化学反应过程与反应器课件

1、化学反应过程与反应器6.1 绪 论工业化学反应过程的特征化学反应工程学的任务和研究方法工业反应器简介反应器的基本计算方程一、工业化学反应过程的特征在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程热量传递、流动、混和、传递所有这些传递过程使得反应器内产生温度分布和浓度分布，从而影响反应的最终结果.二、化学反应工程学的任务和研究方法1、研究内容：（1）生产规模下的化学反应过程和设备的传递规律（2）在反应器投产运行之后，还必须根据各种因素和条件的变化作相应的修正，以使它仍能处于最优的条件下操作运用化学热力学、动力学,结合流体流动传热、传质等现象,进行工业反应过程的分析、反应器的选

2、择和设计及反应技术的开发,并研究最佳的反应操作条件,实现反应过程的优化操作和控制.操作最优化：使化学工业生产中的反应过程最优化。化学反应过程物理过程2、研究方法数学模型方法 用数学模型分析和研究化学反应过程与设备的工程问题。数学模型就是用数学语言来表达过程各种变量之间的关系。将化学反应器内进行的过程分解为化学反应过程和物理传递过程，然后分别研究化学反应规律和传递过程规律经过合理简化，建立数学方程表述，求解获得三、化学反应器的分类1、按操作方式分分批(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

3、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 3、按物料的聚集状态分均相： 气相：如石油烃管式裂解炉 液相：如乙酸丁酯的生产： g-l相：如苯的烷基化 g-s相：如合成氨 非均相 l-l相：如已内酰胺缩合 l-s相：如离子交换 g-l-s相：如焦油加氢精制。4、反应器的基本计算方程 物料衡算方程流入反应消耗累积反应单元流出衡算式：对任一组

4、分AA的进入量=A离开的量+A反应的量+A的积累量依 据：质量守衡定律。6.2理想反应器及计算讨论恒温、均相反应器的流动状况、反应器计算及其强化和优化等内容。均一液相1、间歇搅拌釜式反应器（1）、结构与操作特点结构流体流动状态的特点反应物料一次加入，充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀。因而这种模型的特点是:剧烈搅拌1、反应器内各点的浓度是均匀的2、各点温度也是相等的。传热速率很大3、各点停留时间相同反应时间一样4、随着反应的进行，釜内温度、浓度和反应速度都随时间变化凡是符合上述特点的反应器称为理想间歇反应器。这种模型又称为间歇全混式流动模型。2、反应器有效容积VR的计算1、间歇反应

5、器的数学描述对整个反应器进行某组分物料衡算：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量单位时间内反应量 = -单位时间内积累量00定义：rA组分A的反应速率，Kmol/m3.s-1 CAo、CA组分A初始、瞬时浓度Kmol/m3 nAo、nA组分A初始、瞬时物质的量Kmol V反应混合物的体积，m3反应物A积累量=反应物A消耗的量=(-rA)V物料衡算式可变为或式中xA-反应结束时的转化率等容过程，液相反应上式称为间歇釜式反应器的基本计算方程。反应时间的计算2、反应器有效容积VR的计算在VR的计算中，已知v（物料体积流量），此时V表示单位时间内处理的物料量，则：VR= vt 但是，间歇反应器是

6、分批操作，其操作全过程应为进料反应卸料清洗因此，间歇反应器完成一个操作所需要的时间，应为： 实际操作时间=反应时间+ 辅助时间 VR=v (t+t)反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积,实际体积要比有效体积大，有效体积占总体积的分数为装料系数其中：=0.40.8。间歇反应器中一、二级反应的积分式反应速率n=1rA=kCAn=2rA=kCA26.3、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）活塞流连续稳定流入反应

7、器的流体，在垂直于流动平行向前流动，汽缸中活塞的移动，称为活塞流或平推流，也叫理想置换、理想排挤流。方向的任一截面上，就象2、特点：连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2、径向速度均匀，径向也不存在浓度分布3、反应物料具有相同的停留时间。无反混管道任一截面，各参数均匀3. 活塞流反应器的计算：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量0由于物料的量是随位置而不断发生变化，因此应取一微元段体积进行衡算则：进入微元体积的反应物A的量为：流出微元体积的反应物A的量为：微元体积内A反应的量为：根据物料衡算式有：简化为：分离变量进行积

8、分：等容过程与间歇反应器的公式相同停留时间()反应时间 （t）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。4、停留时间、反应时间、返混的概念返混：又称逆向返混，不同停留时间质点之间的混合。是时间概念上的混合5.等温活塞流反应器的计算 反应级数 反应速率反应器体积计算式 n=1 rA=kCA n=2 rA=kCA26.3 全混流反应器1、全混流反应器结构2、全混流反应器流体流动特性（1）、全混流全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈搅拌下于反应器中，瞬间达到完全混合，称为理想混合

9、流动。全混流反应器结构与间歇搅拌釜式反应器完全相同，只不过是它们的操作方式不同。全混流反应器是连续进料，连续出料，进料出料的速率是均匀的。物料流量一样由于全混流反应器基本符合连续理想混合流动模型，故其性能和特点是：（1）釜内各点的CA 、xA、(-rA)都是相同的，且与出口处的各参数是一致的，即CA=CAf，xA=xf（2）由于返混对物料浓度的冲稀程度最大，存在停留时间分布，有平均停留时间；（3）各参数不随时间变化，是连续稳定过程。 3、全混流反应器的计算对整个反应器进行物料衡算流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量0平推流反应器与全混流反应器的比较理想流动反应器总结间歇反应器(a)连续流动反应器平推流反应器全混流反应器完全没有返混(b)返混极大(c)三种理想反应器的特点及其基本方程的建立要求：掌握三种理想反应器的基本概念、特点； 间歇搅拌反应器 管器式反应器 全混流反应器1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口)2停留时间 相同(某时) 相同(某处) 时间不同3反应时间 相同(中止) 相同(出口) 不同(出口