1、化学反应过程与反应器6.1 绪 论n工业化学反应过程的特征n化学反应工程学的任务和研究方法n工业反应器简介n反应器的基本计算方程一、工业化学反应过程的特征在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程热量传递、热量传递、流动、流动、混和、混和、传递传递所有这些传递过程使得反应器内产生温度分布所有这些传递过程使得反应器内产生温度分布和浓度分布，从而影响反应的最终结果和浓度分布，从而影响反应的最终结果.二、化学反应工程学的任务和研究方法1、研究内容：（1）生产规模下的化学反应过程和设备的传递规律（2）在反应器投产运行之后，还必须根据各种因素和条件的变化作相应的修正，以使它仍能
2、处于最优的条件下操作运用化学热力学、动力学运用化学热力学、动力学,结合结合流体流动传热、传质流体流动传热、传质等现象,进行工业反应过程的分析进行工业反应过程的分析、反应器的选择反应器的选择和设计和设计及反应技术的开发,并研究最佳的反应操作研究最佳的反应操作条件条件,实现反应过程的优化操作和控制.操作最优化：使化学工业生产中的反应过程最优化。化学反应化学反应过程过程物理过程物理过程2、研究方法数学模型方法数学模型方法 用数学模型分析和研究化学反应过程与设备的工程问题。数学模型就是用数学语言来表达过程各种变量之间的关系。数学模型就是用数学语言来表达过程各种变量之间的关系。将化学反应器内进行的过程分
3、解为化学反应过程和物理传递过程，然后分别研究化学反应规律和传递过程规律经过合理简化，建立经过合理简化，建立数学方程数学方程表述，求解获得表述，求解获得三、化学反应器的分类1、按操作方式分分批分批(或称间歇或称间歇)式操作式操作一次性一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的加入反应物料，在一定条件下，经过一定的反应时间，达到所要求的转化率时，取出反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部全部物物料的生产过程。料的生产过程。半分批半分批(或称半连续或称半连续)式操作式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而出而其余其余则为则为分批分批加入或卸出的操作
4、。加入或卸出的操作。连续式操作连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程连续加入反应物料和取出产物的生产过程2、据反应器结构分据反应器结构分a）管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；h）流化床反应器；（i）移动床反应器；（j）滴流床反应器 3 3、按物料的聚集状态分按物料的聚集状态分均相均相：气相：如石油烃管式裂解炉 液相：如乙酸丁酯的生产：g-l相：如苯的烷基化 g-s相：如合成氨 非均相非均相 l-l相：如已内酰胺缩合 l-s相：如离子交换 g-l-s相：如焦油加氢精制。4、反应器的基本计算方程 物料衡算方程流入流入
5、反应消耗累积反应单元反应单元流出流出衡算式：对任一组分衡算式：对任一组分AA的进入量的进入量=A离开的量离开的量+A反应的量反应的量+A的积累量的积累量n依 据：质量守衡定律。6.2理想反应器及计算n讨论恒温、均相反应器的流动状况、反应器计算及其强化和优化等内容。均一液相均一液相1、间歇搅拌釜式反应器（1）、结构与操作特点n结构n流体流动状态的特点反应物料一次加入，充分搅拌，整个反应器内物料的反应物料一次加入，充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀。浓度和温度保持均匀。因而这种模型的特点是:剧烈搅拌1、反应器内各点的浓度是均匀的2、各点温度也是相等的。传热速率很大3、各点停留时间相同反
6、应时间一样4、随着反应的进行，釜内温度、浓度和反应速度都随时间变化凡是符合上述特点的反应器称为理想间歇反应器。这种模型又称为间歇全混式流动模型。2、反应器有效容积VR的计算1、间歇反应器间歇反应器的数学描述的数学描述对整个反应器进行某组分物料衡算：流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量单位时间内反应量单位时间内反应量 =-=-单位时间内积累量单位时间内积累量00定义：rA组分A的反应速率，Kmol/m3.s-1 CAo、CA组分A初始、瞬时浓度Kmol/m3 nAo、nA组分A初始、瞬时物质的量Kmol V反应混合物的体积，m3反应物反应物A A积累量积累量=反应物反应物
7、A消耗的量消耗的量=(-rA)V物料衡算式可变为物料衡算式可变为AdndtdtdnVrAA)(00)1(0AAAxnn或dtdnVrAA1)(Adn)1(0AAxdnAAdxn0dtdxndtdnVrAAAA0)(式中式中x xA A-反应结束时的转化率反应结束时的转化率AAAdxrVndt)(10AAAdxrVndt)(10AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt0000)()(AAAfCCAAxAAArdCrdxCt0)()(00等容过程，液相反应等容过程，液相反应n上式称为间歇釜式反应器的基本计算方程上式称为间歇釜式反应器的基本计算方程。反应时间的计算2、反应器有效容积、反应器有效容
8、积VR的计算的计算在在VR的计算中，已知的计算中，已知v（物料体积流量），此时（物料体积流量），此时V表表示单位时间内示单位时间内处理处理的物料量，则：的物料量，则：nVR=vt 但是，间歇反应器是分批操作，其操作全过程应为进料进料反应反应卸料卸料清洗清洗因此，间歇反应器完成一个操作所需要的时间，应为因此，间歇反应器完成一个操作所需要的时间，应为：实际操作时间=反应时间+辅助时间 V VR R=v=v (t+t(t+t)反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积,实际体积要比有效体积大，有效体积占总体积的分数为装料系数其中：其中：=0.4=0.
9、40.80.8。RTVV间歇反应器中一、二级反应的积分式反应速率n=1rA=kCAn=2rA=kCA2AACCAArdCt0AfxAAArdxCt00AACCkt0lnAxkt11ln011AACCktAAAxxktC106.3、活塞流反应器1、活塞流反应器的结构n这种反应器的结构非常简单，一般是直管，要求有足够大的长径比（L/d 50）。反应物料从管的一端送入，一边流动一边反应，从管的另一端引出时，已达到预定的转化率。2、管式反应器的特点n（1）活塞流连续稳定流入反应器的流体，在垂直于流动平行向前流动，汽缸中活塞的移动，称为活塞流或平推流，l也叫理想置换、理想排挤流。方向的任一截面上，就象2
10、、特点：、特点：1.连续定态下，各个截面上的各种参数连续定态下，各个截面上的各种参数只是只是位置位置的函数，不随时间而变化；的函数，不随时间而变化；2、径向速度均匀，径向也不存在浓度分布3、反应物料具有相同的停留时间。无反无反混混管道任一管道任一截面，各截面，各参数均匀参数均匀3.活塞流反应器的计算：流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0)1()1(000AAVAAnnxCqxqqA由于物料的量是随位置而不断发生变化，因由于物料的量是随位置而不断发生变化，因此应取一微元段体积进行衡算此应取一微元段体积进行衡算)
11、1(0AAVAAAndxxqdqnq则：进入微元体积的反应物则：进入微元体积的反应物A A的量为：的量为：流出微元体积的反应物流出微元体积的反应物A的量为：的量为：微元体积内微元体积内A反应的量为反应的量为：RAdVr)(根据物料衡算式有：根据物料衡算式有：RAAAAVrdqnqnqn)(简化为：简化为：RAAAoVdVrdxCq)(0分离变量进行积分：分离变量进行积分：AfRxAAVAVRRrdxCqdVV0000)(等容过程0)(000AAfAfCCAAxAAAVRrdCrdxCqV与间歇反应器的公式相同与间歇反应器的公式相同停留时间()反应时间（t）反应物料质点从进入反应器算起已经停留的
12、时反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。反应物料质点从进入反应器到离开反应器的反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。的。4、停留时间、反应时间、返混、停留时间、反应时间、返混的概念的概念返混返混：又称逆向返混，不同停留时间质点之间的混合。又称逆向返混，不同停留时间质点之间的混合。是是时间时间概念上的混合概念上的混合5.等温活塞流反应器的计算 反应级数 反应速率反应器体积计算式 n=1 rA=kCA n=2 rA=kCA2AfAVRxC
13、kqV00AfVRxkqV11ln06.3 全混流反应器1、全混流反应器结构2、全混流反应器流体流动特性n（1）、全混流）、全混流n全混流是指连续稳定流入全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈反应器的物料在强烈搅拌下于反应器中，搅拌下于反应器中，瞬间达到完全混合瞬间达到完全混合，称为理想混合流动称为理想混合流动。n全混流反应器结构与间歇搅拌釜式反应器完全相同，只不过是它们的操作方式不同。全混流反应器是连续进料，连续出料，进料出料的速率是均匀的。物料流量物料流量一样一样由于全混流反应器基本符合连续理想混合流动由于全混流反应器基本符合连续理想混合流动模型，故其性能和特点是：模型，故其性能和特点是
14、：（1）釜内各点的CA、xA、(-rA)都是相同的，且与出口处的各参数是一致的，即CA=CAf，xA=xf（2）由于返混对物料浓度的冲稀程度最大，存在停留时间分布，有平均停留时间；（3）各参数不随时间变化，是连续稳定过程。3、全混流反应器的计算、全混流反应器的计算对整个反应器进行物料衡算对整个反应器进行物料衡算RfAAfAAVrxCVCV)()1(0000流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0fAAfAfAAARrxCrCCVV)()(000fAAfARrxCVV)(00fAAAfARrxxCVV)()(000平推流反应器与全混流反应器的比较理想流动反应器总结间歇反应器
15、间歇反应器(a)连续流动反应器连续流动反应器平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器完全没有返混(b)返混极大(c)三种理想反应器的特点及其基本方程的建立要求：1.掌握三种理想反应器的基本概念、特点；掌握三种理想反应器的基本概念、特点；间歇搅拌反应器 管器式反应器 全混流反应器1投料投料 一次加料一次加料(起始起始)连续加料连续加料(入口入口)连续加料连续加料(入入口口)2停留时间停留时间 相同相同(某时某时)相同相同(某处某处)时间不同时间不同3反应时间反应时间 相同相同(中止中止)相同相同(出口出口)不同不同(出出口口)4返混返混 全无返混全无返混 全无返混全无返混 返混极大返混极大2、掌握建立基本设计方程的方法；、掌握建立基本设计方程的方法；反应器反应器反应单元反应单元带入量带入量带出量带出量反应热反应热累积量累积量间歇式间歇式整个反应整个反应器器00平推流平推流(稳稳态态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳稳态态)整个反应整个反应器器0非稳态非稳态3、记住零级反应、一级反应、二级反应的积、记住零级反应、一级反应、二级反应的积分式（浓度和转化率）分式（浓度和转化率）4、能够利用反应器流动模型方程计算反应体积和所需反应时间。
