反應(yīng)工程復(fù)習(xí)要點

1、學(xué)習(xí)好資料歡迎下載燃燒，就是燃料和氧化劑之間產(chǎn)生劇烈的氧化反映，并且燃燒化學(xué)反應(yīng)受到流動、擴(kuò)散和傳熱過程的影響，特別是在工業(yè)窯爐內(nèi)進(jìn)行的燃燒過程更加復(fù)雜。燒成，就是把原料或坯件置于窯爐內(nèi)經(jīng)受高溫處理通過十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)最后變成人們所需的硅酸鹽產(chǎn)品?；瘜W(xué)反應(yīng)速率：單位時間內(nèi)單位反應(yīng)區(qū)域內(nèi)物料量的變化。r=反應(yīng)量/(單位時間X單位反應(yīng)區(qū))轉(zhuǎn)化率(反應(yīng)率)：表示反應(yīng)過程中的小時的反應(yīng)物摩爾量與初始反應(yīng)混合物中該細(xì)分的摩爾量之比。均相反應(yīng)是指在均一的氣相或液相中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，如氣體燃料和空氣充分混合后的燃燒就是典型的均氣反應(yīng)過程。分為簡單反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)?；磻?yīng)：任何化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生都必須以反應(yīng)

2、物分子之間的相互碰撞或直接作用為前提，如果在碰撞時一步就能直接轉(zhuǎn)變?yōu)樯晌锓肿?，則稱該反應(yīng)為基元反應(yīng)簡單反應(yīng)又稱單一反應(yīng)，是指一組特定的反應(yīng)物只形成一組特定的生成物的化學(xué)反應(yīng)。它可以是基元反應(yīng)，也可以是非基元反應(yīng)。大多數(shù)的無機(jī)反應(yīng)屬于簡單反應(yīng)，例如碳酸鈉與氫氧化鈣的反應(yīng)。簡單反應(yīng)的特點是只需要用一個化學(xué)反應(yīng)方程式和一個動力學(xué)方程式便能加以描述。具有募函數(shù)型的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型。復(fù)雜反應(yīng)又稱多個反應(yīng)，是指反應(yīng)混合物中同時進(jìn)行幾組不同的反應(yīng)，因此要用幾個動力學(xué)方程式才能加以描述。復(fù)雜反應(yīng)都是非基元反應(yīng)，即由兩個或兩個以上的基元反應(yīng)組合而成的。復(fù)雜反應(yīng)具有雙曲函數(shù)型的動力學(xué)模型。反應(yīng)級數(shù)是指動力學(xué)方

3、程式中濃度項的哥指數(shù)。一般情況下，級數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)保持不變，它的絕對值不超過三，可以是零或分?jǐn)?shù)，也可以是負(fù)數(shù)。反應(yīng)級數(shù)的實驗室測定：根據(jù)處理實驗數(shù)據(jù)的方法不同，可以分為積分法，微分法，半衰期法。反應(yīng)速率常數(shù)K是反應(yīng)物濃度等于1時的反應(yīng)速率，故稱為反應(yīng)的比速率。K=K0-e(-E/RT)K0:頻率因子(常數(shù))；E:活化能，J/mol;R=8.314J/(mol.k);K:kmol反應(yīng)活化能E表示為使反應(yīng)物分子“激發(fā)”到活化能狀態(tài)所需給予的能量。反應(yīng)活化能它表示為使反應(yīng)物分子“激發(fā)”到活化狀態(tài)所需給予的能量，只有活化分子之間的碰撞才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活化能的大小是表明化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行難易程度的標(biāo)志。

4、非均相反應(yīng)特點：1參加反應(yīng)的物料處于不同的相態(tài)之中，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在不同相的相界面上，因此必然存在物質(zhì)傳遞問題?；瘜W(xué)反應(yīng)速率受到傳質(zhì)過程的制約，而化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果又改變了物料的濃度分布，從而反過來又對傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響2化學(xué)反應(yīng)速率受到溫度的影響，而反應(yīng)的熱效應(yīng)又改變了反應(yīng)區(qū)域的溫度分布，彼此交替作用，使得化學(xué)反應(yīng)過程和傳熱過程緊密地結(jié)合在一起。同時傳熱和傳質(zhì)過程也是伴生的，這就使得非均相反應(yīng)比均相反應(yīng)要復(fù)雜得多3非均相反應(yīng)的種類很多，工業(yè)生產(chǎn)中常見的有氣一固催化反應(yīng)，氣一固非催化反應(yīng)，還有氣一液反應(yīng)，液一固反應(yīng)，和液一液反應(yīng)等。在硅酸鹽工業(yè)中大量出現(xiàn)的主要的非均相反應(yīng)是氣一固反應(yīng)4氣一固反應(yīng)一般需

5、要經(jīng)過經(jīng)歷五個步驟，假設(shè)以氣相反應(yīng)物A(g)和固相反應(yīng)物B(s)的化學(xué)反應(yīng)為例，生成的產(chǎn)物為氣相產(chǎn)物F(g)和固相產(chǎn)物S(s)即：A(g)+B(s)=F(g)+S(s)非均相反應(yīng)步驟包括：1A(g)由氣相主體向固體顆粒B(s)2A(g)在產(chǎn)物S(s)相內(nèi)的擴(kuò)散3在相界面上A(g)與B(s)的化學(xué)反應(yīng)4產(chǎn)物F(g)在產(chǎn)物S(s)相內(nèi)的擴(kuò)散5產(chǎn)物F(g)由固體顆粒表面向氣體主體傳遞。實際情況不一定都包括五步，例如無氣態(tài)產(chǎn)物生成時就不考慮第(4)和第(5)步驟。無固態(tài)產(chǎn)物生成時尚不必考慮第(2)和第(4)步驟。研究非均相反應(yīng)方法：1、非均相反應(yīng)過程的擬均相化，即把非均相反應(yīng)過程當(dāng)作均相反應(yīng)過程來處理

6、，常采用兩種處理方法：(1)效率因子法：以化學(xué)動力學(xué)為基礎(chǔ)，將傳遞過程的影響通過效率因子作修正(2)表觀動力學(xué)法：將化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和傳遞過程歸并在一起，求取反應(yīng)的總結(jié)果。2、控制環(huán)節(jié)的方法：若某一步驟的阻力比其他不走的阻力大得多，化學(xué)反應(yīng)速率就基本由這一步確定，未反應(yīng)速率的控制環(huán)節(jié)。燃燒反應(yīng)步驟1氧擴(kuò)散到燃料的表面2擴(kuò)散的氧被燃料表面所吸附3被吸附的氧與固體反應(yīng)生成被吸附的產(chǎn)物4產(chǎn)物自表面解吸5被解吸的產(chǎn)物姿表面擴(kuò)散開去燒結(jié)是由于加熱使粉末體顆粒相互粘結(jié)，經(jīng)過遷移擴(kuò)散導(dǎo)致物體致密化的過程，燒結(jié)發(fā)生在單純的固體物料之間，稱為固相燒結(jié)，而由液相參與的燒結(jié)稱為液相燒結(jié)流動傳質(zhì)指在表面張力作用下由于變形

7、，流動引起傳質(zhì)擴(kuò)散傳質(zhì)：質(zhì)點（或空位）在濃度梯度推動下傳遞物質(zhì)，稱為擴(kuò)散傳質(zhì)燒結(jié)三階段，最初階段（燒結(jié)初期），中間階段（燒結(jié)中期），最后階段（燒結(jié)后期）。燒結(jié)初期主要是由于顆粒的粘附作用引起顆粒間的鍵合和重排過程，空隙變形和縮小，但顆粒間仍以點接觸為主，總表面積沒有縮小，燒結(jié)中期包含著“頸部”互相連接，直到形成封閉的孔隙，燒結(jié)后期則可能最終排除封閉的孔隙，得到致密的燒結(jié)體。反應(yīng)裝置類型：一、按物料流動形態(tài)分類1平推流反應(yīng)器（PFR）2全混流反應(yīng)器（CSTR）（CMR）3多級組合反應(yīng)器4擴(kuò)散流反應(yīng)器。二，按氣固兩相接觸方式分類1固定床反應(yīng)器2移動床反應(yīng)器3流化床反應(yīng)器4噴騰床反應(yīng)器。三、按結(jié)構(gòu)特

8、征分類1立窯：窯體呈垂直豎立的圓桶狀2隧道窯：窯體呈長方形，水平放置，由窯墻，窯頂和窯車圍成碼燒坯體的窯內(nèi)空間，如同隧道，故得此名稱。3回轉(zhuǎn)窯：窯體是一個傾斜放置的回轉(zhuǎn)式圓筒。4池窯：窯體是一個水平放置的磚砌方形結(jié)構(gòu)，窯內(nèi)熔制玻璃料的部分如同長方形的浴池5倒焰窯：窯體是磚砌的方形或圓形構(gòu)造物，窯內(nèi)底座分布若干吸火孔，使煙氣經(jīng)此孔和煙窗排放。物料的流動：分為理想流動和非理想流動，平推流和全混流是兩種典型的理想流動模型，而偏離這兩種模型的流動都稱為非理想流動。流動模型：平推流模型、全混流模型、擴(kuò)散模型平推流是指物料在反應(yīng)器內(nèi)沿流動方向起頭并進(jìn)地向前流動，如同活塞在汽缸里朝前移動一樣。它的特點是，垂

9、直于物料流動方向上的任何截面上，所有的物系參數(shù)（如濃度和溫度等）都是均勻的，即同一個截面上各處的溫度，壓力，濃度和流速都分別相等，因而物料顆粒在反應(yīng)器中的停留時間都相等，并且等于全部物料通過反應(yīng)器所需要的時間，沿流動方向上的物料彼此完全不混合。全混流是指剛進(jìn)入反應(yīng)器的物料顆粒與已經(jīng)存留在器內(nèi)的物料顆粒能在瞬間達(dá)到完全混合的一種模型。特點：整個反應(yīng)器內(nèi)各處的物理性質(zhì)都是均勻一致的且和出口處的物料性質(zhì)相同，換言之反應(yīng)器中各處溫度和濃度都相同，且分別等于出口的物料溫度和濃度。但是物料顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間卻長短不齊，形成一個停留時間分布擴(kuò)散模型即在平推流流動中疊加一個渦流擴(kuò)散項，用一個軸向有效擴(kuò)散

10、系數(shù)De來表示一維的返混，并且作如下簡化假設(shè)。1與流體流動方向垂直的每個截面上具有均勻的徑向濃度2在每個截面上和沿流體流動方向，流體速度和擴(kuò)散系數(shù)均為一恒定值3物料濃度為流動距離的連續(xù)函數(shù)返混：進(jìn)入連續(xù)操作反應(yīng)器中的物料顆粒在器內(nèi)的停留時間長短不一，不同停留時間顆粒的混合稱返混。返混主要是指時間概念上的逆向混合，它與一般的攪拌混合是不同的兩個概念。通常把包含層流引起的不均勻流動在內(nèi)的返混現(xiàn)象稱為廣義的返混，而把不包含這種層流流動在內(nèi)的返混稱為狹義的返混停留時間：物料從進(jìn)入反應(yīng)器時起到離開反應(yīng)器時止所經(jīng)歷的時間停留時間分布對除平推流以外的各種連續(xù)式操作反應(yīng)器，由于存在返混，同時進(jìn)入反應(yīng)器的物料顆

11、粒在器內(nèi)的停留時間有長有短，形成一種分布，稱為停留時間分布。停留時間分布測定：階躍示蹤法（step）和脈沖示蹤法（pulse）停留時間分布函數(shù)，停留時間密度函數(shù)：物料在反應(yīng)器中的停留時間分布是一個隨機(jī)過程，為了進(jìn)行定量描述，根據(jù)概率統(tǒng)計理論采用兩種概率分布，即停留時間分布函數(shù)F（t）和停留時間密度函數(shù)E（t）年令是指存留在反應(yīng)器內(nèi)的顆粒從進(jìn)入反應(yīng)器到所考慮的瞬間為止已經(jīng)停留的時間長短，是針對仍然留在反應(yīng)器內(nèi)的顆粒而言的壽命是指物料顆粒從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器止的這一段時間，即顆粒在反應(yīng)器內(nèi)總共停留的時間，是針對已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料顆粒而言的。平均停留時間是指全部物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間固定床反

12、應(yīng)器凡是流體通過不動的固體物料所形成的床層而進(jìn)行反應(yīng)的裝置都稱作固定床反應(yīng)器。固定反應(yīng)器，他的反應(yīng)速度較快，用較少量的催化劑和較小的反應(yīng)器容積便可獲得較大的的生產(chǎn)能力。描述固化床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型很多，根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)可分為非均相和擬均相兩類。按照流體流動的溫度分布狀況，又有一維模型和二維模型之分。固定床反應(yīng)器有絕熱式和連結(jié)式兩種類型。流動過程：（一）固定顆粒的相當(dāng)直徑和床層空隙率；與顆粒外表面積、體積、比表面積相等的圓球直徑來表示顆粒的相當(dāng)直徑da空隙率：固定床層中顆粒之間的空隙（自由體積）與整個床層體積之比稱為空隙率£=（床層的體積一顆粒占的體積）/床層的體積空隙率主要決定于顆粒的形

13、狀系數(shù)s和填充方法，s越小，£越大。當(dāng)顆粒的粒度分布愈不均勻，所形成的床層空隙率就越?。活w粒表面越光滑，空隙率就越小。（二）流動特性：流體在床層中的孔道內(nèi)流動時，由于孔道的不均勻性及孔道特性的改變，流體漩渦運動的范圍受到床層空間的限制，從而不斷改變漩渦方向，在固定床層內(nèi)流動的流體的漩渦數(shù)目較之與床層直徑相等的空管中流動時要多得多。另一方面，在固定床層中存在部分死角，死角中的流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，即使是流動中的流體，由于孔道截面積不同，有可能某一部分孔道內(nèi)流體流動得快，而另一部分流動的慢。由于這些因素，是的固定床中流體的流動狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)入湍流時是一個逐漸過渡過程，二者之間存在著一個不穩(wěn)區(qū)，

14、一部分區(qū)域的流體可能處于層流狀態(tài)，另一區(qū)域則處于湍流。床層壓降：一是流體與顆粒表面之間的摩擦一一層流；二是流體流動過程中顆粒間孔道截面積突然擴(kuò)大和收縮及流體對顆粒的撞擊和流體的再分布一一高流速及薄層床中傳熱過程：固定床反應(yīng)器床層的傳熱性能情況對于床層內(nèi)的溫度分布，以及生成產(chǎn)物的速度和組成情況都有決定性的意義。固定床的傳熱實質(zhì)上包括了顆粒內(nèi)傳熱、顆粒與流體間的傳熱以及床層與器壁的傳熱等。研究固定窗的傳熱問題通常兩種處理方法：（1）分別測定床層的有效導(dǎo)熱系數(shù)入er和壁傳熱系數(shù)aw（2）將入er和aw合并測定整個固定床對壁的傳熱系數(shù)aw。（一）顆粒與流體間的傳熱系數(shù)（二）固定床的有效導(dǎo)熱系數(shù)入e（三

15、）固定床壁的傳熱系數(shù)a。及壁傳熱系數(shù)傳質(zhì)過程：（一）顆粒與流體間的傳質(zhì)N=KC（CG-CS）=KGa（PG-PS）;KC、KG傳質(zhì)系數(shù)，a催化顆粒比表面積（二）固定床中液體的混合擴(kuò)散：當(dāng)液體流經(jīng)固定床時，不斷發(fā)生著分散與匯合，這就形成了一定程度上的徑向與軸向混合擴(kuò)散Per=（dpm）u/Dr等溫反應(yīng)當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)不大，管徑較細(xì)，管外用傳熱良好的恒溫流體連續(xù)控溫時，反應(yīng)管內(nèi)各處可近似地看作等溫，通常所謂的等溫反應(yīng)器就是指這種情況流化床反應(yīng)器是應(yīng)用流化態(tài)技術(shù)建立的一種氣固相或液固相反應(yīng)裝置，即通過氣體（或液體）的流動使固體顆粒象流體一樣流過反應(yīng)器并完成化學(xué)反應(yīng)過程流態(tài)化現(xiàn)象是指固體顆粒依靠氣體或液體

16、而像流體一樣流動的現(xiàn)象流化床的結(jié)構(gòu)：流化床的基本結(jié)構(gòu)包括：床層、氣體分布器、內(nèi)部構(gòu)件和顆?；厥障到y(tǒng)等四個部分。流化床的特點1固體顆粒懸浮在氣體介質(zhì)中，氣固兩相接觸面積較大、有利于加快傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)過程的速率2固體顆粒和其他介質(zhì)之間存在強(qiáng)烈的相對運動，氣固兩相界面的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)較大，提高了反應(yīng)過程速率3固體顆粒處于強(qiáng)烈攪動狀態(tài)，床內(nèi)溫度容易維持均勻4固體顆?？梢苑奖愕赝递斔?，可以把物料的輸送和化學(xué)反應(yīng)過程合并在同一個反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行流化床反應(yīng)器缺點1氣體流動狀況容易產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象，尤其是當(dāng)較大氣泡流過床層和出現(xiàn)溝流、死床以及節(jié)涌等不正常情況時，造成氣固兩相接觸不良，故對流化床的結(jié)構(gòu)設(shè)計

17、和操作管理要求較高2固體顆粒接近于全混流運動，停留時間不一，也引起氣體的部分返混，影響了產(chǎn)品質(zhì)量的均一性和反應(yīng)過程的轉(zhuǎn)化率3固體顆粒容易相互撞擊而破碎，需要配備相應(yīng)的顆粒回收系統(tǒng)和收塵裝置，此外，固體顆粒的撞擊也會嚴(yán)重磨損反應(yīng)器壁。流化床的傳質(zhì)傳熱（一）顆粒與流體間的傳熱與傳質(zhì)（1）傳熱過程的特點及傳熱系數(shù)：流化床采用氣體與顆粒間的相對流速，而流化床中的相對流速不大所以傳熱系數(shù)不高，但是流化床中顆粒表面積大，即旗鼓接觸面積大，顆粒的循環(huán)速度高，顆粒需混合均勻，床層中顆粒熱容遠(yuǎn)比氣體高，這些都是流化床中顆粒與流體間的傳熱系數(shù)不高但傳熱速率很高的原因，也是傳熱過程中的重要特點。（2）顆粒與流體間的

18、傳質(zhì)：傳質(zhì)系數(shù)KG是一個重要參數(shù)，根據(jù)傳質(zhì)速率的大小，可以判斷過程的控制步驟（二）氣泡相與乳化相間的傳質(zhì)：在流化床反應(yīng)器中，氣泡相與乳化相間的氣體交換直接影響著乳化相中顆粒表面上的氣固反應(yīng)過程，相間傳質(zhì)速度與表面反應(yīng)速度的快慢對于合理選擇床型和操作參數(shù)有重要意義。流化床中的氣固流動：一、流化床的流體力學(xué)（一）流化床的壓降A(chǔ)P與臨界流化速度UmfAP=W/At,臨界流化速度Umf又稱最小流化速度是固定床階段轉(zhuǎn)變?yōu)榱骰搽A段的轉(zhuǎn)折臨界點（二）流化床帶出速度Ut與操作速度Uo,當(dāng)氣體流速增大到能使顆粒被氣流帶走時的速度成為帶出速度（或終端速度）Ut.流化床實際采用的U。與Umf之比稱流化數(shù)。一般U。/Umf=1.510,也有高達(dá)幾十甚至幾百的。（三）床層的膨脹在氣流速度增大時床層將發(fā)生膨脹現(xiàn)象，以膨脹比R來定量描述R=Lf/Lmf。二、鼓泡床理論（一）氣泡相與乳化相一般流化床反應(yīng)器中都是少部分氣體流動于固體顆粒之間，而大部分氣體則以氣泡的形式通過床層的，因此人們常把氣泡與氣泡以外的密相床分別稱作氣泡相與乳化相。（二）