第四章 化学反应工程学 (师范生)

1、第四章第四章 工业化学反应过程及反应器工业化学反应过程及反应器第一节第一节 概述概述第二节第二节 理想反应器及其计算理想反应器及其计算三三传传一一反反本章主要内容：本章主要内容：1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的分类、理想流动模型和理想反应器的概念；2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；第一节第一节 概概 述述一、化学反应工程学的基本任务和研究方法一、化学反应工程学的基本任务和研究方法二、化学反应过程和化学反应器的分类二、化学反应过程和化学反应器的分类三、理想均相反应器三、理想均相反应器四、物料在反应器内的流动模型（理

2、想流动模型）四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型）反应系统的测量与控制反应过程动态特性工程控制传递工程反应器中流体流动、混合、传热和传质最佳化化学工艺流程与设备反应工艺路线催化剂反应条件反应器的设计反应技术开发化学反应工程反应动力学化学热力学化学反应过程分析一一、化学反应工程学的基本任务和研究方法、化学反应工程学的基本任务和研究方法是化学工程学的一个分支，常简称为反应工程。是化学工程学的一个分支，常简称为反应工程。化学反应工程范围示意图：化学反应工程学的基本任务：化学反应工程学的基本任务：（1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高

3、效率；潜力，降低消耗，提高效率；（2）开发新的反应技术和设备；）开发新的反应技术和设备；（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）实现反应过程的最优化；）实现反应过程的最优化；（5）不断发展反应工程学的理论和方法。）不断发展反应工程学的理论和方法。化学反应工程学的研究方法：化学反应工程学的研究方法：数学模拟法数学模拟法数学模型数学模型 在反应器的设计、放大或控制过程中，在反应器的设计、放大或控制过程中，都需要对研究对象作出定量的描述，也都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模

4、型。简称数学模型。化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：（1）动力学方程式）动力学方程式（2）物料衡算式）物料衡算式（3）热量衡算式）热量衡算式（4）动量衡算式）动量衡算式（4）参数计算式）参数计算式数学模拟放大法示意图数学模拟放大法示意图明确明确任务任务 建立建立 数学模型数学模型 解算解算 数学模型数学模型 检验检验 数学模型数学模型实际实际应用应用修改模型修改模型计算机计算机计算机计算机二、化学反应过程和化学反应器的分类二、化学反应过程和化学反应器的分类1. 基本概念与术语：基本概念与术语：化学计量方程化学计量方程化学反应速率化学反应速率转化

5、率转化率选择性选择性收率收率2. 化学反应过程的分类化学反应过程的分类3. 化学反应器的分类化学反应器的分类化学计量方程：化学计量方程：它表示各反应物、生成物在反应过程中量的它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。变化关系的方程。如方程：如方程：32223NHHN 032223 HNNH一个由一个由S个组分参与的化学反应，其化学计量方程为：个组分参与的化学反应，其化学计量方程为： 1 A1 + 2 A2 + + s As = 0 01 siiiA Ai表示表示i 组分组分； i为为i 组分组分 的计量系数。的计量系数。 化学反应速率：化学反应速率：对于均相反应，常用单位时间、单位

6、反应体对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的量的变化来定义该组分积内某组分的物质的量的变化来定义该组分的反应速率。的反应速率。dtdnVrii1dtdCdtVndriii)/(反应过程体积恒定：反应过程体积恒定：fFeEbBaAdtdCdtdnVrAAA1)(dtdCdtdnVrBBB1)(dtdCdtdnVrEEE 1dtdCdtdnVrFFF 1frerbrarFEBA)()(fFeEbBaA 反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：BAAACkCdtdnVr1）（说明：说明：各组分反应速率之间存在如下关系：各组分反

7、应速率之间存在如下关系：1. 各浓度项上方的指数各浓度项上方的指数 和和 分别是反应对分别是反应对A组分和组分和B组分的反应级数，它们的代数和称为总反应级数。组分的反应级数，它们的代数和称为总反应级数。 2. 反应级数反应级数 和和 的值由实验确定，它与反应机理无的值由实验确定，它与反应机理无 直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等，才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。这一类反应称为基元反应。 3. k 为反应速率常数，它与温

8、度为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌之间遵循阿累尼乌 斯方程：斯方程： RTEAek/ 质量作用定律质量作用定律 (基元反应基元反应)转化率：转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。转化率（转化率（xA）的的物物质质的的量量进进入入反反应应器器的的的的物物质质的的量量物物的的转转化化为为目目的的产产物物和和副副产产AA 的的起起始始物物质质的的量量反反应应物物的的物物质质的的量量反反应应消消耗耗的的AA 间歇系统：间歇系统：00,f ,AAAAnnnx连续流动系统：连续流动系统：00,nf ,n,nqqqAAAAx等温恒容等温恒容0

9、0,f ,AAAACCCx选择性：选择性：它表明反应的方向，即反应过程中着眼反应物转它表明反应的方向，即反应过程中着眼反应物转化为目的产物的百分率。化为目的产物的百分率。0,0,AAAAnnnx 若反应物若反应物A经过化学反应生成目的产物经过化学反应生成目的产物P，其化学计量其化学计量系数分别为系数分别为a 和和p，则选择性为：则选择性为：f ,0,f ,AAPPnnnnpa0pPaA 收率：收率： 它是反映原料利用率的综合指标。它是反映原料利用率的综合指标。0,0,f ,APPnnnpaAx表表6-1 化学反应过程的分类化学反应过程的分类 分类特征分类特征反反 应应 过过 程程反应特征反应特

10、征简单的，复杂的（平行的、连串的等）简单的，复杂的（平行的、连串的等）热力学特征热力学特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相相 态态均相的（气、液），非均相的（气液、气固、均相的（气、液），非均相的（气液、气固、液液、液固、气液固）液液、液固、气液固）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，化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制吸附或脱附控制 化学反应器的分类：化学反应器的分类：（1）按反应物料的相态分类：）按反应物料的相态分类：（2）按反应器的结构型式分类：）按反应器的结构型式分类：（3）按操作方式分类：）按操作方式

11、分类：均相反应器均相反应器非均相反应器非均相反应器釜式反应器釜式反应器管式反应器管式反应器塔式反应器塔式反应器固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反应器间歇操作反应器间歇操作反应器连续操作反应器连续操作反应器半连续半连续(半间歇半间歇) 反应器反应器三三、理想均相反应器、理想均相反应器1. 理想间歇反应器理想间歇反应器2. 活塞流反应器活塞流反应器3. 全混流反应器全混流反应器4. 多级全混流反应器多级全混流反应器1. 理想间歇反应器理想间歇反应器TU 理想间歇反应器理想间歇反应器特点：特点： 假设反应器的搅拌良好。假设反应器的搅拌良好。 反应器内各处物料的组成反应器内各处物料的组成 和

12、温度均一，不随位置而和温度均一，不随位置而 变，仅随时间而变。变，仅随时间而变。 装料、卸料需要辅助操作装料、卸料需要辅助操作 时间，且产品质量不易稳时间，且产品质量不易稳 定。定。 2. 活塞流反应器活塞流反应器（Plug flow reactor, PFR）反应物反应物A反应物反应物B生成物生成物R特点：特点： 反应器的长径比较大反应器的长径比较大。 假设不同时刻进入反应器的物料之间假设不同时刻进入反应器的物料之间 不发生逆向混合（返混）。不发生逆向混合（返混）。 反应物沿管长方向流动，反应时间是反应物沿管长方向流动，反应时间是 管长的函数，其浓度随流动方向从一管长的函数，其浓度随流动方向

13、从一 个截面到另一个截面而变化。个截面到另一个截面而变化。 活塞流反应器活塞流反应器3. 全混流反应器全混流反应器（Continuous stirred tank reactor, CSTR）反应物反应物A反应物反应物B 全混流反应器全混流反应器生成物生成物R特点：特点： 假设反应器的搅拌良好。假设反应器的搅拌良好。 反应器内物料的组成和反应器内物料的组成和 温度处处相等，且等于温度处处相等，且等于 反应器出口的物料组成反应器出口的物料组成 和温度。和温度。 操作稳定，反应器内物操作稳定，反应器内物料的组成和温度均不随料的组成和温度均不随位置和时间而变。位置和时间而变。 4. 多级全混流反应器

14、多级全混流反应器（Continuous stirred tank reactor in series, CSTRs）原料原料A生成物生成物R特点：特点： 反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的 入口浓度就是前一釜的出口浓度。入口浓度就是前一釜的出口浓度。 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。但各级反应器之间是突变的。 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。流反应器。 四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型）四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型）1. 理想置换理想置换基本特征：基本特征： 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度）物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） 流