化學(xué)反應(yīng)工程

第二篇化學(xué)反應(yīng)工程緒論：一、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的內(nèi)容和任務(wù)工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程的實(shí)現(xiàn)是

化學(xué)反應(yīng)過程和三傳等物理過程共同作用的結(jié)果?！嗷瘜W(xué)反應(yīng)工程的研究對象：

以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程。

：

是研究反應(yīng)器的正確選型、合理設(shè)計(jì)、有效放大和優(yōu)化控制等化工設(shè)計(jì)和生產(chǎn)問題。1二、本征動力學(xué)和宏觀動力學(xué)舉例：實(shí)驗(yàn)室燒杯中進(jìn)行的反應(yīng).間歇進(jìn)行，加熱均勻，攪拌充分，轉(zhuǎn)化率可達(dá)96%分析：反應(yīng)規(guī)律不變，但傳遞過程受到影響放大到工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的反應(yīng)釜，同樣的反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率僅75%

完全由均勻的各種變量對化學(xué)反應(yīng)速率的影響的動力學(xué)稱為本征動力學(xué)。即不受傳遞過程的影響。

在本征動力學(xué)的基礎(chǔ)上，還要考慮到傳遞過程的影響.即為宏觀動力學(xué)。

即工業(yè)反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程是化學(xué)過程和傳遞過程的統(tǒng)一過程，因此，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究內(nèi)容是宏觀動力學(xué)范疇。2反應(yīng)器尺寸的變化----------放大過程研究：傳遞和反應(yīng)結(jié)合的規(guī)律.對已有的反應(yīng)器、測試分布、強(qiáng)化.對未知的反應(yīng)器合理選型設(shè)計(jì).對于操作條件進(jìn)行優(yōu)化：反應(yīng)速率最佳.反應(yīng)選擇性最佳.能耗最低.安全生產(chǎn)。

宏觀動力學(xué)如消除擴(kuò)散（傳遞）的影響，-----無梯度反應(yīng)器的發(fā)明則唯一由反應(yīng)決定。即回到本征動力學(xué)。3三、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展

二十世紀(jì)二十年代：單元操作出現(xiàn)，如吸收、精餾等。單元作業(yè)出現(xiàn)，如磺化、硝化等。五十年代：石油化工的迅速的發(fā)展，反應(yīng)規(guī)模不斷增大。反應(yīng)器的放大問題，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)特性與傳遞特性的統(tǒng)一研究。四十年代：原子能工業(yè)的發(fā)展提出高倍率放大反應(yīng)器的問題，推動了工業(yè)化學(xué)反應(yīng)特性規(guī)律的研究。三十年代：（1937年）提出新見解：擴(kuò)散、傳遞對反應(yīng)的影響。4五十年代初：對流體的流動與混合，流體元在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間分布函數(shù)和宏觀動力學(xué)的研究成果。奠定了反應(yīng)工程學(xué)的基礎(chǔ)。1957年：第一屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會議上，正式使用“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”的概念。六十年代后：數(shù)學(xué)模型法在反應(yīng)工程的研究中日益深入。

1970年前后，相繼出現(xiàn)全面系統(tǒng)地論述化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的教科書及專著。標(biāo)志著化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的成熟。5

特別是生物化學(xué)反應(yīng)工程的發(fā)展，標(biāo)志著化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展的新階段。（第4版，加了一章生物工程）

同時，由于化工產(chǎn)品品種日新月異，化工能源重點(diǎn)不斷轉(zhuǎn)移，人們對新產(chǎn)品、新能源和新過程的開發(fā)（Development)日益注意，隨之出現(xiàn)反應(yīng)過程開發(fā)方法的研究，進(jìn)步豐富了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究內(nèi)容。（第4版加強(qiáng)開發(fā)內(nèi)容。）七十年代中期：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)向深廣兩方面發(fā)展，逐漸出現(xiàn)“氣液反應(yīng)器”，“氣、液、固三相反應(yīng)器設(shè)計(jì)”“生物化學(xué)反應(yīng)器”等著作。6四、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法1、經(jīng)典研究方法：主要是以相似論和因次論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)歸納法。程序：1）確定影響因素.2）用因次分析法確定準(zhǔn)數(shù).3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸，得出準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式.4）根據(jù)相似論，用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行放大.但：經(jīng)典的研究方法，不能滿足化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究要求，化學(xué)反應(yīng)工程著重研究傳遞與反應(yīng)的統(tǒng)一規(guī)律，在傳遞與反應(yīng)的統(tǒng)一體系內(nèi)，不能同時滿足幾何相似，物理相似和化學(xué)相似。72、基本研究方法：模型方法

化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)研究的是傳遞與反應(yīng)的統(tǒng)一體。

這種對復(fù)雜的難于數(shù)學(xué)描述的客觀實(shí)體，人為地做某些假定，設(shè)想出一個簡化模型，并對簡化模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，用以解決對客觀復(fù)雜實(shí)體地描述方法，叫做模型方法。程序：1）建立簡化物理模型：對復(fù)雜實(shí)體進(jìn)行合理簡化，設(shè)想一個模型代替實(shí)體，簡化必須合理，即簡化模型必須反映客觀的實(shí)質(zhì)，便于數(shù)學(xué)描述和滿足實(shí)用。（如連續(xù)精餾的計(jì)算前提）2）建立數(shù)學(xué)模型：依據(jù)物理模型和相關(guān)的已知原理導(dǎo)出描述模型的數(shù)學(xué)方程及其初始和邊界條件。3）用模型方程解來討論客體的特征規(guī)律（如雙膜理論）

除上述例舉的機(jī)理模型以外，也用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭环从晨腕w的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即只能做有限外推。8五、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的教材體系化學(xué)反應(yīng)工程研究的核心問題：反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大化學(xué)反應(yīng)規(guī)律與傳遞規(guī)律之統(tǒng)一規(guī)律.→→內(nèi)因外因（熱力學(xué)允許的反應(yīng)）（反應(yīng)器的空間與時間效應(yīng)造成的）重點(diǎn)動力學(xué)問題∴體系如下：1）、動力學(xué)基礎(chǔ)。2）、反應(yīng)器內(nèi)物流的流動和混合特征，反應(yīng)工程學(xué)的基礎(chǔ)。3）、停留時間分布的認(rèn)識（核心問題）。4）、在以上基礎(chǔ)上，可以分類研究各均相反應(yīng)器的傳遞特性與化學(xué)反應(yīng)之間的統(tǒng)一規(guī)律，建立宏觀動力學(xué)方程：并進(jìn)行設(shè)計(jì)和放大反應(yīng)器，以及對反應(yīng)器進(jìn)行分析。9第七章、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)§7-1化學(xué)動力學(xué)的基本概念§7-2簡單反應(yīng)速率方程式.一級：二級：10可逆反應(yīng)：指正方向和逆方向同時以顯著速率進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。簡單反應(yīng)：反應(yīng)過程只需用一個化學(xué)計(jì)量方程式和一個速率方程式表示的化學(xué)反應(yīng)。復(fù)雜反應(yīng)：需用兩個或兩個以上的速率方程式表示。如平行反應(yīng)和連串反應(yīng)等。轉(zhuǎn)化率：選擇性（選率）：收率：§7-4本征動力學(xué)和宏觀動力學(xué)

反應(yīng)速率控制步驟：化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散因素（傳遞）反應(yīng)控制？擴(kuò)散控制？聯(lián)合控制？相互轉(zhuǎn)換11※第八章典型反應(yīng)器§8-1.化學(xué)反應(yīng)器的類型.

工業(yè)反應(yīng)器的基本特性都可以歸納為傳遞特性。故文獻(xiàn)中常將反應(yīng)器傳遞特性稱做裝置特性。

若再將反應(yīng)器按工程特性進(jìn)行分類，則欲為某一類具特定工程要求的化學(xué)反應(yīng)選擇一個能滿足其基本要求的反應(yīng)器類型。一、按物料的相態(tài)分類：兩類：均相：非均相：g---sg—ll---ll---ss---sg—l---sg----gl-----l詳見P20

表8-1

此種分類方法，實(shí)質(zhì)上突出反應(yīng)器的相間傳質(zhì)特性對反應(yīng)器性能的影響。12二、按反應(yīng)器的幾何構(gòu)型分類：按反應(yīng)器的高（或長）徑比，可分為三類：管式：，用于連續(xù)操作，生產(chǎn)能力大，質(zhì)量穩(wěn)定。槽式或釜式：；由筒體、端蓋等構(gòu)成；夾套、攪拌，可間歇，可連續(xù)。塔式：在以上兩者之間。13此種分類的實(shí)質(zhì)：在于突出流體流動特性對反應(yīng)器性能的影響。進(jìn)料出料進(jìn)料出料液體氣體液體氣體（A）反應(yīng)釜（B）管式反應(yīng)器（C）鼓泡塔三、按操作方式分：連續(xù)操作，間歇，半連續(xù)采用哪種方式，主要取決于生產(chǎn)規(guī)模和人工費(fèi)與投資之間的權(quán)衡。14氣體氣體氣體氣體（D）固定床（E）流化床四、按催化劑的存在方式分：15五、按反應(yīng)器內(nèi)物流的流動狀況分：理想流動：①.在連續(xù)操作反應(yīng)器中一，理想排擠式（平推流、活塞流）：在管式反應(yīng)中，理想流動。無阻力、徑向處處相同；軸向沿流向不斷變換參數(shù).

但不隨時間而變。（PlugFlowReactor

-----PFR)1.

沿物料流動方向（軸向）.：

操作參數(shù)隨位置變化2.在與流動方向垂直的同一截面上（徑向）.：徑向混合均勻，3.不同截面上的物料間沒有任何混合.cA0xA0cAfxAf12cA1cA2cA0xA0cAfxAf163.，里外均一二、理想混合流動（全混流CSTR:ContinuousStirredTankReacter）1，整體均一反應(yīng)器內(nèi)任何一點(diǎn)、任何時候濃度、溫度均一（rA）為常數(shù)加料后，反應(yīng)物濃度立即降至反應(yīng)器內(nèi)物料濃度2，瞬間均一出口物料濃度與反應(yīng)器內(nèi)的濃度是相同的。反應(yīng)始終是在較低濃度下進(jìn)行.17②.在間歇式操作中--------間歇攪拌釜式反應(yīng)器（BatchStirredTankReacter—BSTR

）。BSTR

其中由于攪拌充分，處處均勻，不隨位置而變。（等溫、等濃；無傳遞影響）。

實(shí)際的流動狀態(tài)介于理想流動的兩種極端狀態(tài)之間?！陨戏诸?，實(shí)際是交叉并行的。如連續(xù)流動的均相的釜式的理想反應(yīng)器。固體熱氣產(chǎn)品（F）回轉(zhuǎn)筒式反應(yīng)器產(chǎn)品氣體（G）噴嘴式反應(yīng)器18§8-2間歇攪拌釜式反應(yīng)器

(BatchStirredTankReacter—BSTR)一、結(jié)構(gòu)及操作特點(diǎn)：理想狀態(tài)：由于攪拌理想，均勻.反應(yīng)器內(nèi)等溫、等濃。不受傳遞過程的影響?！嗬硐隑STR反應(yīng)結(jié)果，唯一地由化學(xué)反應(yīng)本征動力學(xué)確定。加料口冷卻水或冷凝水出口攪拌葉輪冷卻水或加熱蒸汽進(jìn)口攪拌器溫度計(jì)插口出料口19五個特點(diǎn)：①等溫、②等濃、③簡單、④靈活、⑤產(chǎn)量低同時注意：1）如為揮發(fā)物質(zhì)，則釜頂安裝排氣口并有回流裝置；2）如為加壓操作，釜頂安裝安全設(shè)施。3）嚴(yán)格地按操作規(guī)程操作，否則每釜質(zhì)量不一。20二、反應(yīng)器工藝尺寸的設(shè)計(jì)

BSTR的特點(diǎn)：分為反應(yīng)時間

t和輔助時間t’

一個生產(chǎn)循環(huán)下來的時間總計(jì)為[t+t’]

如果操作中，單位時間內(nèi)平均處理物料的體積為v、則反應(yīng)器的有效容積VR有效容積的概念：VR=[t+t’]v

而整體體積或反應(yīng)器的體積為VT.ψ為裝料系數(shù)（裝填系數(shù)）0.7～0.850.4～0.6VR21VT.VR一定，但實(shí)際生產(chǎn)中仍有問題需要解決：1）.高徑比：反應(yīng)器的高徑比大多數(shù)接近于1。否則對傳熱、傳質(zhì)不利。2）單系列、多系列：各具優(yōu)缺點(diǎn)：∴應(yīng)從產(chǎn)品質(zhì)量、反應(yīng)物性質(zhì)、操作穩(wěn)定性、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)成本等全方位考慮。22三、反應(yīng)時間的確定（t)BSTR：任一瞬間器內(nèi)各處參數(shù)均一，整個反應(yīng)器有效體積內(nèi)對組分做物料衡算進(jìn)入的物料量=輸出物料量+反應(yīng)掉的物料量+物料的積累量（8----1）著眼組分A,

BSTR操作過程中為間歇加料、出料，反應(yīng)進(jìn)程中無輸入，無輸出

∴反應(yīng)掉+積累=023即單位時間內(nèi)反應(yīng)消耗A物料量=-單位時間內(nèi)物料A的積累量左邊=右邊=積分：BSTR的基本方程式。-----（8-2）24若為定容（恒容過程）、即VR為常數(shù)，則：又定容過程：代入（8-3）中：-------（8-3）（t～xA)25上述表達(dá)式可用圖解表示對應(yīng)關(guān)系：CA0CA0t(t=0CA=CA0t=tCA=CA)t~CA0txAxA=1t~xA(t=0xA=0

t=txA=xA)0trAt~rA(隨t，rA下降)-----(8-4)(t～cA)且有：260xA0xA0CA27

當(dāng).rA具體的表達(dá)式為已知的時候，如一級、二級簡單反應(yīng)，即可用解析法直接計(jì)算出反應(yīng)時間。分析、觀察（8-3）：BSTR中，達(dá)到一定的轉(zhuǎn)化率xA.

時，所需的反應(yīng)時間t，只取決于過程的反應(yīng)速率rA，和cA

0；而與反應(yīng)器的大小VR無關(guān)。而反應(yīng)器的大小VR取決于反應(yīng)物料的處理量。28※即1Kg物料，同一噸物料，若達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率xA

，所需時間是一樣的。（條件是理想攪拌）

即：可用放大反應(yīng)器，來增加產(chǎn)量。※以上結(jié)論說明：對于BSTR，如放大過程中，保證大、小裝置中的反應(yīng)速率（rA）的影響因素(T.c)相同，就可以實(shí)現(xiàn)

高倍數(shù)放大。且完全由其本征動力學(xué)決定。29四、一級、二級反應(yīng)BSTR.本征動力學(xué)、回憶物化中學(xué)習(xí)過的內(nèi)容：反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率式反應(yīng)物濃度轉(zhuǎn)化率式（見P34.表8-3.以一級為主）30例一：（P25

例8-2）

已知在BSTR中，己二酸、己二醇以等物質(zhì)的量比，在343K下進(jìn)行縮聚反應(yīng)，由實(shí)驗(yàn)室測得若每天處理2400kg己二酸，且己二酸轉(zhuǎn)化率要求達(dá)80%.31解：t=?v=?二級反應(yīng)：32v:平均時間內(nèi)處理的平均體積己二酸的相對分子量為146（量綱分析，得出結(jié)論）33※練習(xí)：34再分析：①.一級實(shí)際意義：可利用高濃度反應(yīng)，增加生產(chǎn)效率，得同樣xA.②.二級：實(shí)際意義：CA0大，且產(chǎn)量大。不同級數(shù)的反應(yīng)，情況不同。生產(chǎn)中區(qū)別對待。35例二：36結(jié)論：反應(yīng)物初始濃度大，（反應(yīng)物料多），需要的反應(yīng)時間長。37②.當(dāng)殘余濃度很低時∴盡管初始濃度相差很大，但如果殘余濃度很小時，所需的反應(yīng)時間相差很少。

∴此種情況下，可用提高初始濃度的方法，花同樣長的時間，來提高產(chǎn)量。38例三、試分別計(jì)算一級反應(yīng)、二級反應(yīng)，從轉(zhuǎn)化率0→90%.和90%→99%所需時間之比。并分析其結(jié)論。CA0=1解：一級反應(yīng)0～90%：90～99%：t20～99%：39二級：∴0～90%：90～99%：0～99%：40結(jié)論：1反應(yīng)后期，追求高轉(zhuǎn)化率所需時間較長。2）反應(yīng)級數(shù)越高，反應(yīng)后期所需t越長。應(yīng)用：1）不適盲目追求高轉(zhuǎn)化率，不如分離后，再循環(huán)反應(yīng)。2）高級數(shù)反應(yīng)，為節(jié)省時間，可以降低級數(shù)的辦法。如將廉價的某種反應(yīng)物過量.→擬一級反應(yīng)，快速進(jìn)行。練習(xí)：P44.1、2、3.思考題：1）對于BSTR.如何控制反應(yīng)的進(jìn)程？如何獲取最大的產(chǎn)量？（掌握：相應(yīng)一級計(jì)算及結(jié)論）2）放大效應(yīng)如何？41§8-3BSTR中的攪拌（選講）攪拌的目的：（1）促進(jìn)物系的均化。(混合）（溶液、乳濁液等）（2）促進(jìn)物系間的傳質(zhì)。（如溶解、結(jié)晶、浸提、萃取、吸收）.（3）強(qiáng)化過程的傳熱。（加熱、冷卻）除下面機(jī)械攪拌外，液體的攪拌還可采用：氣流、射流、超聲等。此節(jié)為擴(kuò)展內(nèi)容。了解。42一、混合機(jī)理：1、湍流擴(kuò)散：由于攪拌而形成的總體流動產(chǎn)生的。是攪拌時，攪拌器使液體在容器中形成的宏觀循環(huán)流動而形成的湍流擴(kuò)散，使物料在總體上混合均勻。此種擴(kuò)散，可將液體分散成一定尺度的液滴帶往容器各處，造成宏觀的大尺度的均勻混合。但總體流動并不能將液滴破碎到細(xì)小尺寸。432、主體對流擴(kuò)散：

在總體流動中，還包含有繁多的局部湍動，湍動強(qiáng)度因攪拌器類型不同而有很大的不同。

尺寸很小的液團(tuán)就是由總體流動中的湍動造成的。湍動或湍流是由總體流動中大量強(qiáng)度不同和大小不同的旋渦運(yùn)動疊加而組成的。（這種擴(kuò)散稱為主體對流擴(kuò)散），是湍流擴(kuò)散+

渦流擴(kuò)散。

高速旋轉(zhuǎn)的旋渦可使總體流動的液團(tuán)產(chǎn)生劇烈的相對運(yùn)動和環(huán)繞運(yùn)動，沿液滴表面形成不均勻的壓力分布和剪切力，克服了液滴的表面張力，使液團(tuán)變形并再撕裂。44

旋渦的尺寸越小，強(qiáng)度越大，數(shù)量越多，則所形成的湍動程度越高，其破碎作用越大，生產(chǎn)的液滴越小。

大旋渦的破碎作用差，因?yàn)樾∫旱伪痪砣牒笾浑S同旋轉(zhuǎn)而不被撕裂。

因此，總體流動強(qiáng)并不等于攪拌效果好。而形成了強(qiáng)烈的旋渦，有了剪切力和壓力分布，才會實(shí)現(xiàn)良好的均質(zhì)效果。

并且：分散的同時，其逆過程凝聚也在進(jìn)行，導(dǎo)致液相中存在液滴尺寸的不均勻分布。并且：在攪拌葉輪附近區(qū)域內(nèi)，湍動程度高，分散速率》凝聚液滴尺寸細(xì)小。在攪拌葉輪較遠(yuǎn)的區(qū)域，湍動程度減弱，凝聚》分散速度.

液滴直徑變大。45對于互溶液體，攪拌越強(qiáng)烈，液滴的尺寸越小。但最后只能依靠分子擴(kuò)散才能達(dá)到分子尺度上的均勻。對于不互溶的液體，不論攪拌多么強(qiáng)烈，也不可能達(dá)到分子尺度上的均勻，只能使液滴盡可能地變小。二、攪拌器的類型攪拌的目的：1）形成流體的整體流動，達(dá)到宏觀均勻。2）產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流，促使液團(tuán)破碎。

在攪拌器選型時，常以液體的粘度和攪拌容器的容積作為初選依據(jù)。46常用旋槳式和渦輪式1）旋槳式①結(jié)構(gòu)：很象船用的推進(jìn)器，所以也叫推進(jìn)式、船舶型。三個葉片（見插圖P420—421，)②特性：旋轉(zhuǎn)式攪拌器能造成容器內(nèi)流體的總體流動，其循環(huán)量大，但湍動程度不高。

適用于以宏觀混合為目的的攪拌過程。

旋槳式攪拌器攪拌時為防止打旋，從而使流體液團(tuán)分散所需的剪切力減少，常設(shè)壁擋板以避免流體打旋。（見下頁插圖）～47③參數(shù)：～b)轉(zhuǎn)速較高。葉片端部的線速度控制在5－15m/s；常用7－10m/s。c)葉輪距容器底部要有一定的距離，一般H=D.2)渦輪式：①結(jié)構(gòu)：屬于小葉片高速攪拌器，葉輪的形狀相似于離心泵的葉輪。一般為6個（Z=6)484950②特性：旋轉(zhuǎn)時，液體在槽內(nèi)形成兩個回路的總體循環(huán)流動，槳葉外緣附近造成強(qiáng)烈的旋渦運(yùn)動，因而有很大的剪切力，將液團(tuán)撕的很細(xì)。

適用于要求小尺度均勻分散。黏度﹤50Pa.s。中等粘度以下的液體。不適用于易分層的液體。③參數(shù)：a)直徑D為槽內(nèi)徑D0的0.3～0.5；b)葉輪端部的速率為3～8m/s.

葉輪轉(zhuǎn)速常用300～600r.min-1.思考題：1）松香乳化應(yīng)采用什么攪拌器？2）黏度不高時，為傳熱均勻?yàn)槟康模捎檬裁磾嚢杵鳎?12、高粘度液體的攪拌器.

如用小葉片高速攪拌器，所提供的能量很快地液體地粘滯阻力所消耗，使得距葉片稍遠(yuǎn)的液體流動緩慢甚至停止，混合效果差。高粘度時，適選用大葉輪低速攪拌器，錨式、框式、螺帶式等。①結(jié)構(gòu)：見下頁圖.②特征：剪切力小，但攪拌范圍大，不會形成死角，適用于高粘度液體。也防止器壁附近物料的濃度。氣錨式和框式攪拌器造成的軸向流動小，難于保證物料的軸向均勻混合。5253③參數(shù)：a)D略小于D0，攪拌器與容器內(nèi)壁間隙很小。b)攪拌器的轉(zhuǎn)速低，若為40～200r/min.

其端部圓圍速率為0.5～1.5m/s。三、攪拌時液體的流動形態(tài)和攪拌功率1、攪拌時流動形態(tài)：d:攪拌器的直徑m;n:攪拌器轉(zhuǎn)速r/s;)判斷：Re<10.滯流.10〈Re〈10000過渡流Re〉10000湍流.（且：鄰近攪拌槳的液體為湍流，遠(yuǎn)離攪拌器的液體可能為滯流。）542、攪拌功率：攪拌的功率消耗=攪拌槽內(nèi)液體流動的循環(huán)量×對液體提供的壓頭但影響因素復(fù)雜.∴用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式：C:同幾何形狀相關(guān)的總系數(shù)Re:攪拌器.m:與流動形態(tài)相關(guān)的指數(shù)。攪拌器的功率曲線見下頁圖8-6。5556

對于常用的旋槳式和渦輪式攪拌器，在帶垂直擋板的攪拌槽中和常用攪拌條件，K值可從上圖8-6查得。計(jì)算得到P是正常運(yùn)轉(zhuǎn)時攪拌所需.※①起動時，要克服靜止液體的慣性，啟動功率較此要大。②對于小型攪拌器，兩者的差別更顯著。③擋板的設(shè)置增大了攪拌的動力消耗，有時會使攪拌功率增大4-5倍或更多。

請參見﹤﹤化工工藝設(shè)計(jì)手冊〉〉化學(xué)工業(yè)出版社。定型的攪拌器可以購買，但特殊的自己做或定做。57例1：（P30例8-3）有一開啟式直葉渦輪攪拌器，6片葉輪，直徑為0.15m，轉(zhuǎn)速為450r/min，攪拌容器的內(nèi)徑為0.5m，容器壁上有4塊垂直擋板，擋板寬與容器內(nèi)徑之比為1：10，液體密度為970kg/m3.粘度為0.0012Pa.s.試估算攪拌器所需功率？解：流動形態(tài)屬于充分湍流區(qū)，從圖8-6查出K=40.則58§8-4管式反應(yīng)器一、管式反應(yīng)器的特點(diǎn)：將實(shí)際的，復(fù)雜的，管式反應(yīng)器中的流動狀況，抽象簡化為PFR.(PlugFlowReactor)

為一理想流動反應(yīng)器。但流速較高時，管式反應(yīng)器的長度遠(yuǎn)大于直徑時，其流動接近于PFR。在等溫、定態(tài)的條件下，PFR具有如下特點(diǎn)：（1）在反應(yīng)器軸向不同位置上，物料濃度、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率等均不相等；（沿管長l而變化）（2）在軸向的每個截面上，物料濃度、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率等均相等；且不隨時間而變化。（3）在徑向上不存在任何差別（包括濃度差、溫度差、速度差等）。CAOxAOCAfxAf5960二、反應(yīng)器容積的計(jì)算：對PFR進(jìn)行物料衡算.取微元：衡算關(guān)系：加入A=排出A的量

+反應(yīng)掉A的量+積累A的量.（穩(wěn)態(tài)流動，無積累）代入（8-12）式中：得：61積分：且定態(tài)操作，為常數(shù).PFR的基本方程式------（8-13）進(jìn)一步整理：其中量綱分析.應(yīng)以時間為單位的量.含稱為空間時間。62空間時間的定義：是反應(yīng)器有效容積與進(jìn)口處的體積流量之比。※①空間時間，簡稱空時。

②空時的倒數(shù)，稱為空間速度，簡稱空速。單位為時間的倒數(shù)。如s-1.③在定容過程中，空間速度即表示單位時間內(nèi)通過的流體體積是反應(yīng)器體積的若干倍。（很形象，具體地反映了反應(yīng)器處理物料的能力）如氨合成塔的空速為2000～35000V3/h63另一表達(dá)式，以CA為變量：（8-16）又一PFR的基本式。對比BSTR和PFR的基本式及解析式:一致64結(jié)論：①形式相同（計(jì)算完全相同）②不同之處：

BSTR中

t---反應(yīng)時間；PFR中

t0------空間時間.有時角標(biāo)不寫；應(yīng)用于不同反應(yīng)器，意義不同為什么？BSTR的諸參數(shù)隨時間而變。PFR的諸參數(shù)隨位置l而變。

但變遷史相同.

推動力相同.65復(fù)雜反應(yīng)，不好解析法計(jì)算的，用圖解積分法（數(shù)值積分法）.原理同BSTR相同?！Y(jié)論（1）反應(yīng)進(jìn)行的越完全，轉(zhuǎn)化率要求越高，所需VR就越大。（2）可用易實(shí)現(xiàn)的BSTR所獲得的數(shù)據(jù)（xA～t)進(jìn)行不易實(shí)現(xiàn)的連續(xù)流動的PFR的設(shè)計(jì)和放大。（類比實(shí)驗(yàn)）66（3）BSTR的t和PFR的t0計(jì)算式相同，但VR不同。BSTR中：

PFR中：（同樣反應(yīng)體系.

同樣條件.

同樣轉(zhuǎn)化率）作為反應(yīng)器選型的一個基本參考依據(jù)，有動力學(xué)意義。但反應(yīng)器的選型還需得到各方面的指標(biāo)（不是只有容積成本）。（4）計(jì)算t及t0

的反應(yīng)式相同，但兩種反應(yīng)器的構(gòu)造不同.操作方式不同，物料的流動狀態(tài)也不同。（5）PFR無輔助時間，連續(xù)操作穩(wěn)定，處理物料量大，更適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。67例1：（P34.例8-5）對比BSTR.PFR的VR=?解：

（1）BSTR：（同BSTR一節(jié)中例1）φ68求v=?69(2)PFR:

練習(xí)：P44.4、5、6.2.16》1.4570§8-5全混流反應(yīng)器

BSTR的t’使反應(yīng)周期較長。因此，如改為連續(xù)操作，則：

Bachstirredtankreactor(BSTR)Continuousstirredtankreactor(CSTR)較適合于大工業(yè)。

連續(xù)加料、連續(xù)出料。如果攪拌充分的話，其流動特點(diǎn)就接近理想的CSTR。71一、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)：（1）物料連續(xù)地流入和流出反應(yīng)器，操作為定態(tài)過程。（2）由于充分的攪拌，反應(yīng)釜內(nèi)物料的濃度、溫度處處相等并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。72二、CSTR

的計(jì)算物料衡算：進(jìn)入量=引出量+反應(yīng)量+積累量.-----（8-18）或者用轉(zhuǎn)化率表示物料衡算關(guān)系：代入8-18中.得：--------（8-19）（8-18）.（8-19）均為CSTR得基本式。73分析：1)量綱為時間。但全混流反應(yīng)器中，物料所經(jīng)歷的時間是不相同的。所以得的時間是“空間時間”的概念，而且是個平均值。2）BSTR.PFR均為積分方程，而此CSTR為代數(shù)方程。原因在于：反應(yīng)器內(nèi)的T.c.x均不隨時間而變（定態(tài)過程），而且也不隨空間位置而變（整個反應(yīng)器為均勻的）。743）圖解：物料出口時情況0xAxA0CACA0CA（8-19）（8-18）75定性結(jié)論：為完成同樣的任務(wù)（qV.x等相同），CSTR所需的時間為一矩形。而BSTR和PFR為曲線下的面積?！郈STR所需的t較大?！嘤校?6三、簡單級數(shù)反應(yīng)的CSTR

計(jì)算在反應(yīng)物體積不變的條件下：一級反應(yīng)：or:二級反應(yīng)：77對比：三種反應(yīng)器的計(jì)算式(轉(zhuǎn)化率式）動力學(xué)方程反應(yīng)器型式零級反應(yīng)一級反應(yīng)二級反應(yīng)BSTRPFRCSTR結(jié)論：CSTR受三傳影響，由宏觀動力學(xué)決定。78例：（P36

例8-6）.與前例相同二級反應(yīng)，k=0.1182m3/kmol.h∴CSTR中：定量對比：

BSTR

PFR

CSTRVR1.6191.457.234(VT=2.16m3)79§8-6返混及其對化學(xué)反應(yīng)的影響同樣是連續(xù)流動（PFR.CSTR）但為什么結(jié)果不同呢？

而且反應(yīng)都盡量在等溫條件下進(jìn)行的，則引起這種差別的，應(yīng)該只能是反應(yīng)物的濃度。分析PFR.CSTR的濃度情況：

CACA0CAf0tPFR濃度分布CACA0CAf0tCSTR濃度分布801）沿管長而變化1）的物料加入后，立即被分散，隨殘留濃度的消失，當(dāng)然反應(yīng)速率下降。2）物料同時進(jìn)，同時出，停留時間都相同。2）同時進(jìn)入的物料不一定同時出，因此存在一個停留時間的分布。3）不同時間進(jìn)入PFR的物料間沒有混合。3）不同停留時間的物料存在著混合。－返混。CA0CAf0tPFR濃度分布CA0CAf0tCSTR濃度分布81※返混：指不同停留時間的物料的混合，又稱逆向混合。而攪拌混合：是指不同空間位置的物料之間的混合。

PFR中返混為零CSTR中返混極大（全混流）＞理想反應(yīng)器的極端情況，實(shí)際反應(yīng)器介于兩者之間。

連續(xù)過程都存在一定程度的返混。這種逆向流動，使過程的推動力降低。而且反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率越高，反應(yīng)級數(shù)較高時，返混的影響就越顯著。思考題：1，BSTR中存在返混嗎？存在混合嗎？2，同樣的轉(zhuǎn)化率，cstr所需體積大。若為同樣體積，則----轉(zhuǎn)化率低。如何解決？82§8-7多釜串聯(lián)反應(yīng)器(多段）每一個釜均為一個CSTR：123Nf8-14.多釜串聯(lián)反應(yīng)器特點(diǎn)：1，每釜都是全混流反應(yīng)器，2，反應(yīng)釜之間，流體不相互混合，3，反應(yīng)物濃度逐段下降，轉(zhuǎn)化率逐漸升高。0lcAfcA1cA2.83

對其中任意一個釜進(jìn)行物料衡算，并整理得：多釜串聯(lián)基本式﹤------（8-23）-------（8-24）其中ti為第i釜的空間時間.ri為第i釜的反應(yīng)速率。轉(zhuǎn)化率式殘余濃度式84如為一級反應(yīng)：A→R.則第一釜內(nèi)殘余濃度式為第二釜：第N釜:如N數(shù)較大，如為簡單反應(yīng)，可用圖解法。但對于平行、串聯(lián)等復(fù)雜反應(yīng)，圖解法不適用。如果各釜一樣的話，k,t一致85轉(zhuǎn)化率式為：重點(diǎn)掌握一級反應(yīng)多釜串聯(lián)的計(jì)算。如果各釜不一樣，如v,t,k則逐一計(jì)算：86例1（P39例8-7）（重點(diǎn)在結(jié)果）求VR？兩釜串聯(lián).87〈一個釜時所需7.234m3

※多釜串聯(lián)所需的有效容積比每釜要小的多。詳見P42

表8-4不同類型反應(yīng)器的容積比較.型式反應(yīng)器有效容積m3

x=0.8x=0.9PFRBSTRCSTR四釜串聯(lián)二釜串聯(lián)1.453.251.622.303.177.2332.588結(jié)論：2）多釜串聯(lián)VR﹤單釜VR3）釜式越多，VR越?。?.30﹤3.17）思考：當(dāng)釜式為無窮多時，VR=？即成為一個平推流反應(yīng)器。4）為達(dá)生產(chǎn)目的，各種反應(yīng)器可組合使用89例二（學(xué)習(xí)指導(dǎo)183頁11題）：在四個串聯(lián)反應(yīng)釜中進(jìn)行醋酐水解反應(yīng)，反應(yīng)系一級反應(yīng)，各釜溫度如下表：

釜號1234

T/K283288298313

k/min–10.05670.08060.1580.380各釜容積為0.8m3

，進(jìn)料醋酐濃度cA0=4.5kmol·m–3，進(jìn)料量為0.1m3·min–1，求（1）各釜的出口濃度為多少？（2）如果各釜溫度都保持在288k，如用0.8m3的反應(yīng)器，需要幾個？（達(dá)到上題相同的最終出口濃度）min解：每釜的空間時間90kmol·m–3

kmol·m–3

kmol·m–3

kmol·m–3

一級反應(yīng)91（2）在相同溫度條件下，各釜k值相同，即k=0.080min-3N=6(2)不需掌握。超標(biāo)。92§8-8反應(yīng)器類型比較和選擇準(zhǔn)則：技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全。如BSTR、PFR、CSTR及多釜串聯(lián)中PFR的有效容積較小。但最小的反應(yīng)容積并不是工業(yè)生產(chǎn)追求的目的，而應(yīng)以效率最高、成本最低為優(yōu)化目標(biāo)。而同樣VR的PFR

和CSTR、PFR的選擇要高得多。

由于不同的流動造成了不同的反應(yīng)效果的現(xiàn)象-------濃度效應(yīng)。是在同樣的工藝中，相同的xA的基礎(chǔ)上不同的反應(yīng)器的比較。以簡單反應(yīng)為主。93幾項(xiàng)原則：（1）如E活化能.Q（反應(yīng)熱）較大；應(yīng)采用等溫條件下較為有利。

CSTR較合理。（2）rA很慢，反應(yīng)時間較長可用BSTR或CSTR。例如廢水處理的水泥槽。

（3）如反應(yīng)物在濃度較高時易爆炸，則應(yīng)用CSTR。（加入后稀釋）

（4）平行反應(yīng)中看級數(shù)，如主反應(yīng)級數(shù)較高，則用PFR或BSTR

如副反應(yīng)級數(shù)較高，則用CSTR為主。

（5）如反應(yīng)物為g（氣體）通常均使用PFR。94

（6）如反應(yīng)產(chǎn)物會進(jìn)一步分解，則用PFR或BSTR較合理。因停留時間較為一致，有利于控制反應(yīng)時間，避免產(chǎn)物的進(jìn)一步分解。（7）高壓下適用管式反應(yīng)器。而高壓，越細(xì)的耐壓較好。（8）強(qiáng)吸熱反應(yīng)（如裂解），一般均使用管式反應(yīng)器。（加熱方便）具體問題，具體分析。95第九章多相反應(yīng)過程非均相反應(yīng)：即反應(yīng)涉及兩個或兩個以上的相，也叫多相反應(yīng)。均相同非均相的基本區(qū)別：均相反應(yīng)物之間沒有相界面，VA只與T.c有關(guān)；非均相反應(yīng)是在兩個相的界面上發(fā)生的，VA與界面上兩相的接觸情況和不同的相之間的擴(kuò)散速率等因素有關(guān)，影響因素更多。比均相復(fù)雜。96多相反應(yīng)據(jù)相的不同分為以下5種：1.，※氣固、氣固催化反應(yīng)2.g.l.相反應(yīng)。3.不互溶的l.l.相反應(yīng)。4.l.s相反應(yīng)。5.g.l.s三相反應(yīng)。97§9-1工業(yè)催化簡介一、固體催化劑及其構(gòu)成：多孔顆粒：內(nèi)外表面積↑.降低流體流動阻力，提高生產(chǎn)效率。主催化劑：明顯催化活性的成分。如合成氨的鐵催化劑。助催化劑：自己本身不含明顯活性，但能明顯增強(qiáng)主催化劑的活性和選擇性。(Al2O3.K2O)載體：多孔物質(zhì)。（活性炭、硅膠、石英沙、氧化鋁等）組成和結(jié)構(gòu)也會影響催化劑的活性和壽命。98二、工業(yè)對催化劑的要求：1、具有較高的活性和選擇性、并使T較低。2、不易中毒、使用壽命長。失活：結(jié)碳、燒結(jié)、中毒。毒物：碳、磷、AS

等物質(zhì)。3、具有良好的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)和良好的機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)參數(shù)：1）比表面積：～2）孔隙率（ε）：顆?？紫堵师舙

和床層孔隙率ε099ε=顆粒間的空隙體積/床層體積.（ε大，阻力小）εp=顆粒的孔體積/顆粒的總體積.（εp大，a大.）3）孔半徑和孔徑分布：催化劑為多孔物質(zhì).

孔半徑（ra)是催化劑顆粒內(nèi)部各種大小孔的半徑的平均值.

即平均孔半徑。﹥100nm大孔.2～100nm中孔.﹤2nm微孔.反應(yīng)物能進(jìn)去的孔才有效.2----5nm介孔100§9-2氣固相催化反應(yīng)器一、固定床反應(yīng)器：最常用：固定床、流化床反應(yīng)器.例如：101分類：原則是是否把床層的熱量傳出或輸入分為絕熱反應(yīng)器.如f9-14.非絕熱反應(yīng)器.1.絕熱反應(yīng)器：1）催化劑床層內(nèi)不設(shè)冷卻管或加熱管。2）反應(yīng)氣體總是從上而下流過床層3）反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量主要用來使床層溫度上升（或下降）如熱量太多.T升太高，則可用分段的絕熱反應(yīng)器。如f9-15.4）優(yōu)點(diǎn)：絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、裝卸方便、容易控制。應(yīng)優(yōu)先考慮絕熱反應(yīng)器。1022.非絕熱反應(yīng)器：1）對熱十分敏感的，放熱量大（或吸熱量大的）應(yīng)用非絕熱反應(yīng)器?？稍诜磻?yīng)中連續(xù)地加入或取出熱量。2）常用換熱式固定床反應(yīng)器（f9-17）3）優(yōu)點(diǎn)：換熱效果好、床層溫度均一致.

反應(yīng)器放大時，只需增加管數(shù)，簡單易行。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。103二、流化床反應(yīng)器.優(yōu)點(diǎn)：1）傳熱效率高.2）床層溫度均勻.3）反應(yīng)速度快.4）便于再生或更換催化劑.104缺點(diǎn)：1）存在返混，對某些反應(yīng)可能不同程度上降低轉(zhuǎn)化率選擇率和產(chǎn)率等。2）催化劑磨損嚴(yán)重。3）氣體通過床層，有較大的△P，消耗較多的動力。4）小催化劑易被氣流帶走，需設(shè)分離裝置?！嗔骰渤Ｓ孟铝星闆r：1）強(qiáng)吸熱反應(yīng).2）嚴(yán)格控溫的反應(yīng).3）催化劑容易積碳，需要經(jīng)常再生的反應(yīng).4）由于傳熱、傳質(zhì)極快，過程處于化學(xué)動力學(xué)控制，所以需耐受原料氣體濃度變化的沖擊。P71.1、2、3、4、5、6、8、9、10.思考題：105§9-3氣固相催化反應(yīng)的步驟一、步驟：①.反應(yīng)組分A從氣流主體擴(kuò)散到催化劑表面.②.從外表面到內(nèi)表面.③.組分A在內(nèi)表面被吸附.④.組分A在內(nèi)表面進(jìn)行反應(yīng)，生成B.⑤.B脫附.⑥.從內(nèi)表面擴(kuò)散到外表面.⑦.B從外表面擴(kuò)散到氣流主體.106歸三類：⑦－外擴(kuò)散過程，外擴(kuò)散的阻力與床層中流體流動狀態(tài)有關(guān)。②⑥－內(nèi)擴(kuò)散過程，主要受孔隙大小所控制.③⑤－吸附和脫附.④－表面反應(yīng)過程.﹥與催化劑表面性質(zhì)直接有關(guān).∴稱為表面動力學(xué)過程.過程的速率與反應(yīng)組分、催化劑性能和溫度、壓力等因素有關(guān).107最慢的一步為控制步驟：氣固相催化反應(yīng)控制步驟動力學(xué)控制內(nèi)擴(kuò)散控制外擴(kuò)散控制吸附控制表面反應(yīng)控制脫附控制最慢的一步為過程速度的控制步驟。改善反應(yīng)速率，從控制步驟采取措施。108二、控制過程：1、外擴(kuò)散控制：1）如催化反應(yīng)的速度常數(shù)很大，孔徑又很合適。則外散為控制步驟。2）采取措施：可在空速一定前提下，設(shè)法增大氣體通過催化劑層的線速度，以減小氣膜的厚度。2、內(nèi)擴(kuò)散控制：1）如反應(yīng)速度很大，外擴(kuò)散很快.但內(nèi)擴(kuò)散慢，則為內(nèi)擴(kuò)散控制。2）采取措施：減小催化劑顆粒的粒徑，縮短內(nèi)擴(kuò)散的距離，以減少內(nèi)擴(kuò)散的阻力，可以提高催化劑內(nèi)表面的利用率。1093、化學(xué)動力學(xué)控制：1）內(nèi)、外擴(kuò)散阻力很??；或者反應(yīng)速率很小，內(nèi)外阻力可以忽略不計(jì)。2）例如：∴加大原料氣中N2比例。促進(jìn)吸附。提高最慢的控制步驟，即可以提高整個過程速率?！嘌芯繖C(jī)理，搞清控制步驟很重要。110第十章停留時間分布一、非理想流動

工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的反應(yīng)器中的流動與混合受很多因素的影響，情況十分復(fù)雜。

但通過對常用的兩種工業(yè)反應(yīng)器（釜式和管式）的流體流動狀況所做的分析，研究者提出了兩種簡化的流體流動的模型-------CSTR.PFR,即理想流動（研究方法中的模型法）。

這兩種極端流動情況，為反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析提供了極大的便利。尤其是流動情況接近于理想流動的情況下所預(yù)測的結(jié)果是夠精確可靠的。

但是，實(shí)際反應(yīng)器，特別是大型反應(yīng)器，其流動狀況往往偏離理想流動很多，因而誤差很大。所以研究非理想流動十分重要。111二非理想流動的起因

嚴(yán)格地講，任何實(shí)際反應(yīng)設(shè)備中流體的流動，都不是理想流動。原因有兩類：一類：不均勻的速度分布引起的。如死角、溝流、外路等。二類：與物料流動方向相反的流動引起的。如各種擴(kuò)散、局部很快的流動（旋渦）、局部壓差、摩擦等。

即設(shè)備的型式與結(jié)構(gòu)、操作條件、流體性質(zhì)等等幾方面的因素。有些可以消除，如合理的實(shí)際結(jié)構(gòu)、消除死角。但操作條件、流體性質(zhì)卻不可以人為地改動，必須探討其規(guī)律。112三、停留時間和停留時間的分布

(ResidenceTimeDistribntion－RTD)1、停留時間：（ResidenceTime）

連續(xù)流動反應(yīng)器中，流體粒子通過反應(yīng)器所需要的時間，稱為停留時間（或逗留時間）2、RTD：由于粒子的停留時間不同，因而形成RTD。這種RTD應(yīng)符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律.應(yīng)用概率的原理來描述。兩種描述方法：壽命分布：在反應(yīng)器出口考察停留時間的不同。年齡分布：考察反應(yīng)器內(nèi)同時存在的所有粒子所形成的停留時間的