第八章第二节化学反应工程学的基本原理

第八章化学反应工程学

基本原理漳州师范学院化学与环境工程教研室吴文炳2023/2/1本章内容5.1工业反应过程及反应器概述5.2反应工程学的基本原理5.3理想反应器及其计算5.4反应器的评比与选择5.5气固相催化反应2023/2/1一、流动系统的反应动力学

1、反应速率和反应时间设反应器体积为VR，进、出反应器的物料参数如图所示，其中qv,0为物料的总体积流量，CA,0分别为反应物A的初始浓度。

qV,0cA,0(1-xA)=qV,0cA,0[1-(xA+dxA)]+(-rA)dVR空间时间dτ5.2化学反应工程学的基本原理2023/2/1空间时间τ：反应器有效容积（即物料占有的体积）与进料体积流量之比讨论：对于气固相催化反应，反应器体积一部分被催化剂填充，流体只能从催化剂颗粒空隙中通过，设催化剂床层体积为VR，空隙体积为V空，则空间时间应按V空计算：对于液相反应和物料总体积流量在反应中不发生变化的气相反应，各物料微团停留时间相同，则空间时间可视为平均停留时间。2023/2/1对于反应前后体积流量发生变化的气体反应，气体混合物的体积流量将随操作状态（压力、温度）而变化，因此，空间时间τ中的体积流量常采用反应混合物的进料初态组成和标准状况来计算。此时，空间时间不等于平均停留时间。讨论：平均停留时间：反应器的有效容积与器内物料的体积流速之比。

2023/2/12、气相反应的膨胀因子对于aA+bB→rR+sS气相反应，反应时间从0→t，物料由初始量nA,0和nB,0变化为nA和nB：

t=0时，n0=nA,0+nB,0t=t时，n=n0+δAnA,0xA

空间速度(空速)：单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流量，为空时的倒数，以SV表示，单位为s-1。2023/2/1反应时间为t时，反应物A的摩尔分数为：对于等温等压过程，反应物还可用浓度或分压表示：对于恒容过程，δA=02023/2/1二、反应器内物料的流动模型在连续流动系统内，各物料微团的运动十分复杂，在系统内的停留时间不一定相等，反应转化率也不一定相同，为更好地描述微团运动规律，化学反应工程学对物料微团运动现象作了切合实际的简化后，提出了以下几种流动模型。1、理想流动模型

全混流模型

活塞流模型（平推流模型）2023/2/1（1）全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）全混流模型是针对于连续操作搅拌釜式反应器提出的，认为进入反应器的新物料瞬间和反应器内原有物料达到完全混合。模型特点：反应器内物料微团完全混合，物料参数处处相同，且等于出口处的参数；反应器内物料微团的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料微团的停留时间也不相同。返混＝∞，返混是指不同时间内连续进入反应器的物料之间的混合。2023/2/1（2）活塞流模型（平推流模型）活塞流模型是针对于连续操作管式反应器作高速流动情况提出的，认为在反应器的任何横截面上无速度梯度，器内所有物料微团的流速均一。

模型特点：

物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有流动边界层）；沿流动方向的截面间物料微团互不混合；任一截面上的物料微团年龄相同，所有物料微团的停留时间都相同；返混＝0。2023/2/12、非理想流动模型

非理想流动模型的流动状态介于上述两种理想流动模型之间，即物料微团在反应系统内有一定程度的返混，又不能达到完全返混。（1）轴向扩散模型

以活塞流模型为基础，物料之间的返混采用轴向分子扩散来类似描述（如费克定律）（2）多级全混流模型

以全混流模型为基础，由多个全混流反应器串联组合而成，在反