《化学反应工程》第一章

s=
生成目的产物所消耗的关键组分物质的量 已转化的的关键组分的量
Y=sx
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s）
瞬时选择性
s
目的产物的生成速率 关键组分的反应总速率
生成主产物的关键组分 的反应速率 关键组分的反应总速率
s
平均选择性
s
生成主产物消耗的关键 组分的量 反应掉的关键组分量
收率
n1 n2 rP k1c A k 2 cP s n1 rA k1c A
s
cPf c A0 c Af
Y
s xA
1-2-5 气相反应的物料衡算
气体反应混合物的组成常用摩尔分数或体积分数表示 当反应方程中气体物质的
i 0
反应前后各组分的组成变化须根据化学计量式 所显示的物料衡算关系式确定。
C H O N
HCHO+O2 CO2 +H2O
矩阵的秩R=4，独立反应数n=6-4=2
独立反应： CH OH+ 3 O CO +2H O 3 2 2 2
2
1-2-4 多重反应的收率（Y）及选择率（s） Y= or Y=
生成目的产物所消耗的关键组分的量 进入反应物系的关键组分的量
目的产物L生成的物质的量 A × L 进入反应物系的关键组分A物质的量
rA 1 dn A V dt
kmol / m
3
h


1 dcA 1 dcB 1 dcL 1 dcM A dt B dt L dt M dt
连续系统反应速率：单位反应体积、单位反应表面或单 位质量催化剂上某一反应物或产物的摩尔流量的变化
dn (ri )V i dVR
平推流反应器（完全没有返混） 全混流反应器（返混为无穷大）
基本概念 不同停留时间的质点或粒子间的混合,称为返混。 反应器中不同年龄的质点的混合称为返混。 寿命分布(Life Distribution)：
质点从进人到离开反应器时的停留时间分布；
年龄分布(Age Distribution)： 仍然停留在反应器中的质点的停留时间分布。 寿命是反应器出口处质点的年龄。
1-3 加压下气相反应的反应焓和化学平衡常数 1-3-1 理想气体和实际气体的状态方程 理想气体
id pVm RT
模型特征： （1）气体分子体积忽略 （2）分子间相互作用忽略，分子间弹性碰撞 实际气体
pVm ZRT
引入压缩因子Z
实际气体
Z 1
1-3-2 气体的摩尔定压热容和气相反应的摩尔反应焓 1. 气体混合物的摩尔定压热容 理想气体：

i 1
n
ij
Ai 0
( j 1,2, , m)
1-2-2 反应进度、转化率及 化学膨胀因子
一、反应进度
A A B B L L M M
定义

n A n A0 nB nB 0 nL nL 0 nM nM 0
A

B
பைடு நூலகம்

L

M
二、转化率
非理想流动：
流体在反应器中流动时 存在流速分布不均匀的 现象,如由于反应器设计 或安装不良而产生死角、 沟流和短路等非理想流 动,
3. 按结构类型分类
第二节 化学计量学
1-2-1 化学计量式
A 0
i 1 i i
n
(i 1,2, , n)
对于反应系统有m个反应，则第j个反应的化学计量 式的通式为
Y
生成主产物消耗的关键 组分的量 初始的关键组分量
对平行反应
n1 rP k1cA s n1 n2 rS rP k1cA k2cA
A A
k1 k2
P （目的产物） S （副产物）
s
cPf c A0 c Af
Y
cPf c A0
s xA
对连串反应
A
k1
P
k2
S
cPf c A0
化学膨胀因子 A
1
A
( L M ) ( A B )
V V 0 (1 A yA0 xA )
cA N (1 x A ) NA 0 A0 V V (1 A y A0 x A )
膨胀率
A A y A0
δA为A组分的化学膨胀因子
连续流动系统的空速：
m3 3 V0 Vsp , / m VR h
接触时间：
1 VR , Vsp V0
m
3
/ m3 / h

反应动力学方程
不可逆反应 用消耗速率表示
rA
r
r kc cIi k 0 e
E RT
c
i I
1 dnA k cA cIi V dt

1n 2n

ln
系数矩阵秩为Rβ，独立反应数为n－ Rβ。
例题：某反应物系包含O2、N2、H2O、CO2、CH3OH、 HCHO六种组分，试用原子系数矩阵法确定该体系的独 立反应数并写出独立反应。 解：原子系数矩阵： CO2 H2O O2 N2 CH3OH HCHO
物理意义： 关键组分A转化1mol时，引起整个物系摩尔数的变化量。
δA>0，摩尔数增加反应
δA<0，摩尔数减少反应
δA=0，等摩尔数反应
例：反应 CH 4 H 2O CO 3H 2
CH
4
1 3 11 2 1
1-2-3 多重反应系统中 独立反应数的确定
原子系数矩阵法：封闭物系各元素原子数守恒。
标准摩尔定压热容
dH m Cp dT
2 3 C p,i A 0i A 1iT A 2iT A 3iT
A值查表
混合气体的标准摩尔定压热容
C p,mix yi C p,i (T )
实际气体：
加压下的摩尔定压热容还与压力有关 工程上 可按各组分在分压及同一温度下的热容 按简单摩尔分数平均法计算
n
ka bp* A A , b 1 bp* kd A
k bA aA kdA
反应本性、温度、总压、平衡组成
等压下Kf与温度关系
(
吸热反应：
ln K f T
r H )p RT 2
平衡常数随温度升高而增大
放热反应：
平衡常数随温度升高而减小
第四节 化学反应速率及动力学方程
1-4-1 间歇系统及连续系统的化学反应速率 1. 反应速率的表示方式 间歇系统反应速率：单位时间内、单位体积中反应物的反应量
从化学反应工程上讲，反应级数的实质是：反 应速率对组分浓度的敏感程度，即浓度效应。
第四节 气-固相催化反应本征动力学
1-6 固体催化剂
固 体 催 化 剂 组成
催化活性物质 载体 助催化剂 抑制剂 高活性 高选择性 高强度 长寿命
特点
活性组分：半导体、金属、绝缘体 载体：兼作稳定剂和分散剂，其作用是—— ①有效的表面和孔； ②机械性能； ③热稳定性； ④活性中心； ⑤形成新物种； ⑥减少活性组分的用量。
设反应物系有n个反应组分，包含 l 种元素。 元素j的原子数bj等于每组分元素j的系数×该组分物质的量ni 即 n b j ji ni , j 1,2,...,l
i 1
表示系数矩阵为

ji
11 12 21 22 l1 l 2
1 0 2 0
0 2 1 0
0 0 2 0
0 0 0 2
1 4 1 0
1 2 1 0
C H O N
对矩阵作初等变换 CO2 H2O O2 N2 CH3OH HCHO
1 0 0 0
1 1 0 0 2 1 3 0 1 0 -1 2 0 0 1 0 0 0 0 0 1
Ø Ì Ô å ± È ± í Ã æ » ý £ ¨ m2 /g) Í ± µ È ± í Ã æ <1 Ð ± Ö È ± í Ã æ <100 ß ± ¸ È ± í Ã æ >100
×Ð ¿ Í ·¿ Ç ×Ð Í ó ¿ ´ ×Ð Í à ¿ ¶ ×Ð Í ¢ ¿ Î ×Ð Í
ý À ¥ ° Ä É ² £ Á §¡ ¢ ½ ð Ê ô ¡ ¢ Ì ¼ » ¯ ¹ è Û È È Ú Ñ õ » ¯  Á ¡ ¢ Ñ õ » ¯ ¹ è õ » Ñ ¯ ¹ è ¡ ¢ Ñ õ » ¯  Á ¡ ¢ ¹ è Ô å Í Á ¡ ¢ · Ð Ê ¯ î Ð » Ô õ Ñ ¯ »  Á ¢ ¡ Ñ õ ¯ » ¹ è ¢ ¡ Ñ õ » ¯  Á ¡ ¢ Á Ä Â ý º ½ ¡ ¢ è ¹ ½ º ¢ ¡ » î Ô Ð Ì ¿
助催化剂：极少的量能显著的改善催化剂的效能，其分为 结构型、调变型。例合成氨催化剂Fe中加入 Al2O3(CaO、K2O). 抑制剂：极少的量能显著的降低催化剂的效能。
催化剂的制备
固体催化剂的制备：浸渍法、沉淀法、离子交换法、 共混合法、滚涂法、溶蚀法、热溶法、沥滤法、络合催化 剂的固载化法等等。 制备的催化剂经成型、干燥、焙烧加工过程。 固定床反应器常用球状、柱状、片状等直径在4mm以上的 颗粒； 流化床常用直径在4mm以下的颗粒；悬浮床常用直径在 1~2mm的颗粒。 催化剂活化：①适度加热除去外来物；②小心燃烧； ③用H2、H2S、CO、R—Cl。
kc k cA
A
rA

B
rB

I
rI
A

k cB
B

k cI
I
理想气体反应
pI cI RT
r kc c