6.1.1 工业化学反应过程及反应器.ppt

1、化学反应工程，6.1工业化学反应过程和反应器，教学目的：了解化学反应工程中需要解决的主要问题，了解化学反应器的主要类型和结构，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、选择性和产率的概念和应用，关键难点：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、选择性和产率的概念和应用，参考文献。梁斌等，化学反应工程朱，化学反应工程，化学工业出版社。郭凯等，化学反应工程，化学工业出版社。张廉等，化学反应工程原理，华东理工大学出版社。化学反应工程是一门研究生产设备(反应器)中化学反应的工程学科。它结合了反应的化学特性和反应器的传递特性，形成了化学工程学科的一个重要分支。1.化学

2、反应工程概述研究内容包括两个方面，即反应动力学和反应器设计分析。图1典型化学加工过程是化学反应工程的研究对象，是生产过程工业反应过程的核心。工业生产实践和实验室研究表明，化学反应的结果不仅取决于化学反应本身的规律，还取决于一系列常见的工程技术问题，如工业反应器中的物料混合和流动、传质和传热，即反应器的传递特性。1.反应动力学研究化学反应的速率和机理，从而获得工业反应器设计和操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程和反应活化能。2.反应器设计分析研究上述因素在反应器中的变化规律，找出最佳工作条件和合适的反应器类型和尺寸。宏观动力学方程：不排除传递过程的影响而直接测量的动力学方程。内在动力

3、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，需要区分反应过程本身的规律和物理因素的影响。在设计反应器时，有必要确定化学反应的内在动力学方程。注：在实验室测量反应速率方程时，应注意消除传递过程(主要是传热传质)的影响。化学反应器的类型、(a)管式反应器；(b)罐式反应器。板式塔；填料塔；(e)鼓泡塔；喷雾塔；(g)固定床反应器；流化床反应器；移动床反应器；(j)滴流床反应器；3.化学反应的分类；反应器运行方式：间歇运行：一次进料和卸料。反应物系统的参数(浓度或组成等。)随着时间而改变。连续操作：原料连续加入，产品连续引出，反应器中的系统参数不随时间变化。半连续(或半间歇

4、):具有上述两个过程的特点，情况相当复杂。4.化学反应速率的概念，化学反应速率：单位时间内每单位体积反应混合物中反应物的反应量或产物的产生量。表示方法不同，因为反应是在间歇或连续系统中进行的。1.分批系统：将反应物一次性加入反应器中，待一定反应时间达到所需转化率后，将产物一次性排出，分批进行生产。如果搅拌系统工作良好，反应物系统的组成、温度、压力和其他参数在每一时刻都是相同的，但是随着反应的进行，它们的值随着时间而变化，所以自变量是时间。在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内每单位体积反应混合物中反应物的反应量或产物的产量。即化学反应速率；2.连续系统：反应物和产物在整个反应器中处于连

5、续流动状态。系统达到稳定状态后，材料不会在反应器中积累。系统中的浓度和温度等参数在某些位置是固定的，即它们因此，对于连续系统，系统中的每个参数都是空间位置的函数。连续体系中的反应速率可以表示为每单位反应体积中某种反应物或产物的摩尔流量的变化。也就是说，对于均相反应，反应体积是指反应器中反应混合物所占的体积；理想反应器及其设计计算，理想流动和理想反应器，在连续操作的反应器中，流体流动有两种极端情况：理想拥挤：当物料流过反应器时，沿着物料的流动方向(轴向)，由于化学反应，物料的浓度、流速和转化率随着轴向距离的延长而不断变化，但在不同的截面上没有物料的混合；在垂直于流动方向(径向)的横截面上，每个颗

6、粒的速度完全相同，温度均匀，浓度均匀，速度相等，即径向混合均匀。也称为平流或塞流。理想混合：在连续操作的反应器中，由于良好的搅拌，进入反应器的物料立即与反应器中的物料充分混合，反应器中的所有点在任何地方都是均匀的，出口处的物料浓度与反应器中的完全相同。1.理想间歇反应器的特性(BSTR):理想间歇反应器中的反应结果由化学反应的内在动力学唯一确定。因为釜式反应器是间歇操作的，所以釜中物料的组成和反应进程随时间而变化。如果没有严格的操作程序，不同批次的反应产物质量可能会有所不同。2。反应器体积的计算，间歇操作釜式反应器的物料平衡：对于组分A:单位时间内反应消耗的A物料量=单位时间内A物料的累计量，

7、输入物料量=由输出物料量反映的物料累计量，以及恒定体积过程：0，t，ca，ca0，(-rA)，0，ca0，1/(-RAa)，cA，面积=t，0，xA，1/(-RAa)，面积=t/cA0，间歇反应器的基本方程，的表达式0.70.85用于没有发泡和沸腾的液体；否则，只能使用0.40.6。1.理想管式反应器的特性理想管式反应器也称为活塞流反应器。在反应器的不同轴向位置，物料浓度、反应速率和转化率不相等。在每个轴向截面上，物料浓度、反应速率和转化率相等，不随时间变化；径向没有浓度差。2。反应器体积的计算，在等温稳态条件下，反应物A的物料平衡为：单位时间的输入量A等于单位时间的输出量A，整个反应器的边界

8、条件是：如果反应过程，塞流反应器的基本方程，0，ca，ca0，0，xa，xa，xa=1，0，(-ra)，0，ca0，1/(-ra)，0，ca，面积=VR/qV，0，理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中，它是时空的，而在间歇反应器中，t是时空的为什么它们的表达在两个不同结构和操作条件的反应器中是一致的？在理想的管式反应器中，浓度和转化率随空间时间(管长度)而变化，而在间歇反应器中，浓度和转化率随时间而变化。他们的变化历史是一样的，而反作用的驱动力也是一样的。，全混流反应器，0，0，进料，出料，连续搅拌罐反应器(CSTR)的特点：(1)物料连续流入和流

9、出反应器，操作是一个稳定状态的过程。(2)由于充分搅拌，反应釜中物料的浓度和温度处处相等，与反应器出口处的浓度和温度相等。在等温和稳态条件下，全混流反应器中反应物A的物料平衡如下：假设物料体积不变，流入量=流出量，反应累积量，qn，A0=qn，A0 (1-xa) (-ra) VR，qv0ca0=qv0ca0 (1-xa)面积=VR/qv0，0，xa，1/(-ra)，面积=/cA0=VR/qn然而，全混流反应器的计算公式是一个代数方程。这是因为反应物的温度、浓度和转化率不会随时间(稳态过程)或空间位置(整个反应器是均匀的)而变化。与间歇釜式反应器和活塞流反应器相比，全混流反应器完成相同反应任务(即反应物的等流速和等转化率)所需的空间时间要比间歇釜式反应器和活塞流反应器长得多。全混流反应器中简单串联反应的表达式也是连续流。为什么全混流反应器和活塞流反应器的结果不同？液相反应A B R S，其反应动力学表达式为(- rA)=k1CACBk2CRCS，其中k1=7m3.kmol-1.min-1，k2=3m3.kmol-1.min-1。为完成生产任务，采用有效体积为0.12m3的全混流反应器，等体积加入两股物料A和B，进料浓度为Ca0=2.8 kmolm-3，CB0=1.6 kmolm-3，要求B的转化率达到75%，并尝试反应物A