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英语词性
生物必修一
化学反应工程
绪论
主要内容
化学反应的工程问题
研究对象和目的
研究对象
工业反应器
工业反应过程
核心：化学反应器
目的
工业反应过程的优化
在一定范围内（约束条件）选择一组合适的变量，使系统对评价标准达到最优
指标：技术指标，经济指标
研究内容
反应动力学部分
宏观动力学
在本征动力学的基础上，考虑反应器结构设计和操作条件、传热、传质以及动量传递和催化剂结构（内外扩散）对反应速率的影响后的反应速率
本征动力学
理想条件下研究化学反应进行的机理和反应物系浓度、温度、压力等参数对反应速率的影响，不考虑传递过程对反应过程的影响
温度效应：对反应速率的影响，体现在活化能上
浓度效应：对反应速率的影响，体现在反应级数上
工程因素对反应过程的影响
物料的流动状态
理想流动模型
非理性流动模型
质量传递
流体与固体催化剂的边界层处，流体不流动，扩散过程导致了反应场所浓度的变化
热量传递
引出了反应器的热稳定性、多态、灵敏度等问题
反应器部分
反应器设计与优化
反应器优化
反应器放大
三传一反是化学反应工程研究的主要内容
反指反应动力学
分类
反应类型
相态
均相
气相、液相反应
非均相
气-固
液-固
气-液
气-液-固
复杂程度
单一反应
复合反应
平行反应
连串反应
操作方式
连续操作
间歇操作
半连续
工业反应器类型
均相反应器
气相-管式反应器
液相-管式、釜式、塔式
非均相反应
气固相：固定床、流化床、移动床
气液相：搅拌釜式、塔式
气液固：涓流床、淤浆床
研究方法
数学模型
化学反应动力学模型
流动模型
传递模型
宏观动力学模型
化学反应动力学基础及气固相催化相反应本征动力学
基本概念
化学计量式
表示参加反应的各组分的数量关系
vi表示化学计量系数，此处均为正数
计量系数不应含有除1以外的公因子
化学反应式与化学反应方程不同，化学反应方程用箭头表示反应进行的方向
关键反应物
指参与同一反应的反应物中最重要的物质，又称限制反应
水汽变换反应(WGS)
CO为关键反应物，H2O是过量反应物
一般将关键反应物的化学计量系数写为1
关键反应物并不特指反应物，有时也是生成物
反应物经化学反应生成产物的过程用定量的方式
反应进度
反应进行的程度，单位是mol
复合反应不适合
平行连串反应
同时反应
反应物、产物都不相同
一种反应物同时形成多种产物
转化率x
普遍使用关键反应物A的转化率来描述整个化学反应进行的程度
选择性S
目的产物（单一反应不提）
收率Y
某一产物
独立反应数确定
经验法
物质数-元素数
原子矩阵求秩法
物质数-秩数
反应速率
单位时间、单位反应单元（体积、质量、面积等）反应物反应的量或生成物生成的量
瞬时反应速率
间隙反应（参量随时间变化）
等分子的气相反应
连续反应（参量随空间位置变化）
主反应：目的产物
气固相催化反应方程式
单位质量催化剂
各组分反应速率存在以下关系：
单位反应面积
重要概念：空速
单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流量
空速越大说明反应器的处理能力越强
接触时间（空时）
空时单位：h
化学反应动力学方程
定量描述反应速率与影响反应速率的因素之间的关系式
对于特定反应体系，反应速率受温度、浓度、压力的影响
表示为：r=f(c,T)或r=f(p,T)
两种模型
机理模型
据质量作用定律直接写出，适用于基元反应
幂函数模型
是一种经验模型，适用于非基元反应
反应速率常数K
与温度的关系
阿伦尼乌斯方程：
活化能决定了温度对反应速率的影响程度，活化能越大，温度对反应速率的影响越大（温度效应）
k的单位
导出单位，与反应速率、组成的单位、反应级数有关
能根据给出的k的单位判断出某反应的反应级数
温度对反应速率的影响
不可逆反应
T升高则k增大，所以rA增大
y===摩尔分率
可逆反应
（半经验式子）
可逆吸热反应
T升高，rA增大
可逆放热反应
T升高，rA先增大后减小
存在最佳反应温度Top，使反应速度达最大值
平衡温度
小结
反应速率随xA升高而降低（所有反应)
k随T的升高而增大
对于不可逆反应和可逆吸热反应，T升高，r增大
对于可逆放热反应，组成一定的情况下，反应速率随温度升高先增大后减小，存在最佳反应温度
存在平衡曲线和最佳温度曲线
气固相催化反应本征动力学
进行的过程
反应物的外扩散
在 催化剂孔道内的内扩散
反应物催化剂表面吸附
反应物催化剂表面发生反应
生成物在催化剂表面脱附
化学吸附（包括吸附和脱附）是气固相催化反应本征动力学的基础
生成物在催化剂孔道内内扩散
生成物在边界处的外扩散
化学吸附的动力学模型（化学吸附速率方程）
表面覆盖度
空白度
吸附速率三要素
单位表面上气体分子碰撞数（与分压pi成正比）
吸附活化能（与吸附常数ki,a有关
表面空白度
脱附速率两要素
脱附活化能
理想吸附模型
假设
每个活性位具有相同的吸附能力
吸附分子间没有相互作用
吸附和脱附间可建立动态平衡
速率方程可简化
分情况计算
气相中只有组分A吸附
吸附速率
脱附速率
吸附达平衡时
多组分同时吸附
某组分解离吸附
吸附过程中，被吸附分子发生解离现象，由分子解离为原子，这些原子各占据一个活性位
Langmuir解离吸附等温方程
均匀表面吸附动力学方程的机理模型
原则
定态近似
总反应速率等于控制步骤的速率
其他过程近平衡
并不表示反应顺序
从不同的速率控制步骤推导上述反应的动力学方程
某反应物的吸附为控制步骤
整个反应的速率
平衡反应
Ks为表面反应平衡常数
某生成物的脱附为控制步骤
表面反应为控制步骤
特定条件下，气固相催化反应动力学推导
速率方程步骤
根据文字描述该反应的反应步骤
确定速率控制步骤，以该步的速率表示反应速率，并写出该步的速率方程
其余步骤视为达到平衡，写出各步的平衡式，将各组分的覆盖度转变为各组分分压的函数
根据空白覆盖的和各组分覆盖发之和等于1 ，将空白度变成各组分分压的函数
代入即可求得
速率方程形式可概况为
动力学项指反应速率常数，是温度的函数
推动力：对于可逆反应，表示离平衡的远近，对于不可逆反应，表示反应进行的程度
吸附项：表明哪些组分被吸附和吸附的强弱
注意事项：
不能有除1以外的公因子
如果方程中只有一个，对应的速率方程写空白度
主题
气相中组分i的化学吸附速率方程
特指反应物的吸附速率，生成物反过来即可
基元反应
非基元反应
指数为反应物和产物的反应级数，由实验测定，反映了浓度对反应速率的影响程度（浓度效应）
