化学反应工程知识点1~3讲义

知识点1.绪论

一、主要讲解内容

介绍化学反应工程相关的基本知识，包括化学反应工程的定义、化学反应工程学科的发展、化学反应工程的任务、化学反应工程和其他学科的关系。

二、学习要求

本章要求学生能够掌握化学反应工程的定义，明确化学反应工程的任务。

三、视频（已录制完成）

四、讲义

1.1化学反应工程的定义

在工业规模上开发和应用化学反应的工程活动。

1.2化学反应工程学科的发展

自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类，物理过程不牵涉化学反应，但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素综合体。

远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺，但直到本世纪五十年代一直还未形成一门专门研究的独立学科，到1957年举行的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称。

1.3 化学反应工程的任务

化学反应工程学是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以化学反应作为研究对象，又以工程问题为研究对象，把二者结合起来的学科体系。其主要任务包括：分析化学反应的特点、确定合适的反应条件；选择合适的反应器并对其进行最优化设计；对反应器进行最优操作和控制。

1.4 化学反应工程和其他学科的关系

a. 数学，微积分、方程的解析求解和数值求解、极值问题等，均是化学反应工程问题求解的基础。

b. 反应动力学：专门阐明学反应速率与各项物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系。为实现某一反应，要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处

理能力等，这些都依赖于对反应动力学特性的认识。

c. 化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等），看化学反应是否能进行及其反应程度。为化学反应工程提供反应热、反应平衡常数等基础数据。

d. 催化作用

e. 传递工程和流体力学：装置中有动量、热量、质量传递（三传），当规模放大时，出现放大效应。“三传一反”是三传和反应动力学。

五、小结

本章介绍了化学反应工程的定义、学科的发展、任务极其与数学、化工热力学、催化作用及传递工程等学科之间的密切关系。

六、自测题

1.三传一反是指动量传递、热量传递、质量传递和反应动力学。

知识点2. 计量方程及反应分类

一、主要讲解内容

主要介绍计量方程的含义，并对反应从不同的角度进行分类。

二、学习要求

掌握计量方程的含义，掌握不同的反应分类方法。

三、视频（已录制完成）

四、讲义

1. 化学计量方程

计量方程是表示各反应物、生成物在反应过程的计量关系的方程。化学计量方程仅是表示由于反应而引起的各个参与反应的物质之间量的变化关系，计量方程本身与反应的实际历程无关。计量方程两侧同乘以一非零的系数后，可得一个计量系数不同的新的计量方程。

2. 反应分类

反应可依据不同的方式进行分类：

a. 根据参与反应的相数分类

可分成均相反应和非均相反应。

均相反应：参与反应的相数为1，例如在均一的液相或气相中进行的反应。

非非均相反应：反应的进行需要至少两相或两相以上存在（不一定各相都参与反应）。

b. 依据催化作用分类

可分成催化反应和非催化反应。例：煤球的燃烧为非催化非均相反应，石油的催化裂化催化反应为非均相反应。

c. 根据计量方程的个数分类

可分成单一反应和复合反应。只用一个计量方程即可唯一的给出各反应组分之间的变化关系的反应体系为单一反应；必须用两个(或多个)计量方程方能确定各反应组分在反应时量的变化关系的反应，称为复合反应，例如：

CO+2H2=CH3OH

CO+ 3H2=CH4+ H2O

d.根据反应中体积的变化分类

可分为恒容反应和变容反应，例如恒温、恒压、恒摩尔的气相反应为恒容反应，压力不是很高的情况下的液相反应。

e. 依据反应的热效应分类 可分为吸热反应和放热反应

f. 依据反应的可逆性分类 可分为可逆反应与不可逆反应。

g. 依据反应机理分类

可分为基元反应与非基元反应。

计量方程能够表示反应机理或实际的反应历程的反应为基元反应。计量方程不能够表示反应机理的反应为非基元反应，非基元反应可以假定为一系列的基元步骤。例如

222Br H HBr +→可看假定为如下的基元步骤：

2222 Br Br

Br H HBr H H Br HBr Br

⇔+⇔++→

+

五、小结

计量方程是表示各反应物、生成物在反应过程的计量关系的方程，计量方程与反应历程之间无必然联系。化学反应依据不同的基准可分为不同的类别，掌握各种反应分类的基准。

六、自测题

1. 化学计量方程反映的是 A 。 A. 反应中各反应物、产物之间的计量关系； B. 实际的反应历程。

2. 基元反应和非基元反应之间的区别在于 A 。 A. 计量方程是否反映了实际的反应历程； B. 表示反应所需的计量方程数不同； C. 参与反应的相数不同。

知识点3. 反应速率及动力学方程

一、主要讲解内容

本部分介绍了反应速率的定义方法、反应速率方程的形式、反应级数和基元反应分子数、反应速率对温度的依赖关系。

二、学习要求

掌握反应速率的定义式，了解两种反应速率方程的形式，掌握反应级数和基元反应分子数之间的区别和联系，掌握Arrehenius ’定律。

三、视频（已录制完成） 四、讲义

1. 反应速率

反应速率定义：

1()()

i i dN moles i formed

r V dt volume of fluid time =

= mol/(m 3.s)

其中，i ——关键组分；

dNi ——dt 时间内反应生成的i 的摩尔数；

V ——反应器的有效体积。对于气相反应：流体体积=反应器有效体积=反应器体积；对于液相反应：流体体积=反应器有效体积，但不一定等于反应器体积。

对于任意的反应，例如，A →R ，对反应物，

A dN dt 为负值,而产物R dN

dt

是正值。对于

反应物，为了保证速率数值为正，反应速率通常表示为:

对于恒容的情况，1i

i i dN dC r V dt dt

-=-

=-。 根据计量方程可得给定反应中各个物质反应速率之间的关系：

aA bB rR sS +→+

S

A B R r r r r a b r s

--===

即：():()::::: A B R S r r r r a b r s --=