2022年化学反应工程知识点讲义2.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全学问点 1. 绪论一、主要讲解内容介绍化学反应工程相关的基本学问,包括化学反应工程的定义、化学反应工程学科 的进展、化学反应工程的任务、化学反应工程和其他学科的关系；二、学习要求 本章要求同学能够把握化学反应工程的定义,明确化学反应工程的任务；三、视频（已录制完成）四、讲义 1.1 化学反应工程的定义 在工业规模上开发和应用化学反应的工程活动；1.2 化学反应工程学科的进展 自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类,物理过程不牵涉化学反应,但化学过程却总是与物理因素有着紧密联系；综合体；所以化学反应过程是物理与化学两类因素远溯古

2、代,陶瓷制作、酿酒等工艺,但直到本世纪五十岁月始终仍未形成一门特地 讨论的独立学科, 到 1957 年举办的第一次欧洲反应工程会议上确立了这一学科的名称；1.3 化学反应工程的任务化学反应工程学是一门讨论化学反应的工程问题的科学,既以化学反应作为讨论对象,又以工程问题为讨论对象,把二者结合起来的学科体系；其主要任务包括：分析化学反应的特点、确定合适的反应条件；挑选合适的反应器并对其进行最优化设计；对反 应器进行最优操作和掌握；1.4 化学反应工程和其他学科的关系a. 数学,微积分、方程的解析求解和数值求解、极值问题等,均是化学反应工程问 题求解的基础；b. 反应动力学：特地阐明学反应速率与各项

3、物理因素（如温度、压力、催化剂等）之间的定量关系；为实现某一反应,要选定合易的条件及反应器的结构型式、尺寸和处名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全理才能等,这些都依靠于对反应动力学特性的熟悉；c. 化工热力学：确定物系的各种物性常数（热容、研所引资、反应热等）,看化学反应是否能进行及其反应程度； 为化学反应工程供应反应热、 反应平稳常数等基础数据；d. 催化作用e. 传递工程和流体力学：装置中有动量、热量、质量传递（三传）,当规模放大时,显现放大效应；“ 三传一反” 是三传和反应动力学；五、小结本章介绍了化

4、学反应工程的定义、学科的进展、任务极其与数学、化工热力学、催化作用及传递工程等学科之间的亲密关系；六、自测题名师归纳总结 1.三传一反是指动量传递、热量传递、质量传递和反应动力学；第 2 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全学问点 2. 计量方程及反应分类一、主要讲解内容 主要介绍计量方程的含义,并对反应从不同的角度进行分类；二、学习要求把握计量方程的含义,把握不同的反应分类方法；三、视频（已录制完成）四、讲义 1. 化学计量方程 计量方程是表示各反应物、生成物在反应过程的计量关系的方程；化学计量方程仅 是表示由于反应而引起的各

5、个参加反应的物质之间量的变化关系,计量方程本身与反应 的实际历程无关；计量方程两侧同乘以一非零的系数后,可得一个计量系数不同的新的 计量方程；2. 反应分类 反应可依据不同的方式进行分类：a. 依据参加反应的相数分类 可分成均相反应和非均相反应；均相反应：参加反应的相数为1,例如在均一的液相或气相中进行的反应；非非均相反应：反应的进行需要至少两相或两相以上存在（不肯定各相都参加反 应）；b. 依据催化作用分类 可分成催化反应和非催化反应；例：煤球的燃烧为非催化非均相反应,石油的催化 裂化催化反应为非均相反应；c. 依据计量方程的个数分类 可分成单一反应和复合反应； 只用一个计量方程即可唯独的给

6、出各反应组分之间的变化关系的反应体系为单一反应；必需用两个或多个 计量方程方能确定各反应组分在反应时量的变化关系的反应,称为复合反应,例如：CO+2H2=CH3OH CO+ 3H2=CH4+ H2O 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全d.依据反应中体积的变化分类可分为恒容反应和变容反应,例如恒温、恒压、恒摩尔的气相反应为恒容反应,压力不是很高的情形下的液相反应；e. 依据反应的热效应分类可分为吸热反应和放热反应f. 依据反应的可逆性分类可分为可逆反应与不行逆反应；g. 依据反应机理分类可分为基元反应与非基

7、元反应；计量方程能够表示反应机理或实际的反应历程的反应为基元反应；计量方程不能够表示反应机理的反应为非基元反应,非基元反应可以假定为一系列的基元 步骤；例如Br 2 H 2 2 HBr 可看假定为如下的基元步骤：Br 2 2 BrBr H 2 HBr HH Br 2 HBr Br五、小结计量方程是表示各反应物、生成物在反应过程的计量关系的方程,计量方程与反应历程之间无必定联系；化学反应依据不同的基准可分为不同的类别,把握各种反应分类的基准；六、自测题1. 化学计量方程反映的是A ；A. 反应中各反应物、产物之间的计量关系；B. 实际的反应历程；2. 基元反应和非基元反应之间的区分在于A ；A.

8、 计量方程是否反映了实际的反应历程；B. 表示反应所需的计量方程数不同；C. 参加反应的相数不同；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全学问点 3. 反应速率及动力学方程一、主要讲解内容 本部分介绍了反应速率的定义方法、反应速率方程的形式、反应级数和基元反应分 子数、反应速率对温度的依靠关系；二、学习要求 把握反应速率的定义式,明白两种反应速率方程的形式,把握反应级数和基元反应分子数之间的区分和联系,把握Arrehenius定律；三、视频（已录制完成）四、讲义 1. 反应速率 反应速率定义：r i1dNimo

9、les i formedmol/m3.s Vdtvolume of fluidtime其中, i 关键组分；dNidt 时间内反应生成的 i 的摩尔数；V反应器的有效体积； 对于气相反应： 流体体积 =反应器有效体积 =反应器体积；对于液相反应：流体体积=反应器有效体积,但不肯定等于反应器体积；是正值；对于对于任意的反应,例如, AR,对反应物,dNA为负值 ,而产物dNRdtdt反应物,为了保证速率数值为正,反应速率通常表示为:r i1dNi；Vdt对于恒容的情形,r i1dNidC i；Vdtdt依据计量方程可得给定反应中各个物质反应速率之间的关系：名师归纳总结 即： rA : rB :r

10、 R:r Sa b r saAbBrRsS第 5 页,共 11 页rAr BrRrSabrs- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全其他速率定义方式：对于流固非均相反应,以其中固体的质量为基准：r i1dN imol/kg 固体.s Wdt其中 W固相质量, kg；对于两流体体系或者流固反应体系：其中 S界面面积 , m 2; r i1dNimol/m2.s S dt针对流固反应体系：其中 Vs 固相体积, m 3；r ir i1dNimol/m3solid.sV SdtdN1imol/m3.s V rdt其中 Vr 反应器体积, m 3；不同基准

11、的速率之间的关系：V r iW riS r iV riV r i2 速率方程 /动力学方程 均相反应动力学是讨论各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率 反应产物分布的影响,并确定表达这些因素与反应速率间定量关系的速率方程；irf C T Cat,.目前主要考虑温度、浓度的影响；其它影响因素视为恒定：ir f Concentration Temperture 第一考虑单一反应,动力学方程的形式分为双曲函数型与幂函数型；1）双曲型动力学方程 双曲函数型动力学方程由反应机理导得；例如：名师归纳总结 HBrk 1CH2C1 1Br 2第 6 页,共 11 页k2CHBrCBr2- - -

12、 - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全依据反应机理可将反应分类为基元反应和非基元反应,对于基元反应,aAbBProducts动力学方程可直接写出,动力学方程与计量方程之间存在对应关系：r Ak C AaCBbrA : rBa b 得ArBk C BAaCBb其中, a+b 分子数,只能是 1、2 或者 3,不行能大于 3；由 kA:kBa b ；留意：a. 如下的两个基元反应不等价：AB分子数为 1 2A2B分子数为 2 b. 分子数只能是整数例如反应A1BR,动力学方程为rAk C CB1,计量方程和动力学方程之间22存在对应关系,但是该反应假如是基元反

13、应,就显现了分子数为小数的情形,所以该反应确定不是基元反应；对于非基元反应,通常可假定为一系列的基元步骤；例如Br 2H22HBr可看假定为如下的基元步骤：Br 22 BrHBrHBrH2HBr 2HBrBr实际上真正的反应历程是不是这样,其中存在很大的不确定性；这些基元步骤中涉 及到了 Br 及 H 等这样的中间物种, 实际反应中涉及的中间物种是不是这些？我们并 不能确定,其中的缘由有以下几点：a. 中间物种寿命特别短暂 , 很难捕获到其存在的信息；b. 其浓度特别低,低于一般的仪器设备的检测极限；c. 中间物种不具有正常化合物的结构和性质,即使有时候我们能够检测到一些信 息,也很难确定这些

14、物种到底是何物；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全所以我们所说的反应机理通常具有很大的主观性；2 幂函数型动力学方程幂函数型动力学方程通常由体会推出：rkCACB其中 k速率常数； 、分别为 A 和 B 的反应级数； + 总反应级数；留意：幂数型动力学方程中通常未排除传递过程的影响；通常只能在试验范畴能使用,外延使用范畴需谨慎；此类动力学方程和计量方程之间无必定联系；幂数型动力学方程可视为双曲型的特例,例如对于如下双曲型动力学方程,当k CAn1时,变为幂数型方程rr1kCAmAn1时,变为幂数型方程rk

15、CAm；k CAnk Cmn,当k CA可以说该反应可视为一个变级数反应,反应级数在m-n 和 m 之间变化；又例如：当k CAm1r1kC Amm0 级,这也是零级反应通常k C A（或 CA 很高）时,该反应动力学方程变成存在的范畴,即高浓区；对于如下幂数型动力学方程,nr A kC A mol/m 3.s 可推得动力学常数 k 的单位为 浓度 1-n时间 -1,例如 1 级反应, k 的单位应为 s-1,2 级反应, k 的单位应为 m 3.mol-1.s-1,0 级反应, k 的单位应为 mol.m-3s-1；其中的反应级数通常 3 , 可以是正数、 负数、零或者小数； 反应速率常数

16、k 通常满意 Arrehenius定律,k k e 0 E RTm其中 k0指前因子或频率因子；k 0 T , 0 m 1E活化能,大于零, J/mol；由 Arrehenius定律两侧求对数得,Elnk 0lnkRT即,lnk1/T 成线性关系,如图2-1 所示,其斜率为 -E/R,截距为 lnk0,从而依据不名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全同温度下的速率常数数据可由上述直线关系求得指前因子k0和活化能 E；但是需要留意,由此得到的 k0 和 E 值尽量限于此试验温度范畴之内,如用于其它温度范畴需要谨

17、慎,这是由于通常我们会发觉在较宽的温度范畴内,lnk1/T 的关系会发生变化, 参见图 2-2,之所以会有这样的变化其中的缘由可能有 3 个方面：速率掌握步骤发生转变；机理发生转变；速率常数中包含了平稳常数；lnk lnk0 lnk Slope=-E/R 1/T 1/T图 2-1 lnk1/T 之间的线性关系 关于活化能,有几点说明：图 2-2 宽温度范畴内 lnk1/T 之间的关系活化能反映了反应速率对温度的敏锐程度；活化能越高,反应对温度越敏锐 ; 低温下反应对温度的敏锐性较高温下更强；指前因子 k0几乎不影响反应对温度的敏锐性；对于复合反应,动力学方程的写法与单一反应类似,例如：AkBr

18、ArAkCAnk CBmkk CAnk CAmA k1 R ,k2 S rAk CAnk CRmk CAnk1 k2 r RA RS,r Sk CRm四、小结1. 反应速率定义：名师归纳总结 r i1dNimoles i formedmol/m3.s sS第 9 页,共 11 页Vdtvolume of fluidtime2. 依据反应计量方程可知各个反应物速率之间的关系,aA bBrR- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全rAr BrRrS即： rA : rB :r R:r Sabrsa b r s3. 基元反应,aA bBProducts 动

19、力学方程与计量方程之间存在对应关系：r Ak C AaCBbArBk CAaCBba+b称为分子数,只能是1、2 或者 3,不行能大于 3；4. 幂数型动力学方程,r A kC A nmol/m 3.s 动力学常数 k 的单位为 浓度 1-n时间-1,例如 1 级反应, k 的单位应为 s-1,2 级反应, k 的单位应为 m 3.mol-1.s-1,0 级反应, k 的单位应为 mol.m-3s-1；5. 反应速率常数 k 通常满意 Arrehenius定律,k k e 0 E RT其中 k0指前因子或频率因子；k 0 T m , 0 m 1；E活化能,大于零,J/mol；活化能反映了反应速

20、率对温度的敏锐程度；反应对温度的敏锐性较高温下更强；指前因子五、自测题判定对错活化能越高,反应对温度越敏锐 ; 低温下 k0 几乎不影响反应对温度的敏锐性；1、 某反应速率常数的单位为 mol / m 3.hr,该反应为二级级反应；（X）2、 某反应的计量方程为 A R S ,就其反应速率表达式为 r A kC ；（X）3、 反应级数可能大于 3；（X）4、 基元反应的分子数只能是整数,不行能是 0.5；（）5、 对于反应 A 2 B 2 R ,各物质反应速率之间的关系为：-r A:-rB:rR2:1:1；（X）6、 据阿伦尼乌斯定律,活化能越大,反应对温度越不敏锐；（X）7、 指前因子理论上与温度有关,但与指数项相比其随温度的变化可以忽视,活化能的名师归纳总结 取值永久都是正的；（）第 10 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学问点大全8、 对于任何反应, AB 和 2 A2B 表示的是同一个反应（X）名师归纳总结 9、 反应级数仅仅是一个体会值,可以是任何数值；（X）第 11 页,共 11 页- - - - - - -