）的摩尔数分别为：n W =n W0+n P +2n C =38.30 mol n O =n O0-1/2n P -3/2n C =0.8788 mol n N =n N0=43.28 mol组分 摩尔数（mol ） 摩尔分率% CH 3OH 7.672 6.983 HCHO 18.96 17.26 H 2O 38.3 34.87 CO 2 0.7672 0.6983 O 2 0.8788 0.7999 N 2 43.28 39.391. 1. 2工业上采用铜锌铝催化剂由一氧化碳和氢合成甲醇，其主副反应如下：23CO 2H CH OH +⇔23222CO 4H (CH )O H O +⇔+ 242CO 3H CH H O +⇔+24924CO 8H C H OH 3H O +⇔+222CO H O CO H +⇔+由于化学平衡的限制，反应过程中一氧化碳不可能全部转化成甲醇，为了提高原料的利用率，生产上采用循环操作，即将反应后的气体冷却，可凝组份变为液体即为粗甲醇，不凝组份如氢气及一氧化碳等部分放空，大部分经循环压缩原料气 Bkg/h 粗甲醇 Akmol/h100kmol 放空气体原料气和冷凝分离后的气体组成如下：（mol ）组分 原料气 冷凝分离后的气体 CO 26.82 15.49 H 2 68.25 69.78 CO 2 1.46 0.82 CH 4 0.55 3.62 N 2 2.92 10.29粗甲醇的组成为CH 3OH 89.15%,(CH 3)2O 3.55%,C 3H 9OH 1.10%,H 2O 6.20%,均为重量百分率。
《反应过程》李绍芬版 第八章多相反应器
第八章 多相反应器
第八章
第一节 气液反应
多相反应器
第二节 气液反应器
第三节 气液固反应 第四节 滴流床反应器 第五节 浆态反应器
第一节
气液反应
气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到的 多相反应，根据使用目的的不同可以分为两大类。 一类是通过气液反应以制备所需的产品；另一类是 通过气液反应净化气体。
第二节 气液反应器
主要类型: 塔式反应器 机械搅拌的釜式反应器
塔式反应器：
填料塔 板式塔
鼓泡塔 喷雾塔
第三节
,就是产物;
采用固体催化剂的气液反应;
三相中,有一相为惰性气体.
第四节
滴流床反应器
一、在逆流接触的气-液反应器或传质分
离设备中，气体从下往上流动。当气体 的流速增大至某一数值，液体被气体阻 拦不能向下流动，愈积愈多，最后从塔 顶溢出，称为液泛。 产生液泛时的气体速度或连续相速 度称为液泛速度；这种操作状态称为液 泛点。在设计设备时，必须使设备的操 作不致发生液泛。
第五节
浆态反应器
机械搅拌釜 环流反应器 鼓泡塔 三相流化床
8.1 纯二氧化碳与氢氧化钠水溶液进行反应,假 定液相上方水蒸汽分压可不计,试按双膜模型绘 出气相及液相中二氧化碳浓度分布的示意图. 解:
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反应工程知识点
第1章 绪论
1. 反应动力学主要研究化学反应进行的机理和速率。
2. 反应工程一般是按反应物系的相态来分类，将化学反应分为均相反应和多相反应两大
类。
3. 根据反应过程是否使用催化剂，将化学反应分为催化反应和非催化反应两大类。
4. 反应进度是指任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比，反应进度永远为正值。
5. 转化率是针对反应物而言的，收率则是对反应产物而言，转化率、收率和选择性三者的
关系：Ｙ＝SX 。
6. 化学反应工程的主要研究对象是工业反应器，反应器设计的核心内容是确定反应体积，
反应器设计最基本的内容是：①选择合适的反应器型式；②确定最佳的操作条件；③确定反应体积。
7. 工业反应器放大主要方法是逐级经验放大法和数学模型法。
8. 反应器类型可以搞看图填写。
9. 工业反应器有三种操作方式：①间歇操作；②连续操作；③半间歇（或半连续操作）。
第2章 反应动力学基础
1.反应速率是指单位时间内单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。
2.以R v v A v R B A →+反应为例，其反应速率的表达式是dt
dn V r A A 1-=或dt dn V r B B 1-=或dt dn V r R R 1=，用反应进度表式反应速率的表达式：dt
d V r ξ1-=-，其反应物转化量与反应产物生产量之间的关系R B A R B A v v v dn dn dn ::::=。
3.在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率与温度及浓度的关系的关系式叫做速率方程或动力学方程，其数学函数表达式),(T c f r =，以以R v v A v R B A →+不可逆基元反应为例，其速率方程为B A v
B v A A c kc r =。
4.k 为反应速率常数，为温度的函数，其关系式为)/exp(RT E A k -=。
5.绝大多数反应都是非基元反应，但是非基元反应可以看成是若干基元反应的综合结果，即反应机理。
6.不论可逆反应还是不可逆反应，反应速率总是随着转化率的升高而降低（降低或升高）；不可逆反应及可逆吸热反应，反应速率总是随着温度的升高而加快（减慢或加快）；至于可逆吸热反应，反应温度按最佳温度曲线操作，反应速率最大。
7.在同一反应物系中同时进行若干个化学反应时，称为复合反应。
8.独立反应是指这些反应中任何一个反应都不可能由其余反应进行线性组合而得到。
9.复合反应包括三个基本反应类型，即并列反应、平行反应和连串反应。
10.当一个反应的反应产物同时又是另一个反应的反应物时，这类反应称为连串反应。
11.固体催化剂系由三部分组成：即主催化剂、助催化剂和载体。
使用载体的主要目的是为了增大表面积。
助催化剂主要作用是提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性。
常用的催化
剂是金属和金属氧化物。
12.吸附是多相催化反应过程必不可少的步骤。
气体在固体表面上的吸附可以分为物理吸附和化学吸附。
13.要从各反应步骤的速率中导出总包速率方程，需要作出一些简化假定。
广泛应用的是定态近似和速率控制步骤这两个假定。
14.速率方程的形式（动力学模型）可分为幂函数动力学模型和双曲线型动力学模型。
15.动力学参数是指速率方程中所包含的参数，由实验数据求动力学参数的方法主要有两种：一种是积分法；另一中是微分法。
16.积分法是将速率方程积分后，再对实验数据进行处理。
而微分法是根据不同实验条件下测定的反应速率，直接由速率方程估计参数值。
17.建立速率方程一般包括下列几个方面的工作：
①设想各种反应机理，导出不同的速率方程；②进行反应动力学实验，测定所需的动力学数据；③根据所得的实验数据对所导出的可能的速率方程进行筛选和参数估值，确定出合适的速率方程。
第3章釜式反应器
1.间歇反应器是分批操作的，其操作时间系两部分组成:一是反应时间，即装料完毕后算起至达到所要求的产品收率时间；二是辅助时间，即装料、卸料及清洗等所需时间之和。
2.半间歇操作和间歇操作的共同点是反应物系的组成均随时间而变，因此必须以时间作自变量。
第4章管式反应器
1.所有流体粒子均以相同速度从进口向出口运动，就像一个活塞一样有序地向前移动，故称之为活塞流。
2.返混是指不同停留时间的流体粒子之间的混合。
3.就整个反应器而言，如符合活塞流假设，则同一时刻进入反应器的流体粒子必定在另一时刻同时离开，即所有流体粒子在反应器内的停留时间相同。
4.活塞流和全混流的根本差别是，前者无返混存在，后则返混程度最大，以致反应物料间不存在浓度差和温度差。
5.对于定态操作的活塞流反应器，反应物系的浓度系随轴向距离而变，与时间无关；而间歇釜式反应器反应物系的浓度则随时间而变，与位置无关。
6．对于正常反应动力学而言，在原料处理量、及组成、反应温度以及最终转化率均相同的情况下，以管式反应器所需反应体积最小，而单釜最大。
多釜串联则介于两者之间，且串联的釜数越多，所需的反应体积最小。
7.如果管式反应器中进行的单一不可逆反应和可逆吸热反应，以生成强度最大为出发点，其最佳操作温度序列应遵循先低后高这一原则；而对于可逆放热反应而言，其最佳操作温度序列是由高温到低温的原则。
第5章停留时间分布与反应器的流动模型
1.两种不同类型的流动反应器—连续釜式反应器和管式反应器。
2.停留时间是指流体以进入系统时算起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，即流体从系统的进口至出口所耗费的时间。
3.F(t)表示停留时间小于t的流体粒子所占的分数，1-F(t)则表示停留时间大于t的流体粒子所占的分数。
E(t)dt表示停留时间在t和t+dt之间的流体粒子所占的分数。
E(t)与F(t)两函数
之间的相互关系是)()(0t F dt t E t
=⎰或dt
t dF t E )()(=。
4.普遍适用的停留时间分布实验测定方法是示踪响应法，通过用示踪剂来跟踪流体在系统内的停留时间。
5. 示踪响应法根据示踪剂加入方式的不同，又可分为脉冲法、阶跃法及周期输入法三种。
6.脉冲法的实质就是在极短的时间内、在系统入口处向流进系统的流体加入一定量的示踪剂，立刻检测系统出口处流体中示踪剂浓度c(t)随时间的变化。
由实验数据直接求出)(t E 或停留时间概率密度函数。
7.升阶法（阶跃法）的实质是将系统中作定常态流动的流体切换为流量相同的含有示踪剂的流体，其出口流体中示踪剂浓度从无到有，其浓度随时间而单调地递增，最终达到与输入的示踪剂浓度c (∞)相等。
由升阶法实验数据直接求出停留时间分布函数或)(t F 。
8.理想反应器是指能以活塞流或全混流来描述其流通状况的反应器。
9.活塞流反应器停留时间分布的无因次方差2
θσ为零，表明所有的流体粒子在反应器的停留时间相同。
返混程度达到最大时，全混流停留时间分布的无因次方差2θσ为1。
10.实际流体偏离理想流动状况的主要的原因有哪些？
答：⑴滞留区的存在或称死区的存在；⑵存在沟流与短路；⑶循环流；⑷流体流速分布的不均匀；⑸扩散。
对于一个流动系统可能全部存在，也可能只存在其中几种。
第6章 多相系统中的化学反应与传递现象
1.孔容是指单位质量催化剂颗粒所具有的孔体积，常以g cm 3
为单位。
2.床层的空隙率是对一堆颗粒而言的，其意义为颗粒间的空隙体积与床层体积之比，即颗粒间的空隙体积占床层体积的分率；孔率则是对单一颗粒而言，是颗粒内部的孔体积占颗粒体积的分率。
3.受扩散的影响，反应物A 组分在流体主体AG c 、催化剂外表面AS c 、催化剂颗粒中心反应物的浓度AC c 及平衡浓度Ae c 大小排序正确的是：AG c ＞AS c ＞AC c ＞Ae c 。
4. 第7章 多相系统中的化学反应与传递现象
1.根据固体催化剂是处于静止状态还是运动状态，反应器又可分为两大类，属于静止状态的由固定床反应器和滴流床反应器，催化剂处于运动状态的由流化床反应器、移动床反应器和浆态反应器等。
2.对固定床床层压力降影响最大的是床层的空隙率和流体的流速，两者稍有增加，都可使压力降产生较大的变化。
3.固体催化反应器可以分为两大类：一类是反应过程中催化剂床与外届没有热量交换，叫绝热反应器；另一类则与外界有热量交换，称为换热式反应器。
4.多段绝热反应器是指多次在绝热条件下进行反应，反应一次之后经过换热以满足所需温度条件，再进行下一次的绝热反应。
每反应一次，称为一段，一个反应器可做成一段，也可以
将数段合并在一起组成一个多段反应器。
5．多段绝热反应器，按段间换热方式的不同，可分为三类：①间歇换热式；②原料气冷激式；③非原料气冷激式。
后两类又总称为直接换热式。
6.实验室中用以进行动力学研究的催化反应器主要有下列几种类型，而且都属于固定床反应器：①积分反应器；②微分反应器；③外循环反应器；④内循环反应器。