第4章 反应工程基本原理

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1、4.1化学反应工程概述第四章化学反应工程的基本原理1化学反应工程研究内容4.1化学反应工程概述研究对象：在生产装置中进行的化学反应4.2化学反应体系的量4.3等温变容反应体系中的几个问题传递特性化学特性4.4典型均相反应器研究内容：(1)反应技术的开发4.5反应器的热稳定性(2)反应过程的优化4.6停留时间分布(3)反应器设计3反应器类型2化学反应工程涉及的理论∑按反应器的结构形式不同♦化学科学（化学热力学，化学动力学）(1)反应釜（立式、卧式）；♦化学工艺学（反应工艺路线及设备）(2)管式反应器；(3)塔式反应器；♦化工传递过程（流体流动，混合传热(4)固定床；(5)流化床；(6)移动床；(

2、7)喷嘴式反应器；(8)泵式反应器。与传质）♦工程控制论（反映过程动态特性，反∑按化学反应的相态不同应过程的测量与反应过(1)均相反应器：无相界面程的最佳化）(2)非均相反应器：有相界面基本反应器∑按传热形式不同(1)直接传热式；(2)间壁传热式；1.间歇操作的搅拌釜：间歇加料、出料。(3)蒸发传热式；(4)外循环传热式；釜内各点浓度、转化率等参数随时间变化，(5)绝热式。物料质点在反应器内停留的时间相等。∑按操作方式不同2.连续操作的搅拌釜：连续加料、出料，(1)间歇式；釜内各点浓度、转化率等参数不随时间而(2)连续式；变，物料微团在釜内停留时间不等。(3)半连续式。14化学反应工程学的研究

3、方法3.连续操作的管式反应器：连续加料、出逐步放大法：实验室研究成果的产业料，反应物沿管长方向流动，反应时间是管化，通常先要在实验室规模的装置上实验,长的函数。浓度、转化率等参数不随时间变然后在稍大的装置上实验，并逐步放大，化，只随管长变化，物料质点在反应器内停最后在工业装置上进行工艺过程的试验。留时间与流动状况有关。数学模型法：将复杂的对象进行合理简化，用数学表达式来表示反应器的时间,4.多级串联连续搅拌釜：由多个连续操作空间与反应参数的关系，即用数学语言来的搅拌釜串联而成。表达化学反应过程中各变量之间的关系。5化学反应工程中基本概念(2)时间(1)体积反应时间t：在间歇反应器中，反应物r反

4、应器体积V（m3）：反应设备中的全部料从开始反应至达到要求的转化率所持续R的时间，称为反应时间。空间占有的体积。反应体积V（m3）：反应器中实际进行化学停留时间t：在连续流动反应器中，物料质点从反映器入口到出口所经历的时间称反应的区域所占有的体积，为停留时间。也叫反应器的有效体积。流通体积V（m3）：反应器内，物料流体平均停留时间t：物料流中各质点在反应器0中的停留时间的平均值，称为平均停留时间能通过的体积。V0dV0空间速度S：连续操作的反应器无返混时：t=∫[s]V0qVV在连续流动反应器中，指定状态下的=0[s]恒容过程：t流体入口体积流率q与反应器的反应体积qV,0VV之比，称为空间速

5、度，简称空速。空间时间τ：在连续流动反应器中，反应体积V与指定状态下的流体入口体积流率qV,0−1SV=[s]q之比，称为空间时间，简称空时。VV,0Vτ=[s]空速为空时的倒数。空速越大，表示qV,0反应设备的生产强度越大。空时越小，反应设备的生产强度越大。2(3)混合与返混6反应器内物料的流动模型混合（同龄混合）：相同停留时间的物料(1)理想混合流动（全混流）模型：之间的混合。是一般意义上所说的混合。进入反应器的物料立即均匀分散在整返混（非同龄混合）：指不同时刻进入反个反应器内，使反应器内各处物料完全均应器的物料之间的混合，即不同停留时间匀一致。物料之间的混合。能用全混流模型描述物料流动状

6、况的返混程度:连续操作的反应器，称为全混流反应器。1）完全返混：物料质点停留时间完全不同在这类反应器中，物料各质点在反应器内停留时间完全不同。2）完全不返混：物料质点停留时间相同3）部分返混完全返混属于全混流。(2)活塞流流动模型：(3)多釜串联流动模型：当物料流入反应器后，各质点以相同在每个釜内可视为全混流流动模型，在的速度沿着同一方向流动，这种理想流动釜与釜之间，可视为活塞流流动模型，釜数模型称为活塞流模型。N为模型参数。N越大，越接近活塞流。这种模型相当于部分返混：不同停留时能用活塞流模型描述物料流动状况的间的物料质点间不同程度的混合。连续操作的反应器，称为活塞流反应器。在这类反应器中，

7、所有物料质点的停留时活塞流和全混流是反应器中物料的两种间都相等。理想流动模型，实际反应器中物料的流动状完全不返混属于活塞流。态介于这两种情况之间。4.2化学反应体系的量3收率与选择性1关键组分A的转化率(1)收率主产物实际得量Y=主产物理论产量nA,0−nAxA=生成主产物所消耗的关键组分A的量nY=A,0投入反应器的关键组分A的量2化学反应速率(2)选择性(−r)=−1dni生成主产物所消耗的关