《化工基础 反应工程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工基础 反应工程（130页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials第七章第七章 化学反应工程基础化学反应工程基础第一节第一节 化学反应工程概述化学反应工程概述 第二节第二节 化学反应动力学化学反应动力学第三节第三节 典型反应器典型反应器第四节第四节 非理想流动及实际反应器的计算非理想流动及实际反应器的计算 第五节第五节 气固相催化反应器气固相催化反应器化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第
2、七章 化学反应工程基础2第一节第一节 化学反应工程概述化学反应工程概述 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等，应过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应工程是物理与化学有着紧密的联系。所以化学反应工程是物理与化学两类因素的综合过程。两类因素的综合过程。1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了年第一次欧洲
3、反应工程会议上确定了“化化学反应工程学反应工程”这一学科名称。这一学科名称。 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础3一、工业化学反应过程的特征一、工业化学反应过程的特征 实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近似可看作理想条件下的反应过程，然而工业规模下似可看作理想条件下的反应过程，然而工业规模下的反应过程却并非如此。的反应过程却并非如此。 在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高在实验室或小规模进行时可
4、以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，究其原因，有以下几方面：结果，究其原因，有以下几方面： 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础4生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态， 反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反反应器的构型以及器内流动状况
5、、流动条件对反 应过程有极大的影响。应过程有极大的影响。 工业反应器中进行的过程包括化学反应，伴随工业反应器中进行的过程包括化学反应，伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程的特征。终结果，这就是工业规模下的反应过程的特征。 大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实 验室那么均匀。验室那么均匀。生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易
6、控制，体系内温度和浓度并非均匀。控制，体系内温度和浓度并非均匀。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础5二、化学反应工程学的任务和研究方法二、化学反应工程学的任务和研究方法 1 1、化学反应工程学的任务、化学反应工程学的任务改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力开发新的技术和设备。开发新的技术和设备。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。实现反应过程的最优化。实现反应过程
7、的最优化。不断发展反应工程学的理论和方法。不断发展反应工程学的理论和方法。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础62、化学反、化学反应工程学的研究方法工程学的研究方法化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采用的经验关联法，是一种实验用的经验关联法，是一种实验- -综合的方法。综合的方法。数学模型法是将复杂的研究对象合理地简化成数学模型法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模
8、型一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和。的总和。 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础7建立数学模
9、型的过程采用了分解建立数学模型的过程采用了分解- -综合的方综合的方法，将复杂的反应工程问题分解为较为简单的本法，将复杂的反应工程问题分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，然后把两者结征化学动力学和单纯的传递过程，然后把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法描述。描述。在实际研究中，往往是先抽提出理想反应器在实际研究中，往往是先抽提出理想反应器模型，然后讨论实际反应器和理想反应器的偏离，模型，然后讨论实际反应器和理想反应器的偏离，再通过校正和修改，最后建立实际反应器的模型。再通过校正和修改，最后建立实际反应器的模型。化工基础化工基础
10、 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础8反反应工程与其它学科的关系工程与其它学科的关系三、与化学反应工程学相关的学科三、与化学反应工程学相关的学科反应工程 化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学放大设计最优化技术最优化技术化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础9化学热力学：化学热力
11、学： 主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度等。性和可能达到的程度等。反应动力学：反应动力学： 专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。关系。催化剂：催化剂： 催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂扩散、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。活性结构的影响
12、、催化剂的活化和再生等等。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础10化学工艺：化学工艺： 主要是设备型式、操作方式和流程。主要是设备型式、操作方式和流程。传递工程：传递工程： 装置中的动量传递、热量传递和质量传递装置中的动量传递、热量传递和质量传递(简称简称“三三传传”)问题。问题。工程控制：工程控制： 一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化需要了解关于
13、反应过程的动态特性和有关的最优化问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优化的条件，末必与整个生产系统最优化所要求的条化的条件，末必与整个生产系统最优化所要求的条件相一致。件相一致。 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础11新技术开发的步骤：新技术开发的步骤：实验数据实验数据 提出数学模型提出数学模型中型实验中型实验 数学模型验证数学模型验证数学模型的应用数学模型的应用 大设备的设计大设备的设计 放
14、大的依据：相似论放大的依据：相似论(相似特征数相似特征数Re、 Pr、Nu、Pe、Sc等等)化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础12 综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举。在解决新过程的开发问题时，可先建立动力学和传递过程模型，然后再综合成整个过程的初步的数学模型，根据数学模型所作的估计来制定试验，特别是中间试验方案，然后用试验结果来修正和验证模型。化工基础化工基础 College of Chemistry &
15、MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础13规模生产区别于实验研究规模生产是化学反应过程和热量传递、质量传递等物规模生产是化学反应过程和热量传递、质量传递等物理过程共同作用的结果。传递的影响：理过程共同作用的结果。传递的影响：u1、浓度分布、浓度分布CD (Concentration Distribution)u2、温度分布、温度分布TD (Temperature Distribution)u3、停留时间分布、停留时间分布RTD(Residence Time Distribution)上述上述CD、TD、RTD
16、的产生，与化学本身的机理无关，的产生，与化学本身的机理无关，与传递过程有关，故工业规模的化学反应必须与传与传递过程有关，故工业规模的化学反应必须与传递规律结合起来研究，因而显得复杂而困难。递规律结合起来研究，因而显得复杂而困难。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础14第二节第二节 化学反应动力学化学反应动力学一、化学计量学一、化学计量学化学计量式化学计量式也可以写成也可以写成或或u计量系数取量系数取值：反：反应物物为负，生成物，生成物为正。正。
17、化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础15二、化学反应速率的表示方式二、化学反应速率的表示方式在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反应混合物体积中组分反应混合物体积中组分i的反应量或产物的生成量。即：的反应量或产物的生成量。即：当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可当用于液
18、相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可忽略，因此：忽略，因此：忽略，因此：忽略，因此：关键组分：反应物中相对量较少的组分，又叫着眼组分，关键组分：反应物中相对量较少的组分，又叫着眼组分，一般用一般用A表示。表示。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础16对于连续系统，反应物对于连续系统，反应物A的转化率可以用下式定义：的转化率可以用下式定义：连续系统：连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态，
19、系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函数。对连续系统，物系中各参数是空间位置的函数。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础17 连续系统中单位时间反应物
20、或产物的量或浓度连续系统中单位时间反应物或产物的量或浓度无变化，不能用间歇系统的公式。无变化，不能用间歇系统的公式。 连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即：中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础18三、动力学方程三、动力学方程化学反应的速率主要受温度和各组分的浓度化学反应的速率主要受温度和各组分的浓度影响：影响：对一个已知的反
21、应体系，只有一个浓度独立：对一个已知的反应体系，只有一个浓度独立：对于大多数体系，可写成：对于大多数体系，可写成：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础19一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们之间的关系可以用之间的关系可以用之间的关系可以用之间的关系可以用ArrheniusArrhenius( (阿伦尼乌斯)经验经验
22、经验经验方程表方程表方程表方程表示，即：示，即：示，即：示，即：式中：式中：式中：式中：k k0 0 指前因子，其单位与反应速率常数相同指前因子，其单位与反应速率常数相同指前因子，其单位与反应速率常数相同指前因子，其单位与反应速率常数相同E Ec c 化学反应的活化能，化学反应的活化能，化学反应的活化能，化学反应的活化能，J/molJ/molR Rg g 气体常数，气体常数，气体常数，气体常数，8.314 J/(mol.K)8.314 J/(mol.K)化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materia
23、ls2024/8/27第七章 化学反应工程基础201 1、一级反应、一级反应根据定义式根据定义式由于反应前后体积不变由于反应前后体积不变分离变量：分离变量：积分：积分：或或一级反应的速率方程式一级反应的速率方程式:化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础21一一级反反应各参数各参数间的关系的关系化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/
24、8/27第七章 化学反应工程基础222 2、二级反应、二级反应如果如果ABAB两反应物初始浓度相等，因在反应过两反应物初始浓度相等，因在反应过程消耗的物质的量也相等，则程消耗的物质的量也相等，则代入代入得：得：移项积分：移项积分：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础23二二级反反应各参数各参数间的关系的关系化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materi
25、als2024/8/27第七章 化学反应工程基础243、可逆反应其速率方程式为：其速率方程式为：当反应达到平衡时，的生成和消失速率相等：当反应达到平衡时，的生成和消失速率相等：当当cp0=0时：时：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础25对于有惰性组分的体系，对于有惰性组分的体系，设总浓度为：设总浓度为：cT=cA+cP+ci，则有则有cP=cT-cA-ci代入：代入：有有达到平衡时，达到平衡时，rA=0，则，则化工基础化工基础 College
26、 of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础26需要用两个或更多的独立的计量方程来需要用两个或更多的独立的计量方程来描述的反应即为复合反应。此时在反应系统描述的反应即为复合反应。此时在反应系统中同时存在几个独立地发生的化学反应，其中同时存在几个独立地发生的化学反应，其数目与独立的计量方程数相同。数目与独立的计量方程数相同。三、复合反应三、复合反应化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materi
27、als2024/8/27第七章 化学反应工程基础27几个反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同几个反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同时地发生反应则称为平行反应：时地发生反应则称为平行反应：1.1.平行反应平行反应反应速率：反应速率：速率比为：速率比为：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础282.2.连串反应连串反应反应速率方程：反应速率方程：各组分浓度：各组分浓度：化工基础化工基础 College of Chemistry & Mate
28、rialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础29化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础30作业：下册作业：下册P194，6化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础31第三节第三节 典型反应器典型反应器一、反应器的类型一、反应器的类
29、型1.1.按物料相态分类按物料相态分类均相反应器均相反应器非均相反应器非均相反应器2.2.按按操作状况操作状况分类分类间歇反应器间歇反应器半间歇或半连续反应器半间歇或半连续反应器连续反应器。连续反应器。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础323.3.按反应器的结构形式分类按反应器的结构形式分类反应器反应器釜式或槽式釜式或槽式管式管式塔式塔式喷嘴式喷嘴式空管空管填充管填充管回转筒式回转筒式鼓泡塔鼓泡塔固定床固定床流化床流化床化工基础化工基础 Co
30、llege of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础33化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础34回转筒式反应器喷嘴式反应器化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础35二、间歇搅拌二、间歇
31、搅拌反应器反应器-B-BSTRSTR( (continuous stirred-tank reactor model) 1.1.结构与操作特点结构与操作特点 u 反应物料一次加入；反应物料一次加入；u 充分搅拌，整个反应器内物料的浓度充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀；和温度保持均匀；u 常配有夹套或蛇管，以控制反应温度；常配有夹套或蛇管，以控制反应温度；u 间歇反应器操作的一个生产周期包括间歇反应器操作的一个生产周期包括加料、反应、出料、清洗；加料、反应、出料、清洗；u 由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度温度处处相等并随时间变化。均匀
32、，且浓度温度处处相等并随时间变化。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础362.2.间歇搅拌釜式反应器的计算间歇搅拌釜式反应器的计算 以反应物以反应物A A为基准对反应器进行物料衡算，为基准对反应器进行物料衡算， 反应物反应物A A消耗速率消耗速率=r=rA AV V物料衡算式可变为物料衡算式可变为反应物反应物A A积累速率积累速率= =或或式中：式中：r rA A 组分组分A A的反应速度，的反应速度，kmolkmolm m-3-3s s-1-
33、1 V V反应混合物的体积，反应混合物的体积，m m3 3 t t反应时间，反应时间，s s n nA A反应混合物的物质的量，反应混合物的物质的量，kmolkmol化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础37如果反应过程中如果反应过程中, ,反应混合物的体积不发生变化反应混合物的体积不发生变化, ,即为即为恒容恒容过程过程, ,有有n nA A= =VcVcA A或或dndnA A= =VdcVdcA A, ,则则反应时间为反应时间为c cA,0
34、A,0为为A A的初始浓度的初始浓度; ;x xA A为为A A的转化率的转化率 间歇反应器的反应时间仅与反应速率有关，而间歇反应器的反应时间仅与反应速率有关，而与反应器的容积无关。与反应器的容积无关。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础38化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础39化工基础化工基
35、础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础40 如果已知单位时间平均处理物料的体积如果已知单位时间平均处理物料的体积v，那么反应器体积那么反应器体积V VR R计算公式为：计算公式为： 装料系数装料系数，一般为，一般为0.40.40.80.8。对不发生泡沫。对不发生泡沫不沸腾的液体，取上限。不沸腾的液体，取上限。 式中式中V VR R为反应器的有效容积。为反应器的有效容积。实际反应器的体实际反应器的体积积VT要比有效容积大，则要比有效容积大，则 间歇反应器的一个操
36、作周期除反应时间间歇反应器的一个操作周期除反应时间t t外，外，还有加料、出料、清洗等非生产时间，称辅助还有加料、出料、清洗等非生产时间，称辅助时间时间t t。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础41例：在间歇釜式反应器中例：在间歇釜式反应器中,己二酸与己二醇以等物质的量比己二酸与己二醇以等物质的量比,在在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反应速率方程式为应速率方程式为rA=k
37、cAcB，cA=cB。在。在343K时，时，k=1.97Lkmol-1min-1。己二酸的起始浓度己二酸的起始浓度cA0= 0.004 kmol.L-1。若每天处理。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为己二酸，己二酸的转化率为80%80%，每批操作的辅助时间，每批操作的辅助时间为为1h1h，试计算反应器的总容积。装料系数，试计算反应器的总容积。装料系数取取0.750.75。解：解： rA =kcAcB=kcA2化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学
38、反应工程基础42平均每小时要处理的物料体积为：平均每小时要处理的物料体积为：则间歇反应器的反应体积为：则间歇反应器的反应体积为：间歇反应器的实际容积为：间歇反应器的实际容积为：间歇反应器的总容积为间歇反应器的总容积为2.16m2.16m3 3。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础43三、平推流三、平推流反应器反应器-PFR-PFR (plug flow reactor model)1.1.平推流平推流流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面
39、上，流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面上，各质点的流速相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，各质点的流速相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，故称为故称为活塞流或平推流活塞流或平推流。 其特点是其特点是先后先后进入反入反应器的物料之器的物料之间完全无混合，而完全无混合，而在垂直于流在垂直于流动方向的任一方向的任一载面上，物料的参数都是均匀的。面上，物料的参数都是均匀的。沿反沿反应器器轴向上物料之向上物料之间没有混合，而径向上物料之没有混合，而径向上物料之间混混合均匀。物料合均匀。物料质点在反点在反应器内停留的器内停留的时间都相同。都相同。化工基础化工基础 College of
40、 Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础44化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础452.2.活塞流反应器的计算活塞流反应器的计算 设一反应器体积为设一反应器体积为V VR R，进、出反应器的物料参数，进、出反应器的物料参数如图示，其中如图示，其中q qv v、q qn n，分别为反应物，分别为反应物A A的体积和摩尔的体积和摩尔流量。流
41、量。 定态操作时，对关键组分定态操作时，对关键组分A A进行物料衡算进行物料衡算: :进入微元体积的反应物进入微元体积的反应物A A的速率的速率q qn,An,A= =q qn,A,0n,A,0(1-(1-x xA A)=)=q qv,0v,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A) )化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础46A A反应消耗的速率反应消耗的速率 r rA AdVdVR R流出微元体积反应物流出微元体积反应物A A的速率的速率
42、q qn,An,A+ +dqdqn,A, n,A, = =q qv,0v,0c cA,0A,0 (1- (1-x xA A- -dxdxA A) )根据物料衡算式可得根据物料衡算式可得q qn,An,A= =q qn,An,A+d+dq qn,An,A+ +r rA AdVdVR Rq qV,A,0V,A,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A)=)=q qV,0V,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A- -dxdxA A)+)+r rA AdVdVR Rq qV,0 V,0 c cA,0A,0dxdxA A= =r rA AdVdVR R或或对整个反应器积分得对整个反应器积分得
43、简化上式得简化上式得或或化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础47 上式是活塞流反应器的基本计算式上式是活塞流反应器的基本计算式, , 关联了关联了q qV,0V,0、V VR R、r rA A、c c,A,A（x x,A,A）、）、等参数，等参数， 其中其中为空间时间，定义为反应物料以入口状为空间时间，定义为反应物料以入口状态体积流量通过反应器所需的时间。态体积流量通过反应器所需的时间。 与间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程比较，与间歇搅拌釜式反
44、应器的基本计算方程比较，二者的基本计算方程除在时间表达方式上不同外，二者的基本计算方程除在时间表达方式上不同外，其余完全相同。其余完全相同。对恒容过程对恒容过程c cA A = = c cA,0A,0(1-(1-x xA A),),则则dxdxA A =- =-dcdcA A/ /c cA,0A,0代入上式代入上式化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础48化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsColle
45、ge of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础49化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础50化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础51从理想管式反应器和间歇反应器的表达式比较，从理想管式反应器和间歇反应器的表达式比较，可以看出它们完全相同。可以看出它
46、们完全相同。理想管式反应器中各个截面上的浓度和转化率理想管式反应器中各个截面上的浓度和转化率等参数只是空间位置的函数；间歇反应器则随时间等参数只是空间位置的函数；间歇反应器则随时间而变化。这些参数经历了相同的变化过程，反应的而变化。这些参数经历了相同的变化过程，反应的推动力是一致的。就反应过程而言，两种反应器具推动力是一致的。就反应过程而言，两种反应器具有相同的效率。有相同的效率。因为间歇反应器存在非生产时间，故生产能力因为间歇反应器存在非生产时间，故生产能力低于管式反应器。低于管式反应器。3.3.管式反应器和间歇反应器的比较管式反应器和间歇反应器的比较化工基础化工基础 College of
47、Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础52例：己二酸例：己二酸(A)(A)与己二醇与己二醇(B)(B)以等物质的量比，在以等物质的量比，在343K时进行时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在，在343K时，时，k=0.1182m3kmol-1h-1。A的分的分子量为子量为146， A的的起始浓度起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率
48、为己二酸，己二酸的转化率为80%80%，试计算使用理想管，试计算使用理想管式反应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。式反应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。解：根据平推流反应器中二级反应的公式：解：根据平推流反应器中二级反应的公式：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础53 VR VT转化率转化率80%80%间歇反应釜间歇反应釜 9.46 1.62 2.169.46 1.62 2.16理想管式理想管式 8.46 1.45 1.458
49、.46 1.45 1.45转化率转化率90%90%间歇反应釜间歇反应釜 20.04 3.43 4.5720.04 3.43 4.57理想管式理想管式 19.04 3.25 3.2519.04 3.25 3.25u 两两类反反应器所需容器所需容积：VR间VR平平。u 间歇反歇反应器有器有辅助助时间和装料系数的影响。和装料系数的影响。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础54四、全混流四、全混流反应器反应器-CSTR-CSTR( (continuou
50、s stirred-tank reactor model)1.1.全混流全混流 特点特点u 反应器内物料的参数处处均反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数；匀，且等于流出物料的参数；u 但物料质点在反应器中停留但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形了成停留的时间各不相同，即形了成停留时间分布。时间分布。 全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。合流。化工基础化工基础 College of Chemistry & Materials
51、College of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础552.2.全混流反应器的计算全混流反应器的计算 进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间混合均匀，反应器内处处组成相同。混合均匀，反应器内处处组成相同。 根据连续流动物料衡算式，可得根据连续流动物料衡算式，可得 或或整理得整理得: : 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础563.3.
52、平推流反应器与全混流反应器的比较平推流反应器与全混流反应器的比较化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础57例：己二酸例：己二酸(A)(A)与己二醇与己二醇(B)(B)以等物质的量比，在以等物质的量比，在343K时进时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在，在343K时，时，k=0.1182m3kmol-1h-1。A的分的分子量为子量为146， A的
53、的起始浓度起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为己二酸，己二酸的转化率为80%80%，试计算使用全混流，试计算使用全混流反应器所需的容积。反应器所需的容积。解：根据全混流反应器中二级反应的公式：解：根据全混流反应器中二级反应的公式：u 比前面几比前面几类反反应器所需容器所需容积都大。都大。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础58五、多釜串联反应器（五、多釜串联反应器（MMFRMMFR）
54、每一级反应器都是全混流反应器；每一级反应器都是全混流反应器； 反应器之间，流体不相互混合。反应器之间，流体不相互混合。 前一级反应器出口的物料浓度为后一级反应器入口的浓度。前一级反应器出口的物料浓度为后一级反应器入口的浓度。 串联级数越多，各级之间反应物浓度差别越小，整个多釜串联级数越多，各级之间反应物浓度差别越小，整个多釜串联反应器越接近平推流反应器。串联反应器越接近平推流反应器。 如果生产过程中所需的全混流反应器体积比较大，会如果生产过程中所需的全混流反应器体积比较大，会采用几个较小的全混流反应器串联。采用几个较小的全混流反应器串联。多釜串联反应器如下图所示。其特点为：多釜串联反应器如下图
55、所示。其特点为：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础59对第对第i i个反应器进行物料衡算得：个反应器进行物料衡算得： 定容过程，定容过程， 则有则有或或化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础60 涉及每级反应器的有效容积涉及每级反应器的有效容积V VR,iR,i、串联反应器的级数、串联反应器的级
56、数N N、最终转化率、最终转化率x xA,NA,N、反应物最终浓度、反应物最终浓度c cA,NA,N等四个参数，等四个参数，可用代数法和图解法。可用代数法和图解法。 1.1.代数法代数法 或或对一级反应对一级反应: :化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础61即有即有所有上式连乘，有所有上式连乘，有 第一釜第一釜第二釜第二釜第第i i釜釜. . . . 第第N N釜釜化工基础化工基础 College of Chemistry & Material
57、sCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础62生产中往往各级反应器的体积相等生产中往往各级反应器的体积相等, ,反应条件相同反应条件相同, ,有有有有化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础632.2.图解法图解法 对定容反应过程，将第对定容反应过程，将第i i级釜的基本计算式为级釜的基本计算式为: : 其出口浓度其出口浓度 和和 为直线关系，斜率为为直线关系，斜率为 ，截距为，截距
58、为 / / 如图所示。如图所示。 两条线的交点所对应的横坐标上两条线的交点所对应的横坐标上C CA A即为釜出口的浓度。即为釜出口的浓度。即：即：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础64 如果已知釜数如果已知釜数N,N,按按上法作图上法作图, ,第第N N根操作线根操作线与动力学关系线的交点与动力学关系线的交点的横坐标即为最终出口的横坐标即为最终出口的浓度。的浓度。 如果已知釜数和最如果已知釜数和最终出口的浓度，需要确终出口的浓度，需要确定总体
59、积或体积流量时，定总体积或体积流量时，则要采用试差法。则要采用试差法。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础65作业：下册作业：下册P443，4，7化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础66选学内容选学内容化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsColleg
60、e of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础67第四节第四节 非理想流动及实际反应器的计算非理想流动及实际反应器的计算 活塞流反应器和全混流反应器是两种理想活塞流反应器和全混流反应器是两种理想流动模型，是反应器内物料混合的两个极端情流动模型，是反应器内物料混合的两个极端情况，实际反应器中流体的流动状况往往偏离理况，实际反应器中流体的流动状况往往偏离理想流动，存在一定程度的返混面介于两者之间。想流动，存在一定程度的返混面介于两者之间。在研究上，往往从理想流动出发，找出非理想在研究上，往往从理想流动出发，找出非理想流动与理想流动的偏离，并寻求度量偏
61、离程度流动与理想流动的偏离，并寻求度量偏离程度的方法，由此建立非理想流动模型。的方法，由此建立非理想流动模型。 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础68沟流或短路沟流或短路 部分粒子易于在反应器中阻力最小、部分粒子易于在反应器中阻力最小、路程最短的通路以较其它流体粒子快得多的速度流过；路程最短的通路以较其它流体粒子快得多的速度流过；死角死角 器内与主流相比移动非常慢器内与主流相比移动非常慢( (小一个数量级小一个数量级) )或停滞不前的区域；或
62、停滞不前的区域；旁路旁路 专指流体粒子偏离了流动的轴心，而沿阻力专指流体粒子偏离了流动的轴心，而沿阻力小的边缘区域流动。小的边缘区域流动。一、非理想流动对理想流动的偏离一、非理想流动对理想流动的偏离引起实际反应器流况偏离理想流动的原因多种多样。引起实际反应器流况偏离理想流动的原因多种多样。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础69 几种实际反应器中的非理想流动如图几种实际反应器中的非理想流动如图6 6一一1212所所示。示。反应器的几何构造和流体
63、的流动方式是造反应器的几何构造和流体的流动方式是造成偏离理想流动、形成一定程度返混的根本原成偏离理想流动、形成一定程度返混的根本原因因，它导致了流体在反应器中停留的时间不一。，它导致了流体在反应器中停留的时间不一。不同的反应器的流况各异，可用停留时间分布不同的反应器的流况各异，可用停留时间分布来描述。来描述。 对管式反应器还有管内流体质点的轴向扩散对管式反应器还有管内流体质点的轴向扩散和径向流速分布等。和径向流速分布等。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学
64、反应工程基础70化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础71 进入反应器的进入反应器的 N N个物料质点，停留时间介于个物料质点，停留时间介于和和dd之间之间的物料粒子的物料粒子dNdN所占分率为所占分率为dNdNN,N,以以E()dE()d表示表示, ,则则E()E()即即为停留时间密度函数。停留时间分布密度函数具有归一化的为停留时间密度函数。停留时间分布密度函数具有归一化的性质，即性质，即二、停留时间分布的表示方法二、停留时间分布的表示方法 停
65、留时间停留时间指流体质点在反应器内停留的时间，指流体质点在反应器内停留的时间，停留时间停留时间分布分布是指反应器出口流体中不同停留时间的流体质点的分布是指反应器出口流体中不同停留时间的流体质点的分布情况。定量描述流体质点的停留时间分布有两种方法。情况。定量描述流体质点的停留时间分布有两种方法。（1 1）停留时间分布密度函数）停留时间分布密度函数E E（）化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础72 进入反应器的所有物料的进入反应器的所有物料的质点，
66、停留时间小于质点，停留时间小于的物料的物料所占的分率，称为停留时间分所占的分率，称为停留时间分布函数布函数F()F()，即，即显然显然, ,0 0时，时，F()F()0 0； ，F()F()1 1。 （2 2）停留时间分布函数）停留时间分布函数F F（）F()F()与与E()E()的关系为：的关系为：下图为下图为F()F()与与E()E()曲线。曲线。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础73 采用刺激响应技术，又称采用刺激响应技术，又称示踪法示
67、踪法，即在反应，即在反应器的进口加入某种示踪物，同时在出口测定示踪器的进口加入某种示踪物，同时在出口测定示踪物浓度等的变化，确定流经反应器中物料的停留物浓度等的变化，确定流经反应器中物料的停留时间分布。时间分布。3 3停留时间分布的测定方法停留时间分布的测定方法 测定时利用示踪物的光、电、化学或放射等测定时利用示踪物的光、电、化学或放射等特性。示踪物除具有上述特性外，还需要具有不特性。示踪物除具有上述特性外，还需要具有不挥发、不吸收、易溶于主流体，在很小的浓度下挥发、不吸收、易溶于主流体，在很小的浓度下也能检测出的特性。也能检测出的特性。示踪物的输入方式主要有示踪物的输入方式主要有脉冲法和阶跃
68、法。脉冲法和阶跃法。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础74输入输入- -响应关系曲线右图。响应关系曲线右图。由物料衡算由物料衡算, ,得得或或由由E E( () )的定义得的定义得 在稳定操作的系统中，若进料的体积流量为在稳定操作的系统中，若进料的体积流量为q qV V，进料浓，进料浓度度c c0 0，于，于=0=0将一定物质的量将一定物质的量n n的示踪物的示踪物A A在一瞬间注入，在在一瞬间注入，在出口处观测示踪物浓度出口处观测示踪物浓度
69、c cA A随时间的变化。随时间的变化。（1 1）脉冲示踪法）脉冲示踪法化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础75在在稳定定连续流流动系系统中，若物料体中，若物料体积流量流量为q qV V，浓度度为c c0 0，瞬，瞬间用相同流量和用相同流量和浓度的示踪物切度的示踪物切换主流体，同主流体，同时在出口在出口处测示踪物示踪物浓度度c cA A随随时间的的变化，直至化，直至c cA A=c=c0 0为止。所得响止。所得响应关系曲关系曲线如下如下图（2
70、2）阶跃示踪法）阶跃示踪法化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础76 平均停留时间是指全部物料质点在反应器中停留时间的平均停留时间是指全部物料质点在反应器中停留时间的平均值，在概率上称为数学期望，可通过分布密度函数来计平均值，在概率上称为数学期望，可通过分布密度函数来计算：算： 在实验中得到的是离散情况在实验中得到的是离散情况( (即各个别时间即各个别时间) )下的下的E()E()，可用下式计算：可用下式计算：4 4停留时间分布的数字特征停留时间
71、分布的数字特征用描述随机变量的数字特征来表征其分布的特点。用描述随机变量的数字特征来表征其分布的特点。（1）平均停留时间）平均停留时间化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础77方差描述物料质点各停留时间与平均停留时间的方差描述物料质点各停留时间与平均停留时间的偏离程度，即停留时间分布的离散程度。定义为偏离程度，即停留时间分布的离散程度。定义为（2 2）方差）方差用实验数据求方差可用下式用实验数据求方差可用下式化工基础化工基础 College of
72、 Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础78图所示为不同图所示为不同2 2的的E()E()曲线。曲线。 2 2越大，物料的停留时间分布越分散，偏离平均停留时间越大，物料的停留时间分布越分散，偏离平均停留时间的程度越大；反之，偏离平均停留时间的程度越小的程度越大；反之，偏离平均停留时间的程度越小; ; 2 2 =0 =0 表明物料的停留时间分布都相同。表明物料的停留时间分布都相同。 为比比较，将，将E()E()和和F()F()与与 联系起来，定义对比时间联系起来，定义对比时间化工基础化工
73、基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础79u当当2 2=0=0，为活塞流；活塞流；u当当2 2=1=1，为全混流；全混流；u当当2 21 1，则为非理想流非理想流动。停留时间分布函数和密度函数用停留时间分布函数和密度函数用表示为表示为, ,用用表示的方差为表示的方差为化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础805
74、 5理想反应器的停留时间分布理想反应器的停留时间分布（1）理想置换反应器）理想置换反应器(活塞流反应器活塞流反应器)方差为方差为 活塞流反活塞流反应器中，物料在反器中，物料在反应器中无任何返混，器中无任何返混，且都等于平均停留且都等于平均停留时间 。其停留时间分其停留时间分布函数为布函数为: : 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础81活塞流反应器的活塞流反应器的E()和和F()函数的曲线如图示。函数的曲线如图示。 化工基础化工基础 Colle
75、ge of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础82 若以脉冲法若以脉冲法测定定: :设反反应器体器体积为V V，物料流的体，物料流的体积流量流量为q qV V，阶跃输入示踪入示踪剂浓度度为c cA A, ,0 0，经过时间后，后，测定出口定出口示踪示踪剂浓度度为c cA A，在，在时间间隔隔dd内，反内，反应器内示踪器内示踪剂物料物料变化化为VdcVdcA A，则（2 2）理想混合反应器）理想混合反应器( (全混流反应器全混流反应器) )全混流反应器中物料的浓度处处相等，物料返混程
76、度最大。全混流反应器中物料的浓度处处相等，物料返混程度最大。或或化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础83因为因为即即将上式代入将上式代入, ,分离变量积分得分离变量积分得方差为方差为化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础84 全混流反全混流反应器的器的F F( () )和和E E( () )函数的
77、曲函数的曲线如如图示。示。u=0=0，F F( ()=1.0)=1.0，E E( () )为最大值为最大值u 时，F F( ()=0.632,)=0.632,表明有表明有0.6320.632的物料的物料质点在点在器内器内停留时间小于平均停留时间。停留时间小于平均停留时间。u质点在器内停留点在器内停留时间很很长. .化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础85 对实际流动反应器，像理想反应器一样建立对实际流动反应器，像理想反应器一样建立流动模型。建立
78、实际反应器流动模型的思路是：流动模型。建立实际反应器流动模型的思路是：研究实际反应器的流动状况和传递规律，设想非研究实际反应器的流动状况和传递规律，设想非理想流动模型，并导出该模型参数与停留时间分理想流动模型，并导出该模型参数与停留时间分布的定量关系，然后通过实验测定停留时间分布布的定量关系，然后通过实验测定停留时间分布来确定模型参数。来确定模型参数。常用的非理想流动模型有常用的非理想流动模型有多釜多釜串联模型、轴向扩散模型串联模型、轴向扩散模型等。等。 6 6非理想反应器中的停留时间分布非理想反应器中的停留时间分布化工基础化工基础 College of Chemistry & Materia
79、lsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础86（1）多级理想混合模型）多级理想混合模型(多釜串联模型多釜串联模型) 假设假设一个实际反应器的返混情况等效于若干级等一个实际反应器的返混情况等效于若干级等体积的全混釜的返混。体积的全混釜的返混。根据多釜串联反应器公式根据多釜串联反应器公式:各釜体积相同各釜体积相同,则则化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础87积分积分,得得对于二个釜
80、对于二个釜(N=2)是第一釜的平均停留时间是第一釜的平均停留时间,即即其中其中,对于一个釜对于一个釜(N=1)得得其中其中,是两个釜的平均停留时间是两个釜的平均停留时间,即即化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础88其中其中,因此因此,N个釜的出口浓度表达式为个釜的出口浓度表达式为根据以上推导根据以上推导,得多釜串联模型的的停留时间分布函数得多釜串联模型的的停留时间分布函数化工基础化工基础 College of Chemistry & Mater
81、ialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础89以对比时间以对比时间为时间坐标为时间坐标,则则化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础90 多釜串联模型停留时间分布函数多釜串联模型停留时间分布函数F()和和E()特征曲线如图特征曲线如图619。多。多釜串联的流况介于全混流和活塞流釜串联的流况介于全混流和活塞流之间，之间，当当 N=1.0时，为全混流；当时，为全混流；当 N时，就是
82、活塞流。时，就是活塞流。N的值可通的值可通过方差求取：过方差求取：uN越大越大,2越小越小; u当当N时时,2=0,为活塞流为活塞流;u当当N=1, 2=1为全混流为全混流.化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础91 实际流体在管内流流体在管内流动时，有一定程度的返混，即存在一，有一定程度的返混，即存在一定程度的停留定程度的停留时间分布。分布。扩散模型是在活塞流的基散模型是在活塞流的基础上迭加一上迭加一个流体的个流体的轴向向扩散的校正。模型参数散
83、的校正。模型参数为轴向向扩散系数散系数D D。（2）分散模型）分散模型(扩散模型扩散模型) 设流体的流速为设流体的流速为u u，扩散系数为，扩散系数为D D，进入微元的流体浓度，进入微元的流体浓度为为c c：反应器管长：反应器管长L L，流通截面，流通截面S S，对长为，对长为dzdz的微元段进行物料的微元段进行物料衡算。衡算。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础92流入微元的物料流入微元的物料流出流体微元的物料流出流体微元的物料主流主流扩散扩
84、散主流主流扩散扩散积累积累根据物料衡算式根据物料衡算式 流入量流入量= =流出量流出量+ +积累量积累量u上式为扩散模型数学表达式上式为扩散模型数学表达式. .u若若D0,D0,则为活塞流基本计算方程则为活塞流基本计算方程化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础93令新的长度变量令新的长度变量l=z-u,然后积分变换得然后积分变换得 c = 0, 当当l 0, = 0; c = c0, 当当l 0; c = c0, 当当l =-, 0;其边界和初始
85、条件为其边界和初始条件为则方程的解为则方程的解为式中式中erf(Y)为误差函数为误差函数:化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础94为确定扩散系数为确定扩散系数D D，将其与停留时间分布联系起来，将其与停留时间分布联系起来: :取平均停留时间取平均停留时间则则其中，数群其中，数群 ，为传质贝克来，为传质贝克来(Peclet)(Peclet)数，数，它与它与扩散系数呈反比，是表征了散系数呈反比，是表征了轴向向扩散程度的准数，其散程度的准数，其值越大
86、，越大，轴向向扩散程度越小。散程度越小。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础95当返混小时当返混小时, ,E E( () )呈正态分布呈正态分布, ,方差为方差为当返混大时当返混大时, ,E E( () )不对称不对称, ,方差为方差为uPePe越小越接近全混流模型，越小越接近全混流模型，Pe Pe =0=0即即全混流模型；全混流模型；uPePe越大越接近活塞流模型，越大越接近活塞流模型，PePe即活塞流模型。即活塞流模型。进一步可得停留时间分
87、布密度函数进一步可得停留时间分布密度函数化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础96实际反应器的计算同样是根据生产任务和要求达实际反应器的计算同样是根据生产任务和要求达到的转化率，确定反应器体积；或由生产任务和选定到的转化率，确定反应器体积；或由生产任务和选定的反应器体积，确定所要达到的转化率。的反应器体积，确定所要达到的转化率。 只要测得反应器的停留时间分布和其内反应的动只要测得反应器的停留时间分布和其内反应的动力学关系，就可求得平均转化率。如果
88、停留时间用平力学关系，就可求得平均转化率。如果停留时间用平均停留时间表示，可得到均停留时间表示，可得到 与反应器体积与反应器体积V VR R间的关系。间的关系。 7实际反应器的计算实际反应器的计算(1)直接应用停留时间分布进行计算直接应用停留时间分布进行计算 设出口物料中停留时间介于设出口物料中停留时间介于和和+d之间的物料分之间的物料分率为率为E()d，而其转化率为，而其转化率为x()，则，则化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础97 以全混流
89、反应器中进行一级不可逆反应为例，其动以全混流反应器中进行一级不可逆反应为例，其动力学方程为力学方程为x=1-e-k，全混流反应器的停留时间密度分，全混流反应器的停留时间密度分布函数为布函数为 所以所以积分上式积分上式,得得因为因为此计算结果与全混流模型所得结果完全一样此计算结果与全混流模型所得结果完全一样.化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础98若一连续反应器流况符合多釜串联模型，由前边所若一连续反应器流况符合多釜串联模型，由前边所得多釜串联模
90、型的停留时间密度分布函数，得得多釜串联模型的停留时间密度分布函数，得当所进行的反应为一级不可逆反应时：当所进行的反应为一级不可逆反应时： ，得，得 （2）依据多釜串联模型进行计算）依据多釜串联模型进行计算化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础99 假定一连续稳定操作的反应器符合扩散模型，将假定一连续稳定操作的反应器符合扩散模型，将其物料衡算式改写为其物料衡算式改写为（3）依据扩散模型进行计算）依据扩散模型进行计算对于一级不可逆反应对于一级不可逆反
91、应,-r = kc,引入适当边界条件引入适当边界条件,将上式求解得将上式求解得式中式中化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础100 气固相催化反应器内进行的是气固相催化反应器内进行的是非均相反应非均相反应。均相反应与非。均相反应与非均相反应的均相反应的基本区别基本区别在于，前者的反器物料之间无相接口，也在于，前者的反器物料之间无相接口，也不存在相际间的物质传递过程，其反应速率只与温度、浓度有不存在相际间的物质传递过程，其反应速率只与温度、浓度有关
92、；而后者在反应物料之间或反应物与催化剂之间有相接口，关；而后者在反应物料之间或反应物与催化剂之间有相接口，存在相际物质传递过程，非均相反应器的实际反应速率还与相存在相际物质传递过程，非均相反应器的实际反应速率还与相接口的大小及相间扩散速率有关。接口的大小及相间扩散速率有关。第五节第五节 气固相催化反应器气固相催化反应器 气固相催化反应过程是化工生产中最常见的非均相反应过气固相催化反应过程是化工生产中最常见的非均相反应过程，例如基本化工原料工业中的硫酸、硝酸、合成氨、甲醇和程，例如基本化工原料工业中的硫酸、硝酸、合成氨、甲醇和尿素等的生产，都是以气固相催化反应过程为主体的生产过程。尿素等的生产，
93、都是以气固相催化反应过程为主体的生产过程。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础101一、气固相催化反应过程一、气固相催化反应过程 图为气固图为气固相催化反应相催化反应AB的整个的整个反应过程示反应过程示意图。气团意图。气团相催化反应相催化反应的全过程为的全过程为七个步骤：七个步骤：1、气固相催化反应过程分析、气固相催化反应过程分析化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemis
94、try & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础102反应组分反应组分A从气流主体扩散到催化剂颗粒外表面；从气流主体扩散到催化剂颗粒外表面； 组分分A从从颗粒外表面通粒外表面通过微孔微孔扩散到散到颗粒内表面粒内表面组分分A在内表面上被吸附；在内表面上被吸附；组分分A在内表面上在内表面上进行化学反行化学反应，生成，生成产物物B；组分分B在内表面上脱附；在内表面上脱附；组分分B从从颗粒内表面通粒内表面通过微孔微孔扩散到散到颗粒外表面粒外表面反反应生成物生成物B从从颗粒外表面粒外表面扩散到气流主体。散到气流主体。 化工基础化工基础 College of Chemistry &
95、 MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础103、称称为外外扩散散过程；程；、称称为内内扩散散过程，受孔隙大小所控制；程，受孔隙大小所控制；、分分别称称为表面吸附和脱附表面吸附和脱附过程，程，为表面反表面反应过程，程，、这三个步三个步骤总称称为表面表面动力学力学过程，其速率与程，其速率与反反应组分、催化分、催化剂性能和温度、性能和温度、压强强等有关。等有关。 整个气固催化宏观反应过程是整个气固催化宏观反应过程是外扩散、内扩散、表面外扩散、内扩散、表面动力学三类过程的综合。动力学三类过程的综合。化工基础化工基础
96、College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础1042、外扩散过程、外扩散过程 外扩散过程由分子扩散和涡流扩散组成。工业规模的外扩散过程由分子扩散和涡流扩散组成。工业规模的气固相催化反应器中，气体的流速较高，涡流扩散占主导气固相催化反应器中，气体的流速较高，涡流扩散占主导地位。地位。当反当反应为外外扩散控制散控制时，整个反，整个反应的速率等于的速率等于这个个扩散散过程的速率。在程的速率。在稳定状况下，定状况下，单位位时间单位体位体积催化催化剂层中中组分分A的反的反应量（量
97、（-rA）等于由主流体）等于由主流体扩散到散到颗粒外表面粒外表面的的组分分A的量，即：的量，即：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础105式中式中 (-rA)组分组分A的反应速率的反应速率, mols-1m-3(催化剂催化剂) kg 外扩散传质系数外扩散传质系数, ms-1,kg=kg/RT Se催化剂层催化剂层(外外)比表面积比表面积, m2m-3 催化剂的形状系数催化剂的形状系数, 圆球为圆球为1,圆柱为圆柱为0.91,不规则颗粒为不规则颗
98、粒为0.9。 cA,g,cA,s气体主流及颗粒外表面组分气体主流及颗粒外表面组分A的浓度的浓度,molm-3 pA,g,pA,s气体主流及颗粒外表面的组分气体主流及颗粒外表面的组分A的分压的分压,Pa. kg与吸收过程的气膜传质分系数相似与吸收过程的气膜传质分系数相似,决定于流体力学情况决定于流体力学情况和气体的物理性质和气体的物理性质,增大气速可以显著增大外扩散传质系数增大气速可以显著增大外扩散传质系数.化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础1
99、06 当反当反应组分向催化分向催化剂微孔微孔内内扩散的同散的同时，便在微孔内，便在微孔内壁上壁上进行表面催化反行表面催化反应。由。由于反于反应消耗了反消耗了反应组分，因分，因而愈深入微孔内部，反而愈深入微孔内部，反应物物浓度愈小。度愈小。图中中显示了示了扩散散过程的程的浓度度变化。化。 内内扩散路径极不散路径极不规则，既有分子既有分子间的碰撞的碰撞为阻力的阻力的容容积扩散散，又有以分子与孔，又有以分子与孔壁之壁之间碰撞碰撞为阻力的阻力的诺森森扩散散。3、内扩散过程、内扩散过程化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistr
100、y & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础107容积扩散：容积扩散：当微孔直径当微孔直径远大于气体分子运大于气体分子运动的平均自由路的平均自由路径径时，气体分子相互碰撞的机会比与孔壁碰撞的机会多，气体分子相互碰撞的机会比与孔壁碰撞的机会多，这种种扩散称散称为容容积扩散散。u容积扩散系数与微孔半径大小无关，容积扩散系数与微孔半径大小无关，u容积扩散系数与绝对温度容积扩散系数与绝对温度1.75次方呈正比，次方呈正比，u容积扩散系数与压力呈反比。容积扩散系数与压力呈反比。u对于压力超过对于压力超过 1107Pa的反应的扩散的反应的扩散u或常压下颗粒微孔半径大于或常压下颗粒微
101、孔半径大于 10-7m的扩散的扩散化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础108诺森扩散：诺森扩散：当微孔直径小于气体分子的平均自由路径时，当微孔直径小于气体分子的平均自由路径时，气体分子与微孔壁碰撞的机会，比与其它分子碰撞的机会多，气体分子与微孔壁碰撞的机会，比与其它分子碰撞的机会多，这种扩散称为这种扩散称为诺森扩散诺森扩散。u诺森扩散系数与孔半径呈正比，诺森扩散系数与孔半径呈正比，u诺森扩散系数与绝对温度的平方根呈正比，诺森扩散系数与绝对温度的
102、平方根呈正比，u诺森扩散系数与压力无关。诺森扩散系数与压力无关。u多数工业催化剂的微孔半径多在多数工业催化剂的微孔半径多在10-7m以下，如操以下，如操作压力不高，气体的扩散均属诺森扩散。作压力不高，气体的扩散均属诺森扩散。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础109 颗粒内表面上的催化反应速率取决于反应组分颗粒内表面上的催化反应速率取决于反应组分A的的浓度。在微孔口浓度较大，反应速率较快；在微孔底浓浓度。在微孔口浓度较大，反应速率较快；在微孔底
103、浓度最小，反应速率也最小。在等温情况下，整个催化剂度最小，反应速率也最小。在等温情况下，整个催化剂颗粒内单位时间的实际反应量颗粒内单位时间的实际反应量N1为：为： 式中式中,Si为单位床层体积催化剂的内表面积，为单位床层体积催化剂的内表面积，ks为为表面反应速率常数，表面反应速率常数，f(cA,s)为颗粒内表面上以浓度表为颗粒内表面上以浓度表示的动力学浓度函数示的动力学浓度函数 若按颗粒外表面上的反应组分浓度若按颗粒外表面上的反应组分浓度cA，s及催化剂及催化剂颗粒内表面积进行计算，则得理论反应量颗粒内表面积进行计算，则得理论反应量N2为：为：化工基础化工基础 College of Chemi
104、stry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础110 内表面利用率实际上是受内扩散影响的反应速内表面利用率实际上是受内扩散影响的反应速率与不受内扩散影响的反应速率之比。若内表面利率与不受内扩散影响的反应速率之比。若内表面利用率的值接近或等于用率的值接近或等于1，反应过程为动力学控制；，反应过程为动力学控制；若远小于若远小于1，则为内扩散控制。工业催化剂颗粒的，则为内扩散控制。工业催化剂颗粒的内表面利用率一般在内表面利用率一般在0.20.8之间。之间。令令N1/N2=,称为催化剂颗粒的称为催化剂颗粒的内表
105、面利用率内表面利用率,则则N2=ks Si f (cA,S)化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础111 以球形颗粒催化剂表面进行等温一级不可逆反以球形颗粒催化剂表面进行等温一级不可逆反应的内表面利用率为例，应的内表面利用率为例， 式中式中, ,R R催化剂颗粒半径催化剂颗粒半径, m, m Kv Kv催化剂反应速度常数催化剂反应速度常数, s, s-1-1DeDe内扩散系数内扩散系数m m2 2s s-1-1式中式中 量纲为一的数量纲为一的数,
106、称内扩散模数称内扩散模数,又称西勒模数又称西勒模数.是是的函数的函数,两者呈反比两者呈反比, 增大增大,降低降低.定义为定义为化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础112 催化剂颗粒半径催化剂颗粒半径R越大，内孔越小，扩散系数越大，内孔越小，扩散系数De越小，越小，越大，而越大，而越小，表明选用小颗粒、大孔径的越小，表明选用小颗粒、大孔径的催化剂有利于提高内扩散速率；催化剂体积反应速率催化剂有利于提高内扩散速率；催化剂体积反应速率常数常数kV越大
107、，越大，越小，说明反应速率太大，内扩散对越小，说明反应速率太大，内扩散对整个过程的阻滞作用越严重。表明并非催化剂活性越整个过程的阻滞作用越严重。表明并非催化剂活性越大越好，而要使催化剂活性与催化剂的结构调整和颗大越好，而要使催化剂活性与催化剂的结构调整和颗粒大小相适应。粒大小相适应。 气固催化反应各过程的速度必定相等，宏观反应速气固催化反应各过程的速度必定相等，宏观反应速度等于其中任一步的速度。度等于其中任一步的速度。4 4、气固催化反应宏观动力学模型、气固催化反应宏观动力学模型化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemis
108、try & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础113 因为上式包含难测定的界面参数因为上式包含难测定的界面参数c cA,sA,s, ,无法用无法用气相主体中的各组分直接确定气相主体中的各组分直接确定(-(-r rA A),),不便于使用不便于使用, ,需要进一步处理需要进一步处理. .以一级不可逆反应以一级不可逆反应ABAB为例为例, (-, (-r rA A)=)=k k( (c cA,SA,S- -c cA A* *) )式中式中c cA A* *为在操作温度为在操作温度, ,压力下组分压力下组分A A的平衡浓度的平衡浓度. .故故f(cA,S)= c cA,SA
109、,S- -c cA A* *解解c cA,SA,S出出, ,代入速度方程式代入速度方程式. .得得化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础114 上式是一级可逆反应的宏观反应速率方程式或上式是一级可逆反应的宏观反应速率方程式或宏观动力学模型，它描述了总反应速度与其影响的宏观动力学模型，它描述了总反应速度与其影响的关系式。式中关系式。式中 表示外扩散阻力，表示外扩散阻力， 表示内扩散阻力表示内扩散阻力,cA-cA*表示反应过程的推动力。表示反应过程的
110、推动力。 可以判断过程的控制阶段：可以判断过程的控制阶段： 时，时， 可以忽略不计，总反应过程为外扩散控制。可以忽略不计，总反应过程为外扩散控制。 化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础115 在工在工业催化反催化反应器中，由于存在着温度分布、器中，由于存在着温度分布、浓度分布度分布和和压力分布，在不同力分布，在不同“空空间”甚至不同甚至不同“时间”可能会有不同的可能会有不同的控制控制阶段。段。(-(-r rA A)=)=k kS SS SI I
111、( (c cA A- -c cA A* *) )总反应过程属动力学控制。总反应过程属动力学控制。当当时时, , 如果如果11说明总反应过程属内扩散控制。这种情况说明总反应过程属内扩散控制。这种情况通常发生在主气流速度足够大通常发生在主气流速度足够大, ,催化剂的活性和颗粒都比催化剂的活性和颗粒都比较大的时候较大的时候. .1/1/k kg gS Se e可以忽略不计可以忽略不计, ,当当时时, ,当当=1=1说明外扩散和内扩散说明外扩散和内扩散均可忽略均可忽略, ,可以变为：可以变为：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Che
112、mistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础116 固定床反应器的主要优点是固定床反应器的主要优点是床层内流体的流动接近活塞床层内流体的流动接近活塞流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生流，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力，较高的选择性。结构简单、操作方便、催化剂机械产能力，较高的选择性。结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小。磨损小。 二、固定床催化反应器二、固定床催化反应器 固定床反应器有三种基本形式：固定床反应器有三种基本形式：绝热式、对外换热式和绝热式、对外换热式和自热式反应器自热式反应器。 固定床反应器主要缺点是固定
113、床反应器主要缺点是传热能力差，在操作过程中，传热能力差，在操作过程中，催化剂不能更换催化剂不能更换。 流体通过静止不动的固体催化剂或反应物床层而进行反应流体通过静止不动的固体催化剂或反应物床层而进行反应的装置称作固定床反应器。的装置称作固定床反应器。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础117 简单绝热反反应器的器的结构构简单，如，如图6-236-23所示。它适用于所示。它适用于反反应的的热效效应较小，反小，反应过程程对温度的温度的变化不敏感及副
114、反化不敏感及副反应较少的少的简单反反应。例如，乙。例如，乙烯水合生水合生产乙醇反乙醇反应。 简单绝热式反式反应器具有器具有结构构简单，气体分布均匀，反，气体分布均匀，反应空空间利用率高和造价便宜等利用率高和造价便宜等优点。其缺点是反点。其缺点是反应器器轴向向温度分布很不均匀，不适用于温度分布很不均匀，不适用于热效效应大的反大的反应。 1、绝热式反应器、绝热式反应器 该类反应器不与外界进行任何热量交换。对于放热反应，该类反应器不与外界进行任何热量交换。对于放热反应，反应过程中所放出的热量完全用来加热系统内的物料。反应过程中所放出的热量完全用来加热系统内的物料。化工基础化工基础 College o
115、f Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础118 为了克服了克服简单绝热式反式反应器的缺点，把催化器的缺点，把催化剂层分成数分成数层，如，如图6 62424所示。所示。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础119 其特点是在反其特点是在反应区区进行行热交交换。载热体或冷却体或冷却剂是根据是根据反反应温度、反温度、反应热效效应、操作情况以及
116、、操作情况以及过程程对温度波温度波动的敏的敏感性来感性来选择。催化。催化剂的的颗粒直径不得超粒直径不得超过管内径的管内径的1 18 8，一，一般采用直径般采用直径为2 26 mm6 mm的的颗粒。粒。 对外外换热的列管式反的列管式反应器的器的优点是点是传热效果好，容易保效果好，容易保证温度均匀一致。其缺点是温度均匀一致。其缺点是结构比构比较复复杂，不易在高，不易在高压下操下操作。作。 2、对外换热列管式反应器、对外换热列管式反应器化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第
117、七章 化学反应工程基础120化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础121 在反在反应区用原料气区用原料气体加体加热或冷却催化或冷却催化剂层的一的一类反反应器。合成氨器。合成氨和二氧化硫的氧化中广和二氧化硫的氧化中广泛泛应用用这类反反应器。器。图6 62626是自是自热式双套管式双套管催化床反催化床反应器的主要部器的主要部分示意分示意图。 3、非绝热自热式列管反应器、非绝热自热式列管反应器化工基础化工基础 College of Chemistry
118、& MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础122三、流化床催化反应器三、流化床催化反应器 流化床反应器是利用气体自下而上通过团体颗流化床反应器是利用气体自下而上通过团体颗粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团粒层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气团相反应的装置。相反应的装置。 流化床催化反应器亦有多种类型，各适用于不流化床催化反应器亦有多种类型，各适用于不同的反应。一些常用的型式见图同的反应。一些常用的型式见图627。化工基础化工基础 College of Chemistry & Materials
119、College of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础123化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础124 双体流化床双体流化床 由反由反应器和再生器两部分器和再生器两部分组成。反成。反应器内器内进行催化反行催化反应，再生器内使催化，再生器内使催化剂恢复活性。它适用于催化恢复活性。它适用于催化剂易于失活的易于失活的场合，例如石油合，例如石油产品的催化裂化就可用品的催化裂化就可用这类反反应器。器。设
120、有内部构件的流化床设有内部构件的流化床 床内设有换热管式挡板，或两者床内设有换热管式挡板，或两者兼而有之的密相流化床。这是流化床应用最广泛的一种形式，兼而有之的密相流化床。这是流化床应用最广泛的一种形式，例如奈的氧化生产苯酐和丙烯睛的合成等都采用这类反应器。例如奈的氧化生产苯酐和丙烯睛的合成等都采用这类反应器。自由床自由床 流化床内除分布板和旋风分离器外，没有其它构流化床内除分布板和旋风分离器外，没有其它构件。床中催化剂被反应气体密相流化。例如乙炔与醋酸生件。床中催化剂被反应气体密相流化。例如乙炔与醋酸生成醋酸乙烯所用的反应器。成醋酸乙烯所用的反应器。化工基础化工基础 College of C
121、hemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础125流化床它与固定床相比，具有以下流化床它与固定床相比，具有以下优点：点： 可以使用粒度很小的固体颗粒，有利于消除内扩散可以使用粒度很小的固体颗粒，有利于消除内扩散阻力，充分发挥催化剂表面利用率；阻力，充分发挥催化剂表面利用率； 由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体接口由于颗粒在流体中处于运动状态，颗粒与流体接口不断搅动，接口不断更新，颗粒湍动程度增加，因而其传不断搅动，接口不断更新，颗粒湍动程度增加，因而其传热系数比固定床大得多，当大量反应热
122、放出时，能够很快热系数比固定床大得多，当大量反应热放出时，能够很快传出；传出； 在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很在催化剂必须定期再生，特别是催化剂活性消失很快而需及时进行再生的情况下，具有优越性。快而需及时进行再生的情况下，具有优越性。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础126 气因流化床中，少量气体以气泡形式通气因流化床中，少量气体以气泡形式通过床床层，气，气团接触接触严重不均，重不均，导致气体反致气体反应很不完全，其很不完全，其
123、转化率往往化率往往比全混流反比全混流反应器器还低；低； 固体固体颗粒的运粒的运动方式接近全混流，停留方式接近全混流，停留时间相差很相差很大，大，对固相加工固相加工过程，会造成固相程，会造成固相转化率不均匀；化率不均匀； 固体固体颗粒粒间以及以及颗粒和器壁粒和器壁间的磨的磨损会会产生大量生大量细粉，被气体粉，被气体夹带而出，造成催化而出，造成催化剂的的损失和失和环境境污染，必染，必须设置旋置旋风分离器等分离器等颗粒回收装置；粒回收装置； 流化床反流化床反应器的放大器的放大远较固定床反固定床反应器困器困难。流化床反应器也存在一些严重的缺点：流化床反应器也存在一些严重的缺点：化工基础化工基础 Col
124、lege of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础127 小小 结结 本章以恒温、等容、均相反本章以恒温、等容、均相反应器器为例，从理想流例，从理想流动模型模型入手，介入手，介绍了活塞流反了活塞流反应器、全混流反器、全混流反应器等理想反器等理想反应器的器的特点及特点及计算，并引入返混概念，在此基算，并引入返混概念，在此基础上，比上，比较和分析了和分析了各种理想反各种理想反应器的流器的流动状况状况对生生产能力、反能力、反应的的选择性的影性的影响，从而响，从而对选择适宜反适宜反应器、器
125、、强强化生化生产、优化反化反应提供了途提供了途径。径。 工业反应器是大规模化学反应过程进行的场所，其结构工业反应器是大规模化学反应过程进行的场所，其结构型式和操作方式及流体在它里面的流动状况都直接影响着产型式和操作方式及流体在它里面的流动状况都直接影响着产品的质量和产量。品的质量和产量。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础128 对非理想流非理想流动反反应器，其偏离理想流器，其偏离理想流动( (返混返混) )的程度采用停的程度采用停留留时间分布
126、表征，它的分布表征，它的设计计算也像理想反算也像理想反应器一器一样从建模开从建模开始。始。实际反反应器的建模思路是：研究器的建模思路是：研究实际反反应器的流器的流动状况和状况和传递规律，律，设想非理想流想非理想流动模型，模型，导出出该模型参数与停留模型参数与停留时间分布的定量关系，然后通分布的定量关系，然后通过实验测定停留定停留时间分布确定模型参分布确定模型参数，再从若干可能的模型中数，再从若干可能的模型中筛选出最能反映出最能反映实际情况而参数又情况而参数又少的模型少的模型( (检验模型模型) )供供设计计算。算。 反应器计算的思路是：研究反应器的流动状况，建立流动反应器计算的思路是：研究反应
127、器的流动状况，建立流动模型模型( (对等温反应器借助物料衡算对等温反应器借助物料衡算) )，结合反应器内的动力学模，结合反应器内的动力学模型，获得反应器的数学模型，再根据已知条件使用模型进行计型，获得反应器的数学模型，再根据已知条件使用模型进行计算。算。化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础129 气固相催化反气固相催化反应器在化工生器在化工生产中有着广泛的中有着广泛的应用，其中用，其中进行的气固相催化反行的气固相催化反应过程程较之均相反之均相反应具有复具有复杂性，但气性，但气固相催化反固相催化反应器的器的设计计算与均相反算与均相反应器的器的设计计算的思路算的思路却是相同的。本章却是相同的。本章仅就气固相催化反就气固相催化反应过程的特点和气程的特点和气团相相催化反催化反应器的器的结构特征构特征进行了介行了介绍。化学反应工程学的框架及其相互联系，可用下图表示：化学反应工程学的框架及其相互联系，可用下图表示：化工基础化工基础 College of Chemistry & MaterialsCollege of Chemistry & Materials2024/8/27第七章 化学反应工程基础130
