反应工程总结

第一章绪论1、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。其内容可概括为两个方面，即反应动力学和反应器设计与分析。2、传递现象包括动量、热量和质量传递，再加上化学反应，这就是通常所说的三传一反。3、反应组分的反应量与其化学计量系数之比的值为定值，ξ叫做反应进度且恒为正值。、本书规定反应物的化学计量系数一律取负值，而反应产物则取正值。8、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9、反应器设计的基本内容一般包括：1）选择合适的反应型式；2）确定最佳操作条件；3）根据操作负荷和规定的转化程度，确定反应器的体积和尺寸。10.反应器按结构原理的特点可分的类型：管式，釜式，塔式，固定床，流化床，移动床，滴流床反应器。第二章3、温度对反应速率的影响如果反应速率方程可以表示为：r=f1(T)f2(c)，f1(T)是温度的影响。当温度一定时，其值一定。通常用阿累尼乌斯方程（Arrhenius‘law）表示反应速度常数与温度的关系，即，为指前因子，其因次与k相同；E为反应的活化能；R为气体常数。两边取对数，则有：lnk=lnA0－E/RT，lnk对1/T作图，可得－直线，直线的斜率=－E/RT。注意：不是在所有的温度范围内上面均为直线关系，不能外推。其原因包括：(1)速率方程不合适；(2)反应过程中反应机理发生变化；(3)传质的影响；(4)指前因子A0与温度有关。速率极大点处有：对应于极大点的温度叫做最佳温度Top。速率为零点处有:rA=06、多相催化与吸附1）、催化剂的用途：①加快反应速度②定向作用(提高选择性)－化学吸附作用结果2）、催化剂的组成：主催化剂－金属或金属氧化物，用于提供反应所需的活性中心。助催化剂－提高活性，选择性和稳定性。助催化剂可以是①结构性的；②调变性的。载体－用于①增大接触表面积；②改善物理性能。如机械强度、导热性质、抗毒能力等。3、多相催化反应是由吸附，表面反应，和脱附等步骤组成。理想吸附－Langemiur模型，假设①吸附表面在能量上是均匀的；②被吸附分子间的作用力可略去不计；③单层吸附。朗格缪尔模型4、吸附分为物理吸附和化学吸附，化学吸附在高温下进行，因为高温下物理吸附非常微弱，化学吸附占优势，所以化学吸附对催化反应有贡献。5、、速率控制步骤假设：在构成反应机理的各个基元反应中，如果有一个基元反应慢得多，则它就构成整个反应的速率控制步骤，它的速率即代表反应的速率。6、定常近似假设：若反应过程达到定态，则中间化合物的浓度就不随时间而变化，在整个反应中维持恒定，即dCi/dt=0。（若达到定态，则串联进行的各反应步骤速度相等）7、建立速率方程的步骤：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，测定所需要的动力学数据；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计，确定合适的速率方程。第三章釜式反应器1、间歇反应器特点1）分批装料和卸料；2）适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产；3）整个操作时间=反应时间+辅助时间（装料+卸料+清洗）；4）设计间歇反应器的关键是确定每批所需时间，反应时间确定最为重要，辅助时间根据经验估计。]间歇釜式反应器：各参数随时间变化，一次装卸料；连续釜式反应器：基本在定态下操作，有进有出。连续釜式反应器的特点：1）反应器的参数不随时间变化;2）不存在时间自变量，也没有空间自变量;3）多用于液相反应，恒容操作;4）出口处的C,T=反应器内的C,T6、连续釜式反应器的串联与并联对于正常动力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使用单釜有利，如使用多釜，采用并联的方式。rα对于?级反应，釜排列最优；α=1，釜体积相等时最优；A?kCA，得到的结论为：α>1，从小釜→大釜排列最优；0<α<1，从大釜→小α=0，rA与CA无关,多釜串联没有必要；α<0，单釜优于多釜串联。（1）若?1>?2、?1>?2，此时A、B的浓度越高，选择性越大。属于XA↑时，S↓的情形。结论：间歇釜优于多个连续釜串联（如果体积不等，从小到大排列）优于单一连续釜操作。这是因为间歇釜中CA和CB高于多釜串联高于单釜连续操作，因此有利于反应选择性提高。(2)若?1<?2、?1<?2，此时A、B的浓度越低，选择性越大。属于XA↑时，S↑的情况。结论：单釜连续操作优于多釜串联（如果体积不等，从大到小排列）优于间歇釜。这是因为单釜连续操作时CA和CB低于多釜串联低于单釜连续操作，因此有利于反应选择性提高。(3)若?1>?2、?1<?2，此时CA↑，CB↓，选择性越大。结论：可选择A一次性加入，B流加。（4）不同操作方式的釜式反应器，相同的最终转化率下最终收率大小次序如下：间歇釜大于多个连续釜串联大于单一连续釜（5）串联操作的连续釜效果要优于空时相同的单个连续釜，且串联釜数越多，效果越佳。但对于反常动力学则情况相反。串联的各釜反应体积之间存在最佳比例，对于一级反应以各釜反应体积相等为最好。并联操作的连续釜保持各釜空时相同，效果最好。第四章管式反应器（理想流动模型：活塞流和全混流）1、活塞流：假定其径向流速分布均匀，即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的向前移动。2、另外还假定在垂直于流体流动方向的任何横截面上，浓度、温度均匀，即径向混合均匀，并假设在流体流动方向即轴向上不存在流体的混合，这种混合叫做轴向混合，又称逆向混合，简称返混。3、假定反应区内反应物料浓度均一正是另一种流动模型的必然结果，这种流动模型叫做完全混合流模型，简称全混流模型。4、对多相催化反应，如果两相间的传质和传热的速率很大，则两者的浓度及温度的差异将很小，可忽略，此时动力学表征上与均相反应相同。此简化模型称为拟均相模型.5.循环反应器:对于很多反应过程，如合成氨、合成甲醇等过程，由于化学平衡的限制，单程转化率并不高，为了提高原料的利用率，将出口（含有大量的反应物）的物料进行循环。第五章停留时间分布与反应器流动模型1、寿命分布和年龄分布区别在于：前者指反应器出口流出流体的年龄分布，而后者是反应器中流体的年龄分布。2、停留时间分布函数定义：停留时间小于某一时刻的流体在总流体中所占的分率，可表示为：3、停留时间分布的实验测定，常见的示踪响应法包括：脉冲、阶跃和周期输入法等。4、选择示踪剂时，应该注意保证以下几点原则：1）不与研究的流体发生化学反应；2）易溶于流体中；3）其浓度低时容易检测；4）其浓度与待检测的物理量成线性关系；5）对于多相系统，示踪剂不发生从一个相到另一个相的转移。5、数学期望：代表均值（统计量的平均值），这里是平均停留时间。方差：代表统计量的分散程度，这里是停留时间对均值的偏离程度。6、非理想流动模型有：(1)离析流模型;(2)多釜串模型;(3)扩散模型。7、完全离析：流体粒子之间不发生混合，这种状态称为完全离析；相应的流体称为宏观流体。微观混合：流体粒子之间发生混合，且混合是分子尺度的，则这种混合成为微观混合；相应的流体称为微观流体。8、轴向扩散模型假定：1）流体以恒定的流速通过系统；2）在垂直与流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一，即径向混合达到最大；3）由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理二产生的扩散，仅发生在流动方向，并以轴向扩散系数Da表示这些因素的综合作用，且用费克定律加以描述。11、离析流模型：假设反应器内的流体粒子之间不发生微观混合，那么流体粒子就像一个有边界的个体，从反应器的进口向出口运动，这样的流动叫做离析流。第六章多相系统中的化学反应与传递现象1、固体催化剂的宏观结构及性质①多孔结构：即颗粒内部是由许许多多形态不规则互相连通的孔道组成，形成了几何形状复杂的网络结构。②孔的大小对比表面积Sg有影响，孔的大小存在一个分布，可以用压汞仪来测定孔的大小。孔容用Vg表示（cm3／g）Sg的单位为m2／g。2、气固相催化反应的7个步骤、3个过程：1）、反应物由气流主体扩散到催化剂外表面；2）、反应物由催化剂外表面扩散到内表面；3）、反应物在催化剂表面活性中心上吸附；4）、吸附在活性中心的反应物进行化学反应；5）、产物在催化剂表面活性中心上脱附；6）、产物由催化剂内表面扩散到外表面；7）、产物由催化剂外表面扩散到气流主体。（1,7为外扩散过程，2,6为内扩散过程，3,4,5为化学动力学过程）3、自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。大量分子自由程的平均值称为平均自由程。第七章多相催化反应器的设计与分析1、静止状态：固定床反应器，滴流床反应器。运动状态：流化床反应器，移动床反应器，浆状反应器。2、同一横截面上空隙率是不均匀的，在距离壁面上约1~2倍粒直径处最大，床中心最小称为壁效应。空隙率的不均匀会使流速分布不均匀，为减少壁面的影响，可增加床径和粒径的比，一般要求比值要大于8。应3、进行放热反应时,床层内存在一个温度最高点,称为热点,而进行吸热反应时,床层内存在一个温度最低点,称为冷点.4、单段绝热反应器适用于下列场合：1)热效应较小的反应，2）温度对目的产物收率影响不大的反应，3）虽然反应热效应大，但单程转化率低的反应或者有大量惰性物料存在，使反应过程中温升小的反应。5、多段绝热固定床反应器：间接换热式，原料器冷激式，非原料器冷激式。第八章多相反应器1、气液反应器主要有两类：塔式反应器、机械搅拌式反应器。塔式又可分为填料塔、板式塔、鼓泡塔及喷雾塔四种。2、同时存在气、液、固三种不同相态的反应过程，称之为气液固反应。气固相催化反应器主要有两种：滴流床反应器和浆态反应器。3、K粒内部的扩散阻力以及化学阻力。0G的倒数为过程阻力，它包括：气液相界面的气侧及液侧阻力，液固相界面的液侧阻力，催化剂颗第九章生化反应工程基础1、生化工程全称是生物化学工程是为生物技术服务的化学工程。它是利用化学工程原理和方法对实验室所取得的生物技术成果加以开发，使之成为生物反应过程的一门学科，是生物化学与工程学相互渗透所形成的一门新学科。2、现代生物技术包括：基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，其中基因工程处于主导地位。生物催化剂可概括为两大类：（1）游离酶或固定化酶；（2）游离细胞或固定化细胞。3、一般的生化过程可概括为三大部分：（1）原料的处理；（2）生物催化剂制备及生化反应；（3）产品的分离与纯化。4生化反应过程的特点：（1）使用的生物催化剂，除单酶体系外，一般微生物细胞的多酶体系复杂，细胞的种类繁多，形态和生理特点差异大。（2）生化反应具有反应条件缓和、催化专一性强和反应选择性高的特点；（3）生化反应物系比较复杂，即便是游离的微生物细胞发酵，也常为气-液-固多相系统；（4）生物催化剂易受环境和杂菌污染的影响，甚至失活；（5）虽然酶催化效率远高于化学催化，但生化反应速率往往受到底物和产物浓度的限制，常需在低浓度下操作，且又在常温和常压下反应，反应速率低，停留时间长，所需反应器体积较大。5、酶是由活细胞产生的具有催化活性和高度选择性的特殊蛋白质。化学催化相比较，酶催化有以下特点：（1）酶催化效率高，通常比非酶催化高107~1013倍；（2）酶催化反应具有高度的专一性，它包括酶对反应的专一性和酶对底物的专一性；（3）酶催化反应的反应条件温和，无需高温高压，通常在常温常压下进行；（4）酶催化反应有其适宜的温度、pH值、溶剂的介电常数和离子强度。影响酶催化反应速率的因素很多，分别是酶浓度、底物浓度、产物浓度、温度、酸碱度、离子强度和抑制剂。6、酶催化反应中，某些物质的存在使得反应速率下降，这些物质称为抑制剂，其效应称为抑制作用。抑制作用分为两大类：可逆抑制与不可逆抑制。可逆抑制又可分为三类：竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制。7、酶和细胞的固定化（1）吸附法（2）包埋法：①凝胶包埋法②微胶囊包埋法③纤维包埋法（3）共价结合法（4）交联法第十章聚合反应工程基础1、