化学反应工程学反应器基本原理101
化学反应工程原理-热量传递与反应器的热稳定性
04 热量传递与反应器热稳定 性关系
热量传递对反应器热稳定性影响
温度梯度
热量传递导致反应器内温度分布不均，形成温度 梯度，影响反应速率和选择性。
热应力
不均匀的温度分布导致反应器材料产生热应力， 可能引发破裂或变形。
热失控
过度的热量积累可能导致反应器热失控，引发安 全事故。
反应器热稳定性对热量传递要求
传热面积等。
选用高性能材料
选择具有优良传热性能和高温 稳定性的材料，如陶瓷、金属 合金等。
强化热量管理
采用先进的热量管理技术，如 热管技术、微通道反应器等， 提高热量传递效率。
引入控制系统
引入先进的温度控制系统，实 现反应温度的精确控制，确保
反应器热稳定性。
05 热量传递与反应器热稳定 性实验方法
热稳定性影响因素
01
反应器结构
反应器的形状、尺寸、材质和保温措施等结构因素都会影响其热稳定性。
例如，反应器壁面厚度和材质热导率会影响热量传递速率，从而影响热
稳定性。
02
操作条件
操作压力、温度、物料浓度和流速等操作条件对反应器的热稳定性也有
显著影响。例如，高温高压条件下，反应速率加快，热量生成增多，对
优化措施
为实现优化目标，采取了多种措施，包括 改进换热器设计、优化操作参数、实施节 能技术改造等。
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基于模拟的评价方法
通过建立反应器的数学模型，模拟不同操作条件下的温度响应过程，分析模拟结果中的温 度波动范围和稳定时间等参数，评价反应器的热稳定性。这种方法成本低、效率高，但模 型精度和适用性需要验证。
基于理论分析的评价方法
通过分析反应器内的热量传递和反应动力学过程，推导热稳定性的理论判据和评价方法。 这种方法具有普适性，但需要深入的理论分析和计算。
化学工程中的反应器设计原理
化学工程中的反应器设计原理在化学工程中，反应器是一种用于进行化学反应的装置。
它起着将原料转化为所需产品的关键作用。
反应器的设计原理涉及许多方面，包括反应动力学、传热传质、流体力学等。
本文将探讨化学工程中的反应器设计原理，以及一些常见的反应器类型和应用。
一、反应动力学反应动力学是研究化学反应速率与反应条件之间关系的学科。
在反应器设计中，了解反应动力学是至关重要的。
反应动力学包括反应速率方程、反应级数、反应速率常数等。
通过实验测定反应速率和反应物浓度的关系，可以确定反应速率方程和反应级数。
反应速率方程可以帮助工程师选择适当的反应器类型和设计反应器尺寸。
二、传热传质在反应过程中，传热传质是不可忽视的因素。
传热传质的效率直接影响反应器的性能。
常见的传热传质方式包括对流、传导和辐射。
对流是指通过流体的运动传递热量和物质。
传导是指通过物质内部的分子传递热量和物质。
辐射是指通过电磁波传递热量。
在反应器设计中，需要根据反应物的性质和反应条件选择合适的传热传质方式，并优化传热传质效果。
三、流体力学流体力学是研究流体运动规律的学科。
在反应器设计中，流体力学是一个重要的考虑因素。
流体力学涉及流体的流动速度、流体的流动模式、流体的混合程度等。
根据反应物的性质和反应条件，可以选择合适的流动模式，如湍流、层流等。
合理设计反应器的流体力学特性可以提高反应效率和产品质量。
四、常见的反应器类型1. 批式反应器批式反应器是最简单的反应器类型之一。
它适用于小规模生产和实验室研究。
批式反应器的特点是反应物一次性加入反应器，反应结束后才取出产品。
批式反应器的优点是操作简单，适用于不稳定或难以控制的反应。
缺点是生产效率低，不适用于大规模生产。
2. 连续式反应器连续式反应器是一种持续进行反应的装置。
它适用于大规模生产和稳定的反应。
连续式反应器的特点是反应物和产物连续流动，反应过程持续进行。
连续式反应器的优点是生产效率高，适用于大规模生产。
缺点是操作复杂，对反应物和产物的控制要求高。
化学反应工程学-反应器基本原理10.1
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类 E-因子（环境因子）
E 因子 废弃物的质量 目的产物的质量
环境商EQ 环境商EQ是化工产品生产过程中产生废弃物量的多少、物 化性质及其在环境中的毒性行为等的综合评价指标，用以 衡量合成反应对环境造成影响的程度。是E因子与Q的乘积
滴流床 (涓流床)
碳三炔加氢、 丁炔二醇加 氢 乙烯溶液聚 合
料浆床或 气-液-固相(固 返混大；催化剂细粉回收分 浆态反应 体催化剂上进 离困难；如需传热，可设置 行的气液反应) 换热管，温度容易控制 器
管式反应器 釜式反应器
塔式反应器
固定床反应器 流化床反应器
移动床反应器
滴流床反应器
浆态床反应器
d (ni / V ) dci 1 dni ri V dt dt dt
（对于恒容过程）
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
aA bB eE fF
rA rE
dc 1 dnA A V dt dt
rB rF
dc 1 dnB B V dt dt
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
反应过程优劣的评价标准-反应速率和反应的选择性。
反应速率：随具体情况选用不同基准（非均相-相界面，或某一 反应物的质量，催化剂的质量或体积），均相-体积，即单位 时间、单位反应体积中所生成或消耗的某组分的物质的量，
ri 1 dni V dt
化学反应工程学的基本任务和研究方法
化学反应工程学作为化学工程学的一个重要学科分支，利用
化学反应工程原理 简单反应
= Ca f CA 0 CA
Chemical Reaction Engineering •收率 C Pf C A0 •单耗 C A 0 C Pf •单程收率 x A •总收率 （循环系统
A
C A0
R
D P
x A=1）
Chemical Reaction Engineering
k1 HCl + CH 3(CH2) 6CH 2OH k2 HCl + CH 3(CH2) 10 CH 2 OH CH 3(CH2) 10 CH 2 Cl + H 2O CH 3(CH2) 6CH 2 Cl + H 2 O
为一平行反应，辛醇（A）和十二醇（B）的反应速率为 （-rA)=k1cAcC （-rB)=k2cBcC 式中cA、cC和cB 分别表示辛醇、十二醇和盐酸的浓度。反 应在 等温条件下进行，反应速率常数为 k1 = 1.6*10-3L/mol.min k2 = 1.92*10-3L/mol.min 若初始浓度分别为 CA0=2.2 M CB0=2.2 M CP0=2.2 M,试计算当辛基氯收率为34%（以盐酸计），盐 酸转化率和十二基氯的收率
E1 E 2 E1 E 2 0 T E1 E 2 E1 E 2 0 T
E1 E 2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
T
Chemical Reaction Engineering 工业操作：
A P S
二、平行反应选择性的温度效应
1 k2 n 1 C A2 n1 k1
1 k 20 E1 E 2 RT n 1 e C A2 n1 k10
化学反应工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用
化学反应工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用摘要：化学反应工程是研究化学反应机理和反应堆设计的学科。
其目的是了解反应系统的特点，合理选择和设计合适的反应堆，以满足经济、安全、高效和环保材料转换过程的要求。
化学反应工程课程教学围绕反应堆设计逐步发展，反应堆设计方程主要涉及到电源组成、反应动力学、接触模式和反应堆类型。
其中，进料组成是操作参数，反应动力学是工艺的固有特征，接触方式是指反应材料(包括试剂和产品)如何通过反应堆并在反应堆接触行为中的不同位置流动。
反应器型式多种多样，在很大程度上会显著影响接触模式。
膜反应器是一种将化学反应和膜分离耦合在一起的先进反应器，可通过常规反应器和膜分离设备的有效集成，减少化工过程设备数量并实现过程提质增效。
基于此，本篇文章对化学反应工程课程案例教学之膜反应器基本原理及应用进行研究，以供参考。
关键词：化学反应工程课程；案例教学；膜反应器；基本原理；应用分析引言化学工业与人们的衣、食、住、行息息相关，是国民经济的支柱产业，其生产过程主要涉及三个步骤——原料预处理、化学反应、产品的分离与纯化。
其中，化学反应是将原料转变为化工产品的关键，是整个工业生产过程的核心。
研究化学反应如何在工业上实现的学科称为化学反应工程，即化学反应工程是一门研究化学反应工程问题的学科，它以工业反应过程和反应器的设计、开发、放大及优化为目的，是化学工程学科的重要分支。
作为大化工专业(特别是化学工程与工艺专业)的核心基础课程，化学反应工程是一门以高等数学、物理化学、物理等为先修知识、学科交叉性较强的学科，其概念、原理抽象，往往采用理论推演结合工程实践的研究方法。
更重要地是，化学反应工程的研究对象——工业规模的化学反应，其影响因素复杂多样，对于缺乏一线实践认知的学生群体，难以将反应过程设计、操作优化等实际问题的解决与理论知识联系起来。
基于上述特点，在新工科背景下，化学反应工程教学既要满足专业知识体系的基本要求，还要强调工程思维训练，突出对解决复杂工程问题的能力提高，同时提高学生的学习兴趣。
化学工程中的化学反应动力学与反应器操作技术
化学工程中的化学反应动力学与反应器操作技术化学反应动力学与反应器操作技术是化学工程中的关键概念和技术，它们对于反应过程的理解、优化设计和实际操作至关重要。
本文将探讨化学反应动力学的基本原理和反应器操作技术的应用，以及二者之间的关联和相互影响。
一、化学反应动力学化学反应动力学研究的是化学反应速率与反应物浓度之间的关系，以及影响反应速率的因素。
通过对反应速率的研究，可以理解反应物转化速度和产品生成速度的变化规律，从而指导反应器的设计和操作。
化学反应速率可以用反应物浓度的变化率来描述，即速率方程。
速率方程一般采用“速率常数”和反应物浓度的指数幂之间的关系来表示。
例如，对于简单的一级反应（A→B），其速率方程可以表示为：r = k[A]其中，r代表反应速率，k为速率常数，[A]为反应物A的浓度。
在实际应用中，通过实验测定不同条件下的反应速率，可以确定反应速率常数和反应物浓度指数的具体数值。
这些实验数据可以用来建立数学模型和探究反应机理，进而进行反应器设计和操作的优化。
二、反应器操作技术反应器是进行化学反应的设备，反应器操作技术包括反应器的选择、设计和操作策略的确定等方面。
反应器的设计和操作对于反应动力学的研究和实际应用起着至关重要的作用。
1. 反应器的选择在化学工程中，常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和循环式反应器等。
不同类型的反应器适用于不同的反应系统和反应条件。
批式反应器适用于小规模试验和多种反应系统的研究，其优点是对反应条件的控制灵活。
连续流动反应器适用于大规模生产和连续运行的反应系统，其优点是反应效率高和操作稳定。
循环式反应器适用于固液相催化反应系统等，其优点是提高反应转化率和降低催化剂的用量。
2. 反应器的设计反应器的设计包括确定反应器的几何形状、尺寸和内部结构等方面。
反应器设计的目标是实现反应物的充分混合和传质，提高反应效率和产物选择性。
常见的反应器设计方法包括反应器的流体力学模拟和传热传质计算，以及反应器的流体动力学分析和化学动力学模型的建立。
化工第五章化学反应
2.按操作方法分类：
可分为间歇、半间歇、连续式三种。
操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。 间歇反应器 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。 操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的 速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
反应器中的 流动状况影 响反应结果
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
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。固定床式、流化床式 和移动床式。 书141页图
rA=k
cA x A k
xA kcA0( 1 x A ) cA0 cA 1 xA
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=qv (τ+τ′)
实际操作时间=反应时间(τ) + 辅助时间 (τ’)
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
原料 产物
物理处理
化学处理
物理处理
循环
第一节
一、化学反应工程学：
概述
1.化学反应工程发展概况： 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。
反应工程原理
第一节 反应器与反应操作
③空间时间（空时、空塔接触时间）(space time) 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 空间时间
V / qV
(11.1.1)
注意： • 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 • 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。 τ＝30s 表示了什么？ 每30s处理与反应器有效体积相等的流体
反应量 -rAV
qnA0 qV cA0
浓度cA，cB 体积V
第一节 反应器与反应操作
（四）有关反应器操作的几个工程概念 ①反应持续时间 (reaction time)： 简称反应时间，主 要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时 间。 ②停留时间 (retention time)： 亦称接触时间，指连续 操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实 际时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元” 的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分 布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
第III篇 反应工程原理
将化学和生物反应原理应用于污染控制工程， 需要借助适宜的装置，即反应器来实现。 系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设 计计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方 式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。 本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、 动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类 化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。
第一节 反应器与反应操作
四、反应器内反应物的流动与混合状态
在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从 而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和 反应速率。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机) 返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器 的反应特性。
化学反应工程学-反应器基本原理10.2
0
t
CSTR
全混流反应器， 反应物浓度不变， 等于出口处的浓 度
理想流动模型
理想流动模型
2）理想混合 反应物料以定态流率进入反应器后，刚进入反应器
的新鲜物料粒子与存留在反应器中的粒子瞬间发生 完全混合，基本特征为：在整个反应器中，各点的 温度与浓度都是相同的，且等于反应器出口处物料 的温度和浓度，但其中粒子的停留时间参差不齐， 有一个典型的分布。 在连续操作的搅拌釜中，流动型式基本上是理想混 合。
在大多数情况下，釜式反应器的返混是搅拌造成的涡流扩散 和反应器内形成的死角；管式反应器层流时是流速分布不均 匀，湍流时由于脉动引起的涡流扩散。但管式反应器的返混 比釜式反应器的小得多。
cA0 cA
cA0 cA
cA0 cA
0应时 间逐渐降低
0
l
PFR 活塞流反应器 反应物浓度随 反应器轴向长 度逐渐降低
理想流动模型
理想流动模型
在反应器内，不同停留时间的粒子的混合称 为逆向混合，亦称返混，与一般所指的混合 不同，一般所指的混合是物料在空间内的混 合，逆向混合专指不同停留时间的粒子的混 合。
在理想置换中不存在逆向混合，而在理想混 合中逆向混合达到最大程度。
理想流动模型
引起逆向混合的原因： 由于与物料流向相反的运动所致，如搅拌造成的涡流扩散。 由于垂直于流向的截面上流速分布不均匀所致，层流。 反应器内某些区域由于某种原因形成的死角。
率、定态操作条件下进入反应器，并且有规则的齐 头并进，如同活塞在汽缸中朝一个方向前进一样， 其特点是：垂直于反应物料总的流动方向截面上， 所有的物性都是均匀的，即任一截面上各点的温度、 浓度、压力、速度等都分别相同，活塞流的基本特 征是：流体所有粒子在反应器中的停留时间相同， 且等于流体流过该反应器所需的时间。
化学反应工程中的反应动力学与反应器设计
化学反应工程中的反应动力学与反应器设计化学反应工程是针对化学反应中的工业化问题进行分析、设计和优化的一门学科。
化学反应动力学与反应器设计是化学反应工程中非常重要的两个方面。
本文将从反应动力学和反应器设计两个方面出发，深入探讨有关问题。
一、反应动力学反应动力学是研究化学反应速率与反应机理的学科。
反应速率的快慢直接影响到反应器的产量和效率，因此掌握反应动力学非常重要。
1.1 反应速率常数反应速率常数是反应动力学中的核心参数，它在反应速率计算、反应机制推断和反应器设计等方面起到了重要的作用。
反应速率常数与反应温度、反应物浓度和反应机理等因素密切相关。
在设计反应器时，需要通过一系列实验确定反应速率常数，进而对反应速率进行预测。
为了准确计算反应速率常数，我们需要根据反应机理编写化学动力学模型，并进行实验验证。
1.2 温度对反应速率的影响反应速率与反应温度之间存在着密切的关系。
在一定反应物浓度下，反应速率会随着反应温度的升高而增加。
温度升高会加快反应物分子运动，并提高反应体系的平均能量，进而促进反应物的分解与化学反应过程的发生。
这种温度对反应速率的影响被称为温度效应，是指在一定条件下，反应速率常数以指数的形式随着反应温度的升高而增加。
反应温度的改变对反应速率常数的影响，让我们可以利用反应温度的调节来控制反应速率，实现反应器的稳定操作和优良的化学反应效果。
二、反应器设计反应器是进行化学反应的装置，具有至关重要的作用。
反应器设计涉及到反应容器的选择、装置的构造和反应控制系统的设计等多个方面。
2.1 反应器的类型反应器按照操作方式不同可以分为批量反应器、半批量反应器和连续反应器。
批量反应器是将反应物加入反应容器进行反应，反应完成后批量卸料取出产物。
半批量反应器则是在反应开始时将反应物全部加入反应容器，反应完成后只卸去一部分反应产物，然后继续加入新的反应物进行反应。
连续反应器又可以分为连续稀释型反应器、固定床反应器和流动床反应器等。
化学反应工程学反应器基本原理2
cA－ 釜中反应物 A 的浓度 [mol/m3]；
k － 反应速度常数；
n － 反应级数。
FV c A0 FV c A Vkc 0
n A
(4 1)
在式（ 4-1 ）中， FV 、 V 、 k 、 n 及 cA0 都是已知的常数，
所以cA有确定不变的值。例如对于一级反应，n = 1，则cA为：
kc
A B rA k c 对于零级反应（n = 0），反应物浓度对反应速度没有 影响，因此可以选择任何类型的反应器而不会影响化学反 应速度。
n c A
对于非零级（ n 大于 0 ）的简单反应， rA 的大小与 cA 有
关，应选择能具有较大cA的管式反应器或间歇操作的搅拌
釜，因为这两种类型反应器中反应行反应 的过程，选择反应器类
型时主要是比较主副反
应的反应级数。
若n1 ＜ n2，则选用连续操作 的搅拌釜比选用连续操作的管式 反应器或间歇搅拌釜好，此时反 应速度可能要慢一些，但是反应 过程中主反应所占的比率增加。
（3）连串反应：连串 目的产物若是最终产物C，则 反应如下面所示： 为了使rB ＜ rC，应选用具有较小 k1 k2 A B C 反应物浓度的连续搅拌釜；若是
化学反应的动力学特征与反应器类型的关系
应终了时）的浓度；若采用多釜串联，则也是串联的釜数 多一些为好。同时，反应级数越多，cA对于rA的影响越大， 因此，不同类型反应器对化学反应速度的影响越大。
（ 2 ）平行反应 ：平行 反应以下式为代表：
A
n1 rB k1c A
n2 rc k 2 c A
若n1 ＞ n2，则选用具有较高 反应物浓度的反应器为好，即应 k1 选用间歇操作的搅拌釜或连续操 B 作的管式反应器，而不选用连续 k2 操作的搅拌釜；这样将有利于主 C （主反应） 反应的进行，提高该反应过程的 选择性。
反应器的原理及应用
反应器的原理及应用1. 引言反应器是化学工程中一种非常重要的设备，广泛应用于化工生产中。
本文将介绍反应器的原理及应用，通过对反应器的介绍，帮助读者理解反应器的基本工作原理和常见应用场景。
2. 反应器的工作原理反应器是一种用于进行化学反应的设备，其工作原理是利用加热、冷却、搅拌等方式控制反应物质在反应过程中的温度、压力和混合程度。
下面将介绍几种常见的反应器工作原理：2.1 批量反应器批量反应器是最简单的一种反应器，其工作原理是将待反应的物质一次性加入反应器中进行反应。
其优点是操作简单，适用于小规模生产和实验室研究。
然而，由于无法连续供给反应物质，生产效率较低。
2.2 连续流动反应器连续流动反应器是一种持续供给反应物质并连续收集产物的反应器，其工作原理是通过分别将反应物质和催化剂以一定流速供给反应器，使反应在反应器内进行。
连续流动反应器由于可以连续供给反应物质，生产效率较高，适用于大规模生产。
2.3 催化反应器催化反应器是通过添加催化剂来提高反应速率的反应器，其工作原理是将催化剂与反应物质一起放入反应器中进行反应。
催化反应器由于催化剂的作用，可以在较低的温度和压力下进行反应，节省能源和提高反应效率。
3. 反应器的应用反应器在化工生产中有着广泛的应用，下面将列举几个常见的应用场景。
3.1 石油炼制在石油炼制过程中，反应器用于各种催化反应、裂化反应、加氢反应等。
例如，催化裂化反应器用于将重质石油馏分转化为轻质石油产品，加氢反应器用于将硫化氢等有害物质转化为无害物质。
反应器在石油炼制中起到了非常重要的作用。
3.2 化学品生产在化学品生产中，反应器用于各种有机合成反应、聚合反应等。
例如，聚乙烯反应器用于合成聚乙烯，硝化反应器用于合成硝酸等。
反应器不仅可以提高产品的纯度和产量，还可以控制反应物质的选择性。
3.3 生物工程在生物工程领域，反应器用于培养微生物、细胞培养、酶反应等。
例如，发酵反应器用于培养微生物产生乙醇、酸等产物，细胞培养反应器用于培养动物细胞合成蛋白质。
反应器原理
反应器原理
反应器是一个用于进行化学反应的设备。
它通常由一个密封的容器和一系列的反应物、催化剂、溶剂或助剂组成。
在反应过程中，反应物会发生化学变化，生成新的物质。
反应器的工作原理基于反应物分子之间的相互作用。
当反应物加入反应器中后，它们会与其他反应物分子发生碰撞。
这些碰撞会导致反应物分子之间的化学键断裂和形成，并且在一定能量的作用下，新的化学物质会被生成。
反应器中的反应速率是一个重要的参数。
它通常取决于反应物浓度、温度、反应物质性质和反应的压力等因素。
当反应速率较高时，反应器需要能够有效地调节温度和压力，以避免过高的反应速率导致压力过大或产生副反应。
不同类型的反应器根据其结构和功能可分为多种不同的类型。
例如，批处理反应器适用于小型实验室或工业生产中的小规模反应。
连续流动反应器则适用于大规模生产，其反应物会连续地输入和输出。
其他类型的反应器包括循环床反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
在设计反应器时，需要考虑多种因素，如反应物的理化性质、反应速率、传热和传质效果等。
合理的反应器设计可以提高反应效率、减少能源消耗，并确保反应安全进行。
此外，反应器的操作也需要控制温度、压力、搅拌速度和物料进出等参数，以维持反应的稳定性和一致性。
总之，反应器是化学反应的核心设备，通过调控反应物分子之间的相互作用，实现所需的化学转化。
通过合理的反应器设计和操作，可以提高反应效率和产品质量，并确保反应过程的安全性。
化学反应工程原理
化学反应工程原理化学反应工程是化学工程领域的一个重要分支，它研究的是化学反应在工程领域中的原理和应用。
化学反应工程原理是化学工程师必须要掌握的基础知识之一，它涉及到反应动力学、热力学、传质和传热等多个方面的知识，对于理解和设计化工过程具有重要意义。
在化学反应工程中，反应动力学是一个重要的概念。
它研究的是化学反应速率与反应物浓度之间的关系，以及影响反应速率的因素。
在实际工程中，我们需要通过实验数据来确定反应的速率方程，从而进行反应器的设计和操作。
另外，反应热力学也是化学反应工程中不可忽视的一部分，它研究的是化学反应的热效应，包括反应热、热平衡、热传导等内容。
在设计反应器时，我们需要考虑到反应的放热或吸热特性，以便合理地控制反应温度，保证反应的顺利进行。
除了反应动力学和热力学外，传质和传热也是化学反应工程中的重要内容。
传质研究的是反应物在反应器中的传输过程，包括物质的扩散、对流等。
传热则是指反应过程中产生的热量的传递过程，包括传热系数、传热表面积等参数的计算。
在反应器的设计和操作中，我们需要考虑到传质和传热的影响，以保证反应物质和能量的充分利用。
化学反应工程原理的研究不仅仅是为了理解化学反应的基本规律，更重要的是为了指导工程实践。
在化工生产中，我们需要根据反应物性质、反应条件等因素，选择合适的反应器类型和操作参数，以提高反应的效率和产率。
同时，对于一些复杂的反应体系，如多相反应、催化反应等，我们还需要结合反应工程原理，设计和优化反应器结构，以实现工程化的应用。
总之，化学反应工程原理是化学工程师必须要掌握的基础知识之一，它涉及到反应动力学、热力学、传质和传热等多个方面的知识。
通过对化学反应原理的深入理解，我们可以更好地指导工程实践，提高化工生产的效率和质量，为实现可持续发展做出贡献。
化学反应过程与反应器课件
1 kt ln
1 xA
C
A0
k
t
1
xA x
A
6.3、活塞流反应器
1、活塞流反应器的结构
这种反应器的结构非常简单，一般是直 管，要求有足够大的长径比（L/d > 50）。反应物料从管的一端送入，一边 流动一边反应，从管的另一端引出时， 已达到预定的转化率。
2、管式反应器的特点
（1）活塞 流
分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的
反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物 料的生产过程。
半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输
出而其余则为分批加入或卸出的操作。 连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程
2、据反应器结构分
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
等容过程
VR
qV 0
CA0
dx xAf
A
0 rA
dC C A 0
A
CAf (rA )
与间歇反应器的公式相同
4、停留时间、反应时间、返混 的概停念留时间(τ)
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时 间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
反应时间 （t）
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的 时间；是对已经离开反应器的物料质点而言 的。
3、反应物料具有相同的停留时间。
无反 混
3. 活塞流反应器的计算：
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
化学工程中的反应器设计和动力学模拟
化学工程中的反应器设计和动力学模拟反应器是化学工程中的核心设备之一，其设计和动力学模拟对于化学工程产品的研发、生产和优化都具有重要的意义。
本文将从反应器设计和动力学模拟两个方面深入探讨其应用价值和基本原理。
一、反应器设计反应器是进行化学反应的设备，其设计需要考虑反应物的物理化学特性、反应条件、反应产物的理化特性以及设备本身的特点等多个方面。
在反应器设计时需要考虑以下几个问题：1.反应器类型选择反应器的类型有很多种，如浴式反应器、批式反应器、连续式反应器、管式反应器等。
根据具体的反应条件和反应过程选择最合适的反应器类型是必不可少的。
2.反应器尺寸反应器的尺寸需要根据反应物质的种类、操作条件、反应程度等因素进行计算。
尺寸太小会影响反应效果，尺寸太大则会造成浪费和节约能源的问题。
3.反应器材料选择反应器材料选择需要考虑反应物的腐蚀性、耐高温、耐压等特性，一般来说选择耐腐蚀的不锈钢或镍质合金材料。
4.反应器搅拌搅拌是促进化学反应进行的重要条件之一，反应器的搅拌方式和搅拌速度需根据反应物的特性进行选择。
5.反应器附加设备反应器附加设备包括加热冷却系统、加料系统、排放系统等，这些设备的设计需考虑到反应条件和设备本身的特点。
二、反应器动力学模拟反应器动力学模拟是使用数学和计算机技术对反应器内化学反应进行模拟和预测的一种方法。
该方法能够提供反应器的动态特性、反应器内反应物体积分布等信息，为反应器优化和控制提供指导，其应用领域包括新产品研发、反应器优化、工艺设计、过程控制等。
反应器动力学模拟主要包括以下几个方面：1.反应动力学模拟反应动力学模拟是根据一定的反应机理，通过数学方程对反应过程进行模拟，计算反应速率、反应程度等重要参数。
2.流体动力学模拟流体动力学模拟是对反应器内的物质流动进行建模，计算各个位置的物质浓度分布、流速分布等信息，可用于优化设计反应器的结构。
3.传热动力学模拟传热动力学模拟是对反应器内的传热过程进行模拟，包括对反应器内部温度分布、传热系数等参数进行预测和计算。
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化学反应工程学的基本任务和研究方法
化学反应工程学作为化学工程学的一个重要学科分支，利用 自然科学原理去考察、解释和处理工程实际问题，其目的是 把化学实验室的研究成果可靠地移植到工业化生产，研究工 业反应过程的宏观规律、建立数学模型，并就所确定的反应 和预期的生产能力对反应器的型式、结构、尺寸及操作方式 、操作条件进行选择或设计。
收率用来说明反应原料利用率的综合指标
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
选择性、转化率、收率的关系
质量收率
例如100kg苯胺（纯度99%，相对分子质量93）经焙烘 磺化和精制后得到218kg对氨基苯磺酸钠（纯度97%， 相对分子质量231），则以苯胺计，
化学反应过程和化学反应器的分类
逆流接触，气液返混均小，气 液界面大，持液量较大，流速 有限制，如需传热，可在板间 加换热器
返混小；结构简单，气液界面 大，持液量较大；压降小，床 层内不能控制温度，有温差； 填料装卸麻烦
石脑油连续重整；煤气 化，适合于催化剂失活 快的反应 异丙苯氧化
合成气脱硫、脱二氧化 碳
化学反应过程和化学反应器的分类
理想均相反应器
活塞流反应器
等温操作的管式反应器中，反应物沿管长方向流动， 其浓度随流动方向从一个截面到另一个截面而变化 ，反应时间是管长的函数。一般说来，理想管式反 应器都在湍流区操作，管内流体似无数个厚度极薄 的活塞一个接一个地依次流过反应器，即不同时刻 进入反应器的物料之间不发生逆向混合（返混）， 物料的这种流动情况称为理想置换，这种理想化的 、返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器PFR 。通常，长径比较大的管式反应器的流动情况十分 接近活塞流流反应器。
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
转化率 在化工生产中，反应速率直接影响到反应器的尺寸和催化 剂的用量，从而关系到投资费用的多少。对于一个特定的 反应器，速率往往体现为转化率，它表明反应的深度即反 应物转化的百分率。
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
对于间歇系统
对于连续流动系统
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
化学反应工程是研究工业规模的化学反应的规律，即伴有 物理过程的化学反应。
分类特征 反应特征 热力学特征
反应过程 简单，复杂（平行、连串、分支等） 可逆，不可逆
相态
时间特征 控制步骤
均相（气、液），非均相（气-液、气-固、液-液、液-固、气-液-固 ） 定态，非定态
-化学反应过程的分类
E-因子（环境因子）
环境商EQ 环境商EQ是化工产品生产过程中产生废弃物量的多少、物 化性质及其在环境中的毒性行为等的综合评价指标，用以 衡量合成反应对环境造成影响的程度。是E因子与Q的乘积
Q为根据废弃物在环境中的行为给出的对环境的不友好度 。EQ越大，对环境污染越严重
化学反应过程和化学反应器的分类
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
回转 筒式 空塔 或搅 拌塔 移动 床
板式 塔
填料 塔
气-固、固 -固
液相、液液相
结构简单，返混程度与高/径比 及搅拌有关，轴向温差大
水泥制造
尿素合成；苯乙烯本体 聚合
气-固、液 -固、
气-液
液相、气液
固体返混小；床内温差大，调 节困难；固气比可变性大；颗 粒输送方便，能耗大，操作费 用高，
研究方法-数学模拟法
把所考察、分析、研究的问题，经过深入的实践和透彻 的理论研究，在对化工过程本身的规律有深刻认识的基 础上，用简单明确的数学语言（即数学模型）加以描述 ，同时提出需要解决的问题，通过数学方法或采用电子 计算机求解，以获取定量答案。
把复杂过程分解为反应过程和传递过程，反应过程以化 学反应为研究对象提出化学反应过程的动力学模型；传 递过程以不同反应器为研究对象，提出传递过程的模型 ，最后研究如何将两种模型结合起来，并应用于解决工 程问题。
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
操作方式
连续，间歇，半间歇（半连续）
操作条件 是否用催化剂
等温，变温 常压，加压，减压 催化，非催化
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
• 反应过程优劣的评价标准-反应速率和反应的选择性。 反应速率：随具体情况选用不同基准（非均相-相界面，或某一
优缺点 苯的硝化；丙烯聚合； 氯乙烯聚合、高压聚乙 烯、顺丁橡胶聚合、制 药、染料、油漆 乙醛氧化；微生物发酵
轻油裂解、高压聚乙烯 、甲基丁炔醇合成
二甲苯氧化、丙烯氯醇 化 变换气的碳化、苯的烷 基化、乙烯基乙炔合成
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
绝热 固定 床 列管 式固 定床 流化 床
连续反应器：稳定操作时，反应物和产物连续稳定地流入 和引出反应器，反应器内的物系参数不随时间发生变化，但 可随位置而变。反应物料在反应器内停留时间可能不同。
半连续反应器/半间歇反应器：一种或几种反应物先一次 加入反应器，而另外一种反应物或催化剂则连续注入反应器 ，这是一种介于连续和间歇之间的操作方式，反应器内物料 参数随时间发生变化。
应用实例
物料混合均匀，温度、浓度易 控制，产品质量均一；适用性 强，可连续操作、可间歇操作 ，操作弹性大， 返混大，温度均匀易控制；气 液界面和持液量较大，搅拌器 密封结构复杂。 返混小，反应器容积小；比传 热面大，易控温；管内可加构 件(静态混合器)
气相返混小，液相返混大；气 体压降大，流速有限制气液界 面小，持液量较大；温度较易 调节，
喷射 反应 器
气-固、液固
气-固、液固
气-固，液固，适用 于催化剂 失活快的 反应 气相，高 速的液相
返混小，床层内不能控制温 度；结构简单，投资和操作 费用低。
返混小，传热面积大，易控 制温度，投资和操作费用介 于绝热固定床和流化床之间
传热好，温度均匀，易控制 ；返混大，不适合高转化率 或有串联副反应的系统；颗 粒输送方便，能耗大，操作 费用高。
按操作方式分类
分为间歇反应器、半间歇或半连续反应器和连续反应器。 间歇反应器：反应物料一次加入，在搅拌的存在下，经过
一定时间达到反应要求后，反应产物一次卸出，生产为间歇 地分批进行。特征是反应过程中反应体系的各种参数（如浓 度、温度等）随着反应时间逐步变化，但不随器内空间位置 而变化。物料经历的反应时间都相同。
-化学反应过程的分类
工业上常用质量收率的倒数，即单位质量产品的消耗定 额-单耗来表示原料的利用程度。上例中生产一吨对氨基 苯磺酸钠时苯胺的单耗为100/218=459kg/t。 反应不仅要有高度的选择性，而且必须具备较好的原 子经济性。原子经济性可以用原子利用率AU来衡量。
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
喷雾塔
滴流床( 涓流床)
气-液快速反应
气-液-固(固体 催化剂上进行 的气液反应)
气相返混小；结构简单，液 体表面积大，持液量小；无 传热面，床层内不能控制温 度；停留时间受塔高限制， 气流速度有限制
返混小；催化剂带出少，易 分离；气液分布不均匀，温 度调节困难
料浆床或 气-液-固相(固 返混大；催化剂细粉回收分
-化学反应器分类
按反应物料的相态分类
反应器种类 反应类型举例
均 气相 相 液相
燃烧、裂解 中化、氯化、加氢 磺化、硝化、烷基化 燃烧、还原、固相催化
液-固 固-固 气-液固
还原、离子交换 水泥制造 加氢裂解、加氢脱硫
适用设备的结 构型式 管式 釜式
釜式、塔式 釜式、塔式 固定床、流化 床、移动床 釜式、塔式 回转筒式 固定床、流化 床
返混较大，流体混合好；传 热、传质速度快，反应物急 冷易；操作条件限制严格， 缺乏调节手段
苯烃化制乙苯；二氧 化硫氧化、丁烯氧化 脱氢、半水煤气生产 乙苯脱氢；乙烯制醋 酸乙烯、合成氨、乙 炔法制氯乙烯 丙烯氨氧化制丙烯腈 ；石油催化裂化、硫 铁矿焙烧、乙烯氧氯 化制二氯乙烷
氯化氢合成、丁二烯 氯化
基本任务是：
通过深入地研究，掌握传递过程动力学和化学动力学的共同作用（ 宏观动力学）的基本规律，从而改进和强化现有的反应技术和设备 ；
指导和解决反应过程开发中的放大问题； 开发新的技术和设备； 综合考察技术和经济两个指标，实现化学反应器的最优设计和化学
反应过程的最优化控制。
化学反应工程学的基本任务和研究方法
反应物的质量，催化剂的质量或体积），均相-体积，即单位 时间、单位反应体积中所生成或勇消于耗开始的，某才组能找分到的成物质的量，
功的路
（对于恒容过程）
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
反应的级数
反应速度常数，其值的大小直接决定了反应速 度的高低和反应进行的难易程度，与反应温度 、溶剂和催化剂等有关。T↑，k↑
反应特性
无相界面，反应速 率只与温度或浓度 有关 有相界面，实际反 应速率与相界面大 小及相间扩散速率 有关
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应器分类
按反应器的结构型式分类
型式 搅拌釜
鼓泡搅 拌釜 管式
鼓泡塔 或挡板 鼓泡塔
适用反应 液相、液 -液、液固
气-液
气相、液 相、气液 气-液、 气-液-固
理想均相反应器
典型反应器（形状、流动状况、操作方法）： 间歇操作搅拌釜式反应器 连续流动管式反应器 连续操作搅拌釜式反应器 多釜串联反应器
理想均相反应器
理想间歇反应器 高/径比1-3，釜内设有搅拌装置和挡板，常
带夹套或釜内放置蛇管，以维持釜内所需 的反应温度，反应器的搅拌良好，黏度较 小的反应物料按一定配比一次加入反应器 后，开动搅拌，瞬间反应器内各处物料的 组成和温度均一，任一处的组成和温度都 可以表征整个反应器的状态，称为理想间 歇反应器IBR，该反应器具有操作灵活， 容易适应不同操作条件和产品品种的优点 ，缺点是装、卸料等辅助操作要耗费一定 时间，且产品质量不易稳定。