重庆科技学院李忠蔚化学反应工程

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1、化学反应工程每一个工业化学工艺是用来设计经济生产想要的产品(从各种起始原料通过一系列加工步骤)。如图１、１所示的一个典型情况。原料经历大量的物理处理步骤把他们加工成为一种能被化学处理的形式。然后通过反应器。反应产物必须经过进一步的物理处理――分离、提纯等。――为了得到最终想要的产品。对于物理处理步骤的装备设计在单元操作中研究。在这本书我们将考查工艺的化学处理步骤。经济上它可能无关紧要的可能是简单的混合罐，然而，经常化学反应步骤是工艺的核心，它可以造成或破坏经济工艺。反应器的设计不是线路问题，对于一个工艺可能有许多可替换的反应器设计。

2、寻求最佳并不是正好是反应器最小化的价值。一个设计可能有低的反应器价格，但离开单元的物质可能是它们处理要求一个更高价格比可替换设计。这样，要考虑整个工艺的经济。反应器设计使用的信息、知识、经验来自于各个领域――热力学、化学动力学、流体力学、热交换、物质传递和经济。化学反应工程是综合这些因素设计合适的化学反应器。要知道反应器能做什么我们需要知道动力学，接触方式和操作方程。这本书处理找到对输入与输出关系各种动力学和各种接触方式的表达式，或输出＝（输入、动力学、接触）这称为操作方程。为什么重要？因为用这个表达式我们能比较不同设计和不同条件（

3、状况），找出哪一个最好，然后按比例增大单元。反应分类这里有许多化学分类方法。在化学反应工程里可能最有用方案是根据涉及到的相的数量和种类分类，最大分类是非均相系统和均相系统。如果反应一直只有一种相态则是均相反应。如果要求至少存在两种相态去进行在那个速率的反应是非均相反应。反应是以单相、两相或多相发生反应，在界面，或是否反应物和产物是分布于各相之中或所有的以单相结合。所有这些计算是对于反应进行必须至少两相。有时这种分类不能清楚划分关于生物反应的分类，酶作用物反应。这里酶作为催化剂在生产蛋白质和其它产品。由于酶本身是高度复杂的大分子量胶体

4、蛋白质，尺寸大小为10~100nm，含酶溶液代表均相和非均相体系之间的一个灰色区域。对于均相和非均相体系之间区别的另外一个例子不明显，非常快的化学反应，如气体燃烧，浓度和温度存在大大的不均匀。严格的说我们不存在单一相，对于单相暗示自始自终均一温度、压力和浓度。去回答关于如何划分这些不明确的事情的问题是简单的。取决于我们选择怎样去处理它们，这样反过来取决于我们认为哪种描述更有用。这样仅仅在指定情况的这一方面我们能决定如何去最好的处理这些边界情形。与这种分类方法相反的是催化反应，它的速率是随既不是反应物也不是产物的物质而变化。这种外来物

5、质，称作催化剂，需要存在的量并不大。催化剂的作用有点走中间，既阻碍也加速反应进行当整个变化相对比较慢时。表1.1显示的是根据我们的计划对每种类型的特殊反应的几个例子的化学分类。变量对反应速率的影响许多变量可以影响化学反应速率。在均相体系温度、压力和组成明显的变量，在涉及到不至一相的非均相体系；然后，问题就变得更复杂。物质在反应期间可能从一个相态变成另一个相态；然后，物质的传递速率变得重要。例如，在煤块的燃烧中，氧气通过周围的颗粒的气层扩散，通过粒子表面的灰层，在限制反应速率中起非常重要的作用。另外，热传递速率也可以成为一个因素。例如

6、，考查发生在多孔催化剂球内表面的放热反应，如果反应放出的热不能被及时移走，那么在小球内部将发生严重的温度分布不均，它反过来将产生不同的点反应速率不同。这些热和物质传递影响成为日益重要的加快反应速率，在十分快速的反应中，如燃烧火焰，它们成为控制速率。这样，在决定非均相反应速率中，热和物质传递起作非常重要的作用。反应速率的定义我们接下来问：如何以有意义和有用方式定义反应速率。回答这个问题让我们接受大量速率方程的定义，所有的都是相互关联和集中的而不是广泛的测量。但是首先我们必须选择一个反应组分来考查和定义速率，根据这个组分i。如果由于反应

7、这种组分的摩尔量改变速率是，然后以它的变化形式来定义反应速率如下：以一个单位体积的反应流体为基础在液—固体系中以固体重量为基础以两液体体系的界面为基础或在气固体系中以固体表面为基础单元。在均相体系中，反应器中的流体体积经常等于反应器体积。在这种情况下，V和VR是相一致的。方程2和方程6可以互换使用。在非均相系统会遇到以上所有的反应速率的定义，在一些特殊情况下使用这些定义经常是方便的问题。从方程2到方程6这些集中的反应速率的定义是相关的。化学反应速率有些反应发生得非常快，其它的非常非常慢。例如，在聚乙烯生产中，我们最重要的塑料之一，或

8、者在用原油生产汽油中，我们希望反应步骤都以一步完成，同时废水处理，反应可能日复一日的去做这个工作。图1.3显示的是发生哪些反应的相对速率。给你一个近似的相关速率或相关值，处理下水道中污物和火箭工程相对值中，它们是等价于1秒到3年这么大