化学反应工程学反应器基本原理

气相，液相 气-液相，气-液-固相
固定床
气-固相
流化床 回转筒式 喷嘴式
气-固相 气-固相，固-固相 气相，高速反应的液相
应用举例
药物的合成、染料、中间体合 成、树脂合成
轻质油裂解，高压聚乙烯 变换气的碳化，苯的烷基化， 二甲苯的氧化 SO2氧化，乙苯脱氢 半水煤气的产生 硫铁矿焙烧，萘氧化制苯酐 水泥生产
化学反应
aA bB eE fF
各组分的反应速率为：
rA
1 V
dn A dt
dc A dt
rB
1 V
dn B dt
dc B dt
rE
1 V
dn E dt
dc E dt
rF
1 V
dn F dt
dc F dt
各组分反应速率之间的关系： rA rB rE rf a be f
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，就是动力学方程式：
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。
ri
1 V
dni dt
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：
riV 1d din td(n d i V t)d dict
正号----表示产物的生成速率 负号----表示反应物的消失速率
在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： （1）、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， 一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式
流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量 （3）、热量衡算式 物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热 （4）、动量衡算式
二、化学反应工程学研究的内容和方法
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 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，提高效率。 （2）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。 （4）实现反应过程的最优化。
研究的方法：数学模型
氯化氢的合成，天然气裂解制 乙炔
3、按操作方式分类
1）、间歇操作 2）、连续操作 3）、半连续半间歇操作
五、理想均相反应器
1、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、
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（batch reactor简称BR）
特点：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。 缺点：劳动强度大，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。
对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：
xA
cA,0 cA cA,0
3、反应的选择性
pP （目的产物） aA
qQ （副产物）
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。
s a np p nA,0 nA
收率：生成目的产物的量比加入反应物的量
y a np p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为：
rAV 1ddA ntkcAcB
k----反应速率表常数，可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得：
kAeERT
2、转化率 转化率 xA） （ 反 反应 应A A物 物 的 的起 消始 耗量 量
对于间歇系统
xA
nA,0 nA nA,0
对于连续流动系统，转化率则以下式表示：
xA
FA,0 FA FA,0
输入动量 = 输出动量 + 动量损失 （5）、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。
三、化学反应工程学与相关学科的关系
传递工程
反应器中流体 流动与传热
化学反应工程 反 测
化 学
化化
应量
学 学 反应器的设计 系 与
动热
统控
工 程 控
力力
中制
制
来自百度文库
学学
催化
反应工艺流
最
剂与
程与设备
佳
反应
yxAs
有时也用质量收率表示：
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
（二）、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类
反应类型
均相 气相 液相
燃烧、裂解 中和、硫化、水解
非
气-液相
氧化、氯化、加氢
均
液-液相
磺化、硝化、烷基化
相
气-固相
燃烧、还原、固相催化
液-固相 还原、离子交换 固-固相 水泥制造 气-液-固相 加氢裂解、加氢硫化
化
条件
化学工艺
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
分类特征 反应过程
反应特征 简单反应、复杂反应（平行的、连串的等）
热力学特征 可逆的，不可逆的
相态
均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气-液-固）
时间特征 定态，非定态
控制步骤
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附 控制
2、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，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PFR）。
3、全混流反应器 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 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 大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称CSTR）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）
化学反应工程学反 应器基本原理
60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 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。
80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 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 了一个崭新的阶段。
设备的结构 反应特性 形式
管式 釜式
无相界面，反应速 率只与温度或浓度 有关
釜式、塔式 釜式、塔式
固定床、流 化床 釜式、塔式 回转筒式
固定床、流 化床
在相界面，实际反 应速率与相界面大 小及相间扩散速率 有关
2、按反应器的结构型式分类
结构型式 反应釜
适用的相态
液相，气-液相 液-液相，液固相
管式 鼓泡塔