第四章 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué) (師范生)

1、第四章第四章 工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程及反應(yīng)器工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程及反應(yīng)器第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 理想反應(yīng)器及其計(jì)算理想反應(yīng)器及其計(jì)算三三傳傳一一反反本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1. 簡要介紹化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)研究的內(nèi)容和方法、反應(yīng)器的分類、理想流動模型和理想反應(yīng)器的概念；2. 重點(diǎn)介紹幾種理想均相反應(yīng)器的特性和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方程，以及反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)器體積和轉(zhuǎn)化率的計(jì)算；第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)和研究方法一、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)和研究方法二、化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)器的分類二、化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)器的分類三、理想均相反應(yīng)器三、理想均相反應(yīng)器四、物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型（理

2、想流動模型）四、物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型（理想流動模型）反應(yīng)系統(tǒng)的測量與控制反應(yīng)過程動態(tài)特性工程控制傳遞工程反應(yīng)器中流體流動、混合、傳熱和傳質(zhì)最佳化化學(xué)工藝流程與設(shè)備反應(yīng)工藝路線催化劑反應(yīng)條件反應(yīng)器的設(shè)計(jì)反應(yīng)技術(shù)開發(fā)化學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)動力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)反應(yīng)過程分析一一、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)和研究方法、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)和研究方法是化學(xué)工程學(xué)的一個分支，常簡稱為反應(yīng)工程。是化學(xué)工程學(xué)的一個分支，常簡稱為反應(yīng)工程?；瘜W(xué)反應(yīng)工程范圍示意圖：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的基本任務(wù)：（1）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，挖掘）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，挖掘潛力，降低消耗，提高

3、效率；潛力，降低消耗，提高效率；（2）開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；）開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備；（3）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題；）指導(dǎo)和解決反應(yīng)過程開發(fā)中的放大問題；（4）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化；）實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的最優(yōu)化；（5）不斷發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法。）不斷發(fā)展反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法：數(shù)學(xué)模擬法數(shù)學(xué)模擬法數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大或控制過程中，在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大或控制過程中，都需要對研究對象作出定量的描述，也都需要對研究對象作出定量的描述，也就是要用數(shù)學(xué)式來表達(dá)各參數(shù)間的關(guān)系，就是要用數(shù)學(xué)式來表達(dá)各參數(shù)間的關(guān)系，簡稱數(shù)學(xué)模

4、型。簡稱數(shù)學(xué)模型?；瘜W(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括下列內(nèi)容：化學(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括下列內(nèi)容：（1）動力學(xué)方程式）動力學(xué)方程式（2）物料衡算式）物料衡算式（3）熱量衡算式）熱量衡算式（4）動量衡算式）動量衡算式（4）參數(shù)計(jì)算式）參數(shù)計(jì)算式數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖數(shù)學(xué)模擬放大法示意圖明確明確任務(wù)任務(wù) 建立建立 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 解算解算 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 檢驗(yàn)檢驗(yàn) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型實(shí)際實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用修改模型修改模型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)二、化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)器的分類二、化學(xué)反應(yīng)過程和化學(xué)反應(yīng)器的分類1. 基本概念與術(shù)語：基本概念與術(shù)語：化學(xué)計(jì)量方程化學(xué)計(jì)量方程化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)速率轉(zhuǎn)化

5、率轉(zhuǎn)化率選擇性選擇性收率收率2. 化學(xué)反應(yīng)過程的分類化學(xué)反應(yīng)過程的分類3. 化學(xué)反應(yīng)器的分類化學(xué)反應(yīng)器的分類化學(xué)計(jì)量方程：化學(xué)計(jì)量方程：它表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過程中量的它表示各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過程中量的變化關(guān)系的方程。變化關(guān)系的方程。如方程：如方程：32223NHHN 032223 HNNH一個由一個由S個組分參與的化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)計(jì)量方程為：個組分參與的化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)計(jì)量方程為： 1 A1 + 2 A2 + + s As = 0 01 siiiA Ai表示表示i 組分組分； i為為i 組分組分 的計(jì)量系數(shù)。的計(jì)量系數(shù)。 化學(xué)反應(yīng)速率：化學(xué)反應(yīng)速率：對于均相反應(yīng)，常用單位時(shí)間、單位

6、反應(yīng)體對于均相反應(yīng)，常用單位時(shí)間、單位反應(yīng)體積內(nèi)某組分的物質(zhì)的量的變化來定義該組分積內(nèi)某組分的物質(zhì)的量的變化來定義該組分的反應(yīng)速率。的反應(yīng)速率。dtdnVrii1dtdCdtVndriii)/(反應(yīng)過程體積恒定：反應(yīng)過程體積恒定：fFeEbBaAdtdCdtdnVrAAA1)(dtdCdtdnVrBBB1)(dtdCdtdnVrEEE 1dtdCdtdnVrFFF 1frerbrarFEBA)()(fFeEbBaA 反應(yīng)速率方程式，通?？梢杂萌缦聝绾瘮?shù)的形式表示：反應(yīng)速率方程式，通?？梢杂萌缦聝绾瘮?shù)的形式表示：BAAACkCdtdnVr1）（說明：說明：各組分反應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：各組分反

7、應(yīng)速率之間存在如下關(guān)系：1. 各濃度項(xiàng)上方的指數(shù)各濃度項(xiàng)上方的指數(shù) 和和 分別是反應(yīng)對分別是反應(yīng)對A組分和組分和B組分的反應(yīng)級數(shù)，它們的代數(shù)和稱為總反應(yīng)級數(shù)。組分的反應(yīng)級數(shù)，它們的代數(shù)和稱為總反應(yīng)級數(shù)。 2. 反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)級數(shù) 和和 的值由實(shí)驗(yàn)確定，它與反應(yīng)機(jī)理無的值由實(shí)驗(yàn)確定，它與反應(yīng)機(jī)理無 直接關(guān)系，也不等于各組分的計(jì)量系數(shù)。只有當(dāng)化直接關(guān)系，也不等于各組分的計(jì)量系數(shù)。只有當(dāng)化 學(xué)計(jì)量方程與實(shí)際反應(yīng)的機(jī)理式一致時(shí)，反應(yīng)級數(shù)學(xué)計(jì)量方程與實(shí)際反應(yīng)的機(jī)理式一致時(shí)，反應(yīng)級數(shù) 才會與計(jì)量系數(shù)相等，才會與計(jì)量系數(shù)相等， 這一類反應(yīng)稱為基元反應(yīng)。這一類反應(yīng)稱為基元反應(yīng)。 3. k 為反應(yīng)速率常數(shù)，它與溫

8、度為反應(yīng)速率常數(shù)，它與溫度T 之間遵循阿累尼烏之間遵循阿累尼烏 斯方程：斯方程： RTEAek/ 質(zhì)量作用定律質(zhì)量作用定律 (基元反應(yīng)基元反應(yīng))轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率：它表明反應(yīng)的深度，即反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化的百分率。它表明反應(yīng)的深度，即反應(yīng)物料轉(zhuǎn)化的百分率。轉(zhuǎn)化率（轉(zhuǎn)化率（xA）的的物物質(zhì)質(zhì)的的量量進(jìn)進(jìn)入入反反應(yīng)應(yīng)器器的的的的物物質(zhì)質(zhì)的的量量物物的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為目目的的產(chǎn)產(chǎn)物物和和副副產(chǎn)產(chǎn)AA 的的起起始始物物質(zhì)質(zhì)的的量量反反應(yīng)應(yīng)物物的的物物質(zhì)質(zhì)的的量量反反應(yīng)應(yīng)消消耗耗的的AA 間歇系統(tǒng)：間歇系統(tǒng)：00,f ,AAAAnnnx連續(xù)流動系統(tǒng)：連續(xù)流動系統(tǒng)：00,nf ,n,nqqqAAAAx等溫恒容等溫恒容0

9、0,f ,AAAACCCx選擇性：選擇性：它表明反應(yīng)的方向，即反應(yīng)過程中著眼反應(yīng)物轉(zhuǎn)它表明反應(yīng)的方向，即反應(yīng)過程中著眼反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的百分率?；癁槟康漠a(chǎn)物的百分率。0,0,AAAAnnnx 若反應(yīng)物若反應(yīng)物A經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成目的產(chǎn)物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成目的產(chǎn)物P，其化學(xué)計(jì)量其化學(xué)計(jì)量系數(shù)分別為系數(shù)分別為a 和和p，則選擇性為：則選擇性為：f ,0,f ,AAPPnnnnpa0pPaA 收率：收率： 它是反映原料利用率的綜合指標(biāo)。它是反映原料利用率的綜合指標(biāo)。0,0,f ,APPnnnpaAx表表6-1 化學(xué)反應(yīng)過程的分類化學(xué)反應(yīng)過程的分類 分類特征分類特征反反 應(yīng)應(yīng) 過過 程程反應(yīng)特征反應(yīng)特

10、征簡單的，復(fù)雜的（平行的、連串的等）簡單的，復(fù)雜的（平行的、連串的等）熱力學(xué)特征熱力學(xué)特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相相 態(tài)態(tài)均相的（氣、液），非均相的（氣液、氣固、均相的（氣、液），非均相的（氣液、氣固、液液、液固、氣液固）液液、液固、氣液固）時(shí)間特征時(shí)間特征定態(tài)，非定態(tài)定態(tài)，非定態(tài)控制步驟控制步驟化學(xué)反應(yīng)控制，外部擴(kuò)散控制，內(nèi)部擴(kuò)散控制，化學(xué)反應(yīng)控制，外部擴(kuò)散控制，內(nèi)部擴(kuò)散控制，吸附或脫附控制吸附或脫附控制 化學(xué)反應(yīng)器的分類：化學(xué)反應(yīng)器的分類：（1）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：）按反應(yīng)物料的相態(tài)分類：（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類：）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式分類：（3）按操作方式分類：）按操作方式

11、分類：均相反應(yīng)器均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器非均相反應(yīng)器釜式反應(yīng)器釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器塔式反應(yīng)器固定床反應(yīng)器固定床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器流化床反應(yīng)器間歇操作反應(yīng)器間歇操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器連續(xù)操作反應(yīng)器半連續(xù)半連續(xù)(半間歇半間歇) 反應(yīng)器反應(yīng)器三三、理想均相反應(yīng)器、理想均相反應(yīng)器1. 理想間歇反應(yīng)器理想間歇反應(yīng)器2. 活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器3. 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器4. 多級全混流反應(yīng)器多級全混流反應(yīng)器1. 理想間歇反應(yīng)器理想間歇反應(yīng)器TU 理想間歇反應(yīng)器理想間歇反應(yīng)器特點(diǎn)：特點(diǎn)： 假設(shè)反應(yīng)器的攪拌良好。假設(shè)反應(yīng)器的攪拌良好。 反應(yīng)器內(nèi)各處物料的組成反應(yīng)器內(nèi)各處物料的組成 和

12、溫度均一，不隨位置而和溫度均一，不隨位置而 變，僅隨時(shí)間而變。變，僅隨時(shí)間而變。 裝料、卸料需要輔助操作裝料、卸料需要輔助操作 時(shí)間，且產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)時(shí)間，且產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn) 定。定。 2. 活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器（Plug flow reactor, PFR）反應(yīng)物反應(yīng)物A反應(yīng)物反應(yīng)物B生成物生成物R特點(diǎn)：特點(diǎn)： 反應(yīng)器的長徑比較大反應(yīng)器的長徑比較大。 假設(shè)不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間假設(shè)不同時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的物料之間 不發(fā)生逆向混合（返混）。不發(fā)生逆向混合（返混）。 反應(yīng)物沿管長方向流動，反應(yīng)時(shí)間是反應(yīng)物沿管長方向流動，反應(yīng)時(shí)間是 管長的函數(shù)，其濃度隨流動方向從一管長的函數(shù)，其濃度隨流動方向

13、從一 個截面到另一個截面而變化。個截面到另一個截面而變化。 活塞流反應(yīng)器活塞流反應(yīng)器3. 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器（Continuous stirred tank reactor, CSTR）反應(yīng)物反應(yīng)物A反應(yīng)物反應(yīng)物B 全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器生成物生成物R特點(diǎn)：特點(diǎn)： 假設(shè)反應(yīng)器的攪拌良好。假設(shè)反應(yīng)器的攪拌良好。 反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和 溫度處處相等，且等于溫度處處相等，且等于 反應(yīng)器出口的物料組成反應(yīng)器出口的物料組成 和溫度。和溫度。 操作穩(wěn)定，反應(yīng)器內(nèi)物操作穩(wěn)定，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成和溫度均不隨料的組成和溫度均不隨位置和時(shí)間而變。位置和時(shí)間而變。 4. 多級全混流反應(yīng)器

14、多級全混流反應(yīng)器（Continuous stirred tank reactor in series, CSTRs）原料原料A生成物生成物R特點(diǎn)：特點(diǎn)： 反應(yīng)在多個串聯(lián)的全混流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，各釜的反應(yīng)在多個串聯(lián)的全混流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，各釜的 入口濃度就是前一釜的出口濃度。入口濃度就是前一釜的出口濃度。 串聯(lián)的各反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成和溫度均勻一致，串聯(lián)的各反應(yīng)器內(nèi)，物料的組成和溫度均勻一致， 但各級反應(yīng)器之間是突變的。但各級反應(yīng)器之間是突變的。 隨著串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目的增多，其性能愈接近活塞隨著串聯(lián)反應(yīng)器數(shù)目的增多，其性能愈接近活塞 流反應(yīng)器。流反應(yīng)器。 四、物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型（理想流動模型）四、物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型（理想流動模型）1. 理想置換理想置換基本特征：基本特征： 在垂直于反應(yīng)物料總的流動方向截面上，所有的在垂直于反應(yīng)物料總的流動方向截面上，所有的 物性都是均勻的。（溫度、濃度、壓力、速度）物性都是均勻的。（溫度、濃度、壓力、速度） 流