反应工程基础程易期末复习

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1、反应工程期末复习2013.6.13 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 考试范围 内容：前八章、非理想流动+非均相催化+固定床+流化床 题型、题量：判断题，选择题，填空题，计算题 考试安排：时间：6月24日（星期一）下午2:30-4:30 地点：一教201 考试范围 答疑安排：时间：6月23日9:00-11:00、24日9:00-11:30 地点：工物馆324东会议室 作业：标准答案及作业完成情况将上传到网络学堂，请将作业补齐，截止时间：6月23日上午11:00。助教联系方式：徐鹏程：13810355385 曹晨熙：15120003088 工物

2、馆315ACH.1 Mole balancesCH.2 Conversion&reactor sizingCH.3 Rate laws&stoichiometryCH.4 Isothermal reactor designCH.5 Collection&analysis of dataCH.6 MultiplereactionsCH.7Mechanismsbioreactions.CH.8Steady state heat effectsCH.9Unsteady state heat effectsCH.11 Catalysis&catalytic reactorsCH.9 Residence

3、 Time distributionCH.10 Nonideal reactorsCH.12 External diffusionCH.13 Diffusion in porous catalystsMultiple reactions with heat effectsCH.14 Fixed-bed ReactorCH.15 Fluidized Reactor前八章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第七章 反应器设计的一般步骤 题型：求体积、转化率、时间、动力学 按照步骤依次推导，最后带入数据 解题一般思路针对某种形式反应器，写出摩

4、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

5、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CBA 等温反应器设计循环反应器FA0XA0=032R2FA3FA00XA0=02AXFA2PQV*Plug flow,V210AAXAXAAdXVFrFA1XA1FA2XA2A2A2XXA121ARXXR22101AAXARXRAAdXVRFr 非基元反应动力学准稳态假设准稳态假设，酶反应机理准稳态假设：设定活性中间产物活性中间产物的生成速率等于0 活性中间产物：具有高的反应活性，且以低浓度存在求解速率方程步骤：1.确定活性中间产物2.将反应机理中的每个方程视为基元反应3.写出目的产

6、物的生成速率方程和活性中间产物的速率方程4.应用准稳态假设5.联立方程，消去中间产物的浓度项非理想流动(第九章、第十章)理想反应器 vs.非理想反应器 停留时间分布的数学描述 理想反应器及其组合的RTD 宏观混合 vs.微观混合 非理想反应器模型（预测转化率）重点概念理想反应器 vs.非理想反应器 理想反应器 4种（前8章内容）间歇釜CSTRPFR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

7、.径向理想混合、轴向无返混、无时间返混 非理想反应器 非理想性源于众多因素：如：非理想流动，非理想混合 非理想反应器描述：停留时间分布、混合程度、反应器模型 本章重点考虑因素：停留时间分布（RTD）理想反应器 vs.非理想反应器 RTD数学描述的获得 统计学概念，流动非理想性总体效果 实验测量法：注入示踪剂 对所有类型的实际反应器 脉冲注入法、阶跃注入法 C出口、C入口与t的关系 示踪方式不影响RTD特性停留时间分布的数学描述 停留时间分布密度函数E(t)00()()()()()()()tmc tE tF tE t dtEt E tc t dt停留时间分布的数学描述脉冲示踪：阶跃示踪：C(t)

8、为出口浓度0()()()()()()c tdF tF tE tFF tcdtC(t)为出口浓度C0为阶跃浓度 RTD函数的数字特征 停留时间分布的数学描述平均停留时间：方差：01001()()()NiiiimmNiiit cttE t dtttE t dttE t dtct密闭体系=tm22222220000()()()()()mmmt c t dtttE t dtt E t dtttc t dt 无因次RTD函数：停留时间分布的数学描述无因次停留时间：()Et()()EE t 0()1Ed/1()tE te()()EE te 理想CSTR：理想反应器RTD/1()()tE teEe/()1t

9、F te 22mt0()()()()E ttF tE t dt20mt233()()0.52E tEt2221()1()144F tFt RTD特性曲线RTD特性曲线RTD特性曲线CSTR：PFR：层流反应器：间歇釜理想反应器组合的RTDnCSTRs：123Pulse1/()(1)!intnitE ten1()()()(1)!nnn nEE ten 0itVnv 理想反应器组合的RTDRTD特性曲线CSTR+PFR：-()/0 ()psPtPstE tetCSTRPFRPFRCSTRE(t)tPFR1/CSTR 宏观混合：RTD 微观混合：不同停留时间的分子间的接触情况 完全离散（宏观流体）：

10、不同停留时间的分子（流体微团）之间没有进行混合（传质）每个流体微团视为一个小间歇釜，利用间歇釜的物料衡算式及反应动力学，可推导t的关系；又称离析流。例：颗粒流。最大混合（微观流体）：不同停留时间的分子（流体内的分子）之间完全混合（可自由运动）考虑流体微团之间的传质，即考虑分子扩散。宏观混合vs.微观混合非理想反应器模型模型：便于计算；等效性！而非真实性！混合程度实际反应器特点非理想反应器模型非理想反应器模型RTD 转化率转化率出口浓度出口浓度Kinetic data Model 反应器模型反应器模型单参数模型：a.多釜串联模型 b.返混扩散模型 零参数模型：a.离散模型 b.最大混合模型 两参

11、数模型：理想反应器组合模型非理想反应器零参数模型 离散模型（宏观流体）利用X(t)与RTD特性计算 最大混合模型 0()()XX t E t dtE(t)具体形式：1）实验获得；2）几类特殊反应器，E(t)有现成表达式：CSTR、PFR、层流0()()1()AArdXEXdCF非理想反应器零参数模型 离散模型与最大混合模型比较 AAnrkCA1AAnrnkCC 2A2A2A1nrn nkCC1n 2A2A0rCsegmmXX0n 2A2A0rCsegmmXX01n2A2A0rCmmsegXX非理想反应器单参数模型 多釜串联模型 n,A inA outiA outFFVr2221nn:calcu

12、lated from RTD一级反应:11(1)niXk 0iVnn:整数，非整数TISSegMMXXX 非一级反应:n:整数知道RTD即可非理想反应器单参数模型 返混扩散模型 UlPeDe对流传质速率扩散传质速率物理意义：定向流/返向流Pe越大，定向流越强，接近平推流Pe越小，返混越强，接近全混釜 边界条件：Peclet数：Da=0Da0Da=0z=0z=Ldispersionz=LDa0Da0Da0z=0dispersion密闭容器密闭容器敞开容器敞开容器非理想反应器单参数模型计算步骤：224exp(Pe/2)114Da/Pe(1)exp(Pe/2)(1)exp(Pe/2)rrrrqXqqqqq 2,mtPe2Pe2222(1)PePermrretmt222201()()mtE t dtt密闭体系:敞开体系:22228PePemrrt2(1)Pemrt222201()()mtE t dtt利用Pe，以及浓度、动力学信息求解非一级反应，数值求解一级反应，Danckwerts边界，解析解RTD非理想反应器两参数模型 带死区、旁路的CSTR CT0,0bCT0CTSVd=(1-)V12CT0=b+sVs=(1-)0 Vs=V/sVV0/bRTD0011lnln1TTTCtCC20(1)1(1)AACXCk 一级反应：