工业化学反应过程及反应器

三、化学反应的分类
均相反应与非均相反应：
均相反应：反应仅在单一的相内发生。均相反应的速率取 决于反应物的温度和浓度。
非均相反应：至少需要两个相的存在，反应在两个相的界 面上发生。非均相体系的化学反应速率与两相之间的接触 情况有关。
反应器的操作方式：
间歇操作：一次性投料，卸料。反应物系参数（浓 度或组成等）随时间变化。
浓度效应可用幂级数的形式表示： aA bB sS
一、化学反应工程概述
图1 典型的化学加工过程 化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心-工业反应过程。
化学反应工程是一门研究在生产装置(反应器)中进行化学反 应的工程学科，它把反应的化学特性和反应器的传递特性结 合起来，形成了化学工程学科的一个重要分支。 研究内容包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计 分析。
1、反应动力学--研究化学反应的速率和反应机理，以获得工 业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、 速率方程及反应活化能等。 2、反应器设计分析--研究反应器内上述因素的变化规律，找 出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸。
工业生产实践和实验室研究均表明，化学反应的结果不仅取 决于化学反应自身的规律，而且在很大程度上还取决于工业 反应器中物料的混合与流动、传质与传热等一系列带有共性 的工程技术问题，这被称为反应器的传递特性。
是固定反应器的一种，但反应物还包括 气液两种
应用范围 多用于均相反应过
程 均相、多相反应过 程均可
用于多相反应过程
用于多相反应系统
多相反应体系，可 以提高传热速率
用于多相体系，催 化剂可以连续再生 属于固定床的一种， 用于使用固体催化 剂的气液反应过程
（a） 管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e） 鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i） 移动床反应器；（j）滴流床反应器
宏观动力学方程：未排除传递过程影响直接测得的动力学方程。 本征动力学方程：排除传递过程的影响而得到的动力学方程。
在化学反应工程的研究中，要求能把反应过程本身的规律和物理 因素的影响区分开来。在设计反应器时，测定化学反应的本征动 力学方程是必要的条件。
注意：在实验室中测定反应速率方程式时，要十分注意排除传 递过程（主要是传热和传质）的影响。
二、化学反应器的类型
种类 管式反应器 釜式反应器
塔式 (填料塔板式塔)
固定床
流化床
移动床
滴流床
特点
长度远大于管径,内部没有任何构件
高度与直径比约为2-3内设搅拌装置
高度远大于直径，内部设有填料、塔板 等以提高相互接触面积 底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗 粒可以是催化剂或是反应物 反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬 浮和循环运动，提高反应器内液体的混 合性能 固体颗粒自上而下作定向移动与反应流 体逆向接触
连续操作：原料不断加入，产物不断引出，反应器 内物系参数均不随时间变化。
半连续（或半间歇）：兼有以上两种过程的特点，情 况比较复杂。
四、化学反应速率概念
化学反应速率：单位时间内单位反应混合物体积中反应物的反 应量或产物的生成量。其表示方法因反应在间歇或连续系统中 进行而不同。
1. 间歇系统：反应物一次加入反应器，经历一定的反应时间达 到所要求的转化率后，产物一次卸出，生产是分批进行的。 若搅拌系统效果良好，则反应物系的组成，温度，压力等参 数在每一瞬间都是一致的，但随反应的进行，其值随时间而 变，故独立变量为时间。
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 应混合物体积中反应物的反应量或产物的生成量。即：
ri
1 V
dni dt
[mol /(m3 s)]
转化率：组分A反应掉的物质的量与其开始时物质的量nA，0之比。
xA
nA0 nA nA0
nA nA0
nA nA0 (1 xA )
当反应体积不变时： C A C A0 (1 xA )
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：
ri
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dqn,i dVR
[mol /(m3 s)]
对于均相反应，反应体积指反应混合物在反应器中所占据的体积； 对于气-固相催化反应，反应体积指反应器中催化剂床层的体积。
四、反应速率（动力学）方程式
影响化学反应速率的因素很多，温度、浓度和催化剂等是最 主要的影响因素。反应速率方程式（或称动力学方程式）定 量地描述了反应速率与温度及浓度等影响因素的关系。 由于温度和浓度对反应速率的影响最直接，常将反应速率表 示为温度和浓度的函数：
r f (T ) (C )
f (T ) 反应速率的温度效应; (c) 反应速率的浓度效应.
目前主要使用实验的方法来确定化学反应的速率方程式。
反应速率方程式
温度效应f（T）常表示为反应速率常数k：
k Aexp E RT Arrhenius经验方程
A： 指前因子或频率因子，其单位与反应速率常数相同； E： 化学反应的活化能，J/mol； R： 气体常数，8.314J/(mol.K)
用转化率表示反应速率：
rA
1 V
dnA dt
1 V
nA0dxA dt
一个化学反应如有两种或两种以上的反应物，不同的反应 物的转化率是不等的。
一般常选用限制组分（着眼组分）的转化率进行计算。
化学反应速率
2. 连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动 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。
6.1 工业化学反应过程及反应器
教学目的： 了解化学反应工程要解决的主要问题 了解化学反应器的主要类型、结构 掌握化学反应器的操作方式和特点 掌握化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用
重点难点：化学反应器的主要类型、结构和操作特点 化学反应速率、转化率、选择性和收率的概念和应用
参考文献： 梁斌等编，化学反应工程，科学出版社。 朱炳辰主编，化学反应工程，化学工业出版社。 郭锴等编，化学反应工程，化学工业出版社。 张濂等编，化学反应工程原理，华东理工大学出版社。