化工第五章教案

理想混合流动的特点是：（1）整个反应器内以及出口 物料的组成和温度等参数均匀一致，且不随时间、空间 而变化；（2）各物料微元在器内的停留时间不尽相同， 存在停留时间分布。
凡是器内物料呈理想混合流动的反应器，就称为理想 混合反应器。通常用连续搅拌釜式反应器代表理想混 合反应器，也称为全混釜，以CSTR表示。 在实际反应器中，带强烈搅拌的连续釜式反应器内物料的流况就近似于这种流动 模型。此外，沸腾床中的固相颗粒运动，长径比比较大的鼓泡塔中的液相流动， 大循环量的连续反应器的流体流动等等，也都趋近于这种流动模型。 上述理想流动，是理想流动模型的两种极端情况。实际反应器中物料的流况总 是或多或少地偏离理想状态，而是介于理想混合和理想置换两种流动模型之间， 这种流动统称为非理想流动。造成这种偏离的原因主要是反应器型式、操作条 件和物料性质。 2.流体在反应器内的停留时间： 1.理想置换流动的停留时间： 由于没有返混，所有的质点在反应器内的停留时间都相等，设流体在通过反应 器时，体积不发生变化，
A
R， r A =kCA =k CA0(1 - xA ) 1 1 ln k 1-x
A
对二级反应：A+A 1 τ= k ( 1 C
A
B，r A =kCA 2=k CA0(1 - xA ) 2 xA 1 )= CA0 k CA0(1 - xA )
二、反应器实际体积的计算：
设反应器的装料系数为φ=VR / VT , 每批物料的反应时间为τ，辅助时间为τ’，一 个生产周期内平均每单位时间处理的物料体积为 v，则 τ+ τ’ 三、间歇操作反应釜的特点及应用： v= VR VR = v (τ+ τ’) VT= 1 v (τ+ τ’) φ
组分A的加入速度= (1 - xA ) v0CA0 = v0CA 导出速度= v0 ( CA - dCA )= v0CA0 ( 1 - xA - d xA ) 消耗速度=r A dVR d xA 代入物料衡算式并整理，得：dVR = v0CA0 rA XAf d xA 积分：VR = v0CA0 rA 0 CA0 - CA x = A 对于我们讨论的等温恒容过程， CA0
第五章
化学反应器
内容提要：本章首先介绍了流体在反应器内的流动模型和反应器内的物料
衡算，在此基础上主要讨论了基本反应器即间歇操作反应釜、管式反应器、连 续操作反应釜在均相反应中的应用，重点介绍了这几种反应器的体积和物料在 其中达到一定转化率所需时间的计算。
第一节
一、化学反应工程简介：
1.化学反应工程发展概况：
所以， VR = - v0
CA CA0
dxA= - d CA / CA0
dCA
rA
三、管式反应器的特点：
1.
2. 3.
易于实现自动控制；
由于没有辅助生产时间，设备利用率高 ； 没有返混现象，可以达到较高的转化率；
4.
适用于热交换量较大的反应。
第四节
连续操作反应釜的特征：
连续操作反应釜
1.釜内物料的状况接近于理想混合流动，且釜内各处的组成和温度都相同； 2.液体内各质点在釜内停留时间不尽相同； 3.反应物浓度、转化率以及反应速度(等温时)不随时间 、空间而变化。 一、连续操作反应釜的体积： 物料衡算的范围：整个反应器 物料衡算的组分：组分A 物料衡算的基准：单位时间的进料量
A R
nA0
CA CA0
对等温恒容过程， VR保持不变，设CA0为A的初始浓度，则CA0 =
CA0 = CA (1-xA)，代入τ计算公式，可得τ= - ∫
dCA rA
VR
若A的浓度与反应速度间的函数关系r A =f(xA)已知，则反应时间就可求出。 对一级反应，A 1 CA0 τ= ln = k C
物理意义：单位体积的反应器在单位时间内的体积。对恒容过程，当体积流量 与反应器内的状态相同时，它表示单位时间内反应器内通过的液体体积是反应 器体积的多少倍。但对非恒容过程，则不能这样认为。 空间时间可以表示反应器的生产能力，它的值越大，反应器的生产能力越大。 2.空间时间： 空间时间是空间速度的倒数，一般用τs来表示。 τs= VR / v [ 时间］ 物理意义：物料连续流过反应器所需要的时间。也就是在一定条件下，处理一 反应器体积的物料需要的时间。它也是表示反应器特性的一个量，它的值越小， 反应器生产能力越大。
τ------流体在反应器内的停留时间，VR------反应器的体积， v------流体的体积流量，F-----流体的摩尔流量，C-------流体的浓度，则 F/C 2.理想混合流动的停留时间： 理想混合流动中，物料在反应器内的停留时间分布在0和无穷之间，一般就 用平均停留时间来表示。 τ= VR v = VR τ= VR v = VR
二、恒容过程管式反应器体积的计算： 对连续操作反应器，组分A的 积累速度为0，所以它的物料 衡算式为： CA0 v0 xA =0 xA xA +d xA C Af X Af
dVR
进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+反应消耗的物料量 对微元体积dVR ，进入时的转化率为xA，导出时的为xA +d xA ，则
组分A的加入速度= (1 - xA ) v0CA0 = v0CA 导出速度= v0 ( CA - dCA )= v0CA0 ( 1 - xA - d xA ) 消耗速度=r A dVR d xA 代入物料衡算式并整理，得：dVR = v0CA0 rA XAf d xA 积分：VR = v0CA0 rA 0 CA0 - CA x = A 对于我们讨论的等温恒容过程，
1.釜内物料的温度、浓度均匀，可以采用多种方式调节反应温度，可达到 较高的转化率； 2.适应性强，可用于小批量多品种的生产；
3.设备利用率低，难以实现自动化，不适宜大规模的生产。
第三节
管式反应器
管式反应器一般采用连续操作的方法进行生产，管内液体的流动接近于理想转换 流动，适用于气相反应和均一液相反应。以下我们主要讨论等温恒容的情况。 一、空间速度、空间时间： 1.空间速度：就是反应物的体积流量与反应器有效体积之比，用Sv来表示。 Sv=v/VR [1/时间］
均相反应器中又可以分为气相反应器、单一液相反应器，非均相反应器分为 气-液相、气-固相、Байду номын сангаас-液相、液-固相、气-液-固相反应器等等。
均相反应器中，因为反应过程不受扩散状况的影响，因此它的结构就比较简 单，一般就采用管式、釜式反应器。
非均相反应器中，两相接触状况对反应有极大的影响，因此，反应器设计时 就要考虑改善接触状态的因素。所以它的结构就要复杂一些。如113页。
2. CRE研究的对象和内容： CRE研究的是工业规模的化学反应过程及其设备的共同规律。工业规模的化学 反应，与实验室研究中的化学反应存在不可忽视的、有时甚至是非常大的差别。 工业规模的化学反应，必须与传递规律结合起来研究，因而才显得复杂而困难。 CRE的研究内容： （1）研究化学反应器的基本理论； （2）反应器的设计、放大、控制； （3）反应器设计、操作的优化。 3. CRE的研究方法： 化工生产过程中的物理变化的规律，即单元操作，是用因次分析法或经验归纳 法的手段去研究的。但对于化学反应工程，这样的方法是不行的 。因为在反应 器中，既有物理过程，又有化学过程， 相似的物理过程，不一定能导致相似的 化学过程。因此，在化学反应工程的研究中，必须采取另外的研究方法，也就 是数学模拟法或称为数学模型法。 二、化学反应器的分类： 1.按反应器的结构型式分类： 这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不同的反应器中最基本的传递过程 的差别。按反应器的结构特征，常见的工业反应器可分为釜式、管式、塔式。 112
概述
远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器的制作、酒与醋的酿造、金 属的冶炼以及炼丹、造纸等等，然而，这些生产过程直到上世纪五十年代还 未形成一门独立的学科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来 似乎毫不相干而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同规律。 科学技术的发展，特别是二战后石油化工的发展，对化学反应器的设计产 生了迫切要求，而化学动力学研究的进展和化工单元操作方面的理论和实践 经验的日趋成熟，才使这类问题的系统解决有了可能，因而于 1957年在欧洲 荷兰的Amsterdan城，召开了首次化学反应工程会议，确定这一学科的名称为 ：ChemiCal ReaCtion Engineering即化学反应工程，英文缩写为CRE。
二、恒容过程管式反应器体积的计算： 对连续操作反应器，组分A的 积累速度为0，所以它的物料 衡算式为： CA0 v0 xA =0 xA xA +d xA C Af X Af
dVR
进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+反应消耗的物料量 对微元体积dVR ，进入时的转化率为xA，导出时的为xA +d xA ，则
4.按温度条件分类： 可分为等温、不等温、绝热反应器等三种。 在以上的诸多分类中，我们本章将要学习的是基本反应器，它包括间歇操作反应 釜、管式反应器、连续操作反应釜。
三、流体在反应器内的流动：
1.两种理想流动状态： (1)理想置换流动(活塞流或柱塞流)： 是指物料以稳定的流量由反应器的一端流入反应器后，各物料微元沿流动方向 齐头并进，完全没有轴向混合与扩散，即没有返混，就好像活塞在气缸里向前 平推一样。所以又称为“活塞流”。 活塞流模型的特点是：（1）在与流动方向垂直的任意截面上各点，物料的流速、 浓度、温度及停留时间等完全一样；（2）物料的浓度、温度等各参数沿流动方 向递变；（3）在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。 细长型的连续流动管式反应器内物料的流况就近似这种流动模型。在长径比较 大的固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反应器内，当气相流速达到一定值后， 其气相流动情况一般亦可以认为是活塞流。 凡器内物料呈理想置换流动的反应器就称为理想置换反应器。其典型代表是连 续操作活塞流管式反应器，也称为平推流反应器，以PFR表示。 (2)理想混合流动反应器： 是指物料以稳定的流量进入反应器后，瞬间就在整个反应器内分散均匀并与器 内原存留的物料完全混合。