期末复习提纲(1)

期末复习提纲
反应器选型 1、
均相反应器的选型（管式反应器、釜式反应器的应用、特点、
结构、选型依据） 2、
非均相反应器的选型（气固相催化反应器：固定床反应器、流
化床反应器的应用、特点、结构、选型依据） 反应器的设计及优化 动力学基础 1、
基本概念
宏观动力学、本征动力学、化学动力学方程、均相反应、单一反应、复杂反应、基元反应、非基元反应、转化率、反应分子数、反应级数、反应活化能、催化作用的定义、催化剂的特征、组成及功能 2、
均相反应动力学
单一反应的动力学方程 反应速率的定义：
化学反应速率是单位时间，单位反应体积内反应物的消耗量或产物的生成量。

R
S B A R S B A αααα+=+
)
)((单位时间单位体积的摩尔数）
（由于反应而消耗的A Vdt dn r A
A =-
=-
dt
dn V
r A A 1-
=-
dt
dn V
r B B 1-
=-
dt
dn V
r S S 1=
dt
dn V
r R R 1=
各反应速率间的关系：
R
R
S S
B
B
A
A
r r r r αααα=
=
-=
- 当V 恒定时，
i
i
dC V
dn =
dt
dC r A
A -
=-
dt
dC r B B -
=-
dt
dC r S S =
R r =
dt
dC R
即以各组分的摩尔浓度的变化速率来表示反应速率，上式仅适用于分批式操作。

对连续操作（开放系统）
恒温恒容条件下 零级、一级、二级不可逆反应的动力学计算 （公式、特点）
A →产物（零级）
k
dt dC
A
=- A
A C C kt
-=0
A →产物（一级） A
A
kC dt
dC =-
⎪⎪⎭⎫
⎝⎛-==A A A x
C C kt 11
ln ln
2A → 产物（二级） 2
A
A
kC
dt
dC =-
)
1(11100
A
A A A A
X
X
C C C kt -=
-
=
A+B →产物（0
0B A C C =） B
A
A
C
kC dt
dC =-
A+B →产物（0
B A
C C ≠）
)
11ln(
1ln
10
00
00
0A
B A B B A A B A B x x
C C C C C C C C kt ---=
-=
恒温变容条件下：
i i R
dF r dV ±=±
膨胀因子的定义及涵义
恒温变容条件下0级、1级反应的动力学计算。

复杂反应的动力学方程
掌握可逆反应、平行反应、连串反应的动力学方程的表达 可逆反应：
A R
（一级反应）
12A A A R
dC r k C k C dt
-=-
=-
A P −−→ （主） A S
−−→ （副）
假设其均为一级不可逆反应，其微分速率方程：
A
A C k r 11
,=- （主） A
A C k r
22
,=- （副）
反应物A 的总反应速率A r -为：
A
A A A
C k k r r r )()(212,1,+=-+-=-
,11()P P
A A dC r r k C dt
==-= 2S S
A
dC r
k C dt
=
=
A
P
S （均为一级反应）k 1
k 2
A
A
A C k dt
dC r 1=-
=-
P
A P P C k C k dt dC r 21-==
P
S S C k dt
dC r 2==
3、
非均相反应动力学
气固催化反应过程的一般步骤及控制步骤
兰格缪尔吸附模型及吸附等温方程（单组分不解离吸附、两组分不解离吸附）
练 习
填空、判断与选择
1、反应时间与初始浓度无关的是____级反应。

2、对反应级数大于1的反应，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间增加。

3、对于反应级数小于1的反应，初始浓度提高时要达到同样转化率，反应时间减少。

4、反应级数n ≥l 的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。

高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。

5、有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述的称为______反应。

6、所谓双分子反应是针对基元反应而言的。

7、对非基元反应，反应级数等于化学反应式的计量系数。

8、反应级数只反映反应速率对______的敏感程度。

级数越高，_______对反应速率的影响越大。

9、活化能只表明反应速率对________的敏感程度。

活化能越大，________对反应速率的影响越大。

10、反应A + B → C ，已知1
15.0-=s
k
，则反应级数n=_______。

1A A A
A A
K p K p θ=
+
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3 11、反应3A → P ，已知s l mol k
⋅=/15.0，则反应级数
n=_______。

A. 0
B. 1
C. 2
D. 3 12、下列属于均相反应的是_______。

A. 催化重整
B. 催化裂解
C. HCl 与NaOH 的中和
D. 水泥制造
13、下列属于非均相反应的是_______。

A. 乙酸乙酯水解
B. 氢气燃烧
C. HCl 与NaOH 的中和
D. 催化裂解
14、对于一非恒容均相化学反应αA A αB B
，反应组分A 的化学
反应速率=-A
r _______。

A. Vdt
dn r A A -
=- B. Vdt
dn r B A -
=- C.
dt
dC r A
A -
=-
D.
dt
dC r B A -
=-
15、对于一非恒容均相化学反应αA A αB B
，反应产物B 的化学
反应速率=B
r _______。

A. Vdt
dn
r A
B =
B.
Vdt
dn r B B =
C.
dt
dC r A
B =
D.
dt
dC r B
B =
理解下列术语：
1. 间歇操作、半间歇操作、连续操作、化学反应速率、化学动力学方程、均相反应、单一反应、复杂反应、基元反应、单分子反应、反
应级数
2. 按照结构原理特点，化学反应器可分为哪些类型？
3. 化学反应器有哪三种操作方式？各有什么特点？
4. 对于多组分单一反应系统，各组分的反应速率存在怎样的关系
5. 如何理解反应级数和活化能与反应速率的关系？
6. 恒温恒容均相0级、1级、2级不可逆反应的积分式的应用
7. 如何判断一级反应？
8. 复杂反应有哪些类型？
9. 复杂反应中某一组分的生成速率如何表达？ 流动模型部分 1、 基本概念 停留时间、返混 2、 理想流动模型 理想置换流动模型的特点 理想混合流动模型的特点
3、 理想反应器的停留时间分布及其性质（不要求）
脉冲法：反应器中的流体流动达到定态后，在极短的时间内将示踪物注入进料中（或者将示踪物在瞬间代替原来不含示踪物的进料，然后又马上恢复原来的进料），然后分析出口物料中示踪物浓度随时间的变化，从而确定停留时间分布。

()()
V E t c t Q
=
()Q V
c t dt
∞
=⎰
阶跃法: 反应器中流体流动达到定态后，自某一瞬间起连续加入示踪物（或全部切换为只含示踪物的进料），然后检测出口物料中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。

过程实质：输入浓度从一个稳态到另一个稳态的阶梯变化。

数学期望：停留时间的数学期望就是物料在反应器中的平均停留时间。

方差：方差是停留时间分布分散程度的量度。

理想置换和理想混合的方差？ 4、非理想流动
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因 降低返混程度的措施
()
()()c t E t c t dt
∞
=
⎰0
()()()()
c t c t F t c c =
=∞0
()()()tE t dt
t tE t dt
E t dt
∞
∞
∞
=
=
⎰⎰⎰
()()tE t t t E t t
∆=∆∑∑2
22
22
()()()()()()t
t t E t dt
t t E t dt t E t dt t
E t dt
σ
∞
∞∞
∞
-=
=
-=
-⎰⎰⎰⎰ 2
2
2
()()t
t E t t t E t t
σ
∆=
-∆∑∑
练习： 填空与判断：
1、 理想流动模型分为两种类型，即________和_________
2、 返混专指________进入反应器的物料之间的混合
3、 说明下列反应器中的返混情况：
间歇反应器中返混为_____, 理想置换反应器返混为_______ 4、 理想混合反应器返混为____, 非理想流动反应器返混为_____ 5、 返混带来的最大影响是_____________________________ 6、 返混对反应来说是有害的，必须采取各种措施进行抑制。

7、 降低返混程度的主要措施是______，通常有________和________两种，其中重要的是__________。

8、 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作。

理想反应器设计
1、反应器计算的基本内容及基本方程
2、各种反应器的设计计算 间歇操作釜式反应器： 特点
体积和数量计算 动力学计算法
或
00()
Af
A x A
A A x dx t c r =-⎰0
()
A
A c A A c dc t r =--⎰
间歇操作釜式反应器达到一定转化率需要的反应时间，只取决于过程的反应速率，与反应器的大小无关。

连续操作釜式反应器：
基本特征：过程参数既不随时间变化，也不随反应器内部空间位置而变化，各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口处的组成和温度。

单个连续操作的釜式反应器：
多个串联连续操作的釜式反应器 解析法
图解法：已知C A0 、C AN （或X AN ）、V Ri ，求N 。

连续操作釜式反应器的稳定操作
热稳定性的概念：反应器本身对热的扰动有无自行恢复平衡的能力。

有，则是热稳定性的；无，则是热不稳定性的。

热平衡： 热稳定 Q r =Q C 其他条件不变，仅进料温度或进料流量变化对釜式反应器热稳定性的
()
A f R A A x V t C V r =
=-=
=
Ri Ai-1Ai Ai Ai-1i
A0
Ai Ai V C -C x -x t =C V (-r )
(-r )
00()()V ()()
A R A p s r V H c T T K A T T ρ--∆=-+-c r
dQ dQ
dT
dT
<
影响。

半间歇操作的釜式反应器 工业应用
通常使用的几种半间歇操作形式 连续操作的管式反应器 基础计算方程式:
或 恒温恒容的管式反应器的计算： 零级反应：
一级反应：
二级反应：
反应器生产能力的比较
间歇釜式、连续管式、连续釜式生产能力的比较；
多个串联的连续操作釜式反应器的组合优化：掌握两釜串联，等温下进行一级不可逆反应的优化问题；
自催化反应的组合优化：自催化反应的速率特征，自催化反应的组合优化；
0()
Af
A x A R A x A dx V F r =-⎰0
00
()
Af A x R A A x A V dx c V r τ
==-⎰
000
1()
Af x A A A Af
A dx C C x r k
τ==
-⎰
0111ln
ln 1A Af
A
C k x k C τ=
=-0
02
2
000
1
1
1(
)
(1)
11Af A x A
A x A A A Af
A dx C kC x kC x x τ==
-
---⎰
复杂反应的选择性 复杂反应选择性的定义：
掌握可逆反应和一级不可逆连串反应的浓度效应和温度效应，会根据动力学分析选择最佳反应器型式或反应器组合方式，或适宜的投料方式。

练习：
1、某一反应要求反应物A 浓度低、B 浓度高对反应有利，应采用以下半间歇操作形式中的______情况
A B C D
2、下列__________操作方式适合用于可逆反应。

A B C D
3、平行反应
A
P(主)
S(副)
均为一级不可逆反应，若主
E ＞副
E ，选择性
S 与_______无关，仅是_______的函数。

4.
如果平行反应A
P(主)
S(副)
均为一级不可逆反应，若主
E ＞副
E ，提
高选择性P
S 应_______。

5、气相反应4A + B → 3R + S 进料时无惰性气体，A 与B 以3∶1的摩尔比进料，则膨胀因子A
δ=_______。

A. 1/4
B. 2/3
C. –1/4
D. –2/3 6、全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。

7、对于自催化反应，最合适的反应器为_______。

（全混流串平推流） 8、在间歇反应器中进行等温二级反应 A → B ，s
l mol C r A A
⋅=-/01.02
，
当l
mol C
A /10
=时，求反应至l mol C
A
/01.0=所需时间t=_______秒。

（D ）
A. 8500
B. 8900
C. 9000
D. 9900 9、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_______。

A. 平推流反应器
B. 全混流反应器
C. 循环操作的平推流反应器
D. 全混流串接平推流反应器 10、对于反应级数n ＜0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_______。

A. 平推流反应器
B. 全混流反应器
C. 循环操作的平推流反应器
D. 全混流串接平推流反应器
11
、对于单一反应组分的平行反应
A
P(主)
S(副)
，其瞬间收率P ϕ随
C 增大而单调增大，则最适合的反应器为_______。

A. 平推流反应器
B. 全混流反应器
C. 多釜串联全混流反应器
D. 全混流串接平推流反应器
12、
对于单一反应组分的平行反应
A
P(主)
S(副)
，其瞬间收率P ϕ随
A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为_______。

A. 平推流反应器
B. 全混流反应器
C. 多釜串联全混流反应器
D. 全混流串接平推流反应器
13、对于反应，2
1A R C k r =，1E ；A S C k r 2=，2E ，当1E ＞2
E 时如何选择
操作温度可以提高产物的收率？
答：对于平行反应
A
RT
E E A RT
E RT E S
R R C e
k k C e
k e k r r S 1
22120
10/20/10---=
==
，所以，当1E ＞2
E 时应尽可能提高反应温度，方可提高R 的选择性，提高R 的收率。

判断
1、对于吸热反应必须考查釜式反应器的热稳定性问题。

2、釜式反应器可用来进行均相反应，也可用于以液相为主的非均相反应。

3、化工生产上，为了控制300~500℃的反应温度，常用导生油作热载体。

×
4、应用两个按最优容积比串联的全混流釜进行不可逆的一级液相反应，假定各釜操作温度都相同，已知此时的速率常数k=0.92h -1，原料液的进料速度0
v =10m 3/h ，要求最终转化率=
A
x
0.9，试求V 1、V 2和总
容积V 。

气固相催化反应器
1、基本概念
固定床反应器（及其特点）、流化床反应器（及其特点）、空隙率、形状系数、有效系数、空速、流态化、散式流化床、聚式流化床、临界流化速度、带出速度、流化数、临界压降、膨胀比 2、固定床反应器
催化剂颗粒的当量直径及相互换算；
1.5
s s s
a d d v d
=Φ⋅=Φ 空隙率的定义、计算及影响因素；
1B S
ρερ=-
流体流过固定床产生压降的原因； 固定床中的传热过程及简化处理。

3、流化床反应器 流化床的压降计算；
对g-s 系统 流化床反应器内的传热
影响流化床与外壁的给热系数大小的因素 流化床高及膨胀比
(1)s W
p L g A
ερ∆=-=s f s ρρρ-≈(1)()(1)()(1)()mf mf s f f m s f s f p L g L g L g
ερρερρερρ∆=--=--=--f m f L R L
=
练习
1.由于催化反应的吸附、脱附以及表面反应都是与催化剂表面直接
有关，故吸附控制、表面反应控制和脱附控制称为动力学控制。

2.单位体积的催化剂所具有的表面积称为形状系数。

3.固定床的压力降由流道阻力和分布阻力所组成。

4.固定床反应器主要分为_______式和_______式两大类。

5.流体通过固定床的压力降主要是由于_______阻力和_______阻
力引起，当流体流动状态为湍流时，以_______阻力为主。

6.催化剂有效系数η是指_实际反应速度与催化剂内外表面温度、浓
度相等时的反应速度之比，当η=1时，反应过程属于_______控制，当η<1时，属于_______控制。

7.当气体由下而上流过催化剂床层时，由于u OG的不同，床层经历了
固定床、流化床、输送床三个阶段。

8.固定床反应器中，催化剂的表观密度是1000kg/m3,床层的堆积密
度是300 kg/m3,则床层的空隙率为0.7。

9.工业上，引进流化数k表示操作气速，流化数是指流化速度与临
界流化速度之比。

10.固定床中的传热实质上包括了_______、_______以及_______几个
方面。

11.气流通过床层时，其流速虽然超过临界流化速度，但床内只形成
一条狭窄通道，而大部分床层仍处于固定床状态，这种现象称为_______
A.沟流
B.大气泡
C. 节涌
D.腾涌
12.气固系统常见的流化状态为_______：
A、散式流化
B、沟流
C、聚式流化
D、大气泡和腾涌
13.某流化床反应器中所采用的催化剂颗粒的堆积密度与颗粒密度分
别为2900kg/m3和5050kg/m3,试计算当床层膨胀比为3时,流化床床层空隙率是多少?
补充题
1.所谓流态化就是固体粒子像_______一样进行流动的现象。

（流体）
2.对于流化床反应器，当流速达到某一限值，床层刚刚能被托动时，床内粒子就开始流化起来了，这时的流体空线速称为_______。

（起始流化速度）
3.对于液—固系统的流化床，流体与粒子的密度相差不大，故起始流化速度一般很小，流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动很小，粒子在床内的分布也比较均匀，故称作_______。

（散式流化床）
4.对于气—固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床称为_______。

（聚式流化床）
5.对于气—固系统的流化床反应器，气泡在上升过程中聚并并增大占据整个床层，将固体粒子一节节向上推动，直到某一位置崩落为止，这种情况叫_______。

（节涌）
6.对于流化床反应器，当气速增大到某一定值时，流体对粒子的曳力与粒子的重力相等，则粒子会被气流带出，这一速度称为_______。

（带出速度或终端速度）
7.对于流化床反应器，当气速增大到某一定值时，流体对粒子的_______与粒子的_______相等，则粒子会被气流带出，这一速度称为带出速度。

（曳力、重力）
8.对于气—固相流化床，部分气体是以起始流化速度流经粒子之间的空隙外，多余的气体都以气泡状态通过床层，因此人们把气泡与气泡以外的密相床部分分别称为_______与_______。

（气泡相、乳化相）
9.在流化床反应器中，当达到某一高度以后，能够被重力分离下来的颗粒都以沉积下来，只有带出速度小于操作气速的那些颗粒才会一直被带上去，故在此以上的区域颗粒的含量就近乎恒定了，这一高度称作_______。

（分离高度）
17简述聚式流化床的形成？
答：对于气—固系统的流化床反应器的粗颗粒系统，气速超过起始流化速度后，就出现气泡，气速愈高，气泡的聚并及造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁，这种流化床称为聚式流化
床。

18.简述流化床反应器的优点？
答：1）传热效能高，而且床内温度易维持均匀；
2） 大量固体粒子可方便的往来输送，对于催化剂迅速失活而需随时再生的过程来说，
能够实现大规模的连续生产。

3） 由于粒子细，可以消除内扩散阻力，能充分发挥催化剂的效能。

19.简述流化床反应器的缺点？
答：1）气流状况不均，不少气体以气泡状态经过床层，气—固两相接触不够有效； 2）粒子运动基本上是全混式，因此停留时间不一。

在以粒子为加工对象时，影响产品质量的均一性，）且粒子的全混造成了气体的部分返混，影响反应速率和造成副反应的增加； 3）粒子的磨损和带出造成催化剂的损失，并要设置旋风分离器等粒子回收系统。

20.流化床的压降计算。

1.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作_______。

（固定床反应器）
2.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于_______，因此与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。

（平推流）
3.固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积P V 的球粒子直径，表达式
V
d =_______。

5.固定床中颗粒的面积相当直径是以外表面P a 相同的球形粒子的直径，表达式
a
d =_______。

6.固定床中颗粒的比表面相当直径是以相同的比表面
V
S 的球形粒子直径来表示，表达式
S
d =_______。

7.对于非球形粒子，其外表面积P a 必大于同体积球形粒子的外表面积S
a ，故可定义颗粒的
形状系数
=
S ϕ_______。

8.颗粒的形状系数
S
ϕ对于球体而言，=S ϕ_______，对于其他形状的颗粒S ϕ
_______。

（=1、
均小于1）
9.固定床中的传热实质上包括了_______、_______以及_______几个方面。

（粒内传热、颗粒与流体间的传热、床层与器壁的传热） 10.简述固定床反应器的优缺点？
答：凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作固定床反应器。

1）催化剂在床层内不易磨损；
2）床层内流体的流动接近于平推流，与返混式反应器相比，用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力；
3）固定床中的传热较差；
4）催化剂的更换必须停产进行。