1、第八章 化學反應工程學基本原理 8.1 化學反應工程學概述 8.2 工業反應器 8.3 化學反應動力學基礎 8.4 化學反應器中物料的流動模型 8.5 反應器內物料的停留時間分布 8.6 理想流動模型的停留時間分布一、研究對象：工業反應器二、研究內容（1）化學反應動力學； （2）傳遞過程對反應速率的影響； 宏觀動力學 （3）反應器放大8.1 化學反應工程學概述研究內容（1）反應動力學；（2）反應器設計與分析注意： （1） 工業規模的化學反應較之實驗室規模要復雜得多，在實驗室規模上影響不大的質量和熱量傳遞因素，在工業規?？赡芷鹬鲗ё饔?。在工業反應器中既有化學反應過程，又有物理過程。物理過程與化

2、學過程相互影響，相互滲透，有可能導致工業反應器內的反應結果與實驗室規模大相徑庭。（2） 工業反應器中對反應結果產生影響的主要物理過程是： 由物料的不均勻混合和停留時間不同引起的傳質過程； 由化學反應的熱效應產生的傳熱過程； 多相催化反應中在催化劑微孔內的擴散與傳熱過程。這些物理過程與化學反應過程同時發生。 反應過程與物理過程關系： 從本質上說，物理過程不會改變化學反應過程的動力學規律，即反應動力學規律不因為物理過程的存在而發生變化。但是流體流動、傳質、傳熱過程會影響實際反應場所的溫度和參與反應的各組分濃度在空間上的分布，最終影響到反應的結果。5三、化學反應分類一、按反應系統涉及的相態分類1 均

3、相反應：氣相均相反應和液相均相反應。2 非均相反應：氣固相，氣液相，氣 液固相反應等。二、按有無催化劑1 催化反應2 非催化反應6四、化學反應工程的基本研究方法 化學反應工程的基本研究方法是數學模型法。數學模型法是對復雜的難以用數學全面描述的客觀實體，人為地做某些假定，設想出一個簡化模型，并通過對簡化模型的數學求解，達到利用簡單數學方程描述復雜物理過程的目的。五、數學模型法1建立簡化物理模型73建立數學模型 依照物理模型和相關的已知原理，寫出描述物理模型的數學方程及其初始和邊界條件。4用模型方程的解討論客體的特性規律2. 對復雜客觀實體，在深入了解基礎上，進行合理簡化，設想一個物理過程(模型)

4、代替實際過程。簡化必須合理，即簡化模型必須反映客觀實體，便于數學描述和適用。8利用數學模型解決化學反應工程問題1小試研究化學反應規律；2大型冷模實驗研究傳遞過程規律；3利用計算機或其它手段綜合反應規律和傳遞規律，預測大型反應器性能，尋找優化條件；4熱模實驗檢驗數學模型的等效性。93 半連續操作：反應器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些則是連續流動通過反應器。1 間歇操作：一批物料投入反應器后，經過一定時間的反應再取出的操作方法。2 連續操作：反應物料連續地通過反應器的操作方式。按操作方式分類8.2 工業反應器8.2.1 工業反應器類型101 管式反應器：一般長徑比大于302 槽式反應

5、器：一般高徑比為133 塔式反應器：一般高徑比在330之間按反應器型式按傳熱條件1等溫反應器 整個反應器維持恒溫。2絕熱反應器 反應器與外界沒有熱量交換，全部反應熱效應使物料升溫或降溫。3非等溫、非絕熱反應器 與外界有熱量交換，但不等溫。11按原理分1固定床反應器 2流化床反應器3移動床反應器4. 滴流床反應器12重油的催化裂化流化床反應器13攪拌釜式反應器14鄰二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反應器15乙苯加氫氣液塔式反應器16輕油裂解制乙烯管式非催化反應器8.3 化學反應動力學基礎一、化學反應式SRBAsrba反應物經化學反應生成產物的過程用定量關系式予以描述時,該定量關系式稱為化學反應式二、

6、反應程度（反應進度）0SRBAsrba8.3.1 反應相關的基本概念I0IInn nI：體系中參與反應的任意組分I的摩爾數；I：其計量系數；nI0：起始時刻組分I的摩爾數。討論：1. 恒為正值，具有廣度性質，因次為mol。2. 反應進行到某時刻，體系中各組分的摩爾數與反應程度的關系為：II0I nn三、轉化率A0A0AAAnnnAx組分的起始量組分量轉化了的 普遍使用著眼組分A的轉化率來描述一個化學反應進行的程度。組分A的選取原則：A必須是反應物，它在原料中的量按照化學計量方程計算應當可以完全反應掉（與化學平衡無關），即轉化率的最大值應當可以達到100%，如果體系中有多于一個組份滿足上述要求，

7、通常選取重點關注的、經濟價值相對高的組分定義轉化率。轉化率與反應程度的關系0AAA0AnnnxI0II nnA0AAnx四、收率五、選擇性收率：生成目的產物消耗關鍵組分的量除以關鍵組分的初始量。選擇性：生成目的產物消耗關鍵組分的量除以已轉化的關鍵組分量。22(1)反應持續時間tr （反應時間） 用于間歇反應器。指反應物料進行反應達到所要求的反應程度或轉化率所需時間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應的輔助時間。(2)停留時間t（接觸時間） 用于連續流動反應器，指流體微元從反應器入口到出口經歷的時間。t8.3.2 反應相關的時間概念(3)平均停留時間t 各質點在反應器內停留時間的平均值。2

8、3(4)空間時間 其定義為反應器有效容積VR與流體特征體積流率V0之比值。即 0RVV注意：空間時間是一個人為規定的參量，它表示處理在進口條件下一個反應器體積的流體所需要的時間。空間時間不是停留時間24(5)空間速度SV 空速的一般定義為在單位時間內投入單位有效反應器容積內的物料體積。即：1R0VhVVS1RNOVhVVS標準空速定義為：8.3.3 反應動力學一、反應速率 定義為單位反應體積內反應程度隨時間的變化率13smmoldd1tVr13AAsmmoldd1tnVrnA：反應體系內，反應物A的摩爾數；V：反應體積；t：時間；264D3C2BA對于反應 以反應物B為基準定義的反應速率為：

9、以反應產物C為基準定義的反應速率為：13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVr27 必有 當I為反應物時， I為產物時， DCBA413121rrrrIIrrIIrr 28二、化學反應動力學方程 定量描述反應速率與影響反應速率因素之間的關系式稱為反應動力學方程。大量實驗表明，均相反應的速率是反應物系組成、溫度和壓力的函數。而反應壓力通?？捎煞磻锵档慕M成和溫度通過狀態方程來確定，不是獨立變量。所以主要考慮反應物系組成和溫度對反應速率的影響。29對于體系中只進行一個不可逆反應的過程式中： cA，cB：A，B組分的濃度 mol.m-3 kc為以濃度表示的反應速率常數，隨反應

10、級數的不同有不同的因次。kc是溫度的函數，在一般工業精度上，符合阿累尼烏斯關系。SRBAsrba13BAcAsmmolnmcckr30阿累尼烏斯關系 kc0 ：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無關，具有和反應速率常數相同的因次。 E：活化能，Jmol-1，從化學反應工程的角度看，活化能反映了反應速率對溫度變化的敏感程度。RTEkkec0c31反應級數 m，n：A，B組分的反應級數，m+n為此反應的總級數。 如果反應級數與反應組份的化學計量系數相同，即m=a并且n=b，此反應可能是基元反應。基元反應的總級數一般為1或2，極個別有3，沒有大于3級的基元反應。對于非基元反應，m，n多數為實驗測得的經驗

11、值，可以是整數，小數，甚至是負數。32 把化學反應定義式和化學反應動力學方程相結合，可以得到： 直接積分，可獲得化學反應動力學方程的積分形式。nmckctnVrBAAAdd133 對一級不可逆反應，恒容過程，有： 由上式可以看出，對于一級不可逆反應，達到一定轉化率所需要的時間與反應物的初始濃度cA0無關。AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt34半衰期 定義反應轉化率達到50%所需要的時間為該反應的半衰期。除一級反應外，反應的半衰期是初始濃度的函數。例如 二級反應2AAddkctcAA0A0AA1111xxccckt0A211kct 在工業上化學反應必然要在某種設備內進行，這種設備

12、就是反應器。根據各種化學反應的不同特性，反應器的形式和操作方式有很大差異。 從本質上講，反應器的形式并不會影響化學反應動力學特性。但是物料在不同類型的反應器中流動情況是不同的。8.4 化學反應器中物料的流動模型36簡單混合與返混 若相互混合的物料是在相同的時間進入反應器的，具有相同的反應程度，混合后的物料必然與混合前的物料完全相同。這種發生在停留時間相同的物料之間的均勻化過程，稱之為簡單混合簡單混合。 如果發生混合前的物料在反應器內停留時間不同，反應程度就不同，組成也不會相同?；旌现蟮奈锪辖M成與混合前必然不同，反應速率也會隨之發生變化，這種發生在停留時間不同的物料之間的均勻化過程，稱之為返混返混。378.4.1 全混流模型 連續操作的充分攪拌槽型