化学反应与设备期末复习提纲

化学反应设备与过程期末复习提纲

一反应器选型

1、均相反应器的选型（掌握管式反应器、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（掌握固定床反应器、流化床反应器的应用、

特点、使用反应类型、反应器结构、选型依据）

练习题

1、管式反应器的特点是什么？基本结构有哪些？

答：管式反应器是由多根细管串联或并联而构成的一种反应器，通常长径比大于50~100。管式反应器的特点为：1）单位体积传热面积大； 2）生产效率高；3）适用于大型化和连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有保证； 4）返混小，管内流体流型接近于理想置换。

管式反应器的结构组成包括：直管、弯管、密封环、法兰及紧固件、温差补偿器、传热夹套、连接管和机架等。

2、固定床反应器分为哪几种类型？其中单段绝热式固定床可适用于哪些化学反应类型？

答：按传热方式分，固定床反应器可分为绝热式和换热式固定床；按反应器中流体流动方向分，固定床反应器可分为轴向流动和径向流动固定床。

单段绝热式固定床可适用于反应热效应不大，过程中允许温度有较宽变动范围的反应；或者反应热效应比较大，但反应对于温度变化不敏感的化学反应；或者反应热效应很大，但是反应速率非常快的化学反应。

3、釜式反应器的基本结构及其作用是什么？

答：略釜式反应器主要由壳体、搅拌装置、轴封和换热装置四大部分；各部分的作用，壳体：盛装物料，提供反应空间；搅拌装置：加强反应釜内物料的均匀混合，强化传热和传质；轴封：防止反应釜中物料泄漏；换热装置：控制反应温度。

4、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。

优点：催化剂在床层内不易磨损；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；

缺点：固定床中的传热较差；催化剂的更换必须停产进行。

5、简述流化床反应器的优缺点？

答：优点：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。

缺点：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。

二 反应器的设计及优化

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

（1）单一反应的动力学方程

a) 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 d

C 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） i

i R

dF r dV ±=±

b)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 11ln ln 0

2A → 产物（二级） 2A A kC dt dC =-

)1(11100A A A A A X X C C C kt -=-= A+B →产物（00

B A

C C =） B A A C kC dt dC =- A+B →产物（00B A C C ≠）

)11ln(1ln 1000000A B A B B A A B A B x x C C C C C C C C kt ---=-=

c)恒温变容条件下：

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。

(2)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

a)可逆反应：

A ≒R （一级反应） 12A A A R dC r k C k C dt

-=-

=- b)平行反应

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 == C)连串反应

P S （均为一级反应）1k 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）

如：单组份的表面覆盖率 练 习

填空、判断与选择

1、反应时间长短与初始浓度大小无关的是（一）级反应。

2、对反应级数n>1的反应，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间1A A A

A A

K p K p θ=+