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1、第七章第七章第七章第七章 化学反应工程学化学反应工程学化学反应工程学化学反应工程学-反应器基本原理反应器基本原理反应器基本原理反应器基本原理第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述一、化学反应工程学的发展一、化学反应工程学的发展一、化学反应工程学的发展一、化学反应工程学的发展 20世纪世纪30年代德国科学家丹克莱尔在当时实验数据十分贫年代德国科学家丹克莱尔在当时实验数据十分贫乏的情况下乏的情况下,较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器产率的影响，为化学反应工程奠定了基础，产率的影响，为化学反应工程奠定了基础， 40年代末期，霍根和华生的著作年代末
2、期，霍根和华生的著作化学过程原理化学过程原理及前苏及前苏联学者弗兰克联学者弗兰克卡明涅斯基的著作卡明涅斯基的著作化学动力学中的扩散与化学动力学中的扩散与传热传热相继问世，总结了化学反应与传递现象的相互关系，相继问世，总结了化学反应与传递现象的相互关系，探讨了反应器设计的问题，对化学反应工程学的发展起到了探讨了反应器设计的问题，对化学反应工程学的发展起到了巨大的推动作用。巨大的推动作用。 1957年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程会年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程会议上，正式确定了议上，正式确定了“化学反应工程学化学反应工程学”这一学科的名称。这一学科的名称。 60年代石油
3、化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加工年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加工向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器设发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器设计与控制问题。计与控制问题。 80年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、光导纤维、新材料及生物技术的应用等），扩大了化学工程的光导纤维、新材料及生物技术的应用等），扩大了化学工程的研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合
4、研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到了一个崭新的阶段。了一个崭新的阶段。二、化学反应工程学研究的内容和方法二、化学反应工程学研究的内容和方法二、化学反应工程学研究的内容和方法二、化学反应工程学研究的内容和方法研究的内容：研究的内容：研究的内容：研究的内容：（1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，
5、提高效率。和设备，降低能耗，提高效率。（2）开发新的技术和设备。）开发新的技术和设备。（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。）指导和解决反应过程开发中的放大问题。（4）实现反应过程的最优化。）实现反应过程的最优化。研究的方法：研究的方法：研究的方法：研究的方法：数学模型数学模型在化学工程中，在化学工程中，数学模型数学模型主要包括以下主要包括以下内容内容：（1）、动力学方程式）、动力学方程式 对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式）、物料衡算式 流入量流入量
6、= 流出量流出量 + 反应消耗量反应消耗量 + 累积量累积量（3）、热量衡算式）、热量衡算式 物料带入热物料带入热=物料带出热物料带出热 + 反应热反应热 + 与外界换热与外界换热 + 累积热累积热 （4）、动量衡算式）、动量衡算式 输入动量输入动量 = 输出动量输出动量 + 动量损失动量损失（5）、参数计算式）、参数计算式主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。三、化学反应工程学与相关学科的关系三、化学反应工程学与相关学科的关系三、化学反应工程学与相关学科的关系三、化学反应工程学与相关学科的关系传递工程传递工程化学反应工程化学反应工程反应器
7、的设计反应器的设计化化学学动动力力学学化化学学热热力力学学反应器中流体反应器中流体流动与传热流动与传热反应工艺流反应工艺流程与设备程与设备化学工艺化学工艺工工程程控控制制化化学学催化催化剂与剂与反应反应条件条件最最佳佳化化反反应应系系统统中中测测量量与与控控制制四、化学反应过程和化学反应器的分类四、化学反应过程和化学反应器的分类四、化学反应过程和化学反应器的分类四、化学反应过程和化学反应器的分类（一）、化学反应过程分类（一）、化学反应过程分类（一）、化学反应过程分类（一）、化学反应过程分类分分类类特征特征反反应过应过程程反反应应特征特征简单简单反反应应、复、复杂杂反反应应（平行的、（平行的、连
8、连串的等）串的等）热热力学特征力学特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相相态态均相（气、液），非均相（气均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气液，气固、液固、气-液液-固）固）时间时间特征特征定定态态，非定，非定态态控制步控制步骤骤化学反化学反应应控制，外部控制，外部扩扩散控制，内部散控制，内部扩扩散控制，吸附或脱附散控制，吸附或脱附控制控制判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性1、反应速率、反应速率 反应速率反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物的变化量成物
9、的变化量。 如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写成：则上式可写成：正号正号-表示产物的生成速率表示产物的生成速率 负号负号-表示反应物的消失速率表示反应物的消失速率各组分的反应速率为：各组分的反应速率为：各组分反应速率之间的关系：各组分反应速率之间的关系： 根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：动力学方程式：k-反应速率表常数，可以根据阿伦尼乌斯（反应速率表常数，可以根据
10、阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得）方程求得：2、转化率、转化率 对于间歇系统对于间歇系统对于连续流动系统，转化率则以下式表示：对于连续流动系统，转化率则以下式表示：对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：3、反应的选择性、反应的选择性a ApP （目的产物）（目的产物）qQ （副产物）（副产物）反应的选择性反应的选择性是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。收率：收率：生成目的产物的量比加入反应物的量生成目的产物的量比加入反应物的量收率、转化率与选择性之间的关系为：收率、转化率与选择性之间的关系为：有时也用
11、质量收率表示：有时也用质量收率表示：（二）、反应器的分类（二）、反应器的分类（二）、反应器的分类（二）、反应器的分类 1 1、按反应物料的相态分类：、按反应物料的相态分类：反反应应器的种器的种类类反反应类应类型型设备设备的的结结构构形式形式反反应应特性特性均相均相气相气相 液相液相燃燃烧烧、裂解、裂解中和、硫化、水解中和、硫化、水解管式管式釜式釜式无相界面，反无相界面，反应应速速率只与温度或率只与温度或浓浓度度有关有关非非均均相相气气-液相液相液液-液相液相气气-固相固相液液-固相固相固固-固相固相气气-液液-固相固相氧化、氧化、氯氯化、加化、加氢氢磺化、硝化、磺化、硝化、烷烷基化基化燃燃烧烧
12、、还还原、固相催化原、固相催化还还原、离子交原、离子交换换水泥制造水泥制造加加氢氢裂解、加裂解、加氢氢硫化硫化釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流固定床、流化床化床釜式、塔式釜式、塔式回回转转筒式筒式固定床、流固定床、流化床化床在相界面，在相界面，实际实际反反应应速率与相界面大速率与相界面大小及相小及相间扩间扩散速率散速率有关有关2、按反应器的结构型式分类、按反应器的结构型式分类 结结构型式构型式适用的相适用的相态态应应用用举举例例反反应应釜釜液相，气液相，气-液相液相液液-液相，液固相液相，液固相药药物的合成、染料、中物的合成、染料、中间间体合体合成、成、树树脂合成脂合成管式管
13、式气相，液相气相，液相轻质轻质油裂解，高油裂解，高压压聚乙聚乙烯烯鼓泡塔鼓泡塔气气-液相，气液相，气-液液-固相固相变换变换气的碳化，苯的气的碳化，苯的烷烷基化，基化，二甲苯的氧化二甲苯的氧化固定床固定床气气-固相固相SO2氧化，乙苯脱氧化，乙苯脱氢氢半水煤气的半水煤气的产产生生流化床流化床气气-固相固相硫硫铁矿铁矿焙焙烧烧，萘萘氧化制苯氧化制苯酐酐回回转转筒式筒式气气-固相，固固相，固-固相固相水泥生水泥生产产喷喷嘴式嘴式气相，高速反气相，高速反应应的液相的液相氯氯化化氢氢的合成，天然气裂解制的合成，天然气裂解制乙炔乙炔3、按操作方式分类、按操作方式分类 1）、间歇操作）、间歇操作 2）、连
14、续操作）、连续操作 3）、半连续半间歇操作）、半连续半间歇操作五、理想均相反应器五、理想均相反应器1、理想间歇反应器、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想间歇反应器（间歇反应器（batch reactor简称简称BR）特点：特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可 以生产多个品种。以生产多个品种。缺点：缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗劳动强度
15、大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间，产品质量难以控制。一定时间，产品质量难以控制。2、活塞流反应器、活塞流反应器 在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（plug flow reactor简称简称PFR）。）。3 3、全混流反应器、全混流反
16、应器、全混流反应器、全混流反应器特点：特点：特点：特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称简称CSTR）近似地看成全混流反应器（是一种返混量为无限近似地看成全混流反应器（是一种返混量为无限大的理想化的流动反应器）大的理想化的流动反应器） 4 4、多级全混流反应器、多级全混流反应器、多级全混流反应器、多级全混流反应器 多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器（continuous stirred tank reactor series简称简称CSTRS）与之）与之近似，其近似，其特点：特点：（1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物）
