5基本反应器

• 间歇式操作特点:不稳定的过程。设备利用率不高， 劳动强度大，不易自动控制，产品质量也不稳定。 通常适用于小批量、多品种或需要反应时间很长 的生产中如医药、染料等工业中。
• 连续式操作特点：稳定过程。设备利用率高，节 省劳力，产品质量稳定，易于自控，适合于大规 模生产。
对反应器的要求
1
反应器 要有足 够的体 积
第五章 化学反应工程及基本反应器
本章学习要求
掌握： • 1、均相等温恒容条件下几种基本反应器的特性和
基础设计方程 • 2、基础设计方程对一级和二级反应时的积分计算
结果 • 3、反应器的有效容积计算方法 了解： • 1、化学反应工程的基本概念，熟悉两种理想流动
模型 • 2、气固催化反应过程和固定床催化反应器的结构。
2
反应器 要有适 宜的结 构
3
反应器 要有足 够的传 热面积
4
反应器 要有足 够的机 械强度 和耐腐 蚀能力
5
反应器要 易操作、 易制造、 易安装、 易维修
第二节 均相反应动力学
均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应
一、化学计量式 ——物质在化学反应中质的变化和量的
关系 1 A1 2 A2 n1 An1 nAn
CRE的研究对象： 工业规模化学反应过程 及其设备的共同规律。
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。
反应工程与其它学科的关系
化工热力学 计量化学 反应动力学
稳定性
工程控制 反应工程
流体力学 放大 设计
传递过程 催化剂 化学工艺
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
（二）化学反应器的分类
1 按物料的聚集状态
2 按反应器的结构
第一节 概述
一、化学反应工程简介
1、化学反应工程发展简况
1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化学反应工 程”(Chemical Reaction Engineering，CRE）这一学科名称。
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。
最优化技术
3. CRE的研究方法-数学模型法
• 乙酸+乙醇----->乙酸乙酯+水 乙酸+丁醇----->乙酸丁酯+水 反应速率是否一样？
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，然后对简化的模型进行数学 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、动力学模型的总和，一般是各种形式的 联立代数方程、微分方程或积分方程。
化床 釜式、塔式
回转筒式 固定床、流
化床
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
2、按反应器的结构型式分类
结构型式 反应釜
管式 鼓泡塔
适用的相态 液相，气-液相 液-液相，液固相
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 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
二、 化学反应器分类
化工过程：一个特定的化工产品，从原料到产品 的生产过程。
原料 预处理 化学反应 后处理 产品
化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导作 用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后 处理的难度。
化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是 化工企业的关键装置。
（一）、化学反应过程分类
3
按操作方式
1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类
均相
气相 液相
非
气-液相
均 液-液相
相
气-固相
液-固相 固-固相 气-液-固相
反应类型
燃烧、裂解 中和、硫化、水解
氧化、氯化、加氢 磺化、硝化、烷基化 燃烧、还原、固相催化
还原、离子交换 水泥制造
加氢裂解、加氢硫化
设备的结构 形式
管式 釜式
釜式、塔式 釜式、塔式 固定床、流
二、反应程度ξ——反应物或生成物变化量与各自化 学计量系数的比值
aA bB rR
nA nA0 nB nB0 nR nR0
a
b
r
三、转化率 某组分参与反应物质的量与该组分初始物质的量之比
xA
nA0 nA n A0
nA n A0
A
nA0
恒容时
xA CA0 CA CA0
ห้องสมุดไป่ตู้
nA0 ---反应物A起始的摩尔量，mol；
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。
一个新技术的开发一般要经过下面三个步骤：
①实验数据
提出数学模型
②中型实验
数学模型验证
③数学模型的应用
大设备的设计
放大的依据：相似论 (相似准数Re、Pr、Nu、 Pe、Sc等)
建立动力学和传递过程模型----综合成数学模型----修正和验证模型
80年代后，随着高新技术的发展和应用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。
2、CRE研究的对象和内容
气液反应器中浓度分布 (CD)
固定床催化反应器中温度分布 (TD)
反应器中停留时间分布 (RTD)
研究的方法：数学模型
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