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1、反应工程期中复习2012.03.30 清华大学绿色反应工程与工艺北京市重点实验室清华大学绿色反应工程与工艺北京市重点实验室F Fluidization luidization L Laboratory aboratory OOf f T Tsinghua singhua U University niversity （ FLOTUFLOTU） 期中考试内容： 理想流动：第一章至第六章，第八章题型、题量： 选择题，填空题，判断题，计算题时间： 4月11日上午第一大节，90分钟 概述化学反应工程：反应动力学+反应器设计反应动力学 反应速率、反应机理反应器设计 形式、体积、时间、操作条件、转化率核心
2、反应器设计的一般步骤摩尔衡算动力学化学计量学能量衡算第一章第二章第五章第六章第三章综合设计第三章第八章第四章第八章目录各章节重点概念、公式解题一般思路例题摩尔衡算通式 第一章 摩尔衡算进入量流出量生成量积累量-+= 第一章 摩尔衡算四种理想反应器模型间歇釜CSTRPFRPBR反应器特点1.浓度、温度、反应速率无空间分布；2.非稳态，物理量仅为时间的函数。1.浓度、温度、反应速率无空间分布；2.稳态, d/dt=0;3.出口量=反应器内量4.空间、时间返混无穷大1.浓度、温度、反应速率只有轴向分布；2.稳态, d/dt=0;3.径向理想混合、轴向无返混、无时间返混1.浓度、温度、反应速率只有轴向
3、分布；2.稳态, d/dt=0;3.径向理想混合、轴向无返混、无时间返混 第一章 摩尔衡算四种理想反应器的摩尔衡算间歇釜CSTRPFRPBR微分形式代数形式积分形式速率方程 rA（1）代数方程，而非微分方程！（2）rA=f(反应物性质：C，P，T.) 与反应器形式无关（3）强度量（4）均相反应单位体积的变化率 非均相反应单位催化剂质量的变化率 第一章 摩尔衡算转化率定义 A单位进料摩尔数中反应掉的A摩尔数 第二章 转化率和反应器尺寸间歇釜体系流动体系无支流的串联反应器基于转化率改写摩尔衡算方程 第二章 转化率和反应器尺寸BatchCSTRPFRPBR微分形式代数形式积分形式基于转化率改写速率方
4、程 rA=f(XA)数值法设计反应器 V=g(XA, rA) + rA=f(XA) V=q(XA)图解法设计反应器 第二章 转化率和反应器尺寸CSTRPFR速率方程形式 幂定律形式 V.S. 非幂定律形式幂定律形式的速率方程速率方程中的参数 第三章 速率方程和化学计量学反应级数、速率常数、平衡常数反应级数：实验测定速率常数：Arrhenius公式平衡常数： 第三章 速率方程和化学计量学A: 频率因子E: 活化能将浓度表示成转化率的函数 浓度=物质量/体积 物质量化学计量表转化率 体积体积变化率转化率 第三章 速率方程和化学计量学 第三章 速率方程和化学计量学组分进入反应器的流率(mol/tim
5、e)反应器内的变化(mol/time)流出反应器的流率(mol/time)ABCDI (惰性)总量化学计量表 第三章 速率方程和化学计量学体积变化恒体积间歇釜： 流动体系： 气体液体膨胀因子膨胀率以转化率为变量的浓度也适用于恒体积间歇系统中进行的气相反应 第三章 速率方程和化学计量学气体不可压缩液体等温反应器设计思路两种算法 （1）以转化率为变量 （2）以浓度或摩尔流率为变量 第四章 等温反应器设计求解联立方程化学计量学动力学摩尔衡算（1）以转化率为变量的计算步骤 第四章 等温反应器设计a. 设计方程 (Batch, CSTR, PFR, PBR)b. 速率方程c. 化学计量学(1) 气相 第
6、四章 等温反应器设计对填充床(2) 液相d. 等温操作Gas: Liquid:将浓度带入动力学，将动力学带入摩尔衡算方程，积分求解 第四章 等温反应器设计速率方程化学计量学气体液体（2）以摩尔流率为变量的计算步骤摩尔衡算（对每一组分）利用ODE方法求解常微分方程组几种特殊反应器形式 膜反应器提高转化率 半间歇反应器提高选择性 循环反应器自催化反应，生化反应 微反应器强化过程，如混合、传热 球型反应器降低压降 第四章 等温反应器设计 膜反应器 第四章 等温反应器设计 摩尔衡算方程 半间歇反应器 摩尔衡算方程 体积是时间的函数 循环反应器 第四章 等温反应器设计PFRM介于CSTR与PFR之间的一
7、种反应器形式循环比无穷：CSTR循环比0：PFR附加定义：循环比、单程转化率、总转化率循环比：单程转化率：总转化率：设计方程：最优循环比：入口反应速率的倒数 过程反应速率倒数的积分平均值 PFRM反应级数与速率常数的确定 均相反应间歇反应器 非均相反应微分反应器 第五章 速率方程数据收集分析均相反应测定方法 Ct的关系 摩尔衡算方程+动力学 微分法： 积分法： 初始速率法： 半衰期法： 第五章 速率方程数据收集分析非均相反应测定方法 FPCA0的关系 摩尔衡算方程： 动力学： 联立： 第五章 速率方程数据收集分析选择性定义 D目的产物；U副产物 第六章 复合反应D的瞬时选择性D的总选择性对间歇
8、釜收率定义 第六章 复合反应瞬时收率总收率流动体系间歇釜几种简单复合反应的讨论 平行反应、连串反应（1）平行反应 第六章 复合反应主反应副反应选择性反应级数：反应级数越大对浓度越敏感反应器形式活化能：活化能越大对温度越敏感反应温度（2）连串反应 第六章 复合反应CiABCt最佳收率（以PBR中的反应为例）复杂反应求解的思路 第六章 复合反应摩尔衡算: 写出每种物质的摩尔平衡方程式 摩尔流率（摩尔数）形式动力学: 写出各种物质的净生成速率化学计量学: 用摩尔流率（摩尔数）表示速率方程中的浓度 压降: 写出按摩尔流率得到的气相压降表达式联立: 使用 ODE方法求解常微分方程组稳态热量衡算方程 第八
9、章 稳态非等温反应器设计CSTR与PFR(PBR)不同一般可以忽略式中：稳态CSTR中的热量衡算方程 第八章 稳态非等温反应器设计稳态PFR（PBR）中的热量衡算方程 第八章 稳态非等温反应器设计稳态非等温反应器设计思路 第八章 稳态非等温反应器设计摩尔衡算方程动力学化学计量学能量衡算方程V=f(X,T)T=h(X)求解V或X，T具体计算公式请参考P345图8-4，P351表8-2，P359表8-3CSTR热稳定性多稳态分析 第八章 稳态非等温反应器设计QRGGRRGGRTTr: reactor temperature; 失控的判据：题型：求体积、转化率、时间、动力学按照步骤依次推导，最后带入
10、数据 解题一般思路针对某种形式反应器，写出摩尔衡算方程（设计方程）写出动力学方程（不可逆？可逆？净反应速率？）利用化学计量学，关联不同组分反应速率、浓度，考虑体积变化影响将化学计量学处理后的浓度带入动力学，将动力学带入摩尔衡算方程若非等温，根据反应器形式，写出热量衡算方程求解方程（组），求V，X，t，rA均可等温反应器设计习题 （不是最难的，但是最有代表性的） 苯醌（A）和环二戊烯（B）在298K下的液相加成反应为： ， 反应在全混流反应器中进行 液体进料速度是0.278 m3/ks 该反应为二级反应，动力学方程为 rA=kCACB ，k=9.92m3/(kmolks) 苯醌（A）和环二戊烯（B）的起始浓度分别为0.08和0.1 kmol/m3 若要求苯醌的转化率为87.5%，试求下述两种情况中反应器的体积： （1）单个全混釜； （2）三个等体积全混釜 例题
