化学反应工程第二章

1、化学反应工程化学反应工程第2章 化学反应动力学及反应器设计基础2.1.1 化学反应的分类 可逆反应v按照反应可逆性分 不可逆反应 单分子反应v按照反应分子数分 双分子反应 多分子反应2.1 化学反应和工业反应器的分类多重反应平行反应同时反应连串反应集总反应平行连串反应单一反应v按照反应机理分平行反应平行反应：一种反应物同时生成多种产物AL（目的产物）M（副产物）例如：氯苯的再氯化k1C6H5Cl + Cl2对-C6H4Cl2 + HCl邻-C6H4Cl2 + HClk2同时反应同时反应：反应系统中同时进行两个或者两个以上的反应物与产物都不相同的反应AL，BM连串反应：连串反应：反应先形成某种中

2、间产物，中间产物又继续反应形成最终产物ALM例如：丁烷催化脱氢反应生产丁二烯C4H10 C4H8 C4H6 焦炭H2H2H2平行连串反应：平行连串反应：A + BLML + B着眼于反应物A：ALM是连串反应对于反应物B：BLM发生的是平行反应例如：甲醇部分氧化生成甲醛的反应CH3OH + O2 CH2O +H2O CH2O + O2 CO +H2O吸热反应放热反应v按照反应热效应分均相反应非均相反应v按照相态分布分间歇过程连续过程（平推流，全混流，中间型）半间歇半连续v按照操作方法分2.1.2 反应器的分类 间歇反应器v按照操作方法分类 管式及釜式连续流动反应器 半间歇反应器平推流模型 理想

3、流动模型v按照流动模型分类 全混流模型非理想流动模型v间歇反应器：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的，但随着操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。均匀混合图2.1 釜式间歇反应器v管式及釜式连续流动反应器：反应物连续不断地加入反应器，同时产物连续不断地流出反应器，如果是定态下操作，反应物进料时的组成和流量及产物的组成和流量都不随计时器显示的时间而变。加料产物加料均匀混合产物图2.2 管式连续流动反应器图2.3 釜式连续流动反应器v

4、半间歇反应器：将反应物 A 先放入反应器中，在一定温度和压力下，反应物 B 连续加入反应器，反应产物保留在反应器中，即为半间歇反应器。图2.4 半间歇反应器加料均匀混合v平推流模型：又称为活塞流模型。是一种返混量为0的理想流动模型。它假设反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像活塞一样向前流动。v特点：沿着物料的流动方向，物流的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面（又称径向平面）上物料的所有参数，如浓度、温度、压力、流速都相同。所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，不存在返混。长径比很大，流速较高的管式反应器中的流体流动可视为平推流。v全混流模型：又称为理想混合模型或

5、连续搅拌槽式反应器模型，是一种返混程度为无穷大的理想流动模型。它假定反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入反应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。v特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，即反应器内物料浓度和温度均匀，与出口处物料浓度和温度相等。物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，形成停留时间分布。搅拌强烈的连续搅拌釜（槽）式反应器中的流体流动可视为全混流几个化学反应工程中常用的概念v停留时间：质点从反应器入口到出口所经历的时间v停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停留时间不同，形成停留时间分布。 寿命分布：指

6、质点从进入到离开反应 停留时间分布有两种 器时的停留时间分布 年龄分布：指仍然停留在反应器中的 质点的停留时间分布。寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。v返混不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的逆向不同于一般的搅拌混合。在非理想流动中，会出现以下几种现象：死角：流体在反应器中流动时，由于搅拌不均匀会造成死角短路：在反应器中的物料，并不都达到了应有的停留时间，一部分物料在应有的停留时间之前即已溢流出去，而另一部分则较应有的停留时间长。一般由于反应器进出口管线设置不好会引起短路沟流：在反应器中，由于流体的不均匀流动而打开了一

7、条阻力很小的通道，形成所谓的沟，此时流体会以极短的停留时间流过床层，这种现象被称为沟流。一般填料或催化剂装填不均匀会引起沟流，沟流和短路经常同时发生2.2 化学计量学2.2.1 化学计量式v化学计量式：是研究化学反应系统中反应物和产物组成改变关系的数学表达式v化学计量学的基础是化学计量式，化学计量式与化学反应方程式不同，反应方程式表示反应方向，化学计量式表示参加反应的各组分的数量关系。v化学计量式采用“”代替化学反应方程式中表示反应方向的箭头。“”左边是反应物，右边产物v例如：合成氨反应，其化学计量式可写成： 表明：每反应掉1摩尔N2将同时反应掉3摩尔H2，同时生成2摩尔的NH3。 各组分前的

8、数值是化学计量系数322NH2H3N或0112211 nnnn01niii01niiij或(i=1,2, ,n)式中，Ai为组分Ai；vi 为组分i的化学计量数。如果反应系统中存在m个反应，则第j个反应的化学计量式的通式可写成：或(j=1,2, ,m)01)1(2211 nnjnjnjjv化学计量式的通式可表示为：nnnn 1122112.2.3 转化率v转化率：反应物A的反应量-nA与其初态量nA0之比称为转化率，用符号xA表示，即：v工业反应过程的原料中，各反应组分之间往往不符合化学计量数的关系，此时通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为关键组分。一般选择价格高的为关键组分。00

9、00AAAAAAAAnnnnnnx 2.2.4 多重反应的收率及选择性v对于单一反应，反应物的转化率即为产物的生成率v对于多重反应（如同时反应、平行反应、连串反应等），除了反应物转化率的概念外还必须由目的产物的收率的概念，收率以Y表示，其定义如下：v若用vA和vL分别表示关键反应物 A及目的产物 L的化学计量数，则收率又可表示为：分的量进入反应系统的关键组关键组分的量生成目的产物所消耗的2Y为了表达已反应的关键组分有多少生成目的产物，常用选择率的概念，用S表示选择率，其定义如下：)()(molAmolLvvYLA的量分进入反应系统的关键组生成的量目的产物质的量已转化的关键组分的物关键组分的物质的量生成目的产物所消耗的S分的物质的量进入反应系统的关键组关键组分的物质的量生成目的产物所消耗的Y由上两式可得：而SxY v均相反应：参与反应的各物质均处于同一