化学反应工程学(师范生).ppt
第四章 工业化学反应过程 及反应器,第四章 工业化学反应过程及反应器,第一节 概述,第二节 理想反应器及其计算,本章主要内容：,1.简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的分类、理想流动模型和理想反应器的概念；,2.重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；,第一节 概 述,一、化学反应工程学的基本任务和研究方法,二、化学反应过程和化学反应器的分类,三、理想均相反应器,四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型）,一、化学反应工程学的基本任务和研究方法,化学反应工程范围示意图：,化学反应工程学的基本任务：,（1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率；,（2）开发新的反应技术和设备；,（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题；,（4）实现反应过程的最优化；,（5）不断发展反应工程学的理论和方法。,化学反应工程学的研究方法：,数学模拟法,数学模型,在反应器的设计、放大或控制过程中，都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。,化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容：,（1）动力学方程式,（2）物料衡算式,（3）热量衡算式,（4）动量衡算式,（4）参数计算式,数学模拟放大法示意图,明确任务,建立 数学模型,解算 数学模型,检验 数学模型,实际应用,修改模型,计算机,计算机,二、化学反应过程和化学反应器的分类,1.基本概念与术语：,化学计量方程,化学反应速率,转化率,选择性,收率,2.化学反应过程的分类,3.化学反应器的分类,化学计量方程：,它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。,如方程：,一个由S个组分参与的化学反应，其化学计量方程为：,1 A1+2 A2+s As=0,Ai表示i 组分；i为i 组分 的计量系数。,化学反应速率：,对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的量的变化来定义该组分的反应速率。,反应过程体积恒定：,反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示：,说明：,各组分反应速率之间存在如下关系：,各浓度项上方的指数 和 分别是反应对A组分和B组分的反应级数，它们的代数和称为总反应级数。,反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无 直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等，这一类反应称为基元反应。,k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌 斯方程：,转化率：,它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。,转化率（xA）,间歇系统：,连续流动系统：,选择性：,它表明反应的方向，即反应过程中着眼反应物转化为目的产物的百分率。,若反应物A经过化学反应生成目的产物P，其化学计量系数分别为a 和p，则选择性为：,收率：,它是反映原料利用率的综合指标。,表6-1 化学反应过程的分类,化学反应器的分类：,（1）按反应物料的相态分类：,（2）按反应器的结构型式分类：,（3）按操作方式分类：,三、理想均相反应器,1.理想间歇反应器,2.活塞流反应器,3.全混流反应器,4.多级全混流反应器,1.理想间歇反应器,TU,理想间歇反应器,特点：,假设反应器的搅拌良好。,反应器内各处物料的组成 和温度均一，不随位置而 变，仅随时间而变。,装料、卸料需要辅助操作 时间，且产品质量不易稳 定。,2.活塞流反应器（Plug flow reactor,PFR）,反应物A,反应物B,生成物R,特点：,反应器的长径比较大。,假设不同时刻进入反应器的物料之间 不发生逆向混合（返混）。,反应物沿管长方向流动，反应时间是 管长的函数，其浓度随流动方向从一 个截面到另一个截面而变化。,活塞流反应器,3.全混流反应器（Continuous stirred tank reactor,CSTR）,反应物A,反应物B,全混流反应器,生成物R,特点：,假设反应器的搅拌良好。,反应器内物料的组成和 温度处处相等，且等于 反应器出口的物料组成 和温度。,操作稳定，反应器内物料的组成和温度均不随位置和时间而变。,4.多级全混流反应器（Continuous stirred tank reactor in series,CSTRs）,原料A,生成物R,特点：,反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的 入口浓度就是前一釜的出口浓度。,串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致，但各级反应器之间是突变的。,随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。,四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型）,1.理想置换,基本特征：,在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度）,流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。,2.理想混合,基本特征：,在整个反应器中，各点的温度与浓度都相同，且等于反应器出口处的物料的温度和浓度。,反应器中粒子的停留时间参 差不齐，有一个典型的分布。,
