化工基础(张四方)_化学反应工程与反应器

1、 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素，动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素，例如浓度，压力，浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应例如浓度，压力，浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应过程是物理与化学两类因素的综合过程。过程是物理与化学两类因素的综合过程。 19571957年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程会议上，

2、正式确定了会议上，正式确定了“化学反应工程学化学反应工程学”这一学科的名称。这一学科的名称。（1 1）研究）研究并并掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率。低能耗，提高效率。（2 2）开发新的技术和设备。）开发新的技术和设备。（3 3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。）指导和解决反应过程开发中的放大问题。（4 4）实现反应过程的最优化。）实现反应过程的最优化。一个新技术的开发一般要经过下面三个步骤：一个新技术的开发一般要经过下面三个步

3、骤：实验数据实验数据 提出数学模型提出数学模型中型实验中型实验 数学模型验证数学模型验证数学模型的应用数学模型的应用 大设备的设计大设备的设计 放大的依据：相似论放大的依据：相似论 (相似准数相似准数Re、Pr、Nu、Pe、Sc等等)（1 1）经验归纳法：将实验数据用因次分析法和相似方法整）经验归纳法：将实验数据用因次分析法和相似方法整理而获得经验关联式。理而获得经验关联式。（2 2）数学模数学模拟法：将复杂对象合理简化成一个与原过程近拟法：将复杂对象合理简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化模型进行数学描述。似等效的模型，然后对简化模型进行数学描述。在化学工程中，在化学工程中，数学模型

4、数学模型主要包括以下主要包括以下内容内容：（1）动力学方程式）动力学方程式 ：对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。均相反应，一般采用宏观速率方程式。 （2）物料衡算式）物料衡算式 ：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消耗量反应消耗量 + 累积量累积量（3）热量衡算式）热量衡算式 ：物料带入热物料带入热=带出热带出热 + 反应热反应热 + 与外界换热与外界换热 + 累积累积热热 （4）动量衡算式）动量衡算式 ：输入动量输入动量 = 输出动量输出动量 + 动量损失动量损失（5）参数计算式）参数计算式 ：主要是指

5、物性参数、传递参数及热力学等计算公式。主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。传递工程传递工程化学反应工程化学反应工程反应过程分析反应过程分析反应技术放大反应技术放大反应器的设计反应器的设计化学动力学化学动力学化学热力学化学热力学反应器中流体流动反应器中流体流动与传热与传热化工工艺流程化工工艺流程中反应器与设中反应器与设备备化学工艺化学工艺工程控制工程控制化学化学催化剂催化剂与反应与反应条件条件最最优优化化反应系统中反应系统中测量与控制测量与控制分类特征分类特征反应过程反应过程反应特征反应特征简单反应、复杂反应（平行反应、连串反应等）简单反应、复杂反应（平行反应、连串反应等）热力学特征热

6、力学特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相态相态均相（气、液），非均相（气均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气液，气固、液固、气-液液-固）固）时间特征时间特征定态，非定态定态，非定态控制步骤控制步骤化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制控制 反应器的种类反应器的种类反应类型反应类型设备的结构设备的结构形式形式反应特性反应特性均相均相气相气相 液相液相燃烧、裂解燃烧、裂解中和、酯化、水解中和、酯化、水解管式管式釜式釜式无相界面，反应速无相界面，反应速率只与温度或浓度率只与温度或浓度有关有关非非均均相相气气-液相液相

7、液液-液相液相气气-固相固相液液-固相固相固固-固相固相气气-液液-固相固相氧化、氯化、加氢氧化、氯化、加氢磺化、硝化、烷基化磺化、硝化、烷基化燃烧、还原、固相催化燃烧、还原、固相催化还原、离子交换还原、离子交换水泥制造水泥制造重质油加氢裂化、加氢重质油加氢裂化、加氢脱硫脱硫釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流固定床、流化床化床釜式、塔式釜式、塔式回转筒式回转筒式固定床、流固定床、流化床化床在相界面，实际反在相界面，实际反应速率与相界面大应速率与相界面大小及相间扩散速率小及相间扩散速率有关有关 结构型式结构型式适用的相态适用的相态应用举例应用举例反应釜反应釜液相，气液相，气-液相

8、液相液液-液相，液固相液相，液固相药物的合成、染料、中间体合药物的合成、染料、中间体合成、树脂合成成、树脂合成管式管式气相，液相气相，液相轻质油裂解，高压聚乙烯轻质油裂解，高压聚乙烯鼓泡塔鼓泡塔气气-液相，气液相，气-液液-固相固相变换气的碳化，苯的烷基化，变换气的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化二甲苯的氧化固定床固定床气气-固相固相SO2氧化，乙苯脱氢氧化，乙苯脱氢半水煤气的产生半水煤气的产生流化床流化床气气-固相固相硫铁矿焙烧，萘氧化制苯酐硫铁矿焙烧，萘氧化制苯酐回转筒式回转筒式气气-固相，固固相，固-固相固相水泥生产水泥生产喷嘴式喷嘴式气相，高速反应的液相气相，高速反应的液相氯化氢的合成氯

9、化氢的合成 1）间歇操作）间歇操作 2）连续操作）连续操作 3）半连续半间歇操作）半连续半间歇操作5-2 均相反应动力学均相反应动力学均相反应均相反应：是指在均一的气相或液相中进行的化学反应。是指在均一的气相或液相中进行的化学反应。本征动力学本征动力学（微观动力学）：化学反应本身规律的表述，不（微观动力学）：化学反应本身规律的表述，不受传递过程的影响，属物理化学范畴。受传递过程的影响，属物理化学范畴。宏观动力学宏观动力学：工业反应器中的化学反应规律，不仅受物料浓：工业反应器中的化学反应规律，不仅受物料浓度、温度、催化剂的影响，还受传递过程的影响，是物理过程度、温度、催化剂的影响，还受传递过程的

10、影响，是物理过程和化学过程的结合。和化学过程的结合。一、化学计量式一、化学计量式研究化学反应系统中反应物和生成物组成改变的数学关系式。研究化学反应系统中反应物和生成物组成改变的数学关系式。化学计量式与化学反应式的区别化学计量式与化学反应式的区别：前者表示参加反应的各组分：前者表示参加反应的各组分的数量关系，后者表示反应的方向的数量关系，后者表示反应的方向判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性二二、反应、反应程度（反应进度）程度（反应进度）rRbBaA起始浓度：起始浓度：nA0、nB0、nR0；终了浓度：；终了浓度：nA、nB

11、、nR，则有：，则有：rnnbnnannRRBBAA000三三、转化率、转化率 的起始量反应物的消耗量反应物）转化率（AAxA对于间歇系统对于间歇系统0,0,AAAAnnnx0,0,AAAAcccx若等温恒容，则若等温恒容，则四四、反应的选择性和收率、反应的选择性和收率反应的选择性反应的选择性是指生成目的产物所消耗的关键组分量与是指生成目的产物所消耗的关键组分量与已转化的关键组分量之比。已转化的关键组分量之比。AApnnnpa0,已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的收率：收率：0 ,Apnnpa关键组分的起始量关键组分量生成目的产物所消耗的收率、转化率与选择性之间的关系为：收率、转

12、化率与选择性之间的关系为：Ax五五、反应、反应速率速率 反应速率反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物的变化量成物的变化量。dtdnVrAA1 如果在反应过程中体积如果在反应过程中体积变化很小变化很小，可视为可视为恒容过程。恒容过程。则上式可写成：则上式可写成：dtdcdtVnddtdnVrAAAA)(1正号正号-表示产物的生成速率表示产物的生成速率 负号负号-表示反应物的消失速率表示反应物的消失速率dtdcdtdnVrdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrdtdcdtdnVrsSpPbBaASSSPPPBBBAAA1111化学反应各

13、组分反应速率为：各组分反应速率为：srprbrarSPBA各组分反应速率之间的关系：各组分反应速率之间的关系： 根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：动力学方程式：BAAAcckdtdnVr1式中式中为反应分级数，为反应分级数， + 为总级数为总级数。k为反应速率常数为反应速率常数，表示反应速率快慢和反应进行的难易程表示反应速率快慢和反应进行的难易程度，度，随温度、溶剂及催化剂的变化而变化，随温度、溶剂及催化剂的变化而变化，可以根据阿伦

14、尼乌斯可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得）方程求得：RTEeAk六六、化学反应动力学方程化学反应动力学方程七七、反应、反应分子数和级数分子数和级数 单一反应：只用一个化学反应式和一个动力学方程式就能表达单一反应：只用一个化学反应式和一个动力学方程式就能表达 的反应。的反应。复杂反应：多个反应同时进行，复杂反应：多个反应同时进行，需用几个动力学方程才能描述需用几个动力学方程才能描述 的反应。如连串反应、平行反应、对峙反应等。的反应。如连串反应、平行反应、对峙反应等。基元反应：反应物分子在碰撞中基元反应：反应物分子在碰撞中一步直接转化一步直接转化为生成物分子的为生成物分子的 反应。反

15、应。非基元反应：需经过非基元反应：需经过几个基元反应几个基元反应才能转化为生成物分子的反应。才能转化为生成物分子的反应。反应分子数：基元反应过程中参加反应的粒子数目。包含分子、反应分子数：基元反应过程中参加反应的粒子数目。包含分子、 原子、离子、自由基等。原子、离子、自由基等。反应级数：动力学方程式中浓度项的指数。包括分级数、总级数。反应级数：动力学方程式中浓度项的指数。包括分级数、总级数。 级数在一定温度范围内通常保持不变，其绝对值不超级数在一定温度范围内通常保持不变，其绝对值不超 过过3 3，但可以是分数，也可以是负数和零但可以是分数，也可以是负数和零。级数的大级数的大 小反映了物料浓度对

16、反应速率的影响程度，小反映了物料浓度对反应速率的影响程度，级数越高级数越高 则影响越显著；级数为零说明该物料浓度变化对反应则影响越显著；级数为零说明该物料浓度变化对反应 没有影响；级数为负值则说明该物料浓度的增加反而没有影响；级数为负值则说明该物料浓度的增加反而 会阻碍和抑制反应。会阻碍和抑制反应。一、不可逆反应一、不可逆反应1、一级反应：、一级反应：反应速率与反应物浓度的一次方成正比。反应速率与反应物浓度的一次方成正比。PkA1AAckdtdcr1AAAxkcckt11ln1ln11012、二级反应：、二级反应：反应速率与反应物浓度的平方（或两物质反应速率与反应物浓度的平方（或两物质浓度的乘

17、积）成正比。浓度的乘积）成正比。BAcckr222 Ackr PkBA23、三级反应：、三级反应：反应速率与反应物浓度的三次方（或三种反应速率与反应物浓度的三次方（或三种物质浓度的乘积）成正比。物质浓度的乘积）成正比。CBAccckr333 Ackr PkCBA34、零级反应：、零级反应：反应速率与反应物浓度无关。反应速率与反应物浓度无关。PkA0dtdckrA000kcctAA二、可逆反应二、可逆反应反应正向和逆向都可以进行的反应，也称对峙反应。反应正向和逆向都可以进行的反应，也称对峙反应。PkkA , 1PAAckckrrr121三、复杂反应三、复杂反应1、平行反应：、平行反应：反应物能同

18、时进行两个或以上的反应。反应物能同时进行两个或以上的反应。PkA1SkA2AAAAckkckckr)(2121APckr1ASckr221kkrrSP2、连串反应、连串反应前一个基元反应的产物是后一个基元反应的反应物。前一个基元反应的产物是后一个基元反应的反应物。SkPkA21AAAckdtdcr1PAPPckckdtdcr21PSSckdtdcr2 理想置换 理想混合非理想流动模型扩散模型多级理想混合模型理想流动模型在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀一致，即在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀一致，即截面上各点的温度、浓度、压力、速度均分别相同。截面上各点的温度、浓度、压力、速

19、度均分别相同。反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在反应器内反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在反应器内的停留时间是管长的函数。的停留时间是管长的函数。又称为活塞流又称为活塞流或或理想排挤理想排挤，反应物料以一致，反应物料以一致的方向向前移动，截面上各点的流速完全相等的方向向前移动，截面上各点的流速完全相等。也叫也叫, ,是指是指在反应器内，在反应器内，不同停留时间不同停留时间的粒子间的粒子间的混合。的混合。这里所说的逆向，是时间概念上的逆向，不这里所说的逆向，是时间概念上的逆向，不同于一般的搅拌混合。同于一般的搅拌混合。1 1）剧烈剧烈搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现搅拌造成涡流扩

20、散，使物料粒子出现环流或环流或倒流。倒流。2 2）反应器中物料的反应器中物料的流速分布不均流速分布不均匀匀，如管式反应器内流体，如管式反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物料作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。间的物料间的混合，也就是逆向混合。3 3）反应器内的死角也会导致）反应器内的死角也会导致不同停留时间的物料不同停留时间的物料逆向混合。逆向混合。 进入的物料瞬间完全混合，整个进入的物料瞬间完全混合，整个反应器内的

21、浓度和温反应器内的浓度和温度度完全相同完全相同，并且等于出口处的物料浓度和温度。，并且等于出口处的物料浓度和温度。 物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。 凡是流动状况偏离活塞流和理想混合流这两种理想情况的凡是流动状况偏离活塞流和理想混合流这两种理想情况的流动统称为非理想流动。流动统称为非理想流动。 造成非理想流动的原因有：造成非理想流动的原因有：设备内各处速度的不均匀所致设备内各处速度的不均匀所致由于反应器中物料粒子的由于反应器中物料粒子的运动（如搅拌、分子扩散等）运动（如搅拌、分子扩散等）导致与主体流动方向相反的导致与主体流动方向相反的运动

22、，导致偏离理想混合的运动，导致偏离理想混合的特性。特性。层流层流湍流湍流平推流平推流非理想流动模型分为：非理想流动模型分为： 轴向扩散模型轴向扩散模型多釜串联流动模型多釜串联流动模型dxdcDNx轴向扩散c c1c c2c cic cnC CAA,0dxcc+dc对于反应物对于反应物A：流入量：流入量 - 流出量流出量 - 反应消失量反应消失量 - 累积量累积量 = 0 对于间歇反应器：、项为零。对于间歇反应器：、项为零。对于定态操作的连续反应器：不存在累积，项为零。对于定态操作的连续反应器：不存在累积，项为零。对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应

23、器:四项均需考虑四项均需考虑.随物料带随物料带入的热量入的热量 随物料带随物料带出的热量出的热量 反应系统反应系统与外界交与外界交换的热量换的热量 反应过程反应过程的热效应的热效应 累积的累积的热量热量 -+-= 0对于间歇操作系统：、项为零。对于间歇操作系统：、项为零。对于定态连续流动反应器：项为零。对于定态连续流动反应器：项为零。对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、温度均一（任一时刻物料的组成温度均一（任一时刻物料

24、的组成、温度均一），这就是理想温度均一），这就是理想间歇反应器间歇反应器（间歇搅拌釜式反应器）。（间歇搅拌釜式反应器）。1、特点：特点：（1）釜内温度、浓度处处相等，但随）釜内温度、浓度处处相等，但随时间而改变；时间而改变；（2）所有物料的反应时间相同。）所有物料的反应时间相同。优点：优点：操作具有较大的灵活性，操作操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可以生产多个品种。弹性大，相同设备可以生产多个品种。缺点：缺点：劳动强度大，装料、卸料、清劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗洗等辅助操作常消耗一一定时间，产品定时间，产品质量质量不易稳定不易稳定。对整个反应器在微元时间对整个反应器

25、在微元时间dt间进行间进行物料物料衡算衡算 :- (因反应因反应而消耗而消耗组分组分A的量的量) = (反应物反应物A的累积量的累积量)dtdnVrAA)( nA=nA0(1-xA)dtdxnVrdtdxndtxdndtdnAAAAAAAA0 ,0 ,0 ,)()1 (AxAAAAAAAAAAArdxctrdxcdtdtdxcdtdxVnr000 ,0 ,0 ,)()()(，积分得：（1）反应时间的确定反应时间的确定0 ,0 ,0 ,AAAAAAAcdcdxcccx图解积分计算方法图解积分计算方法动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算xAcA-

26、1/rAcA，00 cAAAccAArdct0,)(-1/rAxA0AxAAArdxct00,)(0，面积Actt面积计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间tAAccAArdct0,)(反应时间用浓度表示反应时间用浓度表示,则则:间歇反应器的整个操作过程如下：间歇反应器的整个操作过程如下： 加料加料升温升温反应反应降温降温出料出料清洗清洗 反应达到一定的转化率反应达到一定的转化率x xA A所需的时间为所需的时间为t t，反应前后的辅助时间（加料、升温、降温、出料、清洗）为反应前后的辅助时间（加料、升温、降温、出料、清洗）为tt 则反应器的体积为：则反应器

27、的体积为： ）（）（日处理量ttttV024考虑到装料系数考虑到装料系数，反应器的实际体积为，反应器的实际体积为：VVR一般取一般取=0.4-0.85=0.4-0.85搅拌下，漩涡不大，取搅拌下，漩涡不大，取0.70.7反应有泡沫或沸腾反应有泡沫或沸腾 取取0.4-0.650.4-0.65反应平静反应平静 取取0.75-0.850.75-0.850 0-表示每小时处理物料的体积表示每小时处理物料的体积. . 在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓

28、度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（plug flow reactor简称简称PFR）。）。1、特点：特点：（1）反应器内任一截面上的运动参数（物料浓度、反应）反应器内任一截面上的运动参数（物料浓度、反应速率、转化率、温度等）完全相等，且不随时间而改变，速率、转化率、温度等）完全相等，且不随时间而改变，但不同截面的参数各不相同；但不同截面的参数各不相同；（2）所有物料在反应器内的停留时间相同。）所有物料在反应器内的停留时间相同。 工业

29、上将长径比大于工业上将长径比大于30的管式反应器视为活塞活反应器的管式反应器视为活塞活反应器。管式反应器管式反应器基本结构基本结构主要用于气固主要用于气固相反应相反应由一根或多根管子串联或并联构成的反应器，长度与直径之比一般大于。2、活塞流反应器、活塞流反应器的计算的计算AAxFAAAAdxxdFFdLdLL LVAAAqxcF0,0,0,0,VAAAqxcFdVdV对于定态操作的活塞流反应器，取某一微元体积对于定态操作的活塞流反应器，取某一微元体积dV，对对组分组分A进行进行物料衡算物料衡算：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消失量反应消失量 + 累积量累积量FA FA+ dFA -

30、rAdV 0FA = FA+ dFA + (- rA)dVdFA=dFA,0(1-xA) = - FA,0dxA = - (-rA)dVAAxAAAxAAVArdxFVrdxFdV00,000,)(;)( 为了对连续反应器的生产能力进行比较为了对连续反应器的生产能力进行比较, ,引进引进空间时间空间时间( (简称空时简称空时) )这一概念这一概念, ,其定义为其定义为: :在规定条件下进入反应器在规定条件下进入反应器的物料通过反应器所需要的时间的物料通过反应器所需要的时间称为空时称为空时, ,即即: :0，进料体积流量反应体积VqV 在其它条件不变的情况下在其它条件不变的情况下, ,空时越小空

31、时越小, ,表示反应器的处理表示反应器的处理物料量越大物料量越大, ,说明生产能力大说明生产能力大。0,0,0,0,0,0,AVAAAVcqFcFqAxAAAVArdxcqVFV00,0,0,)(AxAAAVrdxcqV000,)(，空间速度（空速）空间速度（空速）是空时的倒数，表示单位时间内通过单位是空时的倒数，表示单位时间内通过单位反应器容积的物料体积反应器容积的物料体积。空速越大，反应器的生产能力越大。空速越大，反应器的生产能力越大。VcFVqSVAAV0 ,0 ,0 ,1空间时间用浓度表示空间时间用浓度表示,则则:0,0,0,AAAAAAAcdcdxcccxAAccAAVrdcqV0,

32、)(0,当当动力学方程较复杂时，可以采用动力学方程较复杂时，可以采用图解积分法图解积分法计算计算xA-1/rAxA0cA-1/rAcA，00 cAAAccAArdc0,)(AxAAArdxc00,)(0，面积Ac面积计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间1）两反应器中进行同一化学反应）两反应器中进行同一化学反应(恒容恒容)，达到相同转化，达到相同转化率时所需反应时间完全相同。率时所需反应时间完全相同。2）当反应体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放当反应体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放大活塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力大活塞流

33、反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力学数据进行计算。学数据进行计算。3）虽然两反应器的设计方程式相同，但物料在其中的流动）虽然两反应器的设计方程式相同，但物料在其中的流动型态完全不同。在间歇搅拌釜式反应器中，物料均匀混合属型态完全不同。在间歇搅拌釜式反应器中，物料均匀混合属非定态过程；而活塞流反应器中，物料无返混属定态过程。非定态过程；而活塞流反应器中，物料无返混属定态过程。活塞流反应器是连续操作，而间歇搅拌釜式反应器是间歇操活塞流反应器是连续操作，而间歇搅拌釜式反应器是间歇操作，需要一定的辅助时间，显然活塞流反应器的生产能力比作，需要一定的辅助时间，显然活塞流反应器的生产能力比间歇搅拌

34、釜式反应器要大，生产劳动强度要小。间歇搅拌釜式反应器要大，生产劳动强度要小。由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，器中的物料混合均匀，所以所以（1）反应器内反应器内所有位置的运动参数完全相同，所有位置的运动参数完全相同，且且不随时间而不随时间而 变化；变化；（2）物料的停留时间不同，其分布为）物料的停留时间不同，其分布为0。 工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称简称CSTR）近似地看成近似地看

35、成全混流反应器全混流反应器在定态操作条件下，进行物料衡算：在定态操作条件下，进行物料衡算： 流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消失量反应消失量 + 累积量累积量qvcA,0 qvcA - rAV 0)()()(0,0,0,AAAAAAVAAVAVrxcrccqVtVrcqcq空间时间空间时间:AAVAxcqF0,0,0,AVAcqF 将将多个全混流反应器串联起来，其多个全混流反应器串联起来，其特点：特点：（1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。引出，上个反应釜的出口浓度与下

36、个反应釜入口浓度相同。（2）各反应釜中组成、温度均匀一致，）各反应釜中组成、温度均匀一致，“级级”与与“级级”之间是突之间是突然变化的。然变化的。（3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。0,0,0,0,AAVAxcqF1,1,iAiAxciAiAxc,V1VNViNANAxc,1 ,1 ,AAxc1,1,NANAxc 多级全混流反应器，就将多个理想混合反应器串联起多级全混流反应器，就将多个理想混合反应器串联起来，是一种介于活塞流和理想混合流之间的流动模

37、型。来，是一种介于活塞流和理想混合流之间的流动模型。取几个串联反应器中的第取几个串联反应器中的第i级反应器中的组分级反应器中的组分A作物料衡算得：作物料衡算得：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消失量反应消失量iiAiAViAVVrcqcq)(,1,)()()(,0,1,1,iAAiAiAiAViiirxxcrccqVtiAiA一级反应动力学方程式：一级反应动力学方程式：iAiiAckr,)(第一级反应器：第一级反应器：第二级反应器：第二级反应器：1 ,11 ,0,1AAAckcct110,1 ,1tkccAA2,22,1 ,2AAAckcct)1)(1 (122110,221 ,2,t

38、ktkctkccAAA第第N级反应器：级反应器：NiiiANNANAtkctktktkcc10,22110,)1 ()1 ()1)(1 (如果各级反应器体积和温度均相等如果各级反应器体积和温度均相等,那么那么kkkkttttNN2121NANAt kcc)1 (0,NNAt kx)1 (11,)1 (,0 ,NAANAxccNiiiANNANAtkctktktkcc10,22110,)1 ()1 ()1)(1 (二级反应动力学方程式：二级反应动力学方程式：2,)(iAiAckr2,1,iAiAiAckcct01,2,iAiAiAccct k第一级反应器出口浓度为第一级反应器出口浓度为:第二级反

39、应器出口浓度为第二级反应器出口浓度为:t kct kcAA24110,1 ,t kt kct kt kcAA224114110,2,当当N3时时,计算起来非常繁杂计算起来非常繁杂,而采用图解法则较方便而采用图解法则较方便.如果各级反应器体积和温度均相等如果各级反应器体积和温度均相等,那么那么tcctriAiAiA1,1)(niAiAiAkcdtdcr,)(tcctdtdciAiAiA1,1rA0,Ac1 ,Ac2,Ac3 ,AciAc,ABCDnAAkcr)(t1斜率为：图解法只适用于反应速率用单一组分表达的图解法只适用于反应速率用单一组分表达的情况，对于平行反应、串联反应不适用。情况，对于平

40、行反应、串联反应不适用。nAAkcr)(反应器型式反应体积/m3反应器的相对体积间歇反应器2.161.49活塞流反应器1.451全混流反应器9.646.65二釜串联4.222.911 1）为完成为完成一定生产任务一定生产任务并达到最终转化率并达到最终转化率所需的反应体积所需的反应体积，以以管式反应器最小管式反应器最小，单个全混流反应器最大单个全混流反应器最大；2)2)多釜串联时，多釜串联时，串联的反应器数越多，所需反应器的总体串联的反应器数越多，所需反应器的总体积越小积越小；当串联数目增至无限多时，即为平推流反应器；当串联数目增至无限多时，即为平推流反应器；3 3）间歇釜式反应器间歇釜式反应器

41、因辅助操作占用一定时间故有效体积大因辅助操作占用一定时间故有效体积大于于平推流平推流，若辅助操作时间可忽略不计，则有效体积与平，若辅助操作时间可忽略不计，则有效体积与平推流相等；推流相等； 4 4) )转化率转化率越高越高，全混流比平推流的体积增大的倍数越多全混流比平推流的体积增大的倍数越多，故对于要求高转化率的反应，应选用平推流或间歇釜。故对于要求高转化率的反应，应选用平推流或间歇釜。 1 1、平行反应、平行反应AARR（主产物）（主产物）S S（副产物）（副产物）k k1 1k k2 2主、副反应的速率方程分别为：主、副反应的速率方程分别为：2121;nASSnARRckdtdcrckdt

42、dcr2121)(2121nnAnAnASRckkckckrr2121)(2121nnAnAnASRckkckckrr1 1）当）当n n1 1n n2 2时，主反应级数大于副反应级数，时，主反应级数大于副反应级数，若若c cAA愈大，愈大，21nnAc就愈大，就愈大，RR的收率就高，此时采用的收率就高，此时采用管式反应器管式反应器、间间歇釜式反应器歇釜式反应器或多釜串联反应器有利。或多釜串联反应器有利。2 2）当）当n n1 1n n2 2时，时，c cAA愈小，愈小， 愈大，愈大，RR收率就高，这时采用收率就高，这时采用连续操作釜式反应器连续操作釜式反应器比较合适。比较合适。21nnAc3

43、 3）当）当n n1 1= =n n2 2时，时，收率与反应物的深度无关，只由收率与反应物的深度无关，只由k k1 1/k/k2 2的比值的比值决定，决定，可以用催化剂或改变温度来改变可以用催化剂或改变温度来改变k k1 1,k ,k2 2，提高提高RR的收的收率。率。保持较大保持较大c cAA 的途径：的途径：1 1）采用较小的单程转化率；）采用较小的单程转化率；2 2）以较大的浓度进料；）以较大的浓度进料；3 3）对于气相反应，可以增大系统的压强）对于气相反应，可以增大系统的压强保持较小保持较小c cAA 的途径：的途径：1 1）采用较大的单程转化率；）采用较大的单程转化率；2 2）将部分

44、反应后的物料循环使用，以降低进料中的反应物）将部分反应后的物料循环使用，以降低进料中的反应物 浓度；浓度；3 3）加入惰性稀释剂；）加入惰性稀释剂；4 4）对于气相反应，可以采取减压操作。）对于气相反应，可以采取减压操作。2 2、连串反应、连串反应假定在等温条件，假定在等温条件，平推流反应器平推流反应器中进行如下一级反应：中进行如下一级反应：A A R R S Sk k1 1k k2 2各反应式的速率方程分别为：各反应式的速率方程分别为：RSSRARRckdtdcrckckdtdcr221;RRASRckckckrr2211 1）在任意转化率时，）在任意转化率时，s s平推平推s s全混全混因

45、因为为全混流反应器全混流反应器中反应开始时中反应开始时R R的浓的浓度要比度要比平推流平推流中的高，对于中的高，对于S S的生成的生成有利。有利。2)2)当当k k2 2/k/k1 111时，为了避免产生过时，为了避免产生过多的副产物多的副产物S S，应设法降低反应器中，应设法降低反应器中反应物反应物A A的单程转化率，并从经济的的单程转化率，并从经济的角度加以权衡，将产品角度加以权衡，将产品R R中未反应的中未反应的A A经过分离后再循环进入反应器。经过分离后再循环进入反应器。3)3)当当k k2 2/k/k1 111时时，则可用较高的转化则可用较高的转化率率, ,此时选择性降低不多而分离任

46、务此时选择性降低不多而分离任务不大不大, ,循环量可大大减少循环量可大大减少. .（1 1）反应活化能大，反应速度对温度敏感；反应物浓）反应活化能大，反应速度对温度敏感；反应物浓度高，反应非常激烈；反应速率小，需较长停留时间时；度高，反应非常激烈；反应速率小，需较长停留时间时；平行反应主反应级数低于副反应时；连串反应的目的产平行反应主反应级数低于副反应时；连串反应的目的产物是最终产物时，物是最终产物时，用连续操作反应釜。用连续操作反应釜。（2 2）气体反应；高压反应；强吸热反应；平行反应主）气体反应；高压反应；强吸热反应；平行反应主反应级数高于副反应时；连串反应的目的产物是中间产反应级数高于副

47、反应时；连串反应的目的产物是中间产物时，用管式反应器较好。物时，用管式反应器较好。催化反应过程催化反应过程均相催化反应过程均相催化反应过程非均相催化反应过程非均相催化反应过程（ 1）氨的合成）氨的合成 2）一氧化碳的转化）一氧化碳的转化 3）二氧化硫的氧化）二氧化硫的氧化 4）乙苯脱氢制苯乙烯）乙苯脱氢制苯乙烯1）、反应物从气相主体扩散到催化剂的外表面）、反应物从气相主体扩散到催化剂的外表面（外扩散过程）（外扩散过程）2）、反应物从催化剂颗粒的外表面通过微孔扩散到内表面上）、反应物从催化剂颗粒的外表面通过微孔扩散到内表面上（内扩散过程）（内扩散过程）3）、反应物在催化剂内表面上被吸附）、反应物

48、在催化剂内表面上被吸附（吸附过程）（吸附过程）4）、吸附的反应物在催化剂表面上发生反应转化为产物）、吸附的反应物在催化剂表面上发生反应转化为产物（表面反应过程）（表面反应过程）5）、反应生成的产物从催化剂表面脱附下来）、反应生成的产物从催化剂表面脱附下来（脱附过程）（脱附过程）6）、脱附下来的产物从催化剂微孔内向外扩散到催化剂的外表面）、脱附下来的产物从催化剂微孔内向外扩散到催化剂的外表面（内扩散过程）（内扩散过程）7）、产物从催化剂外表面扩散到气相主体被带走）、产物从催化剂外表面扩散到气相主体被带走（外扩散过程）（外扩散过程）1、外扩散控制：可增大气体流速以减小气膜厚度。、外扩散控制：可增大气体流速以减小气膜厚度。2、内扩散影响：可减小催化剂粒径，缩短内扩散的距离、内扩散影响：可减小催化剂粒径，缩短内扩散的距离以减小内扩散阻力，可以提高催化剂的内表面利用率。以减小内扩散阻力，可以提高催化剂的内表面利用率。3、化学动力学控制：包括吸附、表面反应和脱附三个连、化学动力学控制：包括吸附