第8章反应工程原理.ppt

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1、第八章化学反应工程学基本原理化学反应工程学是化学工程学科的重要组成部分。以工业反应器为研究对象，从化学反应动力学和传递过程原理出发，研究反应器内物料的流动与混合、传热与传质等物理过程对化学反应过程的影响，找到工业反应器内宏观反应体系的反应规律，建立数学模型，为反应器的放大和优化提供可靠依据。化学反应工程导论“化学反应工程”主要解决下列问题：反应过程解析反应技术开发反应器设计它涉及诸多有关学科理论，是一门多科性的交叉学科。化学反应工程涉及学科：化学（化学热力学，化学动力学）化工传递过程（反应器中流体流动，混合传热与质）化学工艺学（反应工艺路线及设备）工程控制论（反应过程动态特性，

2、反应过程的测量与反应过程最佳化）§1工业反应器的基本类型一、按化学反应的相态不同，可分为均相反应器与非均相反应器。均相反应特性是，无相界面，反应速率只与浓度或温度有关。非均相反应特征是，有相界面，反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关。反应器类型反应器举例设备结构形式均相气相裂解管式液相中和，酯化，水解釜式非均相气—液相氧化，氯化，加氢等釜式，塔式液—液相磺化，硝化，烷基化釜式，塔式气—固相燃烧，还原，固相催化固定床，流化床，移动床液—固相还原，离子交换等釜式，塔式固—固相水泥制造等回转筒式气—液—固相加氢裂解，加氢脱氢等固定床，流化床二、按反应器的结构型式不同，可分为反应釜（

3、包括多釜串联），管式反应器，鼓泡塔，固定床，流化床，回转筒式反应器，喷嘴式反应器等。三、按操作方不同，可分为间歇式，连续式，半连续式。间歇式反应器——物料一次投入，反应达到要求的转化率之后，物料一次放出。连续反应器——进料，反应和出料都连续进行。半连续反应器——是间歇与连续操作的组合。如青霉素的生产，菌种和青霉素母体是间歇加入和排出，但糖分、空气是连续加入，废气是连续排出。半连续反应器示意图（1）全混流连续搅拌釜加料量不随时间而变，釜内各点浓度不但均匀一致，而且不随时间而变；物料微团在釜内停留时间可能由0→∞，有的在釜内停留时间很短即被排出。（2）多级串联连续搅拌釜鼓泡塔，固定

4、床，流化床，回转筒式反应器，喷嘴式反应器，都可以用多釜串联的模型来逼近。（3）活塞流管式反应器反应物沿管长方向流动，反应时间是管长的函数，最快的反应速度是管长上的某一点。（4）间歇式反应器间歇加料和间歇出料，它可以作为间歇操作的代表类型。尽管反应器的类型很多，可以说是五花八门，但实质上可以归纳成上述四种基本反应器。本章围绕基本反应器过程讨论，掌握了基本反应器的设计方法，其它类型反应器就可以迎刃而解。（1）连续搅拌釜———釜中反应物浓度不随时间和位置而变，其数值等于CA=(CA)（2）多釜串联———釜内反应物浓度不变，釜之间不混合，反应物浓度呈阶梯逐渐降低。基本反应器内反应物浓度

5、（3）管式反应器———反应物的浓度沿管长逐渐降低到出口浓度。CA>>(CA)出如图的c线（4）间歇搅拌釜———釜中反应物浓度仅是时间的函数[CA=(Ft)]而且任何时刻的反应物浓度都大于出口浓度。CA>>(CA)出。如图的的c线。反应器内浓度对时间的变化示意图§2化学反应的转化率2-1反应速度对于一个反应式VAA+VBB→VCC+VDD常数ζ称为反应进度。2-2转化率转化率是指参加化学反应的某一物质消耗的百分率，其定义为：转化率与反应进度的关系2-3收率与选择性由于存在副反应，必然要消耗原料，其反应转化率并不等于收率。收率φ选择性转化率x、收率φ、选择性β三者之间的关系φ=βX

6、§3流动系统的反应动力学3-1流动系统的反应动力学和反应时间设物料的总体积流量为qv，0，反应物的起始浓度为：cA，0，当物料通过微元体积dVR时，反应物的转化率由xA→xA+dxA对其物料做衡算：空间时间当物料流经整个反应器时，空间时间为：当反应器内有填料时，如果空隙率为ε，则空间时间为空间速度：表示单位时间内通过单位反应器的物料体积。其值为空间时间的倒数：3-2气相反应的膨胀因子对于气相反应，由于反应前后物质的量发生变化，物料的体积流量也发生变化。Aa+bB→rR+sS当t=0nA，0nB，000当t=tna,0(1-xA)nB，O-b/anA，0Xar/snA，0xAs/

7、anA，0xA为膨胀因子或物质量浓度的变化率在t=t时，反应系统中总物质的量为：反应时间为t时，反应物A的摩尔分数为：如果是等压过程，可以用浓度及分压来表示注意：上述公式只适应于气相连续流动的反应系统。3-3气相流动系统的动力学方程在流动的体系中，反应物A流经一定反应器后，其浓度CA可以表示为：气相反应的反应速率为：（以摩尔分数表示的）§4反应器内物料的流动模型4-1全混流模型在连续搅拌釜内，可视为理想混合反应器，或称为全混流反应器。在这种釜内，搅拌得很好，物料混合充分，可以认为进入反应器的