化工原理第四版 王志魁.ppt

1、化学反应工程学基础,第一节 概述,一、化学反应工程的研究对象和内容,研究对象：工业规模化学反应过程及其设备的共同规律。,工业规模的化学反应与实验室研究中的化学反应存在非常大的差别。,浓度分布,温度分布,溶液,气体,停留时间分布,A,B,C+D(A+B),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。,实践,数学模型,简化,求解,完成,一致,二、化学反应工程的研究方法,数学模型法： 就是在对反应过程进行抽象和合理的简化的基础上，建立一整套数理方程，即数学模型。,第二节 工业反应器的基本类型,一、化学反应器的分类,（一）按物料的聚集状态分类

2、,可分为均相反应器和非均相反应器两大类,（二）按反应器的结构型式分类,可分为釜式、管式、塔式等反应器,釜式反应器高径比通常接近于1；管式反应器的长径比相差很大，呈细长形结构，有单根直管、盘管、列管等型式；塔式反应器的高径比在上述两者之间。,(a)反应釜,(b)管式反应器,外管,内管,(c)鼓泡塔反应器,(d)列管式固定床 反应器,(e)固定床多段 绝热反应器,(f)流化床反应器,（三）按操作方式分类,可分为间歇操作、连续操作和半连续操作,1、间歇操作,（1）特点： a、不稳定过程： T（t），p（t），c（t），R（t）。产品质量不稳定。 b、易控制，易改变。 c、不易自动化，反应器利用率低,

3、（2）适用：小批量，多品种，速率慢，热效应小的化工企业。 2、连续操作 （1）特点： a、稳定过程 b、难改变品种和条件 c、易自动化 d、设备封闭，污染少，对设备要求高。,二、流体混合的概念及意义,1、流体粒子（微元）在空间顺序上的混合空混。,空混=，完全空混，c=0；空混=0，完全无混合；空混，c 。,2、流体粒子（微元）在时间顺序上的混合返混。,返混=，完全返混，；返混，t。返混=0，完全无返混， t=0,三、间歇操作搅拌釜式反应器,t=0 C=CA,O,t=t C=CA,特点：,（1）分批操作； （2）空混=，c=0；返混=0，完全无返混， t=0。 （3）不稳定过程。 操作灵活方便，

4、适合于小规模、多品种的精细化学品生产。,四、连续操作搅拌釜式反应器,特点 （1）连续操作 （2）条件恒定时，c=常数。 （3）空间混合=；返混=。物料微团在反应器内的停留时间不一致。,A,B,C+D(A+B),外管,内管,适用于需要维持一定生成物或反应物浓度的定常态操作。,五、连续操作管式反应器,特点： （1）连续操作; （2）轴向空间混合=0；返混=0。反应器内任一截面上的物料浓度不随时间变化，但不同截面上的物料浓度不同；湍流时停留时间大致相同。,适用于均相和非均相的反应。,六、 多釜串联反应器,特点： （1）连续操作。 （2）每一级内物料浓度恒定，但各级内的浓度不同，便于分段操作和控制。

5、（3）其停留时间可相对集中，串联的釜数越多，停留时间越趋于一致。,第三节 反应器内物料的流动模型,流动模型从宏观角度对反应系统内物料微团运动现象作了切合实际的简化，以形成了便于定量描述微团运动结果的数学模型方法,一、全混流模型,空间混合=；返混=。,连续操作搅拌釜式反应器,特点： （1）c一致； （2）停留时间不相同，存在停留时间分布。,A,B,C+D(A+B),二、活塞流模型,活塞流模型的混合情况是：轴向空间混合=0；返混=0;,同一截面，u、c、T、t相同，且不随时间改变，不同截面，u、c、T、t不同。,三、非理想流动模型,（一）轴向扩散模型,轴向扩散,活塞流,u,dl,c,c+dc,（二

6、）多级全混模型,釜内空间混合=；返混=。 釜间空间混合=0；返混=0。,当N=1时，为全混流；当N=时，类似于活塞流反应器。,第四节 反应器内物料的停留时间分布,物料微团从进入反应器到离开反应器的时间称为该微团在反应器内的停留时间。,一、停留时间,二、停留时间分布的表示方法,闭式系统：只有一个入口和一个出口，物料微团一旦进入系统，就不再返回输入管路，而一旦离开系统，也不再返回系统。,（一）停留时间分布密度函数,停留时间分布密度函数,t,E(t),t,t+dt,特点:,1、t不同，y不同 2、t-t+t间的面积，为停留时间为t-t+t间的分子所占的分率。 3、0E(t)dt=1 不同停留时间的物料离子所占的分率总和应等于1，即所谓归一化条件。 N/N=1。 4、增减性与系统有关。,停留时间分布函数,（二）停留时间分布函数,停留时间分布函数,停留时间分布密度函数,F(t)=F(),=t/t,E(t)dt=E()d,E()=tE(t),E()= dF()/d,特点:,1、单调递增函数； 2、最大值为1。,（三）用对比时间表示,三、几种流动模型的停留时间分布,（二