化学工程基础第4章

1、第4章 化学反应工程的基本原理,4. 1 概述,（一）化学反应工程研究的内容,4. 1. 1 化学反应工程,化学反应工程：研究在生产装置中进行化学反应的工程学科,研究对象：工业反应过程 研究内容：反应技术的开发、反应过程的优化和反应器设计,化学反应过程实现工业化的条件： 技术可行性：催化剂、反应速率、选择性、分离提纯、反应条件、废料处理 经济合理性：生产费用、操作费用,（二）化学反应器,1. 反应器的传递特性,本征动力学（微观动力学）：没有传递等工程因素影响时，化学反应固有的速率。该速率除反应本身的特性外，只与各反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关。,宏观动力学：将本征动力学与反应器的传

2、递等工程因素综合考虑的总反应速率。,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,（二）化学反应器,2. 反应器的类型,按几何形式分类,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 反应器的类型,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 反应器的类型,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 反应器的类型,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 反应器的类型,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,按物料形态分类,均相：气相

3、反应器、均相液相反应器 非均相：气液相、液液非均相、气固相、气液固相,按传热形式分类,间壁传热式 直接传热式 蒸发传热式 外循环传热式 绝热式,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）化学反应工程学的研究方法,放大效应：工业生产和实验室操作在反应器效率、产品质量、反应选择性和收率等方面发生差异。,逐步放大：小试，中试 数学模型：模型的建立、模型参数的估计和模型的鉴别,4. 1. 1 化学反应工程,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 1. 2 化学反应工程中的基本概念,（一）关于体积,反应器体积：VR 反应体积（有效体积）：V,第4章 化学反应工程的基本原理,（二）

4、关于时间,反应时间 tr 在间歇反应器中，反应物从开始反应至达到要求的转化率所持续的时间。,停留时间 t 和平均停留时间 在连续流动反应器中，物料质点从反应器入口到出口所经历的时间为停留时间。,4. 1. 2 化学反应工程中的基本概念,第4章 化学反应工程的基本原理,空间时间 在持续流动反应器中，反应体积V与指定状态下的流体入口体积流率qv,0之比，成为空间时间，简称空时。,物理意义：指定状态下，反应器处理与反应体积相等量的物料所需的时间。,4. 1. 2 化学反应工程中的基本概念,第4章 化学反应工程的基本原理,空间速度 SV 在持续流动反应器中，指定状态下的流体入口体积流率qv,0与反应体

5、积V之比，成为空间速度，简称空速。,物理意义：指定状态下，单位时间、单位反应体积内所能处理的物料量。,4. 1. 2 化学反应工程中的基本概念,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）混合与返混,同龄混合（相同停留时间） 非同龄混合（返混）,完全不返混（活塞流模型） 完全返混（全混流模型） 部分返混,微观混合：分子扩散（分子） 宏观混合：对流和湍流（微团）,4. 1. 2 化学反应工程中的基本概念,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 2. 1 化学计量方程式,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 2. 2 化学反应进行的程度,第4章 化学反应工程的基本原理,关键组分： (1)理论上该反应为不可

6、逆反应，在足够长的时间后，该组分应反应； (2)实际生产中反应物料不是按化学计量投料，往往对某一组分投料过量，而对另一组分投料限量，该限量组分称为关键组分。,4. 2. 3 化学反应速率,（一）化学反应速率,化学反应速率: 单位量的反应体系中反应进度随时间的变化率,第4章 化学反应工程的基本原理,（二）消耗速率与生产速率,4. 2. 3 化学反应速率,第4章 化学反应工程的基本原理,恒容过程,非均相反应,4. 2. 3 化学反应速率,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 2. 4 收率与选择性,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 2. 5 等温变容反应系统,（一）表征变容特性的因素,第4章

7、化学反应工程的基本原理,4. 2 化学反应体系的量,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 2 化学反应体系的量,第4章 化学反应工程的基本原理,（二）非恒容系统中组分浓度的表示,4. 2 化学反应体系的量,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）非恒容系统的动力学表达式,4. 2 化学反应体系的量,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 1 反应器设计的基本内容,造型 结构设计及其参数的确定 工艺参数的确定,4. 3 均相反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 2 反应器设计的基本方法,数学模型,物料衡算式 能量衡算式 反应动力学方程式,4. 3 均相反应器,第4章 化学反应工程

8、的基本原理,4. 3. 3 间歇操作的釜式反应器,（一）反应时间tr的计算,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 3 间歇操作的釜式反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,1. 反应器的有效体积,2. 实际反应器体积,（二）反应器体积的计算,4. 3. 3 间歇操作的釜式反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）反应器优化操作条件的确定,1. 以平均生产强度最大为优化目标,4. 3. 3 间歇操作的釜式反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）反应器优化操作条件的确定,2. 以最低生产费用为优化目标,4. 3. 3 间歇操作的釜式反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3.

9、 4 全混流反应器,连续流动搅拌釜式反应器,反应器内反应物料完全均匀； 反应器内不存在浓度梯度和温度梯度； 反应器出口的物料组成和反应器中的物料组成相等(cA,f= cA)； 反应器内是在等温、等浓度下的恒速率反应。,第4章 化学反应工程的基本原理,不存在热量积累而引起的局部过热，适宜对温度敏感的化学反应，不容易引起副反应。 釜内物料容量大，当进料条件发生一定程度的波动时，不会引起釜内反应条件变化，稳定性好，操作安全。,全混流反应器的优点,4. 3. 4 全混流反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,对组分A的物料衡算,全混流反应器的基本设计方程,4. 3. 4 全混流反应器,第4章 化学反应

10、工程的基本原理,4. 3. 4 全混流反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 5 活塞流反应器,流体微元沿同一方向以相同的速率向前移动 在流体微元的流动方向是不存在轴向扩散 所有微元体在反应器内的停留时间相等 常定态下器内物料的各种参数（温度、浓度、反应速率等）只随物料流动方向变化，不随时间变化 与流动方向垂直的同一截面上，同一参数值相等,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 5 活塞流反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 6 理想反应器的组合,(一) 活塞流反应器的组合 1. 并联操作,第4章 化学反应工程的基本原理,N个活塞流反应器并联操作与一个和其总体积相

11、同的单个活塞流反应器的作用相同,(一) 活塞流反应器的组合 2. 串联操作,4. 3. 6 理想反应器的组合,第4章 化学反应工程的基本原理,在恒温条件下，总体积为V的N个活塞流反应器串联操作，与一个体积为V的活塞流反应器所达最终转化率相同。,(二) 全混流反应器的组合,1. 并联操作,4. 3. 6 理想反应器的组合,当进出口物料组成相同且操作温度相同时，总体积为V的N个全混流反应器并联操作与一个体积为V的单个全混流反应器处理物料量相同,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 全混流反应器的组合,2. 串联操作,4. 3. 6 理想反应器的组合,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 全混流

12、反应器的组合,2. 串联操作,4. 3. 6 理想反应器的组合,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 全混流反应器的组合,代数法,4. 3. 6 理想反应器的组合,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 全混流反应器的组合,图解法,4. 3. 6 理想反应器的组合,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,反应器优化选择的因素： 化学反应本身的动力学持征 反应器的操作特性 设备和操作费用 操作的安全性、稳定性和灵活性,经济性的衡量指标： 反应设备的生产能力大小 产物的分布，收率和选择性等,第4章 化学反应工程的基本原理,（一）反应器生产能力比较,1. 单个反应器,

13、4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程的基本原理,对低级数反应，或是低转化率下，两种反应器所需反应器体积差别小； 对于高级数反应，或在高转化率下全混流反应器所需的反应体积比活塞流反应器体积要大得多； 对于非恒容过程，由于反应而产生物料的密度变化，也将影响全混流反应器与活塞流反应器的体积比，但它通常是属于较次要的因素。,等温情况下，返混可能使单位反应器体积的生产能力下降，然而对自催化反应，返混降低了反应物的浓度但提高了产物(催化剂)的浓度，因而使反应加速。对负级数反应，返混能使反应速率提高。,（一）反应器生产能力比较,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程

14、的基本原理,2. 全混流反应器串联,（一）反应器生产能力比较,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 全混流反应器串联,（一）反应器生产能力比较,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程的基本原理,1. 简单反应,（二）反应器的选择,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 复合反应 （1）平行反应,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 复合反应 （2）串联反应,4. 3. 7 均相反应器的优化选择,

15、第4章 化学反应工程的基本原理,（一）间歇操作搅拌釜,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,（二）活塞流反应器,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,绝热温升：在绝热条件下，反应物A全部转化后反应混合物温度升高的数值。 若为吸热反应， 称为绝热温降。,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,恒容过程的温度与转化率之间为线性关系,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）全混流反应器,1. 热量衡算,4. 3. 8 非等温反应过程

16、,等温定态操作：,第4章 化学反应工程的基本原理,（三）全混流反应器,2. 全混流反应器的热稳定性,反应器的热稳定性: 指运转中的反应器在反应条件有微小波动时能自动恢复正常状态的能力。 如果反应器具有热稳定性、只要有关参数基本保持在给定值，即使短暂的波动使反应器内的温度发生了偏离，但它能自动返回到原来的平衡状态，无需做专门的调节。相反，不具有热稳定性的反应器，若不进行专门的调节，这种偏离(或偏差)将会自动地愈来愈大，以致无法操作。,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 3. 8 非等温反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4 化学反应器中的非理想流动,

17、活塞流反应器：流体的粒子完全不返混 全混流反应器：粒子之间的返混程度达到最大,流体在系统中速率分布不均匀，流体的分子扩散和湍流扩散，搅拌引起的强制对流。 因为反应器的设计、加工和安装不良而产生的沟流、短路、死区等，使得流体粒子在系统中的停留时间有长有短。,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 1 停留时间分布的定量描述,(一) 停留时间分布函数F(t),当反应器中存在返混时，所有物料微团在反应器中的停留时间不一致，呈现一种概率分布，称为停留时间分布。,在任一时刻t，出口流体中的红色粒子在粒子总体中所占的分率，也就是在容器中停留时间小于t的流体所占的分率，称为流体在该容器中的停留时间分布函

18、数。,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 停留时间分布函数F(t),根据概率论可知： t0时刻进入容器的流体粒子在0t这段时间间隔中流出的量所占分率的可能性为F(t)； 在大于t时间流出的量的可能性为1- F(t) 。,4. 4. 1 停留时间分布的定量描述,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 停留时间分布密度函数E(t),4. 4. 1 停留时间分布的定量描述,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 2 停留时间分布的实验测定,示踪应答技术：用一定的方法将示踪剂从反应器进口加入，然后在反应器出口流体中检测示踪剂信号，以获得示踪剂在反应器中停留时间分布规律的实验数据,利用光学，电学

19、，化学，放射性等特性,示踪剂选择： 不影响流动，不参与反应，不挥发，不沉淀，易检测,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 脉冲法,4. 4. 2 停留时间分布的实验测定,脉冲法是当反应器内流体流动达到定常态后，在极短时间内，于系统入口处将示踪剂全部注入进料中,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 脉冲法,4. 4. 2 停留时间分布的实验测定,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 2 停留时间分布的实验测定,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 阶跃法,4. 4. 2 停留时间分布的实验测定,当反应器内的流体达到定常态流动后在某一瞬间将反应器进口物料全部切换成流量相同的含有示踪剂的

20、流体,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 阶跃法,4. 4. 2 停留时间分布的实验测定,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 3 平均停留时间与散度,数学期望（均值）：随机变量的平均取值。 方差（离散度）：随机变量对它的均值的偏离程度。,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 平均停留时间,4. 4. 3 平均停留时间与散度,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 方差,4. 4. 3 平均停留时间与散度,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 3 平均停留时间与散度,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 3 平均停留时间与散度,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4.

21、 4 理想反应器的停留时间分布,(一) 活塞流,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 全混流,4. 4. 4 理想反应器的停留时间分布,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 4 理想反应器的停留时间分布,第4章 化学反应工程的基本原理,全混流反应器与活塞流反应器比较： 设两个反应器中进行同一个反应，且平均停留时间相等，操作条件相同。由于在活塞流反应器中，所有质点的停留时间相等，并且都等于平均停留时间。而全混流反应器中，因为停留时间小于平均停留时间的流体质点占全部流体的63.2，这部分流体的转化率低于活塞流反应器。虽然其余36.8的反应物料停留时间大于平均停留时间，转化率高于活塞流，但无

22、法抵偿量大的那部分因停留时间短而造成的转化率低。所以全混流反应器的转化率低于活塞流。由此可见，从停留时间长短分析，使停留时间分布集中，可以提高反应器的生产强度。,4. 4. 4 理想反应器的停留时间分布,第4章 化学反应工程的基本原理,非理想流动：实际反应器中流体的流动状况偏离理想流动 产生非理想流动的原因: 由于反应器设计、制造不良造成的病态流动这种情况下反应器的操作状况会严重恶化，必须设法加以排除； 反应体系固有特性相互作用引起的非理想流动，此种情况下需要对非理想流动状况建立适宜的流动模型来预测反应的结果。,4. 4. 5 实际反应器的设计方法（流动模型）,第4章 化学反应工程的基本原理,

23、(一) 凝集流模型,该模型假设流体粒子以宏观混合经过反应器。流体粒子就像一个有边界的个体，从反应器的进口向出口运动，每个粒子如间歇反应器各自独立进行反应，反应的程度取决于该粒子在反应器中的停留时间(此停留时间等于在间歇反应器内的反应时间)；各粒子之间存在停留时间分布，它们在反应器出口浓度c(t)不同，所以在反应器出口浓度是一个平均值。,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 多釜串联模型,多釜串联模型是将一个实际反应器用N个等体积全混流反应器串联来模拟。N为该模型参数。N值的大小反映了实际反应器中的不同返混程度。当N1时为全混流流动；N时为活塞流流动。通过

24、对停留时间分布的测定，可以求出模型参数N。,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,当采用多釜串联模型来模拟一个实际反应器的流动状况时，首先要测定停留时间分布，然后求出该分布的方差，再由下式求出模型参数N。,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,(三) 轴向扩散模型,轴向扩散模型适用于返混程度不大的系统。该模型是依照一般的分子

25、扩散中用扩散系数来表征反应器内的质量传递，用一个轴向有效扩散系数De来表征一维的返混。也就是把具有一定返混的流动简化为在一个活塞流中叠加一个轴向扩散。 该模型的这些要点是基于以下几点假设。 (1) 流体以恒定的速度u流过系统； (2) 沿着与流动方向垂直的每一截面上具有均匀的径向浓度； (3) 物料浓度是流体流动距离的函数。,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 4. 5 实际反应器的设计方法,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 5 气-固相催化反应,气体组分在固体催化剂作用下发生的反

26、应过程,气体主体,催化剂外表面,催化剂内表面,扩散,扩散,外部传质,内部传质,将化学反应规律与传递规律综合考虑对反应结果的影响，称为宏观动力学； 如果排除传递过程影响的动力学称本征动力学。,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 5. 1 外部传质过程的影响,在气-固相催化反应中，反应组分从气相主体扩散到催化剂外表面的过程属于外部传质过程,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 反应速率和传质速率,4. 5. 1 外部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 反应速率和传质速率,4. 5. 1 外部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 外扩散效率因子外与准数Da的

27、关系,4. 5. 1 外部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,(三) 外部传质对复杂反应选择性的影响,4. 5. 1 外部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,(三) 外部传质对复杂反应选择性的影响,4. 5. 1 外部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 5. 2 内部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 5. 2 内部传质过程的影响,(一) 球形催化剂等温下的内扩散效率因子,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 5. 2 内部传质过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 蒂勒模数,4. 5. 2 内部传质过程的影响,第4章 化

28、学反应工程的基本原理,4. 6. 1 固定床反应器,(一) 固定床反应器的类型,固定床反应器：流体通过静止不动的固体催化剂或固体反应物所形成的床层而进行反应的装置,第4章 化学反应工程的基本原理,固定床反应器的优点： 床层内流体的流动接近活塞流，有较大的生产能力，当伴有串联副反应时，可以达到较高的选择性和转化率； 反应器结构简单、操作方便，催化剂机械磨损小。,固定床反应器的缺点： 热效应大的反应过程中的传热与控温问题； 催化剂更换时必须停产，因此不适宜对催化剂需要不断再生的反应过程； 高温下的快速反应，可能导致比较严重的内扩散影响。,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理

29、,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 固定床反应器的特性参数,1. 床层空隙率 床层中颗粒间的自由空隙体积与整个床层体积之比。 大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床层直径之比以及颗粒的填充方式有关。,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,2. 颗粒直径 d,(二) 固定床反应器的特性参数,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,3. 流体通过床层的压强降,(二) 固定床反应器的特性参数,因此

30、当流体通过催化剂床层时，由于颗粒的粘滞曳力(流体与颗粒表面问摩擦力)和流体流经的孔道截面积突然扩大与收缩，以及流体对颗粒的撞击及流体不断再分布产生压力损失。 在低流速时，压力降主要是由表面摩擦而产生，在高流速及簿床层中流动时，扩大和收缩成为产生压力降的主要原因。,4. 6. 1 固定床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 6. 2 流化床反应器,流化床反应器：利用气体或液体自下而上通过固体颗粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应或液固相反应的反应器。,第4章 化学反应工程的基本原理,流化床反应器的优点,流化床有很高的传热效率，床内温度分布均匀； 比较容易实现固体物料的连续输

31、入和输出，便于催化剂的再生，可以便用粒度很小的固体物料或催化剂； 在气-固相催化反应中，有利于消除内扩散阻力，大大提高了催化剂的有效利用系数； 流化床结构简单、紧凑、投资少，适用于大规模连续化生产。,4. 6. 2 流化床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,流化床反应器的缺点,在气团流化床中，不少气体以气泡形式通过床层，气体反应很不完全，所以不适于单程转化率很高的反应； 固体颗粒的运动方式接近全混流，导致反应速率下降，选择性差； 固体颗粒之间以及颗粒和壁之间的磨擦会产生大量细粉被气体挟带而出，必须设高效效风分离器等对粒子回收的装置； 与固定床比较，流化床反应器放大更困难。,4. 6. 2

32、流化床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,(一) 流化床反应器的类型,根据加工对象，流化床反应器分为两类： (1) 流化床反应器中有固体物料连续进料和出料，其加工对象是固体，如矿石的焙烧。 (2) 属于催化反应过程或流体相加工过程，其加工对象是流体，固体为催化剂。,4. 6. 2 流化床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,(二) 液态化现象,当流体流速较低时，床层内固体颗粒静止不动，属于固定床范围 当流体的流速达到某一数值时，床层开始膨胀变松，空隙率增大，部分颗粒开始在颗粒空隙中游动，成为膨胀床； 当流速继续增大到流体与固体颗粒间的摩擦力等于固体颗粒质量时，床层刚刚能被流体托起，固体颗

33、粒悬浮在流体中且能自由运动，形成流化床，即为流态化的开始，这时流体的空管速率称为起始流化速率，亦称临界流化速率umf，相应的床高称临界流态化床高Lmf； 流速大于临界流化速率时，床层相应增高，床层空隙率进一步增大，床层进入完全流化状态。,4. 6. 2 流化床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 6. 2 流化床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,理想的流化状态具有以下几个特征： (1) 有一个明显的临界流态化速率umf，当表观速率达到umf时，整个颗粒床层开始流化； (2) 流态化床层的压降为一常数； (3) 流化床层具有稳定的床层界面； (4) 流态化床层的空隙率均匀不因床层的

34、位置变化。,4. 6. 2 流化床反应器,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 7 生化反应工程基础,以生物为催化剂进行的化学反应过程，称为生化反应过程,第4章 化学反应工程的基本原理,若以微生物、动植物细胞等活细胞为催化剂，称为发酵或微生物反应。该过程不仅得到产品，微生物细胞同时繁殖，所以称其为细胞培养过程； 若以固定或游离化酶为催化剂，则称为酶反应过程。酶在反应中不会增长。 从催化作用的实质分析，发酵过程是细胞内的酶在起催化作用，因此，生化反应的核心是酶的催化作用。 酶催化反应特点：专一性强、对底物有严格要求，催化效率高、反应活化能低、反应速率大，反应条件通常为常温、常压及中性pH，酶活性

35、的调控机制复杂。,4. 7 生化反应工程基础,第4章 化学反应工程的基本原理,4. 7. 1 生化反应动力学,生化反应动力学：研究生化反应的速率及影响该速率的各种因素。 酶催化反应动力学（生化反应动力学的基础） 微生物反应动力学 灭菌动力学,第4章 化学反应工程的基本原理,（一）酶催化反应动力学,酶,底物,1酶反应速率与底物浓度关系 底物低浓度时，反应速率rP与底物浓度cs成正比，表现为一级反应； 底物浓度很大时，反应速率rP接近于恒定值(最大反应速率)而与底物浓度无关。,第4章 化学反应工程的基本原理,2米氏方程,（一）酶催化反应动力学,第4章 化学反应工程的基本原理,2米氏方程,（一）酶催

36、化反应动力学,第4章 化学反应工程的基本原理,3米氏常数KM的确定,（一）酶催化反应动力学,第4章 化学反应工程的基本原理,生化反应中，酶在不变性的情况下，因某些物质存在而降低反应速率，称为抑制作用；引起抑制作用的物质称为抑制剂。 抑制作用主要有以下几类： (1) 可逆抑制 抑制剂与酶蛋白以非共价键结合，具有可逆性，用透析等物理方法可以解除抑制的物质以恢复酶的活性。 根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制又可分为 竞争性抑制, 非竞争性抑制, 反竞争性抑制,（一）酶催化反应动力学,4抑制剂对酶催化反应过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,(2) 不可逆抑制 抑制剂与酶的某些活性基因以共价键结合。 (3) 底物抑制 在酶的催化反应中当底物浓度增大，反应速率减小,（一）酶催化反应动力学,4抑制剂对酶催化反应过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,底物抑制作用,（一）酶催化反应动力学,4抑制剂对酶催化反应过程的影响,第4章 化学反应工程的基本原理,（二）微生物群体的生长规律,延滞期、对数生长期、稳定期、衰亡期,第4