工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程及反應(yīng)器課件

化學(xué)反應(yīng)工程6.1工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程及反應(yīng)器教學(xué)目的：了解化學(xué)反應(yīng)工程要解決的主要問題

了解化學(xué)反應(yīng)器的主要類型、結(jié)構(gòu)掌握化學(xué)反應(yīng)器的操作方式和特點掌握化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的概念和應(yīng)用重點難點：化學(xué)反應(yīng)器的主要類型、結(jié)構(gòu)和操作特點化學(xué)反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的概念和應(yīng)用參考文獻(xiàn)：梁斌等編，化學(xué)反應(yīng)工程，科學(xué)出版社。朱炳辰主編，化學(xué)反應(yīng)工程，化學(xué)工業(yè)出版社。郭鍇等編，化學(xué)反應(yīng)工程，化學(xué)工業(yè)出版社。張濂等編，化學(xué)反應(yīng)工程原理，華東理工大學(xué)出版社?；瘜W(xué)反應(yīng)工程是一門研究在生產(chǎn)裝置(反應(yīng)器)中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的工程學(xué)科，它把反應(yīng)的化學(xué)特性和反應(yīng)器的傳遞特性結(jié)合起來，形成了化學(xué)工程學(xué)科的一個重要分支。一、化學(xué)反應(yīng)工程概述研究內(nèi)容包括兩個方面的內(nèi)容，即反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器設(shè)計分析。圖1

典型的化學(xué)加工過程化學(xué)反應(yīng)工程的研究對象，是生產(chǎn)過程的核心-工業(yè)反應(yīng)過程。工業(yè)生產(chǎn)實踐和實驗室研究均表明，化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果不僅取決于化學(xué)反應(yīng)自身的規(guī)律，而且在很大程度上還取決于工業(yè)反應(yīng)器中物料的混合與流動、傳質(zhì)與傳熱等一系列帶有共性的工程技術(shù)問題，這被稱為反應(yīng)器的傳遞特性。1、反應(yīng)動力學(xué)--研究化學(xué)反應(yīng)的速率和反應(yīng)機理，以獲得工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計與操作所需的動力學(xué)知識和信息，如反應(yīng)模式、速率方程及反應(yīng)活化能等。2、反應(yīng)器設(shè)計分析--研究反應(yīng)器內(nèi)上述因素的變化規(guī)律，找出最優(yōu)工況和適宜的反應(yīng)器型式和尺寸。宏觀動力學(xué)方程：未排除傳遞過程影響直接測得的動力學(xué)方程。本征動力學(xué)方程：排除傳遞過程的影響而得到的動力學(xué)方程。在化學(xué)反應(yīng)工程的研究中，要求能把反應(yīng)過程本身的規(guī)律和物理因素的影響區(qū)分開來。在設(shè)計反應(yīng)器時，測定化學(xué)反應(yīng)的本征動力學(xué)方程是必要的條件。注意：在實驗室中測定反應(yīng)速率方程式時，要十分注意排除傳遞過程（主要是傳熱和傳質(zhì)）的影響。種類特點應(yīng)用范圍

管式反應(yīng)器長度遠(yuǎn)大于管徑,內(nèi)部沒有任何構(gòu)件多用于均相反應(yīng)過程

釜式反應(yīng)器高度與直徑比約為2-3內(nèi)設(shè)攪拌裝置均相、多相反應(yīng)過程均可塔式

(填料塔板式塔)高度遠(yuǎn)大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過程

固定床底層內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物用于多相反應(yīng)系統(tǒng)

流化床反應(yīng)過程中反應(yīng)器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運動，提高反應(yīng)器內(nèi)液體的混合性能多相反應(yīng)體系，可以提高傳熱速率

移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生

滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過程二、化學(xué)反應(yīng)器的類型（a）管式反應(yīng)器；（b）釜式反應(yīng)器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）噴霧塔；（g）固定床反應(yīng)器；（h）流化床反應(yīng)器；（i）移動床反應(yīng)器；（j）滴流床反應(yīng)器三、化學(xué)反應(yīng)的分類反應(yīng)器的操作方式：

間歇操作：一次性投料，卸料。反應(yīng)物系參數(shù)（濃度或組成等）隨時間變化。連續(xù)操作：原料不斷加入，產(chǎn)物不斷引出，反應(yīng)器內(nèi)物系參數(shù)均不隨時間變化。半連續(xù)（或半間歇）：兼有以上兩種過程的特點，情況比較復(fù)雜。四、化學(xué)反應(yīng)速率概念

化學(xué)反應(yīng)速率：單位時間內(nèi)單位反應(yīng)混合物體積中反應(yīng)物的反應(yīng)量或產(chǎn)物的生成量。其表示方法因反應(yīng)在間歇或連續(xù)系統(tǒng)中進(jìn)行而不同。1.間歇系統(tǒng)：反應(yīng)物一次加入反應(yīng)器，經(jīng)歷一定的反應(yīng)時間達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率后，產(chǎn)物一次卸出，生產(chǎn)是分批進(jìn)行的。若攪拌系統(tǒng)效果良好，則反應(yīng)物系的組成，溫度，壓力等參數(shù)在每一瞬間都是一致的，但隨反應(yīng)的進(jìn)行，其值隨時間而變，故獨立變量為時間。在間歇系統(tǒng)中，反應(yīng)速率可以表示為單位反應(yīng)時間內(nèi)單位反應(yīng)混合物體積中反應(yīng)物的反應(yīng)量或產(chǎn)物的生成量。即：化學(xué)反應(yīng)速率2.連續(xù)系統(tǒng)：反應(yīng)物和產(chǎn)物在整個反應(yīng)器內(nèi)處于連續(xù)流動狀態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到定態(tài)后，物料在反應(yīng)器內(nèi)沒有積累，系統(tǒng)中的濃度、溫度等參數(shù)在一定位置處是定值，即不隨時間而變化，但在反應(yīng)器中不同位置這些參數(shù)是不同的。因此，對連續(xù)系統(tǒng)，物系中各參數(shù)是空間位置的函數(shù)。連續(xù)系統(tǒng)中反應(yīng)速率可以表示為單位反應(yīng)體積中某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流量的變化。即：對于均相反應(yīng)，反應(yīng)體積指反應(yīng)混合物在反應(yīng)器中所占據(jù)的體積；理想反應(yīng)器及其設(shè)計計算理想流動和理想反應(yīng)器在連續(xù)操作的反應(yīng)器中，流體流動的兩種極端情況：理想排擠：當(dāng)物料在反應(yīng)器內(nèi)流動通過時，沿著物料的流動方向（軸向），由于發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，物料的濃度，流速,轉(zhuǎn)化率等都隨著軸向距離的延伸不斷地發(fā)生變化，但在不同截面上并沒有任何物料的混合；而在與流動方向垂直的截面上（徑向），各質(zhì)點的流速完全相同、溫度均勻、濃度均勻、流速相等，即徑向混合均勻。也叫做平推流或活塞流。理想混合：在一連續(xù)操作的反應(yīng)器中，由于有良好的攪拌，致使進(jìn)入反應(yīng)器的物料立即與反應(yīng)器內(nèi)的物料充分混合，反應(yīng)器內(nèi)各點處處均勻，而且出口物料的濃度與器內(nèi)的濃度也完全一樣。

間歇釜式反應(yīng)器一、理想間歇操作釜式反應(yīng)器（BSTR）的特點：理想的間歇操作釜式反應(yīng)器中的反應(yīng)結(jié)果，唯一地由化學(xué)反應(yīng)本征動力學(xué)所確定。由于釜式反應(yīng)器是間歇操作，釜內(nèi)的物料的組成和反應(yīng)進(jìn)程均隨時間而變。如果沒有嚴(yán)格的操作規(guī)程可能使不同批次的反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量不一。由于劇烈的攪拌，均相反應(yīng)物可達(dá)到分子尺度上的均勻。因而排除了物質(zhì)傳遞過程對化學(xué)反應(yīng)的影響。當(dāng)反應(yīng)器具有足夠快的傳熱速率時，可使反應(yīng)器內(nèi)的溫度均勻一致，因而也排除溫度對化學(xué)反應(yīng)的影響。二、反應(yīng)器容積的計算對間歇操作的釜式反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算：對于著眼組分A：單位時間內(nèi)由于反應(yīng)而消耗的A物料量=—單位時間內(nèi)A物料的積累量輸入的物料量=輸出的物料量+反應(yīng)掉的物料量+物料的積累量對于定容過程：0tcAcA00txAxA=10t(-rA)0cA01/(-rA)cA面積=t0xA1/(-rA)面積=t/cA0間歇反應(yīng)器基本方程式反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率式反應(yīng)物濃度式轉(zhuǎn)化率式零級一級二級理想間歇操作釜式反應(yīng)器中簡單級數(shù)的反應(yīng)的表達(dá)式間歇操作，除反應(yīng)所需的時間t，還有加料、出料和清洗等操作步驟所需的輔助時間t‘每小時處理的物料體積為v，反應(yīng)器的有效容積為VR：裝料系數(shù)為：它是反映器有效容積占總?cè)莘e的比值，通常根據(jù)經(jīng)驗選定。對不發(fā)生泡沫不沸騰的液體，采用0.7~0.85，反之，只可采用0.4~0.6。

理想管式反應(yīng)器一、理想管式反應(yīng)器（PFR）的特點:理想的管式反應(yīng)器也稱作平推流反應(yīng)器(plugflowreactor,PFR)：在反應(yīng)器軸向不同位置上，物料濃度、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率等均不相等；在軸向的每一個截面上，物料濃度、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率均相等，且不隨時間而變化；在徑向不存在濃度差。二、反應(yīng)器容積的計算在等溫定態(tài)條件下，對反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算:單位時間內(nèi)A的輸入量=單位時間內(nèi)A的輸出量+單位時間內(nèi)反應(yīng)掉A的量對整個反應(yīng)器，其邊界條件為：若反應(yīng)過程中流體體積流量不發(fā)生變化空間時間：反應(yīng)器的有效容積與進(jìn)口處的體積流量之比。平推流反應(yīng)器基本方程式0cAcA00xAxA=10(-rA)0cA01/(-rA)cA面積=

=VR/qV，00xA1/(-rA)面積=

/cA0=VR/qn，A0反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率式反應(yīng)物濃度式轉(zhuǎn)化率式零級一級二級理想管式反應(yīng)器中簡單級數(shù)的反應(yīng)的表達(dá)式理想管式反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果與理想間歇反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果完全相同，只是在理想管式反應(yīng)器中，

是空間時間，而間歇反應(yīng)器中，t為反應(yīng)時間。為什么在兩種結(jié)構(gòu)和操作情況都不相同的反應(yīng)器中，它們的表達(dá)式卻是一致的呢？在理想管式反應(yīng)器中濃度和轉(zhuǎn)化率隨空間時間（管長）而變，在間歇反應(yīng)器中濃度和轉(zhuǎn)化率隨時間而變。他們的變遷史是相同的，反應(yīng)的推動力也是一致的。

全混流反應(yīng)器00進(jìn)料出料全混流（理想混合）反應(yīng)器（ContinuousStirredTankReactior，CSTR）的特點：（1）物料連續(xù)地流入和流出反應(yīng)器，操作為定態(tài)過程。（2）由于充分的攪拌，反應(yīng)釜內(nèi)物料的濃度、溫度處處相等并且等于反應(yīng)器出口物料的濃度和溫度。0在等溫、定態(tài)條件下對全混流反應(yīng)器中反應(yīng)物A進(jìn)行物料衡算：設(shè)反應(yīng)過程中，物料體積不變進(jìn)入量=引出量+反應(yīng)量+累積量qn,A0=qn,A0(1-xA)+(-rA)VRqV0cA0=qV0cA0

(1-xA)+(-rA)VRVRqV0==cA0

xA-rA=cA0

-cA-rA全混流反應(yīng)器基本方程式0cA01/(-rA)cA面積=

=VR/qV00xA1/(-rA)面積=

/cA0=VR/qn，A0物料出口時情況間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器的計算方程式都是微分形式；而全混流反應(yīng)器的計算式卻是一個代數(shù)方程。這是因為全混流反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)物的溫度、濃度、轉(zhuǎn)化率均不隨時間而變(定態(tài)過程)也不隨空間位置而變(整個反應(yīng)器內(nèi)是均勻的)。與間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器比較，為完成同樣的反應(yīng)任務(wù)(即流量相等，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等)全混流反應(yīng)器所需的空間時間遠(yuǎn)大于間歇釜式反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器所對應(yīng)的時間。反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率式反應(yīng)物濃度式轉(zhuǎn)化率式零級一級二級全混流反應(yīng)器中簡單級數(shù)的反應(yīng)的表達(dá)式同樣是連續(xù)流動，為什么全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器的結(jié)果會不一樣呢?某液相反應(yīng)A+BR+S，其反應(yīng)動力學(xué)表達(dá)式為(-rA)=k1CACB—k2CRCS

，式中k1=7m3.kmol-1.min-1，k2=3m3.kmol-1.min-1。今要完成一生產(chǎn)任務(wù)，采用有效體積為0.12m3的全混流反應(yīng)器，物料A、B兩股物流等體積加入，進(jìn)料濃度為CA0=2.8

kmol.m-3，CB0=1.6

kmol.m-3，要求B的轉(zhuǎn)化率達(dá)到75%，試求反應(yīng)物A、B的進(jìn)料流量。qvA、cA0qvB、cB0（qvA=qvB=0.004m3min-1）(-rA)=k1CACB—k2CRCS=0.04（kmol.m-3

.min-1

）CA=1.4-0.8*0.75=0.8（kmol.m-3

）CB=0.8-0.8*0.75=0.2（kmol.m-3

）CR=0.8*0.75=0.6（kmol.m-