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： 

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。

3、对于反应，反应物A的消耗速率表达式为；反应产物C的生成速率表达式为： 

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，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%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。

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：，总的物质的量跟膨胀因子关系为

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。

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、Ｎ个平推流反应器串联操作，其总体积ＶＲ与一个具体体积为ＶＲ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）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）：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

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、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。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；④利用所列平衡式与，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、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。

14、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、物理中毒和化学中毒。

15、工业上处理失活问题的方法：（1）改进催化剂；（2）采用“中期活性”或安全系数设计反应器；（3）严格控制操作条件；（4）优化操作，以弥补失活造成的生产能力下降。

第5章 气固相催化反应宏观动力学

1、催化剂颗粒内气体扩散类型有分子扩散（容积扩散）、克努森扩散、和综合扩散。

2、对于一个连续稳定的外扩散过程，反应组分A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。

3、坦克莱数的物理意义为化学反应速率与外扩散速率之比。

4、西勒模数实质上是以颗粒催化剂体积为基准，最大反应速率与最大内扩散速率比值。西勒模数反映反应速率、内扩散速率对过程的影响程度的参数。

5、西勒模数值越小，说明扩散速率相对与反应速率越大，宏观反应速率受扩散的影响越小，过程属反应动力学控制。

6、催化剂失活原因包括结构变化、物理中毒和化学中毒。

7、处理催化剂失活的方法：改进催化剂；采用合理的安全系数设计反应器、严格控制操作条件；优化操作条件。

8、有效因子物理意义

第6章 气固相催化反应固定床反应器

1、体积当量直径（dv）：与颗粒具有相同体积的球体的直径称为该颗粒的体积当量直径。

2、比表面当量直径：与颗粒具有相同比表面积的球体的直径称为比表面积当量直径。

3、对于热效应大的反应过程，传热和控温是固定床技术的难点和关键所在。

4、固定床反应器的特点：

（1）催化剂不易磨损而且可长期使用；

（2）床层内流体接推流，生产能力较强；

（3）停留时间可以控制、温度分布可适当调节，有利于达到高的转化率和高的选择性；

（4）传热较差，催化剂载体又往往是导热不良物质，而化学反应常伴有热效应，反应速率对温度的敏感性强；

（5）更换催化剂时必须停止生产。

5、流化床反应器的特点是：

（1）颗粒剧烈搅动和混合，整个床层处于等温状态，可在最佳温度点操作；

（2）传热强度高，适于强吸热或放热反应过程；

 (3)颗粒比较细小，有效系数高，可减少催化剂用量；

（4）压降恒定，不易受异物堵塞；

（5）返混较严重，不适于高转化率过程；

（6）为避免沟流、偏流等，对设备精度要求较高。

7、根据气体冷却或加热方式不同，多段绝热式反应器可分为中间间接换热式和冷激式等类型。

8、多段绝热式反应器是筒体内放置几次搁板，搁板上放置催化剂，层与层之间设置气体的冷却（或加热）装置。

9、在设计固定床反应器时应做到尽可能大的生产强度，即单位床层的生产能力大；气体通过床层的阻力小，结构简单，操作稳定性好，运行可靠，维修方便。

第7章   气固相催化反应流化床反应器

1、当流体自下而上通过堆积有固体颗粒的床层时，床层内颗粒必将受到流体对颗粒的浮力、流动的流体对颗粒产生的曳力以及颗粒自身重力的影响。当颗粒受到的升力（浮力和曳力之和）小于颗粒自身重量时，颗粒在床层内静止不动，流体有颗粒之间的空隙通过，此时床层称为固定床。

2、随着流体流量的增加，颗粒受到的曳力也随着增加。若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。

3、当流速进一步增大，颗粒受到的升力大于自身重量时，颗粒将随流体一起运动而被带出床层。这种状态称为移动床。

4、随着流体流量的加大，床层内的空隙率增大，颗粒之间间距加大，而颗粒在床层中分布均匀，流体基本上以平推流形式通过床层，这种流化形式称为散式流态化。

5、当流体通过固体床层的空塔速度值高于初始流化速度但低于逸出速度时，颗粒在气流作用下悬浮于床层中，所形成的流固混合物称为浓相段

6、在浓相段上升的气泡在界面上破裂，气泡内颗粒以及受气泡夹带的乳化相中颗粒将被抛向浓相段上方空间。这段空间称为稀相段或称分

7 流态化的不正常现象：沟流和节流(沸腾)

8、简述流化床反应器的特点

（1）流化床使用固体催化剂颗粒直径小于固定床反应器选用的颗粒直径，传质效果好，对反应也有利；

（2）催化剂内扩散影响可被忽略，流体流速较快，外扩散也可不考虑。宏观动力学方程和本征动力学方程相同。

（3）流体通过床层时基本上可视为平推流，催化剂颗粒在床层内运动接近全混流。

（4）颗粒在床层内运动激烈，故要求颗粒有足够强度。颗粒在床内被气流带出损失较大，对使用昂贵催化剂的过程是不利的。

9、节涌（腾涌）：在流化床的内径较小而床高于床径比较大时，气泡在上升过程中因聚并而增大，气泡有可能占据整个床层截面，气流将床层一节节地往上做柱塞式推动，在上升到某一位置而崩落，流化床的正常操作被破坏。这种情况称节涌（或称腾涌）。

10、逸出速度：当气体在反应器内实际气速与空塔速度相同，床内已无固体颗粒时，此时的速度称逸出速度。

11、流化床的热量传递过程大体可分为：固体颗粒之间的热量传递、气体与固体之间的热量传递；床层与床壁（包括换热器）之间的热量传递。流化床内的热传递问题实际上是床层与器壁（及换热器壁）之间的热交换速率问题。

第8章   气液相反应过程与反应器

1、气液相反应过程是指气相中的组分必须进入到液相中才能进行反应的过程。

2、气液相反应的步骤：

（1）气相中反应组分由气相主体透过气膜扩散到气液界面

（2）该组分进入液相后通过液膜扩散到液相主体

（3）进入液相的该组分与液相中反应组分进行反应生成产物

（4）产物由液相主体透过液膜扩散到气液界面

（5）产物从气液界面透过气膜扩散到气相主体

3、对于气液相反应来说，慢反应是指化学反应将在液相主体内发生的，而快反应过程是指反应仅发生在液膜区。

4、气液反应器常见用的反应器有填料塔、喷淋塔、板式塔、鼓泡塔和搅拌反应器，其中适用于生成固体的反应过程为喷淋塔，填料塔适用于瞬时反应及快速反应过程，鼓泡塔适用于主体相也参与反应的中速及慢速反应过程。

第9章   反应器的热稳定性和参数灵敏性

1、简述催化反应器发生事故的可能的原因

（1）机械制造上的缺陷；（2）催化剂再生时温度过高超过额定值；（3）再生时催化剂破碎；（4）有危险的反应；（5）过程控制问题；

2、参数的灵敏性：是指当反应器系统一个参数的微小变化引起其他参数有重大变化时，这种现象称为参数的灵敏性。

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