1、第四章第四章 工業化學反應過程及反應器工業化學反應過程及反應器第一節第一節 概述概述第二節第二節 理想反應器及其計算理想反應器及其計算三三傳傳一一反反本章主要內容：本章主要內容：1. 簡要介紹化學反應工程學研究的內容和方法、反應器的分類、理想流動模型和理想反應器的概念；2. 重點介紹幾種理想均相反應器的特性和基礎設計方程，以及反應時間、反應器體積和轉化率的計算；第一節第一節 概概 述述一、化學反應工程學的基本任務和研究方法一、化學反應工程學的基本任務和研究方法二、化學反應過程和化學反應器的分類二、化學反應過程和化學反應器的分類三、理想均相反應器三、理想均相反應器四、物料在反應器內的流動模型（理

2、想流動模型）四、物料在反應器內的流動模型（理想流動模型）反應系統的測量與控制反應過程動態特性工程控制傳遞工程反應器中流體流動、混合、傳熱和傳質最佳化化學工藝流程與設備反應工藝路線催化劑反應條件反應器的設計反應技術開發化學反應工程反應動力學化學熱力學化學反應過程分析一一、化學反應工程學的基本任務和研究方法、化學反應工程學的基本任務和研究方法是化學工程學的一個分支，常簡稱為反應工程。是化學工程學的一個分支，常簡稱為反應工程?；瘜W反應工程范圍示意圖：化學反應工程學的基本任務：化學反應工程學的基本任務：（1）改進和強化現有的反應技術和設備，挖掘）改進和強化現有的反應技術和設備，挖掘潛力，降低消耗，提高

3、效率；潛力，降低消耗，提高效率；（2）開發新的反應技術和設備；）開發新的反應技術和設備；（3）指導和解決反應過程開發中的放大問題；）指導和解決反應過程開發中的放大問題；（4）實現反應過程的最優化；）實現反應過程的最優化；（5）不斷發展反應工程學的理論和方法。）不斷發展反應工程學的理論和方法。化學反應工程學的研究方法：化學反應工程學的研究方法：數學模擬法數學模擬法數學模型數學模型 在反應器的設計、放大或控制過程中，在反應器的設計、放大或控制過程中，都需要對研究對象作出定量的描述，也都需要對研究對象作出定量的描述，也就是要用數學式來表達各參數間的關系，就是要用數學式來表達各參數間的關系，簡稱數學模

4、型。簡稱數學模型?；瘜W反應工程中，數學模型主要包括下列內容：化學反應工程中，數學模型主要包括下列內容：（1）動力學方程式）動力學方程式（2）物料衡算式）物料衡算式（3）熱量衡算式）熱量衡算式（4）動量衡算式）動量衡算式（4）參數計算式）參數計算式數學模擬放大法示意圖數學模擬放大法示意圖明確明確任務任務 建立建立 數學模型數學模型 解算解算 數學模型數學模型 檢驗檢驗 數學模型數學模型實際實際應用應用修改模型修改模型計算機計算機計算機計算機二、化學反應過程和化學反應器的分類二、化學反應過程和化學反應器的分類1. 基本概念與術語：基本概念與術語：化學計量方程化學計量方程化學反應速率化學反應速率轉化

5、率轉化率選擇性選擇性收率收率2. 化學反應過程的分類化學反應過程的分類3. 化學反應器的分類化學反應器的分類化學計量方程：化學計量方程：它表示各反應物、生成物在反應過程中量的它表示各反應物、生成物在反應過程中量的變化關系的方程。變化關系的方程。如方程：如方程：32223NHHN 032223 HNNH一個由一個由S個組分參與的化學反應，其化學計量方程為：個組分參與的化學反應，其化學計量方程為： 1 A1 + 2 A2 + + s As = 0 01 siiiA Ai表示表示i 組分組分； i為為i 組分組分 的計量系數。的計量系數。 化學反應速率：化學反應速率：對于均相反應，常用單位時間、單位

6、反應體對于均相反應，常用單位時間、單位反應體積內某組分的物質的量的變化來定義該組分積內某組分的物質的量的變化來定義該組分的反應速率。的反應速率。dtdnVrii1dtdCdtVndriii)/(反應過程體積恒定：反應過程體積恒定：fFeEbBaAdtdCdtdnVrAAA1)(dtdCdtdnVrBBB1)(dtdCdtdnVrEEE 1dtdCdtdnVrFFF 1frerbrarFEBA)()(fFeEbBaA 反應速率方程式，通?？梢杂萌缦聝绾瘮档男问奖硎荆悍磻俾史匠淌剑ǔ？梢杂萌缦聝绾瘮档男问奖硎荆築AAACkCdtdnVr1）（說明：說明：各組分反應速率之間存在如下關系：各組分反

7、應速率之間存在如下關系：1. 各濃度項上方的指數各濃度項上方的指數 和和 分別是反應對分別是反應對A組分和組分和B組分的反應級數，它們的代數和稱為總反應級數。組分的反應級數，它們的代數和稱為總反應級數。 2. 反應級數反應級數 和和 的值由實驗確定，它與反應機理無的值由實驗確定，它與反應機理無 直接關系，也不等于各組分的計量系數。只有當化直接關系，也不等于各組分的計量系數。只有當化 學計量方程與實際反應的機理式一致時，反應級數學計量方程與實際反應的機理式一致時，反應級數 才會與計量系數相等，才會與計量系數相等， 這一類反應稱為基元反應。這一類反應稱為基元反應。 3. k 為反應速率常數，它與溫

8、度為反應速率常數，它與溫度T 之間遵循阿累尼烏之間遵循阿累尼烏 斯方程：斯方程： RTEAek/ 質量作用定律質量作用定律 (基元反應基元反應)轉化率：轉化率：它表明反應的深度，即反應物料轉化的百分率。它表明反應的深度，即反應物料轉化的百分率。轉化率（轉化率（xA）的的物物質質的的量量進進入入反反應應器器的的的的物物質質的的量量物物的的轉轉化化為為目目的的產產物物和和副副產產AA 的的起起始始物物質質的的量量反反應應物物的的物物質質的的量量反反應應消消耗耗的的AA 間歇系統：間歇系統：00,f ,AAAAnnnx連續流動系統：連續流動系統：00,nf ,n,nqqqAAAAx等溫恒容等溫恒容0

9、0,f ,AAAACCCx選擇性：選擇性：它表明反應的方向，即反應過程中著眼反應物轉它表明反應的方向，即反應過程中著眼反應物轉化為目的產物的百分率。化為目的產物的百分率。0,0,AAAAnnnx 若反應物若反應物A經過化學反應生成目的產物經過化學反應生成目的產物P，其化學計量其化學計量系數分別為系數分別為a 和和p，則選擇性為：則選擇性為：f ,0,f ,AAPPnnnnpa0pPaA 收率：收率： 它是反映原料利用率的綜合指標。它是反映原料利用率的綜合指標。0,0,f ,APPnnnpaAx表表6-1 化學反應過程的分類化學反應過程的分類 分類特征分類特征反反 應應 過過 程程反應特征反應特

10、征簡單的，復雜的（平行的、連串的等）簡單的，復雜的（平行的、連串的等）熱力學特征熱力學特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相相 態態均相的（氣、液），非均相的（氣液、氣固、均相的（氣、液），非均相的（氣液、氣固、液液、液固、氣液固）液液、液固、氣液固）時間特征時間特征定態，非定態定態，非定態控制步驟控制步驟化學反應控制，外部擴散控制，內部擴散控制，化學反應控制，外部擴散控制，內部擴散控制，吸附或脫附控制吸附或脫附控制 化學反應器的分類：化學反應器的分類：（1）按反應物料的相態分類：）按反應物料的相態分類：（2）按反應器的結構型式分類：）按反應器的結構型式分類：（3）按操作方式分類：）按操作方式

11、分類：均相反應器均相反應器非均相反應器非均相反應器釜式反應器釜式反應器管式反應器管式反應器塔式反應器塔式反應器固定床反應器固定床反應器流化床反應器流化床反應器間歇操作反應器間歇操作反應器連續操作反應器連續操作反應器半連續半連續(半間歇半間歇) 反應器反應器三三、理想均相反應器、理想均相反應器1. 理想間歇反應器理想間歇反應器2. 活塞流反應器活塞流反應器3. 全混流反應器全混流反應器4. 多級全混流反應器多級全混流反應器1. 理想間歇反應器理想間歇反應器TU 理想間歇反應器理想間歇反應器特點：特點： 假設反應器的攪拌良好。假設反應器的攪拌良好。 反應器內各處物料的組成反應器內各處物料的組成 和

12、溫度均一，不隨位置而和溫度均一，不隨位置而 變，僅隨時間而變。變，僅隨時間而變。 裝料、卸料需要輔助操作裝料、卸料需要輔助操作 時間，且產品質量不易穩時間，且產品質量不易穩 定。定。 2. 活塞流反應器活塞流反應器（Plug flow reactor, PFR）反應物反應物A反應物反應物B生成物生成物R特點：特點： 反應器的長徑比較大反應器的長徑比較大。 假設不同時刻進入反應器的物料之間假設不同時刻進入反應器的物料之間 不發生逆向混合（返混）。不發生逆向混合（返混）。 反應物沿管長方向流動，反應時間是反應物沿管長方向流動，反應時間是 管長的函數，其濃度隨流動方向從一管長的函數，其濃度隨流動方向

13、從一 個截面到另一個截面而變化。個截面到另一個截面而變化。 活塞流反應器活塞流反應器3. 全混流反應器全混流反應器（Continuous stirred tank reactor, CSTR）反應物反應物A反應物反應物B 全混流反應器全混流反應器生成物生成物R特點：特點： 假設反應器的攪拌良好。假設反應器的攪拌良好。 反應器內物料的組成和反應器內物料的組成和 溫度處處相等，且等于溫度處處相等，且等于 反應器出口的物料組成反應器出口的物料組成 和溫度。和溫度。 操作穩定，反應器內物操作穩定，反應器內物料的組成和溫度均不隨料的組成和溫度均不隨位置和時間而變。位置和時間而變。 4. 多級全混流反應器

14、多級全混流反應器（Continuous stirred tank reactor in series, CSTRs）原料原料A生成物生成物R特點：特點： 反應在多個串聯的全混流反應器內進行，各釜的反應在多個串聯的全混流反應器內進行，各釜的 入口濃度就是前一釜的出口濃度。入口濃度就是前一釜的出口濃度。 串聯的各反應器內，物料的組成和溫度均勻一致，串聯的各反應器內，物料的組成和溫度均勻一致， 但各級反應器之間是突變的。但各級反應器之間是突變的。 隨著串聯反應器數目的增多，其性能愈接近活塞隨著串聯反應器數目的增多，其性能愈接近活塞 流反應器。流反應器。 四、物料在反應器內的流動模型（理想流動模型）四、物料在反應器內的流動模型（理想流動模型）1. 理想置換理想置換基本特征：基本特征： 在垂直于反應物料總的流動方向截面上，所有的在垂直于反應物料總的流動方向截面上，所有的 物性都是均勻的。（溫度、濃度、壓力、速度）物性都是均勻的。（溫度、濃度、壓力、速度） 流