化学反应工程学反应器基本原理 (2)讲稿

1、关于化学反应工程学反应器基本原理 (2)第一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月教学基本要求了解反应器基本类型以及建立宏观反应体系数学模型的思想方法理解物料在反应器内的流动模型掌握间歇搅拌釜和理想流动反应器中进行等温、等容简单均相反应的转化率、反应时间、空间时间、停留时间与反应体积的关系，以及反应器体积的计算；掌握用停留时间分布密度函数和停留时间分布函数确定反应器内物料的流况的方法，以及用方差定性判断反应器内物料的返混程度和反应器性能；了解气固相催化反应过程的机理，固定床催化反应器和流化床催化反应器的基本性能。第二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应工程学的基本任务和研究方

2、法化学反应工程学作为化学工程学的一个重要学科分支，利用自然科学原理去考察、解释和处理工程实际问题，其目的是把化学实验室的研究成果可靠地移植到工业化生产，研究工业反应过程的宏观规律、建立数学模型，并就所确定的反应和预期的生产能力对反应器的型式、结构、尺寸及操作方式、操作条件进行选择或设计。基本任务是：通过深入地研究，掌握传递过程动力学和化学动力学的共同作用（宏观动力学）的基本规律，从而改进和强化现有的反应技术和设备；指导和解决反应过程开发中的放大问题；开发新的技术和设备；综合考察技术和经济两个指标，实现化学反应器的最优设计和化学反应过程的最优化控制。第三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月

3、研究方法-数学模拟法把所考察、分析、研究的问题，经过深入的实践和透彻的理论研究，在对化工过程本身的规律有深刻认识的基础上，用简单明确的数学语言（即数学模型）加以描述，同时提出需要解决的问题，通过数学方法或采用电子计算机求解，以获取定量答案。把复杂过程分解为反应过程和传递过程，反应过程以化学反应为研究对象提出化学反应过程的动力学模型；传递过程以不同反应器为研究对象，提出传递过程的模型，最后研究如何将两种模型结合起来，并应用于解决工程问题。化学反应工程学的基本任务和研究方法第四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类化学反应工程是研究工业规模的化

4、学反应的规律，即伴有物理过程的化学反应。分类特征反应过程反应特征简单，复杂（平行、连串、分支等）热力学特征可逆，不可逆相态均相（气、液），非均相（气-液、气-固、液-液、液-固、气-液-固）时间特征定态，非定态控制步骤化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制操作方式连续，间歇，半间歇（半连续）操作条件等温，变温常压，加压，减压是否用催化剂催化，非催化第五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类反应过程优劣的评价标准-反应速率和反应的选择性。反应速率：随具体情况选用不同基准（非均相-相界面，或某一反应物的质量，催化剂的质量或体积

5、），均相-体积，即单位时间、单位反应体积中所生成或消耗的某组分的物质的量，（对于恒容过程）第六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月反应的级数反应速度常数，其值的大小直接决定了反应速度的高低和反应进行的难易程度，与反应温度、溶剂和催化剂等有关。T，k化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类第七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类转化率 在化工生产中，反应速率直接影响到反应器的尺寸和催化剂的用量，从而关系到投资费用的多少。对于一个特定的反应器，速率往往体现为转化率，它表明反应的深度即反应物转化的百分率。第八张，PPT共二十八页

6、，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类对于间歇系统对于连续流动系统 若反应在等温、恒容条件下进行 一个化学反应，以不同的反应物为基准进行计算可以得到不同的转化率，在计算时必须指明是某反应物的转化率，若未指明，则为主要反应物或限量反应物（着眼反应物）的转化率。 第九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类反应的选择性 用来表明反应的方向。即在反应过程中着眼反应物以多大的百分率转化为目的产物。选择性S的定义为生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。收率用来说明反应原料利用率的综合指标 第十张，PPT共二十八页，创

7、作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类选择性、转化率、收率的关系 质量收率 例如100kg苯胺（纯度99%，相对分子质量93）经焙烘磺化和精制后得到218kg对氨基苯磺酸钠（纯度97%，相对分子质量231），则以苯胺计， 第十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类工业上常用质量收率的倒数，即单位质量产品的消耗定额-单耗来表示原料的利用程度。上例中生产一吨对氨基苯磺酸钠时苯胺的单耗为100/218=459kg/t。反应不仅要有高度的选择性，而且必须具备较好的原子经济性。原子经济性可以用原子利用率AU来衡量。第十

8、二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应过程的分类E-因子（环境因子）环境商EQ 环境商EQ是化工产品生产过程中产生废弃物量的多少、物化性质及其在环境中的毒性行为等的综合评价指标，用以衡量合成反应对环境造成影响的程度。是E因子与Q的乘积 Q为根据废弃物在环境中的行为给出的对环境的不友好度。EQ越大，对环境污染越严重 第十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应器分类按反应物料的相态分类 反应器种类反应类型举例适用设备的结构型式反应特性均相气相液相燃烧、裂解中和、酯化、水解管式釜式无相界面，反应速率只与温度或

9、浓度有关非均相气-液液-液气-固液-固固-固气-液-固氧化、氯化、加氢磺化、硝化、烷基化燃烧、还原、固相催化还原、离子交换水泥制造加氢裂解、加氢脱硫釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床、移动床釜式、塔式回转筒式固定床、流化床有相界面，实际反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关第十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应器分类按反应器的结构型式分类 型式适用反应应用实例优缺点搅拌釜液相、液-液、液-固物料混合均匀，温度、浓度易控制，产品质量均一；适用性强，可连续操作、可间歇操作，操作弹性大， 苯的硝化；丙烯聚合；氯乙烯聚合、高压聚乙烯、顺丁橡胶聚合、制药

10、、染料、油漆鼓泡搅拌釜气-液返混大，温度均匀易控制；气液界面和持液量较大，搅拌器密封结构复杂。乙醛氧化；微生物发酵管式气相、液相、气-液返混小，反应器容积小；比传热面大，易控温；管内可加构件(静态混合器)轻油裂解、高压聚乙烯、甲基丁炔醇合成鼓泡塔或挡板鼓泡塔气-液、气-液-固气相返混小，液相返混大；气体压降大，流速有限制气液界面小，持液量较大；温度较易调节， 二甲苯氧化、丙烯氯醇化变换气的碳化、苯的烷基化、乙烯基乙炔合成第十五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应器分类绝热固定床气-固、液-固返混小，床层内不能控制温度；结构简单，投资和操作费用低。苯

11、烃化制乙苯；二氧化硫氧化、丁烯氧化脱氢、半水煤气生产列管式固定床气-固、液-固返混小，传热面积大，易控制温度，投资和操作费用介于绝热固定床和流化床之间乙苯脱氢；乙烯制醋酸乙烯、合成氨、乙炔法制氯乙烯流化床气-固，液-固，适用于催化剂失活快的反应传热好，温度均匀，易控制；返混大，不适合高转化率或有串联副反应的系统；颗粒输送方便，能耗大，操作费用高。丙烯氨氧化制丙烯腈；石油催化裂化、硫铁矿焙烧、乙烯氧氯化制二氯乙烷喷射反应器气相，高速的液相返混较大，流体混合好；传热、传质速度快，反应物急冷易；操作条件限制严格，缺乏调节手段氯化氢合成、丁二烯氯化第十六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反

12、应过程和化学反应器的分类-化学反应器分类回转筒式气-固、固-固水泥制造空塔或搅拌塔液相、液-液相结构简单，返混程度与高/径比及搅拌有关，轴向温差大尿素合成；苯乙烯本体聚合移动床气-固、液-固、固体返混小；床内温差大，调节困难；固气比可变性大；颗粒输送方便，能耗大，操作费用高，石脑油连续重整；煤气化，适合于催化剂失活快的反应板式塔气-液逆流接触，气液返混均小，气液界面大，持液量较大，流速有限制，如需传热，可在板间加换热器异丙苯氧化填料塔液相、气-液返混小；结构简单，气液界面大，持液量较大；压降小，床层内不能控制温度，有温差；填料装卸麻烦合成气脱硫、脱二氧化碳第十七张，PPT共二十八页，创作于20

13、22年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应器分类喷雾塔气-液快速反应气相返混小；结构简单，液体表面积大，持液量小；无传热面，床层内不能控制温度；停留时间受塔高限制，气流速度有限制高级醇连续磺化、氯乙醇制丙烯腈滴流床(涓流床)气-液-固(固体催化剂上进行的气液反应)返混小；催化剂带出少，易分离；气液分布不均匀，温度调节困难碳三炔加氢、丁炔二醇加氢料浆床或浆态反应器气-液-固相(固体催化剂上进行的气液反应)返混大；催化剂细粉回收分离困难；如需传热，可设置换热管，温度容易控制乙烯溶液聚合第十八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月塔式反应器 固定床反应器 流化床反应器釜式反应器 管式反应

14、器第十九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月滴流床反应器 浆态床反应器 移动床反应器第二十张，PPT共二十八页，创作于2022年6月化学反应过程和化学反应器的分类-化学反应器分类按操作方式分类 分为间歇反应器、半间歇或半连续反应器和连续反应器。 间歇反应器：反应物料一次加入，在搅拌的存在下，经过一定时间达到反应要求后，反应产物一次卸出，生产为间歇地分批进行。特征是反应过程中反应体系的各种参数（如浓度、温度等）随着反应时间逐步变化，但不随器内空间位置而变化。物料经历的反应时间都相同。 连续反应器：稳定操作时，反应物和产物连续稳定地流入和引出反应器，反应器内的物系参数不随时间发生变化，但可随

15、位置而变。反应物料在反应器内停留时间可能不同。 半连续反应器/半间歇反应器：一种或几种反应物先一次加入反应器，而另外一种反应物或催化剂则连续注入反应器，这是一种介于连续和间歇之间的操作方式，反应器内物料参数随时间发生变化。 第二十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月理想均相反应器 典型反应器（形状、流动状况、操作方法）：间歇操作搅拌釜式反应器连续流动管式反应器连续操作搅拌釜式反应器多釜串联反应器 第二十二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月理想均相反应器理想间歇反应器 高/径比1-3，釜内设有搅拌装置和挡板，常带夹套或釜内放置蛇管，以维持釜内所需的反应温度，反应器的搅拌良好，黏度

16、较小的反应物料按一定配比一次加入反应器后，开动搅拌，瞬间反应器内各处物料的组成和温度均一，任一处的组成和温度都可以表征整个反应器的状态，称为理想间歇反应器IBR，该反应器具有操作灵活，容易适应不同操作条件和产品品种的优点，缺点是装、卸料等辅助操作要耗费一定时间，且产品质量不易稳定。第二十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月理想均相反应器活塞流反应器等温操作的管式反应器中，反应物沿管长方向流动，其浓度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化，反应时间是管长的函数。一般说来，理想管式反应器都在湍流区操作，管内流体似无数个厚度极薄的活塞一个接一个地依次流过反应器，即不同时刻进入反应器的物料之间不发生逆向混合（返混），物料的这种流动情况称为理想置换，这种理想化的、返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器PFR。通常，长径比较大的管式反应器的流动情况十分接近活塞流流反应器。第二十五张，PP