高等反应工程化读书报告

高等反应工程读书报告——第一章定量表征通过阅读第一章的内容，了解到本章内容主要介绍化学反应体系的三个特征以及进行工程分析的方法，为之后学习的做了铺垫和基础。认真阅读学习第一章的内容后，我将其主要内容通过自己的理解和归纳为以下部分。本节主要阐述了在实际工业反应工过程中化学工程师应该如何把握研究体系的基本特征以设计出科学合理的反应器形式，结构尺寸等方案，满足安全高效低耗的目标。反应体系三类主要特征：1)化学计量学——主要是研究反应的类型（简单或是复杂反应）、反应之间的相互关系（并联或串联）、每一反应中各组分变化量的关系。2)化学热力学——研究反应过程中的能量转化（主要为热效应，吸热或放热，反应热大小等）和反应体系的平衡性质（化学平衡和相平衡，平衡的移动）。3)反应动力学——研究反应进行的速率以及各因素（温度、浓度等）对速率的影响。1.1反应体系的化学计量学分析在化学反应工程中，反应物系中各组分量的变化必定服从一定的化学计量关系。对只存在单一反应的体系，化学计量分析可直接应用倍比定律；对存在多个反应的体系，须借助以线性代数为基础的方法。1.1.1化学计量方程主要概念：1）计量方程：表示化学反应过程中各组分消耗或生成量之间的比例关系。2）化学计量方程通式：10niiiA*质量衡算原理：反应物消耗的量=产物生成的量3）含多个反应时：用矩阵表示4）独立反应：在m个同时发生的反应中，若每一个反应的计量方程都不能由其他反应计量方程的线性组合得到，则称这m个反应时相互独立的。5）独立反应数：在一个反应体系中，互相独立的反应的最大个数称为该反应体系的独立反应数。6）独立反应数的求解方法：1.化学计量系数矩阵法：适用于根据化学知识能够写出各反应组分间可能存在的反应的化学计量式，即化学计量系数矩阵已知的情况。2.原子矩阵法：适用于反应体系中反应未知或是化学计量方程未知的场合。*原子矩阵法的理论基础：在反应过程中，虽然各元素的原子可以重新组合，但每一种元素的原子数目在反应前后是不变的。1.2反应体系的化学平衡分析反应体系的热力学分析主要包括两方面：1）化学反应过程中的能量转换。主要为化学能和热能的相互转化，即反应的热效应；2）化学平衡分析。主要为热平衡分析。1.3化学平衡分析的意义1）借助化学平衡分析判断反应机理。*化学平衡是可逆反应的极限状态，因此在可以反应中产物浓度不可能超过其平衡浓度，据此可以判别实际反应过程中可逆反应进行的方向。2）判别反应过程的控制因素是动力学还是热力学。3）对某些快速反应体系，以化学平衡状态作为反应器出口状态可满足过程计算精度要求。4）分析体系平衡转化率和达到化学平衡时产物分布与反应条件（温度、压力、组成）之间的关系，可以为确定反应器的结构形式和工艺条件提供依据。1.2.2单一反应体系的化学平衡分析重要公式：(1)lnGRTk自由能计算公式(2)dCDabcyAByyKyy平衡常数表达式（3）2dlndKHTRTVan’tHoff微分方程1.2.3复杂反应体系的化学平衡计算1.平衡常数法首先通过化学计量学确定一组独立反应和相关的关键组分，然后利用体系的终态是化学平衡确定反应亮和体系的化学平衡组成。2.自由能最小法当独立反应数目很大时，宜用自由能最小法。1.3反应动力学及其数学描述反应动力学研究任务：化学反应的速率和温度、浓度等因素对反应速率的影响。化学反应体系的两个重要动力学特征：反应速率和选择性。1.3.2表面催化反应动力学方程双曲线方程：是表面催化反应方程的特征。注意：推导双曲线方程的四点基本假定。双曲线动力学方程的一般形式：1.4反应动力学的实验研究方法*目前，实验研究是认识反应工程动力学特征的主要途径。1.4.1反应动力学实验研究的决策（1）建立反应动力学模型的主要困难点：①测量误差影响。②流动、传热、传质等传递过程的干扰。③实验结果的代表性问题。（2）建立反应动力学模型的思考：①有无可能建立一类具有实际应用价值的反应动力学模型。②分析过程的控制因素是动力学因素、还是热力学因素或传递因素。③有无可能通过实验找到放大判据。1.4.2反应动力学实验结果的表达方式按照对反应动力学规律认识程度的差异，反应动力学模型可分为以下三类：1.机理的动力学模型机理的动力学研究即根据测定的动力学数据和物理化学的观察研究，来确定完成整个反应过程的一系列简单步骤——基元反应及其速率控制步骤。在如此确定的反应机理的基础上建立的动力学模型称为机理的动力学模型。2.半经验的动力学模型根据有关反应系统的化学知识，假定一系列化学反应，写出其化学计量方程。这类模型具有一定的外推能力，是工业反应过程开发中最常用的一种动力学模型。3.经验的动力学模型根据在和工业反应器结构相似的模试反应器中进行的反应条件对反应结果影响的研究，加所得结果用简单的代数方程或图表表达，用于指导工业反应器的设计。1.4.3实验反应器在选择实验反应器是通常需要考虑6点因素。（书P22）注意：积分反应器和微分反应器的差别仅仅在方法论的意义上，而不意味着两者在结构上一定有什么原则的区别。1.积分反应器常用的积分反应器：间歇搅拌釜式反应器和连续流动管式反应器。连续流动反应器指经过反应器后反应物系的组成发生了显著的变化。通常在等温条件下进行操作。2.微分反应器实验室微分反应器通常为连续流动管式反应器。微分反应器指反应器中浓度差和温度差足够小，在允许视作反应器内只存在单一浓度和单一温度的条件下，测定反应速率与浓度的关系。微分反应器内各处反应速率近似相等，即：0VAAAfRqrCCV（1-45）式中，Ar是浓度为02AAfCC时的反应速率。3.无梯度循环反应器（1）外循环反应器：配料用的产物若直接由反应器出口返回的微分反应器即外循环反应器。优点：外循环反应器综合了积分反应器和微分反应器的优点，能直接获得单一浓度、单一温度反应速率。缺点：使反应器达到定常态操作状态所需时间较长；对循环泵的要求严苛等。（2）内循环反应器：在各种搅拌装置的驱动下，反应物料在反应器内部高速循环流动，使反应器内达到浓度和温度的均一。*克服了外循环反应器的缺点。4.脉冲反应器是一种特殊的微分反应器，催化剂的装量通常仅为0.01~1g，所以只要反应热效应不太大就易做到的等温操作。5.瞬态响应反应器瞬态响应反应器是通过对定态连续流动反应器施加一扰动（最常用的是浓度干扰），观察达到的新的定态过程中发芽的行为来提供有助于阐明反应机理和各基元反应步骤速率的信息。1.4.4.实验的规划和设计(1)实验设计的内容应该包括：反应动力学研究方法的选择，即采用机理的、半经验的还是经验的动力学模型；实验反应器型式的选择；实验操作条件的范围和实验布点的确定；实验精度要求的分析以及实验数据处理方法的选择。(2)动力学实验研究一般应区分为预实验和系统实验。*预实验是对实验有一个定性的全面的认识；在系统实验阶段常用的实验布点方法是正交设计。1.4.5.实验数据处理步骤（1）模型筛选：从以下三方面入手——模型应能反映反应结果的变化规律——通过参数估计得到的模型参数应具有物理意义——模型对实验数据的符合程度（2）实验数据拟合可用积分法和微分法拟合。（3）模型的显著性检验常用的统计检验方法有方差分析和残差分析。残差平方和与误差平方和之差反映了模型的欠缺，称为欠缺平方和。适用的模型应符合：(欠缺平方和/误差平方和)＜F