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1、化工动态学,董守龙 2009年6月,第六章 化学反应器的动态模型,一、化学反应器建模的重要性 1、化学反应器是化工生产过程的核心装置，也是最复杂的部分。 化工生产从原料到产品可分三步： 原料预处理：属物理过程，为化学反应服务； 化学反应：是物理+化学的过程，生产过程的核心； 产物分离：主要是物理过程，分离出最终产品。,化学反应器建模的重要性,2、化学反应器建模是工程放大、优化操作与控制的关键。 工程放大和最优化 经验放大方法在简单化工单元的应用 经验放大方法用于反应器放大的困难 数学模型方法是化学反应器放大与最优化的现代方法,化学反应器的动态模型,二、化学反应器的分类 1、按反应物系相的类别分
2、 均相反应：指单一的纯粹气相或液相反应，该类反应建模比较方便，易于描述。 非均相反应：物系具有清晰的相界，如液-液、液-固、气-液、气-固。此类反应建模时往往作为拟均相处理。,化学反应器的分类,2、按操作方法分 间歇式反应器 特点：反应混合物一起放于反应器内，在反应条件下停留一定时间；混合物的组分随反应时间而变化，反应器的操作是非稳态的； 适用范围：小批量生产，可用于生产不同产品；可用于连续操作有困难的反应，或新产品的小型实验； 优点：灵活性高，适用于小批量、多品种、反应时间长的产品的生产； 缺点：反应器的装料、出料、升温和冷却都要耗费一定的时间；不易实现自动控制，产品质量不稳定。,化学反应器
3、的分类,连续式反应器 特点：反应原料以固定的流量进入反应器，反应混合物同样连续离开反应器，所有反应参数不随时间而变化，反应器的操作是稳定的。 适用范围：大批量生产； 优点：易于实现自动控制；不会因进出料而浪费时间；产品质量稳定。 缺点：灵活性差；对原料质量要求高；投资大。 半连续式反应器 是间歇操作与连续操作的组合，即反应物或产物中有一种或几种是连续加入或输出的，其余则间歇加入或卸出，也是非稳态操作。,化学反应器的分类,3、按反应器的结构形式分 槽式反应器：连续、间歇、半连续 管式反应器：连续 塔式反应器：精馏塔 4、按化学反应的能量特征分 等温过程 非等温过程,第一节 化学反应器的基本方程,
4、主要研究工业规模化学反应器的基本数学模型，这些反应器可分为三种基本类型： 间歇操作理想混合搅拌槽式反应器 连续操作理想混合搅拌槽式反应器 理想活塞流管式反应器,化学反应器的基本方程,化学反应动力学与宏观反应动力学区别： 化学反应动力学（本征动力学）是指在实验室理想条件下研究化学反应进行的机理及反应物系组成、T、P等参数，但不包括传递过程和反应器结构等对反应速率的影响。 在工业规模化学反应器中化学反应与传质、传热及动量传递过程同时进行，是化学反应过程与物理传递过程的综合。 研究宏观反应的动力学称为宏观反应动力学。,化学反应器的基本方程,宏观动力学的基本方程： 动力学方程式；物料衡算式； 热量衡算
5、式； 动量衡算式。 在设计反应器时，如果流体通过反应器前后的压力变化不大，则按常压处理，不必列写动量衡算式。 对于等温反应过程，无需列写热量衡算式。 任何反应器设计计算，都需要列写物料衡算式和动力学方程式。 对于非均相反应或非理想流动，则需列出相间传递方程和流动模型方程，本质上属于物料衡算范畴。,化学反应器的基本方程,一、反应器质量衡算式 组分i的物料衡算：,1,2,3,4,5,6,反应器质量衡算式,1、间歇操作理想混合搅拌槽式反应器质量衡算 基本假设：完全混合。 在剧烈搅拌作用下，物料瞬间达到均匀混合，反应器内各处浓度、温度等参数均一，无分子扩散过程；且间歇操作反应期间无外部加入也无引出；故
6、该反应器中没有物理传递过程的影响，反应结果唯一地由化学反应决定。 质量衡算式：1=6，即：,反应器质量衡算式,2、连续操作理想混合搅拌槽式反应器质量衡算 基本假设：全混流动。 质量衡算式：1=2-3+6 3、理想活塞流管式反应器质量衡算 基本假设：活塞流。 质量衡算式：1=2-3+4-5+6,反应器质量衡算式,如下图的管式反应器内有反应A k B为一级不可逆反应，其截面积为A。 若组分A的摩尔浓度为x，则质量衡算式为：,化学反应器的基本方程,二、反应器能量衡算式 热量衡算式：,1,2,3,4,5,6,反应器能量衡算式,1、间歇操作理想混合搅拌槽式反应器热量衡算 热量衡算式：1=4-5+6,反应器能量衡算式,2、连续操作理想混合搅拌槽式反应器热量衡算 热量衡算式：1=2-3+4-5+6,反应器能量衡算式,3、理想活塞流管式反应器热量衡算 热量衡算式： 1=2-3+4-5+6,反应器能量衡算式,三、化学反应速率方程 物料和能量衡算方程式中第6项均要用到反应速率R，详见第二章第四节化学反应动力学。,
