[學(xué)習(xí)]反應(yīng)工程基礎(chǔ)程易反應(yīng)工程期中復(fù)習(xí)

1、反應(yīng)工程期中復(fù)習(xí),2013.04.08,清華大學(xué)綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Fluidization Laboratory Of Tsinghua University （ FLOTU）,期中考試,內(nèi)容 — 理想流動(dòng)：第一章至第六章，第八章題型&題量 — 計(jì)算題（40~60’）， — 填空題，判斷題（基本概念為主）時(shí)間 — 4月11日上午第一大節(jié) — 90分

2、鐘,目錄,各章主要內(nèi)容解題一般思路例題與作業(yè)中問題,概述,化學(xué)反應(yīng)工程： 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)+反應(yīng)器設(shè)計(jì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué) — 反應(yīng)速率、反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)器設(shè)計(jì) — 傳遞行為 — 反應(yīng)器形式、體積，反應(yīng)時(shí)間， 操作條件，轉(zhuǎn)化率,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一般步驟,摩爾衡算通式,第一章 摩爾衡算,,四種理想反應(yīng)器模型,1.空間分布均勻；2.非穩(wěn)態(tài)（時(shí)間的函數(shù)）,1.空間分布均勻；2.穩(wěn)態(tài),d

3、/dt=0;3.出口量=反應(yīng)器內(nèi)量4.空間、時(shí)間返混無窮大,1.只有軸向分布；2.穩(wěn)態(tài),d/dt=0;3.徑向理想混合、軸向無返混、無時(shí)間返混,1.只有軸向分布；2.穩(wěn)態(tài),d/dt=0;3.徑向理想混合、軸向無返混、無時(shí)間返混,第一章 摩爾衡算,,流動(dòng)模式、反應(yīng)器參數(shù)，etc. 最簡化,四種理想反應(yīng)器的摩爾衡算,微分形式,代數(shù)形式,第一章 摩爾衡算,,積分形式,速率方程 — — 代數(shù)方程，而非微分方程（…）— 與反

4、應(yīng)物性質(zhì)有關(guān)，與反應(yīng)器形式無關(guān)— 強(qiáng)度量 定義均相反應(yīng) —— 單位體積的物質(zhì)的量變化率非均相反應(yīng) —— 單位催化劑質(zhì)量的變化率,第一章 摩爾衡算,轉(zhuǎn)化率X — 進(jìn)料A的摩爾數(shù)中反應(yīng)掉的A的摩爾數(shù),第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,間歇釜體系,流動(dòng)體系,無支流的 串聯(lián)反應(yīng)器,用轉(zhuǎn)化率改寫摩爾衡算方程,第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,用轉(zhuǎn)化率改寫速率方程*設(shè)計(jì)反應(yīng)器,第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,圖解法設(shè)計(jì)反應(yīng)器——

5、 Levenspial plot,第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,空時(shí) 只與實(shí)際入口條件有關(guān)；與 區(qū)別？ 空速 代表處理能力；與實(shí)際入口條件不一定有關(guān)用空時(shí)改寫摩爾衡算方程*,CSTR,PFR,對(duì)液體,形式 — 冪律形式 V.S. 非冪律形式冪律形式的速率方程速率方程中的參數(shù),第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),,,反應(yīng)級(jí)數(shù)、速率常數(shù)、平衡常數(shù),反應(yīng)級(jí)數(shù)：實(shí)驗(yàn)測(cè)定

6、速率常數(shù)（動(dòng)力學(xué)） Arrhenius公式平衡常數(shù)(熱力學(xué)）,A: 頻率因子E: 活化能,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),將濃度表示成轉(zhuǎn)化率的函數(shù) — 物質(zhì)的量/摩爾流率 轉(zhuǎn)化率,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),化學(xué)計(jì)量表,—體積/體積流率 轉(zhuǎn)化率,組分,進(jìn)入反應(yīng)器的流率(mol/time),反應(yīng)器內(nèi)的變化(mol/time),流出反應(yīng)器的流率(mol/time),A,B,C,I (

7、惰性),總量,化學(xué)計(jì)量表,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),…,…,…,…,——基準(zhǔn)？,體積/體積流率的變化,恒體積間歇釜：,膨脹因子,膨脹率,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),恒壓，氣體,不可壓縮流體,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),以轉(zhuǎn)化率為變量的濃度,等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)思路兩種算法（1）以轉(zhuǎn)化率為變量（2）以濃度或摩爾流率為變量,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),求解,聯(lián)立方程,化學(xué)計(jì)量學(xué),動(dòng)力學(xué),摩爾衡算,以轉(zhuǎn)化率為變量的計(jì)算步驟,a.

8、 設(shè)計(jì)方程 (Batch, CSTR, PFR, PBR),b. 速率方程,c. 化學(xué)計(jì)量學(xué),(1) 氣相,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),對(duì)填充床,(2) 液相,d. 等溫操作,Gas:,Liquid:,將濃度帶入動(dòng)力學(xué)，將動(dòng)力學(xué)帶入摩爾衡算方程，積分求解,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),速率方程,化學(xué)計(jì)量學(xué),氣體,液體,以摩爾流率為變量的計(jì)算步驟,摩爾衡算（對(duì)每一組分）,利用數(shù)值方法求解常微分方程組,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),幾種特殊反應(yīng)器形式

9、 膜反應(yīng)器——提高轉(zhuǎn)化率 半間歇反應(yīng)器——提高選擇性 循環(huán)反應(yīng)器——自催化反應(yīng)，生化反應(yīng) 微反應(yīng)器——強(qiáng)化過程，如混合、傳熱 球型反應(yīng)器——降低壓降,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),膜反應(yīng)器,摩爾衡算,,,摩爾衡算,體積：時(shí)間的函數(shù),第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),半間歇反應(yīng)器,循環(huán)反應(yīng)器(只考慮不可壓縮液體）,介于CSTR與PFR之間的一種反應(yīng)器形式循環(huán)比?無窮：CSTR循環(huán)比?0：PFR,附加定義：循環(huán)比、單程轉(zhuǎn)化率、

10、總轉(zhuǎn)化率,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),,循環(huán)比：單程轉(zhuǎn)化率：總轉(zhuǎn)化率：設(shè)計(jì)方程：最優(yōu)循環(huán)比：,,,,入口反應(yīng)速率的倒數(shù) ＝ 過程反應(yīng)速率倒數(shù)的積分平均值,以濃度為變量求解循環(huán)反應(yīng)器問題,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方程,摩爾平衡關(guān)系,,反應(yīng)級(jí)數(shù)與速率常數(shù)的確定 均相反應(yīng)——間歇反應(yīng)器 非均相反應(yīng)——微分反應(yīng)器,第五章 速率方程數(shù)據(jù)收集分析,均相反應(yīng)測(cè)定方法 C~t 關(guān)系 摩爾衡算方程+

11、動(dòng)力學(xué) ? 微分法： 積分法： 初始速率法： 半衰期法：,第五章 速率方程數(shù)據(jù)收集分析,非均相反應(yīng)測(cè)定方法 FP ~ CA0關(guān)系 摩爾衡算方程： 動(dòng)力學(xué)： 聯(lián)立：,第五章 速率方程數(shù)據(jù)收集分析,選擇性定義 D：目的產(chǎn)物；U：副產(chǎn)物,第六章 復(fù)合反應(yīng),D的瞬時(shí)選擇性,D的總選擇性,對(duì)間歇釜,收率定義,第六章 復(fù)合反應(yīng),瞬時(shí)收率,總收率,流動(dòng)體系,間歇

12、釜,幾種簡單復(fù)合反應(yīng)的討論： 平行反應(yīng) & 連串反應(yīng)（1）平行反應(yīng),選擇性,反應(yīng)級(jí)數(shù)：反應(yīng)級(jí)數(shù)越大?對(duì)濃度越敏感?反應(yīng)器形式活化能：活化能越大?對(duì)溫度越敏感?反應(yīng)溫度,第六章 復(fù)合反應(yīng),（2）連串反應(yīng),最佳收率（以PBR中的反應(yīng)為例）,,第六章 復(fù)合反應(yīng),復(fù)雜反應(yīng)求解的思路,摩爾衡算: 寫出每種物質(zhì)的摩爾平衡方程式 [摩爾流率（摩爾數(shù)）形式],動(dòng)力學(xué): 寫出各種物質(zhì)的凈生成速率,化學(xué)計(jì)量學(xué)

13、: 用摩爾流率（摩爾數(shù)）表示速率方程中的濃度,壓降: 寫出按摩爾流率得到的氣相壓降表達(dá)式,聯(lián)立: 使用數(shù)值方法求解常微分方程組,第六章 復(fù)合反應(yīng),穩(wěn)態(tài)熱量衡算方程,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),CSTR與PFR(PBR)不同,一般可以忽略,,,式中：,,穩(wěn)態(tài)CSTR中的熱量衡算方程（代數(shù)方程）,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),,,穩(wěn)態(tài)PFR/PBR中的熱量衡算方程（微分方程）,第八章

14、穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),,,穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)思路,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),能量衡算方程,,,V=f(X,T),T=h(X),求解V或X，T,具體計(jì)算公式參考P345圖8-4，P351表8-2，P359表8-3,CSTR熱穩(wěn)定性——多穩(wěn)態(tài)分析,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),T,失控判據(jù)：,,題型：求體積、轉(zhuǎn)化率、時(shí)間、動(dòng)力學(xué)按照步驟依次推導(dǎo)，最后帶入數(shù)據(jù),解題一般思路,針對(duì)某種形式反應(yīng)器，寫出摩爾衡算方程（設(shè)計(jì)方程）,寫出動(dòng)力學(xué)

15、方程（不可逆？可逆？凈反應(yīng)速率？）,利用化學(xué)計(jì)量學(xué)，關(guān)聯(lián)不同組分反應(yīng)速率、濃度，考慮體積變化影響,將化學(xué)計(jì)量學(xué)處理后的濃度帶入動(dòng)力學(xué)，將動(dòng)力學(xué)帶入摩爾衡算方程,若非等溫，根據(jù)反應(yīng)器形式，寫出熱量衡算方程,求解方程（組），求V，X，t，rA均可,,,,,,等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)習(xí)題 （不是最難的，但是最有代表性的） 苯醌（A）和環(huán)二戊烯（B）在298K下的液相加成反應(yīng)為： ， 反應(yīng)在全混

16、流反應(yīng)器中進(jìn)行 液體進(jìn)料速度是0.278 m3/ks 該反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方程為 –rA=kCACB ，k=9.92m3/(kmol·ks) 苯醌（A）和環(huán)二戊烯（B）的起始濃度分別為0.08和0.1 kmol/m3 若要求苯醌的轉(zhuǎn)化率為87.5%，試求下述兩種情況中反應(yīng)器的體積： （1）單個(gè)全混釜； （2）三個(gè)等體積全混釜,例題,,,（1）可以定性分析出CSTR與PFR的排列順序

17、對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響么？,作業(yè)中的問題,,Sample answers：由于曲線后端是上翹的，而CSTR對(duì)低濃度敏感，故CSTR應(yīng)安排在后。與順序無關(guān)？（因?yàn)榧僭O(shè)了一級(jí)反應(yīng)）,作業(yè)中的問題,（2）帶有相變反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量學(xué)a. 有一個(gè)反應(yīng)物過量時(shí)，以不足量的反應(yīng)物作為轉(zhuǎn)化率的基準(zhǔn)。b. 對(duì)于氣 固反應(yīng)，可以不考慮固體的蒸氣壓。這時(shí)計(jì)算 時(shí)，直接在反應(yīng)方程式中去掉固體產(chǎn)物即可。,（3）可逆反應(yīng)速

18、率方程的寫法 二級(jí)可逆液相反應(yīng) ： 檢驗(yàn)： 不符合熱力學(xué)平衡關(guān)系！ 注意：平衡常數(shù)的表達(dá)式與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)。這里，速率方程應(yīng)該是 閱讀教材（第三版中文）P62~P65,作業(yè)中的問題,謝謝,清華大學(xué)綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Fluidizat