化工第五章化學反應精選

1、化學反應工程學是一門研究化學反應化學反應的工程問題的科學。原料原料物理處理物理處理化學處理化學處理物理物理處理處理產(chǎn)物產(chǎn)物循環(huán)循環(huán)內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：本章首先介紹了流體在反應器內(nèi)的流動模型和反應器內(nèi)的物料本章首先介紹了流體在反應器內(nèi)的流動模型和反應器內(nèi)的物料衡算，在此基礎上主要討論了基本反應器即間歇操作反應釜、管式反應器、連衡算，在此基礎上主要討論了基本反應器即間歇操作反應釜、管式反應器、連續(xù)操作反應釜在均相反應中的應用，重點介紹了這幾種反應器的體積和物料在續(xù)操作反應釜在均相反應中的應用，重點介紹了這幾種反應器的體積和物料在其中達到一定轉(zhuǎn)化率所需時間的計算。其中達到一定轉(zhuǎn)化率所需時間的計算。第

2、一節(jié)概述第一節(jié)概述一、化學反應工程學：一、化學反應工程學：1.化學反應工程發(fā)展概況：化學反應工程發(fā)展概況： 遠在古代，人們就開始利用化學反應，如陶器的制作、遠在古代，人們就開始利用化學反應，如陶器的制作、酒與醋的釀造、金屬的冶煉以及煉丹、造紙等等，然而，酒與醋的釀造、金屬的冶煉以及煉丹、造紙等等，然而，這些生產(chǎn)過程直到上世紀五十年代還未形成一門獨立的學這些生產(chǎn)過程直到上世紀五十年代還未形成一門獨立的學科，其原因是由于人類還沒有能夠從種類繁多、看起來似科，其原因是由于人類還沒有能夠從種類繁多、看起來似乎毫不相干而又變化多端的反應過程中，認清它們的共同乎毫不相干而又變化多端的反應過程中，認清它們的

3、共同規(guī)律。規(guī)律。 科學技術(shù)的發(fā)展，特別是二戰(zhàn)后石油化工的發(fā)展，對化科學技術(shù)的發(fā)展，特別是二戰(zhàn)后石油化工的發(fā)展，對化學反應器的設計產(chǎn)生了迫切要求，而化學動力學研究的進學反應器的設計產(chǎn)生了迫切要求，而化學動力學研究的進展和化工單元操作方面的理論和實踐經(jīng)驗的日趨成熟，才展和化工單元操作方面的理論和實踐經(jīng)驗的日趨成熟，才使這類問題的系統(tǒng)解決有了可能。使這類問題的系統(tǒng)解決有了可能。萌芽階段：萌芽階段： 20 世紀 30 年代，丹克萊爾（ Damhhler ）在當時實驗數(shù)據(jù)十分貧乏的情況下，較系統(tǒng)地論述了擴散、流體流動和傳熱對反應器產(chǎn)率的影響，為化學反應工程奠定了基礎。 20 世紀 40 年代末 , -

4、霍根 (Hougen) 和華生 (Waston), 講述了動力學與催化過程。初步形成：初步形成： 1957 年，歐洲幾個國家從事反應工程這一領域研究工作的學者在荷蘭的阿姆斯特丹召開的一次學術(shù)會議上首次使用化學反應工程一詞，這標志著該學科的初步形成。成熟階段：成熟階段： 60 年代石油化工的大發(fā)展，生產(chǎn)的日趨大型化和單機化，以及原料加工的不斷發(fā)展加速了反應工程學科的發(fā)展使其進入黃金時代并日趨成熟。 我國在70年代開展化學反應工程的專題研究，開展化學反應工程的教學。 80 年代以后，隨著高技術(shù)的發(fā)展和應用，如微電子器件的加工、光導纖維生產(chǎn)、新材料以及生物技術(shù)等，向化學反應工程工作者提出了新的研究課

5、題，使化學反應工程形成新的分支，如生化反應工程、聚合反應工程 , 電化學反應工程 等，擴大了化學反映工程的研究領域，從而使化學反應工程的研究進入了一個新的階段。2. 化學反應工程化學反應工程( CRE)研究的對象和內(nèi)容：研究的對象和內(nèi)容： 化學動力學化學動力學 研究反應機理 研究反應速率與外界因素關(guān)系 研究傳遞過程對反應速率影響 反應器設計與分析反應器設計與分析 不同反應器能提供不同的三傳環(huán)境宏觀動力學本征動力學CRE研究的是工業(yè)規(guī)模的化學反應過程及其設備的共同規(guī)律。工業(yè)規(guī)模的化學研究的是工業(yè)規(guī)模的化學反應過程及其設備的共同規(guī)律。工業(yè)規(guī)模的化學反應，與實驗室研究中的化學反應存在不可忽視的、有時

6、甚至是非常大的差別。反應，與實驗室研究中的化學反應存在不可忽視的、有時甚至是非常大的差別。主要是因為在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，除化學反應過程外，系統(tǒng)中的流體的流動狀主要是因為在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，除化學反應過程外，系統(tǒng)中的流體的流動狀況，傳熱、傳質(zhì)等物理因素起了顯著的作用。工業(yè)規(guī)模的化學反應，必須與傳況，傳熱、傳質(zhì)等物理因素起了顯著的作用。工業(yè)規(guī)模的化學反應，必須與傳遞規(guī)律結(jié)合起來研究，因而才顯得復雜而困難。遞規(guī)律結(jié)合起來研究，因而才顯得復雜而困難。CRE的研究內(nèi)容：的研究內(nèi)容：（1）研究化學反應器的基本理論；）研究化學反應器的基本理論；（2）反應器的設計、放大、控制；）反應器的設計、放大、控制；（3

7、）反應器設計、操作的優(yōu)化。）反應器設計、操作的優(yōu)化。3. CRE的研究方法：的研究方法：化工生產(chǎn)過程中的物理變化的規(guī)律，即單元操作，是用因次分析法或經(jīng)驗歸納化工生產(chǎn)過程中的物理變化的規(guī)律，即單元操作，是用因次分析法或經(jīng)驗歸納法的手段去研究的。但對于化學反應工程，這樣的方法是不行的法的手段去研究的。但對于化學反應工程，這樣的方法是不行的 。因為在反應。因為在反應器中，既有物理過程，又有化學過程，器中，既有物理過程，又有化學過程， 相似的物理過程，不一定能導致相似的相似的物理過程，不一定能導致相似的化學過程。因此，在化學反應工程的研究中，必須采取另外的研究方法，也就化學過程。因此，在化學反應工程的

8、研究中，必須采取另外的研究方法，也就是數(shù)學模擬法或稱為數(shù)學模型法。是數(shù)學模擬法或稱為數(shù)學模型法。在化學動力學基礎上結(jié)合傳質(zhì)、傳熱和流體力學的原理來研究反應過程速率理在化學動力學基礎上結(jié)合傳質(zhì)、傳熱和流體力學的原理來研究反應過程速率理論，即宏觀動力學。應用宏觀動力學的理論來研究工業(yè)規(guī)模進行的化學反應過論，即宏觀動力學。應用宏觀動力學的理論來研究工業(yè)規(guī)模進行的化學反應過程即為化學反應工程。程即為化學反應工程。反應器選型、反應器選型、設計和優(yōu)化設計和優(yōu)化反應器中的反應器中的流動狀況影流動狀況影響反應結(jié)果響反應結(jié)果數(shù)學數(shù)學模型模型流動流動模型模型對實際過程對實際過程的簡化的簡化理想理想模型模型非理想非

9、理想模型模型建立模型的建立模型的基本方法基本方法理想氣體狀態(tài)方程二、化學反應器的分類：二、化學反應器的分類：1.按反應器的結(jié)構(gòu)型式分類：按反應器的結(jié)構(gòu)型式分類：這種分類的實質(zhì)是按傳遞特性分類，反映出不這種分類的實質(zhì)是按傳遞特性分類，反映出不同的反應器中最基本的傳遞過程的差別。按同的反應器中最基本的傳遞過程的差別。按反應器的結(jié)構(gòu)特征，常見的工業(yè)反應器可分反應器的結(jié)構(gòu)特征，常見的工業(yè)反應器可分為釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式為釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式和移動床式。和移動床式。書書141頁圖頁圖2.按操作方法分類：按操作方法分類：可分為間歇、半間歇、連續(xù)式三種?？煞譃殚g歇、半間歇、連

10、續(xù)式三種。生產(chǎn)特征：反應程度和反應物的性質(zhì)均隨時間而變化。生產(chǎn)特征：反應程度和反應物的性質(zhì)均隨時間而變化。操作特點：原料一次加入，經(jīng)過一定時間后，反應產(chǎn)物一次卸出。操作特點：原料一次加入，經(jīng)過一定時間后，反應產(chǎn)物一次卸出。間歇反應間歇反應器器半間歇反應器半間歇反應器生產(chǎn)特征：反應程度和反應物的性質(zhì)均隨時間而變化。生產(chǎn)特征：反應程度和反應物的性質(zhì)均隨時間而變化。操作特點：一種原料一次加入，另外的反應物以一定的操作特點：一種原料一次加入，另外的反應物以一定的 速度連續(xù)地加入，反應后將產(chǎn)物全部卸出。速度連續(xù)地加入，反應后將產(chǎn)物全部卸出。 連續(xù)操作連續(xù)操作反應器反應器操作特點：反應物和產(chǎn)物都是連續(xù)穩(wěn)定

11、地加入和引出。操作特點：反應物和產(chǎn)物都是連續(xù)穩(wěn)定地加入和引出。生產(chǎn)特征：反應進行的程度可能隨反應器的位置而變化，生產(chǎn)特征：反應進行的程度可能隨反應器的位置而變化，但不隨著時間而變。但不隨著時間而變。書書142圖圖 3.按反應物系的相態(tài)分類按反應物系的相態(tài)分類這種分類的實質(zhì)是按動力學特性分類。不同聚集狀態(tài)的物這種分類的實質(zhì)是按動力學特性分類。不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)，其反應有不同的動力學規(guī)律。按物料的聚集狀態(tài)，可質(zhì)，其反應有不同的動力學規(guī)律。按物料的聚集狀態(tài)，可分為均相反應器和非均相反應器兩大類。分為均相反應器和非均相反應器兩大類。w 均相反應器中又可以分為氣相反應器、單一液相反應器，均相反應器中又可

12、以分為氣相反應器、單一液相反應器，非均相反應器分為氣非均相反應器分為氣- -液相、氣液相、氣- -固相、液固相、液- -液相、液液相、液- -固相、固相、氣氣- -液液- -固相反應器等等。固相反應器等等。w 均相反應器中，因為反應過程不受擴散狀況的影響，因此均相反應器中，因為反應過程不受擴散狀況的影響，因此它的結(jié)構(gòu)就比較簡單，一般就采用管式、釜式反應器。它的結(jié)構(gòu)就比較簡單，一般就采用管式、釜式反應器。w 非均相反應器中，兩相接觸狀況對反應有極大的影響，因非均相反應器中，兩相接觸狀況對反應有極大的影響，因此，反應器設計時就要考慮改善接觸狀態(tài)的因素。所以它此，反應器設計時就要考慮改善接觸狀態(tài)的因

13、素。所以它的結(jié)構(gòu)就要復雜一些。的結(jié)構(gòu)就要復雜一些。4.按溫度條件分類：按溫度條件分類：可分為等溫、不等溫、絕熱反應器等三種。可分為等溫、不等溫、絕熱反應器等三種。在以上的諸多分類中，我們本章將要學習的是在以上的諸多分類中，我們本章將要學習的是基本反應器基本反應器，它包括，它包括間歇間歇操作反應釜、管式反應器、連續(xù)操作反應釜。操作反應釜、管式反應器、連續(xù)操作反應釜。三、流體在反應器內(nèi)的流動模型：三、流體在反應器內(nèi)的流動模型：(1)(1)理想置換流動理想置換流動( (活塞流或理想排擠活塞流或理想排擠) )：流體在管內(nèi)高速流動：流體在管內(nèi)高速流動是指物料以穩(wěn)定的流量由反應器的一端流入反應器后，各物料

14、微元沿是指物料以穩(wěn)定的流量由反應器的一端流入反應器后，各物料微元沿流動方向齊頭并進，完全沒有軸向混合與擴散，即沒有返混，就好像流動方向齊頭并進，完全沒有軸向混合與擴散，即沒有返混，就好像活塞在氣缸里向前平推一樣。所以又稱為活塞在氣缸里向前平推一樣。所以又稱為“活塞流活塞流”。 活塞流模型的特點是：（活塞流模型的特點是：（1 1）在與流動方向垂直的任意截面上各點，物）在與流動方向垂直的任意截面上各點，物料的流速、濃度、溫度及停留時間等完全一樣；（料的流速、濃度、溫度及停留時間等完全一樣；（2 2）物料的濃度、溫）物料的濃度、溫度等各參數(shù)沿流動方向遞變；（度等各參數(shù)沿流動方向遞變；（3 3）在每一

15、截面上物料各參數(shù)都不隨時）在每一截面上物料各參數(shù)都不隨時間而變化。間而變化。細長型的連續(xù)流動管式反應器內(nèi)物料的流況就近似這種流動模型。在細長型的連續(xù)流動管式反應器內(nèi)物料的流況就近似這種流動模型。在長徑比較大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反應器內(nèi)，當氣相長徑比較大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反應器內(nèi)，當氣相流速達到一定值后，其氣相流動情況一般亦可以認為是活塞流。流速達到一定值后，其氣相流動情況一般亦可以認為是活塞流。凡器內(nèi)物料呈理想置換流動的反應器就稱為理想置換反應器。其典型凡器內(nèi)物料呈理想置換流動的反應器就稱為理想置換反應器。其典型代表是連續(xù)操作活塞流管式反應器，也稱為平推流反應器，

16、以代表是連續(xù)操作活塞流管式反應器，也稱為平推流反應器，以PFRPFR表示。表示。1.1.兩種理想流動狀態(tài)：（連續(xù)操作方式）兩種理想流動狀態(tài)：（連續(xù)操作方式）( (2)2)理想混合流動（完全混合流動）：高效攪拌釜內(nèi)流體流動理想混合流動（完全混合流動）：高效攪拌釜內(nèi)流體流動是指物料以穩(wěn)定的流量進入反應器后，瞬間就在整個反應器內(nèi)分散是指物料以穩(wěn)定的流量進入反應器后，瞬間就在整個反應器內(nèi)分散均勻并與器內(nèi)原存留的物料完全混合。均勻并與器內(nèi)原存留的物料完全混合。 理想混合流動的特點是：（理想混合流動的特點是：（1 1）整個反應器內(nèi)以及出口物料的組成和）整個反應器內(nèi)以及出口物料的組成和溫度等參數(shù)均勻一致，且

17、不隨時間、空間而變化；（溫度等參數(shù)均勻一致，且不隨時間、空間而變化；（2 2）各物料微元）各物料微元在器內(nèi)的停留時間不盡相同，存在停留時間分布。在器內(nèi)的停留時間不盡相同，存在停留時間分布。凡是器內(nèi)物料呈理想混合流動的反應器，就凡是器內(nèi)物料呈理想混合流動的反應器，就稱為理想混合反應器。通常用連續(xù)攪拌釜式稱為理想混合反應器。通常用連續(xù)攪拌釜式反應器代表理想混合反應器，也稱為全混釜，反應器代表理想混合反應器，也稱為全混釜，以以CSTRCSTR表示。表示。在實際反應器中，帶強烈攪拌的連續(xù)釜式反應器內(nèi)物料的流況就近似于這在實際反應器中，帶強烈攪拌的連續(xù)釜式反應器內(nèi)物料的流況就近似于這種流動模型。此外，沸

18、騰床中的固相顆粒運動，長徑比比較大的鼓泡塔中種流動模型。此外，沸騰床中的固相顆粒運動，長徑比比較大的鼓泡塔中的液相流動，大循環(huán)量的連續(xù)反應器的流體流動等等，也都趨近于這種流的液相流動，大循環(huán)量的連續(xù)反應器的流體流動等等，也都趨近于這種流動模型。動模型。上述理想流動，是理想流動模型的兩種極端情況。實際反應器中物料的上述理想流動，是理想流動模型的兩種極端情況。實際反應器中物料的流況總是或多或少地偏離理想狀態(tài)，而是介于理想混合和理想置換兩種流況總是或多或少地偏離理想狀態(tài)，而是介于理想混合和理想置換兩種流動模型之間，這種流動統(tǒng)稱為非理想流動。造成這種偏離的原因主要流動模型之間，這種流動統(tǒng)稱為非理想流動

19、。造成這種偏離的原因主要是反應器型式、操作條件和物料性質(zhì)。是反應器型式、操作條件和物料性質(zhì)。2.2.流體在反應器內(nèi)的停留時間：流體在反應器內(nèi)的停留時間：反應物料從進入反應器時算起到離開反應物料從進入反應器時算起到離開反應器時為止所經(jīng)歷的時間。反應器時為止所經(jīng)歷的時間。（1 1）. .理想置換流動的停留時間：理想置換流動的停留時間：由于沒有返混，所有的質(zhì)點在反應器內(nèi)的停留時間都相等，設流體在通由于沒有返混，所有的質(zhì)點在反應器內(nèi)的停留時間都相等，設流體在通過反應器時，體積不發(fā)生變化。過反應器時，體積不發(fā)生變化。返混是不同時刻進入反應器的物料相互之間的混合。返混是不同時刻進入反應器的物料相互之間的混

20、合。-流體在反應器內(nèi)的停留時間，流體在反應器內(nèi)的停留時間，VR-反應器的體積，反應器的體積，qv-流體的體積流量，流體的體積流量，F(xiàn)-流體的摩爾流量，流體的摩爾流量，C-流體的濃度，則流體的濃度，則（2）.理想混合流動的停留時間：理想混合流動的停留時間：理想混合流動中，物料在反應器內(nèi)的停留時間分布在理想混合流動中，物料在反應器內(nèi)的停留時間分布在0和無窮之間，和無窮之間，一般就用平均停留時間來表示。一般就用平均停留時間來表示。四四、反應器的物料衡算：反應器的物料衡算：某組分的引入速率某組分的引入速率=某組分引出速率某組分引出速率+由反應而引起的由反應而引起的+某組分的積累速率某組分的積累速率 某

21、組分消耗速率某組分消耗速率 （1） （2） （3） （4） 對于不同操作的反應器，可作如下簡化。對于不同操作的反應器，可作如下簡化。間歇反應器：（間歇反應器：（3）+（4）=0 連續(xù)穩(wěn)定反應器：（連續(xù)穩(wěn)定反應器：（1）=（2）+（3） 半連續(xù)反應器：（半連續(xù)反應器：（1）=（2）+（3）+（4） =VR/qv qv = F/C=VR/qv第二節(jié)第二節(jié) 間歇操作反應器間歇操作反應器一、間歇釜式反應器的特點：一、間歇釜式反應器的特點：1、由于強烈的攪拌，反應器內(nèi)物料可達到分子尺度上的均、由于強烈的攪拌，反應器內(nèi)物料可達到分子尺度上的均勻，且反應器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對化學勻，且反應器

22、內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對化學反應的影響。反應的影響。2、由于反應器配有換熱器，可使反應器內(nèi)物料溫度處處相、由于反應器配有換熱器，可使反應器內(nèi)物料溫度處處相 等，因而排除了熱量傳遞對化學反應的影響。等，因而排除了熱量傳遞對化學反應的影響。反應結(jié)果唯一由反應結(jié)果唯一由化學反應動力學化學反應動力學所確定。所確定。 間歇操作間歇操作 指物料一次投入反應器，待反應完成后，物料一次卸出的操作過程。 最常用最常用釜式釜式反應器反應器，主要結(jié)，主要結(jié)構(gòu)由筒體、攪拌構(gòu)由筒體、攪拌裝置、夾套組成。裝置、夾套組成。器內(nèi)還可以根據(jù)器內(nèi)還可以根據(jù)需要設置盤管。需要設置盤管。二、反應時間的計算：二、反應時間的

23、計算：對間歇操作反應釜，一個生產(chǎn)周期由兩部分組成，一部分為化學反應時對間歇操作反應釜，一個生產(chǎn)周期由兩部分組成，一部分為化學反應時間間 ，另一部分為裝料、清洗等輔助時間，另一部分為裝料、清洗等輔助時間 。間歇反應釜內(nèi)物料是一種完全混合流動，釜內(nèi)物料的組成和溫度是均勻間歇反應釜內(nèi)物料是一種完全混合流動，釜內(nèi)物料的組成和溫度是均勻的，所以可選擇整個反應器內(nèi)的組分的，所以可選擇整個反應器內(nèi)的組分A為物料衡算范圍，則為物料衡算范圍，則由反應而引起的組分由反應而引起的組分A的消耗速率的消耗速率= -組分組分A的積累速率的積累速率設反應釜的有效容積，即反應混合物所占體積為設反應釜的有效容積，即反應混合物所

24、占體積為VR ，一定溫度下的反，一定溫度下的反應速度為應速度為r A，則則A的消耗速度的消耗速度= r A VR 又設又設A的初始量為的初始量為nA0，反應后任一時刻的量為反應后任一時刻的量為nA，此時的轉(zhuǎn)化率為，此時的轉(zhuǎn)化率為xA，則該時刻則該時刻A的積累速度為：的積累速度為：nA=nA0(1-xA) , dnA /d = - nA0dxA /d )1 (00AAAAAARAxnnddxnddnVrAfAfxAAAxAARArdxCrdxVn0000等容過程，液相反應等容過程，液相反應或氣相等分子變化?；驓庀嗟确肿幼兓?。AAAfCCAAxAAArdCrdxC000反應速率rA=kCArA=k

25、CA2rA=kAACCk0ln1AfxAAArdxC00Axk11ln1)11(10AACCk)1(0AAAxxkcAACCAArdC0 間歇反應器中的簡單反應的反應時間反應時間（均相等溫等容）kxcAAAAAxcc10 w 實際操作時間=反應時間() + 輔助時間 ()反應體積反應體積V VR R是指反應物料在反應器中所占的體積是指反應物料在反應器中所占的體積V VR R= =q qv v ( (+ +) )1/rA xA/CA01/rA CAAfAfxAAAxAAArdxCrdxVn0000AAAfCCAAxAAArdCrdxC000上式稱為反應器的上式稱為反應器的設計方程設計方程，代入動

26、力學方程積分就可算出，代入動力學方程積分就可算出 t t。若動力學方程復雜，可采用數(shù)值積分或圖解積分。若動力學方程復雜，可采用數(shù)值積分或圖解積分。二、反應器實際體積的計算：二、反應器實際體積的計算：設反應器的裝料系數(shù)為設反應器的裝料系數(shù)為=VR / VT , 每批物料的反應時間為每批物料的反應時間為，輔助時間為輔助時間為，一個生產(chǎn)周期內(nèi)平均每單位時間處理的物料一個生產(chǎn)周期內(nèi)平均每單位時間處理的物料體積為體積為 v，則則 qv=VR+ qvVR=(+ )149頁例題頁例題三、間歇操作反應釜的特點及應用：三、間歇操作反應釜的特點及應用：1.釜內(nèi)物料的溫度、濃度均勻，可以采用多種方式調(diào)節(jié)反應溫度，釜

27、內(nèi)物料的溫度、濃度均勻，可以采用多種方式調(diào)節(jié)反應溫度，可達到較高的轉(zhuǎn)化率；可達到較高的轉(zhuǎn)化率；2.適應性強，可用于小批量多品種的生產(chǎn)；適應性強，可用于小批量多品種的生產(chǎn)；3.設備利用率低，難以實現(xiàn)自動化，不適宜大規(guī)模的生產(chǎn)。設備利用率低，難以實現(xiàn)自動化，不適宜大規(guī)模的生產(chǎn)。VT=VR/第三節(jié)第三節(jié) 管式反應器管式反應器管式反應器一般采用連續(xù)操作的方法進行生產(chǎn)，管內(nèi)液體的管式反應器一般采用連續(xù)操作的方法進行生產(chǎn)，管內(nèi)液體的流動接近于理想置換流動，適用于氣相反應和均一液相反應。流動接近于理想置換流動，適用于氣相反應和均一液相反應。一、管式反應器的特點一、管式反應器的特點理想管式管式反應器，又稱理想

28、置換反應器、活塞流反應器、理想管式管式反應器，又稱理想置換反應器、活塞流反應器、平推流反應器。平推流反應器。1、在正常情況下，它是連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作，故在反應器軸向的各、在正常情況下，它是連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作，故在反應器軸向的各個截面上，物料濃度、反應速率、轉(zhuǎn)化率等不隨時間變化。個截面上，物料濃度、反應速率、轉(zhuǎn)化率等不隨時間變化。2、反應器軸向的不同截面上，物料濃度、反應速率、轉(zhuǎn)化率、反應器軸向的不同截面上，物料濃度、反應速率、轉(zhuǎn)化率等不相等。等不相等。3、由于徑向具有均勻的速度分布，故徑向不存在濃度差。、由于徑向具有均勻的速度分布，故徑向不存在濃度差。本章主要討論均相、等溫、恒容的情況。本章主要討論均相、

29、等溫、恒容的情況。二、恒容過程管式反應器體積的計算：二、恒容過程管式反應器體積的計算：dVRCA0 q v0 xA =0 xAxA +d xAC Af X Af對連續(xù)操作反應器，組分對連續(xù)操作反應器，組分A的積累速度為的積累速度為0，所以它，所以它的物料衡算式為：的物料衡算式為：組分組分A的引入速率的引入速率=組分組分A的引出速率的引出速率+組分組分A的反應消耗速率的反應消耗速率對微元體積對微元體積dVR ，進入時的轉(zhuǎn)化率為，進入時的轉(zhuǎn)化率為xA，導出時的為，導出時的為xA +d xA ，則，則組分組分A的引入速率的引入速率= q v0CA0 (1 - xA ) = qv0CA組分組分A的引出

30、速率的引出速率= q v0CA0 ( 1 - xA - d xA ) = q v0 (CA - dCA )組分組分A的消耗速率的消耗速率=r A dVR代入物料衡算式并整理，得：代入物料衡算式并整理，得：dVR =q v0CA00XAfd xAr A積分：積分： VR = qv0CA0d xAr A對于我們討論的對于我們討論的等溫恒容等溫恒容過程，過程，xA =CA0 -CA0CA dxA= - d CA / CA0 所以，所以， 令令= VR / q v0 =-CA0 VR = - q v0CA0CAdCAr ACA0CAdCAr ARAAAvdVrdxCq00AfxAAAvRrdxCqV0

31、001. k與xA的關(guān)系等溫時等溫時k k為常數(shù)為常數(shù)2. 等容過程AfxAAAvRrdxCqV000與間歇反應器的公式相同與間歇反應器的公式相同 空間時間空間時間反應速率rA=kCArA=kCA2rA=kAACCk0ln1AfxAAArdxC00Axk11ln1)11(10AACCk)1(0AAAxxkcAACCAArdC0 管式反應器中的簡單反應的空間時間空間時間（均相等溫等容）kxcAA0kccAA0在規(guī)定條件下，進入反應器的物料通過反應器體積所需要的時在規(guī)定條件下，進入反應器的物料通過反應器體積所需要的時間。間。三、空間速率、空間時間：三、空間速率、空間時間：1.空間時間：恒容反應時，

32、反應物料在反應器內(nèi)停留的時間。空間時間：恒容反應時，反應物料在反應器內(nèi)停留的時間。= VR /q v o 時間時間物理意義：物料連續(xù)流過反應器所需要的時間。也就是在一物理意義：物料連續(xù)流過反應器所需要的時間。也就是在一定條件下，處理一個反應器體積的物料需要的時間。它也是定條件下，處理一個反應器體積的物料需要的時間。它也是表示反應器特性的一個量，它的值越小，反應器生產(chǎn)能力越表示反應器特性的一個量，它的值越小，反應器生產(chǎn)能力越大。大。若空時為若空時為2h,2h,指的是在規(guī)定條件下，每指的是在規(guī)定條件下，每2h2h就有相當于一就有相當于一個反應器體積的物料通過反應器。個反應器體積的物料通過反應器。

33、2.空間速率：就是反應物的體積流量與反應器有效體積之比，空間速率：就是反應物的體積流量與反應器有效體積之比，用用Sv來表示。空間速率是空間時間的倒數(shù)。來表示?？臻g速率是空間時間的倒數(shù)。Sv=qv0/VR 1/時間時間物理意義：單位體積的反應器在單位時間內(nèi)的進料體積。對恒物理意義：單位體積的反應器在單位時間內(nèi)的進料體積。對恒容過程，當體積流量與反應器內(nèi)的狀態(tài)相同時，它表示單位時容過程，當體積流量與反應器內(nèi)的狀態(tài)相同時，它表示單位時間內(nèi)反應器內(nèi)通過的流體體積是反應器體積的多少倍。間內(nèi)反應器內(nèi)通過的流體體積是反應器體積的多少倍?？臻g速度可以表示反應器的生產(chǎn)能力，它的值越大，反應器的空間速度可以表示反

34、應器的生產(chǎn)能力，它的值越大，反應器的生產(chǎn)能力越大。生產(chǎn)能力越大。若空速為若空速為4h-1,就意味著在規(guī)定條件下，每小時進入反應器的物就意味著在規(guī)定條件下，每小時進入反應器的物料相當于料相當于4個反應器的體積。個反應器的體積。書書152頁例題，頁例題，153頁圖頁圖 第四節(jié)第四節(jié) 連續(xù)操作反應釜連續(xù)操作反應釜一、連續(xù)操作反應釜的特征：一、連續(xù)操作反應釜的特征：1.釜內(nèi)物料的狀況接近于理想混合流動，且釜內(nèi)各處的組成和溫度釜內(nèi)物料的狀況接近于理想混合流動，且釜內(nèi)各處的組成和溫度都相同都相同,且等于離開反應器物料的濃度、溫度等；且等于離開反應器物料的濃度、溫度等；2.液體內(nèi)各質(zhì)點在釜內(nèi)停留時間不盡相同

35、；液體內(nèi)各質(zhì)點在釜內(nèi)停留時間不盡相同；3.反應物濃度、轉(zhuǎn)化率以及反應速度反應物濃度、轉(zhuǎn)化率以及反應速度(等溫時等溫時)不隨時間不隨時間 、空間而變、空間而變化。是穩(wěn)態(tài)過程?；?。是穩(wěn)態(tài)過程。二、連續(xù)操作反應釜的體積：二、連續(xù)操作反應釜的體積：物料衡算的范圍：整個反應器物料衡算的范圍：整個反應器物料衡算的組分：組分物料衡算的組分：組分A物料衡算的基準：單位時間的進料量物料衡算的基準：單位時間的進料量進入反應器的物料量進入反應器的物料量=引出反應器的物料量引出反應器的物料量+反應消耗的物料量反應消耗的物料量+積累的物料量積累的物料量 連續(xù)操作反應器：組分連續(xù)操作反應器：組分A的引入速率的引入速率=組

36、分組分A的引出速率的引出速率+組分組分A的消耗速率的消耗速率 qv0 CA0 = qvfCA +r AVR 對等溫恒容過程：對等溫恒容過程：qv0=qvf CA0 = CA (1-xA)qv0CA0 =qv0CA0 (1-xA) + r A VRVR =qv0CA0 xAr A物料在反應釜內(nèi)的平均停留時間：物料在反應釜內(nèi)的平均停留時間：CA0 xACA0 - CA =VR qv0=r A=r A對一級反應：對一級反應：VR =qv0CA0 xAkCAr A =kCA xAk(1 xA )對二反應：對二反應：r A =kCA2VR =qv0CA0 xAkCA2 = =CA0 xAr A=CA0

37、- CA kCA2零級反應：零級反應： r A =k， = CA0 xA / k= (CA0 CA )/k例題例題155頁，圖頁，圖停留時間和返混停留時間和返混 1、停留時間停留時間是指從物料進入反應器起至離開反應器為止所經(jīng)歷是指從物料進入反應器起至離開反應器為止所經(jīng)歷的時間。的時間。2、返混返混是指停留時間不同的流體粒子之間的混合。是指停留時間不同的流體粒子之間的混合。在反應器中，由于在反應器中，由于返混返混會導致反應器內(nèi)各處物料停留時間不會導致反應器內(nèi)各處物料停留時間不 一，一，引起反應程度差異，使各處物料濃度分布不均、反應結(jié)果變化。引起反應程度差異，使各處物料濃度分布不均、反應結(jié)果變化。

38、理想流動狀況理想流動狀況無返混的流動狀況無返混的流動狀況屬于這種理想流動狀況的過程稱為屬于這種理想流動狀況的過程稱為平推流平推流、活塞流活塞流、排擠流排擠流或或理想置換理想置換，它是指進入反應器的反應物料以相同速度、一致方，它是指進入反應器的反應物料以相同速度、一致方 向向前移動的流動狀況。向向前移動的流動狀況。 這種反應器的特點是垂直流向的同一截面上的物料參數(shù)（如這種反應器的特點是垂直流向的同一截面上的物料參數(shù)（如溫度、濃度、停留時間等）均相同，而參數(shù)隨流向變化。溫度、濃度、停留時間等）均相同，而參數(shù)隨流向變化。三、返混對化學反應的影響三、返混對化學反應的影響 返混最大的流動狀況返混最大的流

39、動狀況 屬于這種理想流動狀況的過程稱為屬于這種理想流動狀況的過程稱為全混流全混流、完全混完全混 合合或或理想混合理想混合。它是指剛進入反應器的新物料與留存。它是指剛進入反應器的新物料與留存于反應器內(nèi)的物料能瞬間完全混合的流動狀態(tài)。于反應器內(nèi)的物料能瞬間完全混合的流動狀態(tài)。 這種反應器的特點是整個反應器各處物料參數(shù)（溫這種反應器的特點是整個反應器各處物料參數(shù)（溫度、濃度或平均停留時間等）均相同，且等于出口處度、濃度或平均停留時間等）均相同，且等于出口處物料參數(shù)。物料參數(shù)。 w 相同的反應，相同的反應，相同進料流量和濃度相同進料流量和濃度相同溫度和最終反應率相同溫度和最終反應率一個全混流反應器與一

40、個平推流反應器的比較一個全混流反應器與一個平推流反應器的比較全混流反應器全混流反應器=VR/qv0=CA0XA/rA平推流反應器平推流反應器=VR/qv0=容積效率容積效率=VRP/VRSAfxAAArdxC00間歇反應器間歇反應器平推流反應器全混流反應器連續(xù)流動反應器連續(xù)流動反應器完全沒有返混返混極大(a)(b)(c)濃度分布 - 推動力反應推動力隨反應時間逐漸降低反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低反應推動力不變，等于出口處反應推動力 四、多釜串聯(lián)反應器：四、多釜串聯(lián)反應器： 具有相同體積的具有相同體積的N N個全混釜的串聯(lián)個全混釜的串聯(lián) 結(jié)論：多級全混釜串聯(lián)后，結(jié)論：多級全混釜串聯(lián)后，返混

41、程度變??；返混程度變?。划敓o窮多個全混流串聯(lián)后，當無窮多個全混流串聯(lián)后，返混達到返混達到0，相當于平推流，相當于平推流反應器反應器nAAnnAnAnAAnAvRnnrCCrxxCqV)1()1(00)(穩(wěn)態(tài)，定容穩(wěn)態(tài)，定容多級全混流反應器串聯(lián)的計算多級全混流反應器串聯(lián)的計算一級反應，一級反應，n級反應器串聯(lián)級反應器串聯(lián)AnAnnAkCCC )1(kCCAnnA1)1(01AAnAnCCx由于由于故故)11(11NiiAnkxnAnnACAAAAAnAnAkcccccxcc)1 (11)1(21100 n.21各級反應器體積相同時：nAnkx)11(1 1)1 (11/1nAnxk或或 1)1

42、(1/100nAnvvRnRxknqnqnVV反應總體積反應總體積 書書159頁例題頁例題)(1ArAfx)(1ArAfx)(1ArAfxPFR （BR）CSTR多級多級CSTRAfxAAArdxc00)(fAAfArxc)(0iAAiArxc)(0比較陰影部分的面積可知，當比較陰影部分的面積可知，當 n 0時，時，CSTR 多級多級CSTR PFR。第五節(jié)第五節(jié) 均相反應器的性能比較與選擇均相反應器的性能比較與選擇 作為反應器所應滿足的兩個要求：作為反應器所應滿足的兩個要求：1.達到給定的生產(chǎn)能力所需的反應器的容積要??；達到給定的生產(chǎn)能力所需的反應器的容積要??；2.用同樣的原料所得的目的產(chǎn)物

43、的收率要高。用同樣的原料所得的目的產(chǎn)物的收率要高?；瘜W反應化學反應簡單反應簡單反應復雜反應復雜反應平行反應平行反應連串連串反應反應一、簡單反應的反應器體積：一、簡單反應的反應器體積：二、復雜反應的反應器體積：二、復雜反應的反應器體積：選擇率選擇率 = 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應物量轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應物量 / 反應物被轉(zhuǎn)化掉的量反應物被轉(zhuǎn)化掉的量收收率率 = 轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應物量轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應物量 / 加入反應器的反應物的總量加入反應器的反應物的總量同時存在兩個以上獨立進行反應的反應過程。 如果這些反應都是從相同的反應物按各自的計量關(guān)系同時地發(fā)生的過程稱為平行反應平行反應。 如果這些反應是

44、依次發(fā)生的，這樣的復合反應稱為連串串反應反應。 在這些反應產(chǎn)物中，有的產(chǎn)物是需要的對象，稱為目的目的產(chǎn)物產(chǎn)物或主產(chǎn)物主產(chǎn)物，而其余產(chǎn)物都稱為副產(chǎn)物副產(chǎn)物。得到目的產(chǎn)物的反應稱為主反應主反應，其余反應稱為副反應。 復雜反應：復雜反應：指必須用兩個以上化學計量關(guān)系才能表示的反應。 （平行反應） （連串反應） （平行-連串反應）A + BP + RSA + BPR+SA + BPP + BSAPRS和 則選擇性為：則選擇性為： （1 1）當）當a1a21a2，b1b2b1b2時，主反應級數(shù)比副反應大，在高濃度下進時，主反應級數(shù)比副反應大，在高濃度下進行反應有利于行反應有利于p p的生成；采用管式反應

45、器或間歇反應器有利。的生成；采用管式反應器或間歇反應器有利。 （2 2）當）當a1a2, b1b2a1a2, b1b2時，副反應級數(shù)比主反應大，在低濃度下時，副反應級數(shù)比主反應大，在低濃度下進行反應有利于進行反應有利于P P的生成；采用全混流反應器。的生成；采用全混流反應器。 221121bBaASSbBaAPPCCkdtdCrCCkdtdCr)1/(1121212bbBaaApSPCCkkrrrSBAPBAkk 21 主主 副副（3 3）當）當a1=a2,b1=b2a1=a2,b1=b2時，與反應物濃度無關(guān)。時，與反應物濃度無關(guān)。 E1E1E2E2時，時，高溫下進行反應有利于高溫下進行反應有

46、利于p p的生成，反之在低溫下進行；的生成，反之在低溫下進行；（4 4）當）當a1b2a1b2時，時，C CA A越小，越小，C CB B越大，則越大，則越大。越大。采用反應物采用反應物B B濃度高，反應物濃度高，反應物A A濃度低。濃度低。間歇釜式反應器。間歇釜式反應器。B B一次加入，一次加入，A A逐漸加入。逐漸加入。管式反應器。管式反應器。B B連續(xù)加入，連續(xù)加入，A A分段加入。或分段加入?；駻 A和和B B全部由進口全部由進口加入，加入，B B過量。過量。多釜串聯(lián)反應器。多釜串聯(lián)反應器。B B由第一釜加入，由第一釜加入，A A逐釜連續(xù)加入。逐釜連續(xù)加入。 采用促進主反應進行的催化劑

47、，可提高選擇性。采用促進主反應進行的催化劑，可提高選擇性。 反應物的濃度單調(diào)下降， 產(chǎn)物P和S濃度單調(diào)增加 若各處的CP/CS值都等于比值k1/k2,說明所考察的反應為平行反應，且兩平行反應等級數(shù)。 生成產(chǎn)物P和S的初始速率（dcp/dt）t=0都與CA0成正比關(guān)系k1k2Cp0=Cs0=0 對反應：對反應： SPAkk 21對于兩步均為一級的反應對于兩步均為一級的反應各組分的濃度分布情況？各組分的濃度分布情況？ 串聯(lián)反應串聯(lián)反應 對反應：對反應： 對對rA分離變量積分得：分離變量積分得：SPAkk 21tkCCAA10exp PSSPAPPAAACkdtdCrCkCkdtdCrCkdtdCr

48、2211 以以ln(CA0/CA)對對t作圖應得到一條直線，其斜率為作圖應得到一條直線，其斜率為k1。 對對rP整理得到下式；整理得到下式； 此方程為一階線性微分方程。其解的一般式為：此方程為一階線性微分方程。其解的一般式為： 邊界條件為：邊界條件為： 當k1k2時，解得：tkAPPeCkCkdtdC1012cdteeCkeCdtktkAdtkP21201ttt 0PPPCCC 0tktkAPeeCkkkC120211 對對A作物料衡算，則有：作物料衡算，則有： 于是有：于是有：SPAACCCC0tktkASekekkkCC122121011 串聯(lián)反應的特征：串聯(lián)反應的特征： 反應足夠久，混合

49、物中存在中間產(chǎn)物，則為串聯(lián)反應；反應足夠久，混合物中存在中間產(chǎn)物，則為串聯(lián)反應； 若反應為不可逆反應，根據(jù)測定的反應物濃度隨時間若反應為不可逆反應，根據(jù)測定的反應物濃度隨時間 變化變化 的數(shù)據(jù)求第一步反應的級數(shù)和反應速率常數(shù)的數(shù)據(jù)求第一步反應的級數(shù)和反應速率常數(shù) 當當k1k2時時，可通過較長的反應時間，達到較高的轉(zhuǎn)化可通過較長的反應時間，達到較高的轉(zhuǎn)化率，以獲得較多的產(chǎn)物。率，以獲得較多的產(chǎn)物。 當當 k1 k2 時，應使反應時間較短，這樣雖然轉(zhuǎn)化率低，時，應使反應時間較短，這樣雖然轉(zhuǎn)化率低，但選擇性高。但選擇性高。一級平行反應與串聯(lián)反應特性比較一級平行反應與串聯(lián)反應特性比較平行反應：反應物單

50、調(diào)減少，主、副產(chǎn)物均單調(diào)增加。平行反應：反應物單調(diào)減少，主、副產(chǎn)物均單調(diào)增加。串聯(lián)反應：反應物單調(diào)減少，串聯(lián)反應：反應物單調(diào)減少，主產(chǎn)物有一極大值，主產(chǎn)物有一極大值，副產(chǎn)物單調(diào)增加。副產(chǎn)物單調(diào)增加。 該特性是判別反應類型的重要依據(jù)。該特性是判別反應類型的重要依據(jù)。說明：其它級數(shù)串聯(lián)反應的濃度分布與一級反應的濃度分布基本相說明：其它級數(shù)串聯(lián)反應的濃度分布與一級反應的濃度分布基本相 似。似。 平行反應平行反應 串聯(lián)反應串聯(lián)反應三、反應器型式的選擇（書三、反應器型式的選擇（書163163）生產(chǎn)能力：單位時間、單位反應器體積能夠處理的反應物料量。生產(chǎn)能力：單位時間、單位反應器體積能夠處理的反應物料量。

51、 單一反應過程中，反應器的生產(chǎn)能力主要取決于反應速率。反應速率越快，單一反應過程中，反應器的生產(chǎn)能力主要取決于反應速率。反應速率越快，達到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應器體積越小，可節(jié)省設備投資。達到一定轉(zhuǎn)化率所需要的反應器體積越小，可節(jié)省設備投資。 等溫條件下，反應速率僅與反應物濃度和反應級數(shù)有關(guān)。等溫條件下，反應速率僅與反應物濃度和反應級數(shù)有關(guān)。 反應器體積、原料消耗、目的產(chǎn)物的產(chǎn)量。反應器體積、原料消耗、目的產(chǎn)物的產(chǎn)量。1 1、活化能大，等溫。全混流反應器。、活化能大，等溫。全混流反應器。2 2、濃度高反應激烈，甚至有爆炸的可能，采用全混流反應器。、濃度高反應激烈，甚至有爆炸的可能，采用全混流反

52、應器。3 3、反應速率小，釜式反應器。、反應速率小，釜式反應器。4 4、平行反應，主反應級數(shù)高用間歇釜式反應器；若副反應級數(shù)高用全混流、平行反應，主反應級數(shù)高用間歇釜式反應器；若副反應級數(shù)高用全混流反應器。反應器。5 5、連串反應，若中間產(chǎn)物為為目的產(chǎn)物，管式反應器；若最終產(chǎn)物為為目、連串反應，若中間產(chǎn)物為為目的產(chǎn)物，管式反應器；若最終產(chǎn)物為為目的產(chǎn)物，全混流反應器。的產(chǎn)物，全混流反應器。6 6、反應物為氣體，管式反應器。、反應物為氣體，管式反應器。7 7、高壓反應，管式反應器。、高壓反應，管式反應器。 8 8、高溫，強吸熱反應。管式反應器。、高溫，強吸熱反應。管式反應器。 9 9、小批量生產(chǎn)

53、，采用間歇釜式反應器或半連續(xù)操作反應釜。、小批量生產(chǎn)，采用間歇釜式反應器或半連續(xù)操作反應釜。（1）正濃度效應（）正濃度效應（n 0）)(1ArAfx)(1ArAfx)(1ArAfxPFR （BR）CSTR多級多級CSTRAfxAAArdxc00)(fAAfArxc)(0iAAiArxc)(0比較陰影部分的面積可知，當比較陰影部分的面積可知，當 n 0時，時，CSTR 多級多級CSTR PFR。PFR （BR）CSTR多級多級CSTRAfxAAArdxc00)(fAAfArxc)(0iAAiArxc)(0比較陰影部分的面積可知，當比較陰影部分的面積可知，當 n 0時，時，CSTR 多級多級CST

54、R PFR。（2）負濃度效應（）負濃度效應（n 0的反應，無返的反應，無返混的混的PFR最好；對最好；對n0的反應，返混程度最大的的反應，返混程度最大的CSTR最好。多級最好。多級CSTR串聯(lián)可降低返混程度，串聯(lián)可降低返混程度，N越大，越接近越大，越接近PFR，但流程越復雜，給操作帶來，但流程越復雜，給操作帶來不便，使操作費用增加。工業(yè)生產(chǎn)上串聯(lián)的不便，使操作費用增加。工業(yè)生產(chǎn)上串聯(lián)的CSTR最多不超過最多不超過4個。個。有關(guān)催化劑和催化作用的知識：有關(guān)催化劑和催化作用的知識：（1 1）催化劑改變反應速率，在反應前后本身不發(fā)生變化）催化劑改變反應速率，在反應前后本身不發(fā)生變化（定義）；（定義）；（2 2）催化劑又稱為觸媒；）催化劑又稱為觸媒；（3 3）催化劑既不是反應物也不是產(chǎn)物；）催化劑既不是反應物也不是產(chǎn)物；（4 4）根據(jù)過渡狀態(tài)理論，催化劑是靠降低反應的活化能來）根據(jù)過渡狀態(tài)理論，催化劑是靠降低反應的活化能來加快化學反應速度的；加快化學反應速度的；（5 5）不能改變化學平衡和反應熱；）不能改變化學平衡和反應熱；（6 6）催化劑具有選擇性，只能加速某一種反應。）催化劑具有選擇性，只能加速某一種反應。第六節(jié)第六節(jié) 氣氣- -固催化反應器固催化反應器一、 催化劑 能夠改變化學反應速率而本身在反