解放军文职招聘考试化学反应工程教学大纲

四川大学化学工程系

梁    斌    教授 

 

绪论：

化学反应工程学科的研究内容

化学反应及反应器，反应器设计与反应器选择，化学动力学与反应器设计方程，反应器操作条件及操作方式选择，反应器理想与非理想流动状况，反应器稳定性，典型反应器分析

化学反应工程学科的历史

人类最早对反应的认识，单元操作（1920－），扩散、流动同反应耦合，Amsterdam反应工程大会（1957），反应动力学及动力学模型（1960－80），复杂反应网络分析与反应器放大，反应器非线性行为，反应分离耦合

 

第一章  均相反应动力学

 

反应速率及反应速率方程式

反应速率的定义，速度与速率，反应速率的容量性质和强度性质，反应速率与反应物转化摩尔数的关系，转化率的概念

反应速率方程，反应速率影响因素，

浓度影响：

质量作用定律，幂指数函数，反应级数、反应速率常数及其测定，浓度方程的积分形式

温度影响：

Van`t Hoff的温度系数，Hood仿Van`t Hoff方程提出的关系，Arrhenius经验式，Arrhenius方程的三种形式，活化能与指前因子的测定

复杂反应系统速率

可逆反应，可逆反应的平衡限制及最佳温度，平行反应，串级反应，选择性(平均、瞬时)，收率，浓度、温度对速率、选择性影响

反应机理与反应速率方程

什么是反应机理？反应机理与反应速率方程的关系

气固催化反应动力学

简单一级化学反应，理想表面，理想表面吸附，Langmuir吸附方程，表面反应动力学方程的推导，真实表面，Elovich表面假设，Temkin吸附方程，管孝男表面假设，Fruedlisch吸附方程，真实表面反应动力学推导

 

第二章 反应器内的流体流动与混合

 

几种理想反应器

间歇反应器，全混釜反应器，平推流反应器，不同反应器的体积计算和转化率计算，几种反应器的比较，不同反应器及反应器的组合

各种反应器介绍

试管、烧瓶、小型反应管、小型反应罐，实验室微分反应器、积分反应器，工业槽式反应器，工业管式反应器，填充床反应器，流化床反应器，浆状床反应器，移动床反应器…

均相反应器：气相、液相，非均相反应器：气液、气固、气液固、液液、固固，拟均相：固定床、流化床、乳化床

工业反应器与实验室反应器之间的差别：混合状态，浓度、温度分布，流速分布

三种典型反应器的设计

间歇反应器，连续流动置换反应器，连续流动理想混合反应器，几种典型反应器体积计算，反应器的设计原则：质量衡算、能量衡算、动量衡算

质量衡算：积累速率 = 输入速率－输出速率－反应消耗速率＋反应生成速率

间隙反应器：-dNA = VrAdt，NA = NA0(1-xA)，NA0dxA/dt=VrA

平推流反应器：连续流动、稳定，FA(y)-FA(y+dy)=rAdv，-dFA/dy=rAAc，FA = v0cA0(1-xA)

全混流反应器：均匀、集中参数，FA0－FA=VrA，V = (FA0-FA)/rA， = V/v0 = (cA0-cA)/rA

多釜串联全混流反应器：i = Vi /v = (ci-1-ci)/r， ＝ i V ＝ v

循环平推流反应器：* ＝ V/v1 = -c1c2(1/r)dc， = (1+R) *，R=0, 平推流，R，全混釜

非理想流动

全混流、平推流的流动特性差别，如何确定实际反应器与理想反应器之间的差别，流动统计规律的假设原则……随机性，停留时间的概念和描述，流动模型……理想反应器的组合描述，流体混合特性：宏观混合与微观混合，非理想流动对反应特性的影响

停留时间及停留时间分布

停留时间的定义，停留时间分布，停留时间分布函数及分布密度函数，反应器的年龄分布，理想反应器的停留时间分布，停留时间对转化率选择性的影响，停留时间分布测定，停留时间分布与流动模型，反应器的类型与不同反应器的差别

补充：概率函数的数学定义

停留时间分布的测定

脉冲法：E(t) = vc(t)/N0

阶跃法：F(t) = 0tE(t-  )d =c(t)/c0

流动模型对反应影响

流动模型对反应器体积影响：理想置换，理想混合，串级理想混合，扩散模型

流动模型对选择性影响

     

第三章 非均相反应动力学

 

非均相反应器的拟均相性质

固定床反应器的平推流性质，流化床反应器的全混釜性质

 

气固催化反应

气固反应器内的动力学问题

气体与固体的接触，流体的流动情况，气膜的形成和外扩散传质，微观性质，催化剂的多孔性，催化剂孔内的内扩散传质，催化剂表面的反应

气固催化反应的七个步骤

气体反应物通过滞留膜向催化剂颗粒表面的传质(外扩散)，气体沿微孔向颗粒内的传质(内扩散)，气体反应物在微孔表面的吸附，吸附反应物在催化剂表面的反应，吸附产物的脱附，气体产物沿微孔向外扩散，气体产物穿过滞流膜扩散到气流主体

不同步骤控制条件下的反应速率

表面反应速率: rA = k f(cA)，内扩散控制:  rA =  k f(cA)，有效因子的定义，孔内浓度的分布，温度效应，外扩散控制: NA = kG(cA0 - cAs)

扩散计算：费克定律，主体扩散系数计算，Knudson扩散计算，微孔扩散计算，有效扩散系数计算，孔隙率及弯曲因子的定义

有效因子计算

等温条件下有效因子计算：一级反应情况下平板、圆柱、球形及不规则形状催化剂有效因子计算，非一级反应情况下有效因子计算，Thiele模数，

非等温反应：能量衡算方程，绝热条件

内扩散对反应的影响：对选择性的影响，对反应级数的影响，如何利用或避免内扩散的影响

动力学方程时的测定

积分反应器，微分反应器，循环无梯度反应器，外扩散的消除，内扩散的消除，动力学模型的确定，动力学模型的拟合

 

气固非催化反应

缩芯模型的描述

假设：颗粒大小不变，反应物是无孔实芯， 球形颗粒

反应过程步骤：气相反应物通过气膜扩散到外表面；气体反应物通过产物层扩散到芯表面；气相反应物与固相反应物在表面反应生产固相产物S和气相产物F；气相产物通过产物层扩散到外表面；气相反应物扩散穿过气膜到达气流主体；

动力学模型建立，各步骤速率求解，模型判别与其他模型，过程控制的判别

其他模型

无产物层缩芯模型，整体反应模型，扩散界面模型，微粒模型，单孔模型，破裂芯模型

 

气液反应动力学

气液传质与气液反应过程，双膜理论，气液传质设备及气液反应器，气液吸收及解吸，化学吸收，气液反应过程

共同特征：加大传质面积－改进填料、塔件，强化传质－加强气体分散

气液反应过程的几个步骤：气相反应物相气液界面的扩散；气体反应物通过液膜相液相主体的扩散；液相反应物通过液膜相气液界面的扩散；气液反应物相遇后的液相化学反应；产物的逆传递。

浓度分布及速率方程：瞬间反应、快反应、中速反应、慢反应、极慢反应，增大因子

 

第四章 工业反应器的设计

 

几种均相反应器

间歇反应器、平推流反应器、理想混合反应器的设计方法。

反应器设计方程：质量方程，能量方程，等温反应器的设计方程，间歇反应器设计原理，等温平推流反应器设计原理，等温全混反应器设计原理

几种反应器类型的比较：转化率，选择性

 

非等温反应器的设计

非等温反应器的能量衡算方程：能量衡算，非等温间歇反应器，平推流管式反应器，全混反应器。

全混反应器的多重定态和热稳定性：

绝热反应器比较：可逆反应

 

第五章 气固催化反应器

 

固定床反应器的基本特征

固定床催化反应器描述：拟均相处理，平推流特性

固定床反应器内催化反应速率的表示方法：反应器生产强度，空速，以重量表示的反应速率，单颗粒催化剂反应量，单位微孔表面反应摩尔数, 反应频数(turnover)

 

气固催化反应器的动量传递

粒子直径与床层空隙率：当量直径，形状系数，床层空隙率，床层比表面积，水力半径

床层压力降：P = fM(gu02/de)[(1-)/3]L

摩擦系数：Ergun公式，其他公式，改善流动状况的方法

 

绝热固定床反应器设计

单段绝热固定床反应器的设计：可逆放热反应的最佳温度曲线，单段绝热T-X图，单段绝热固定床反应器的设计；固定床中的绝热温升，单段绝热床催化剂体积计算，单段绝热床最佳进口温度和校正因子

多段绝热固定床反应器设计：多段反应器的必要性，多段操作的三种冷却方式，间接换热优化条件（第一条件: r(xi,Ti) = r(xi,Ti+10)，第二条件: xixi+1[1/r(x,T)]/T）dx = 0），间接换热反应器设计步骤，原料器冷激反应器设计，非原料气冷激反应器设计；三种冷却方式的T-x图，三种冷却方式比较，反应器的热平衡问题。

 

换热式气固催化反应器

换热方式与温度分布，反应床层的传热系数，换热方式与温度分布，换热反应器与绝热反应器的区别，管内换热与管外换热方式，

固定床内的传热：床层有效导热系数，静止导热系数，壁膜给热系数，床层与器壁的传热系数，固定床总传热系数。

一维拟均相理想置换模型：平推流管式反应器（绝热，并流、逆流，无边界），套管式反应器。 

二维拟均相模型：同时考虑径向和轴向传递。

 

反应器设计中的结构问题

反应器内部构件：反应物的混合问题，催化剂的填充问题，反应器的热膨胀问题，反应器防腐与保温。

换热式反应器的结构设计：列管式催化床层，单管反应器，双套管反应器，三套管反应器，逆流换热与并流换热，各种反应器的温度分布