第五章化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)容提綱：本章首先介紹了流體在反應(yīng)器內(nèi)流動模型和反應(yīng)器內(nèi)物料衡算，在此基礎(chǔ)上主要討論了基本反應(yīng)器即間歇操作反應(yīng)釜、管式反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)釜在均相反應(yīng)中應(yīng)用，重點介紹了這幾個反應(yīng)器體積和物料在其中達(dá)成一定轉(zhuǎn)化率所需時間計算。第一節(jié)概述一、化學(xué)反應(yīng)工程介紹：1.化學(xué)反應(yīng)工程發(fā)展概況：遠(yuǎn)在古代，人們就開始利用化學(xué)反應(yīng)，如陶器制作、酒與醋釀造、金屬冶煉以及煉丹、造紙等等，然而，這些生產(chǎn)過程直到上世紀(jì)五十年代尚未形成一門獨立學(xué)科，其原因是由于人類還沒有能夠從種類繁多、看起來似乎毫不相干而又變化多端反應(yīng)過程中，認(rèn)清它們共同規(guī)律。科學(xué)技術(shù)發(fā)展，尤其是二戰(zhàn)后石油化工發(fā)展，對化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計產(chǎn)生了迫切要求，而化學(xué)動力學(xué)研究進(jìn)展和化工單元操作方面理論和實踐經(jīng)驗日趨成熟，才使此類問題系統(tǒng)處理有了也許，因而于1957年在歐洲荷蘭Amsterdan城，召開了初次化學(xué)反應(yīng)工程會議，確定這一學(xué)科名稱為：ChemiCalReaCtionEngineering即化學(xué)反應(yīng)工程，英文縮寫為CRE。第1頁2.CRE研究對象和內(nèi)容：CRE研究是工業(yè)規(guī)模化學(xué)反應(yīng)過程及其設(shè)備共同規(guī)律。工業(yè)規(guī)模化學(xué)反應(yīng)，與試驗室研究中化學(xué)反應(yīng)存在不可忽視、有時甚至是非常大差異。工業(yè)規(guī)模化學(xué)反應(yīng)，必須與傳遞規(guī)律結(jié)合起來研究，因而才顯得復(fù)雜而困難。CRE研究內(nèi)容：

（1）研究化學(xué)反應(yīng)器基本理論；

（2）反應(yīng)器設(shè)計、放大、控制；

（3）反應(yīng)器設(shè)計、操作優(yōu)化。3.CRE研究辦法：化工生產(chǎn)過程中物理變化規(guī)律，即單元操作，是用因次分析法或經(jīng)驗歸納法伎倆去研究。但對于化學(xué)反應(yīng)工程，這樣辦法是不行。由于在反應(yīng)器中，現(xiàn)有物理過程，又有化學(xué)過程，相同物理過程，不一定能造成相同化學(xué)過程。因此，在化學(xué)反應(yīng)工程研究中，必須采取另外研究辦法，也就是數(shù)學(xué)模擬法或稱為數(shù)學(xué)模型法。二、化學(xué)反應(yīng)器分類：1.按反應(yīng)器構(gòu)造型式分類：這種分類實質(zhì)是按傳遞特性分類，反應(yīng)出不一樣反應(yīng)器中最基本傳遞過程差異。按反應(yīng)器構(gòu)造特性，常見工業(yè)反應(yīng)器可分為釜式、管式、塔式。112第2頁均相反應(yīng)器中又能夠分為氣相反應(yīng)器、單一液相反應(yīng)器，非均相反應(yīng)器分為氣-液相、氣-固相、液-液相、液-固相、氣-液-固相反應(yīng)器等等。均相反應(yīng)器中，由于反應(yīng)過程不受擴(kuò)散情況影響，因此它構(gòu)造就比較簡單，一般就采取管式、釜式反應(yīng)器。非均相反應(yīng)器中，兩相接觸情況對反應(yīng)有極大影響，因此，反應(yīng)器設(shè)計時就要考慮改善接觸狀態(tài)原因。因此它構(gòu)造就要復(fù)雜某些。如113頁。3.按物料聚集狀態(tài)分類這種分類實質(zhì)是按動力學(xué)特性分類。不一樣聚集狀態(tài)物質(zhì)，其反應(yīng)有不一樣動力學(xué)規(guī)律。按物料聚集狀態(tài)，可分為均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器兩大類。2.按操作辦法分類：可分為間歇、半間歇、連續(xù)式三種。生產(chǎn)特性：反應(yīng)程度和反應(yīng)物性質(zhì)均隨時間而變化。操作特點：原料一次加入，通過一定期間后，反應(yīng)產(chǎn)物一次卸出。間歇反應(yīng)器半間歇反應(yīng)器生產(chǎn)特性：反應(yīng)程度和反應(yīng)物性質(zhì)均隨時間而變化。操作特點：一種原料一次加入，另外反應(yīng)物以一定速度連

連續(xù)操作反應(yīng)器操作特點：反應(yīng)物和產(chǎn)物都是連續(xù)穩(wěn)定地加入和引出。生產(chǎn)特性：反應(yīng)進(jìn)行程度也許隨反應(yīng)器位置而變化，但不伴隨時間而變。續(xù)地加入，反應(yīng)后將產(chǎn)物所有卸出。第3頁4.按溫度條件分類：可分為等溫、不等溫、絕熱反應(yīng)器等三種。在以上很多分類中，我們本章將要學(xué)習(xí)是基本反應(yīng)器，它包括間歇操作反應(yīng)釜、管式反應(yīng)器、連續(xù)操作反應(yīng)釜。第4頁三、流體在反應(yīng)器內(nèi)流動：(1)抱負(fù)置換流動(活塞流或柱塞流)：是指物料以穩(wěn)定流量由反應(yīng)器一端流入反應(yīng)器后，各物料微元沿流動方向齊頭并進(jìn)，完全沒有軸向混合與擴(kuò)散，即沒有返混，就仿佛活塞在氣缸里向前平推同樣。因此又稱為“活塞流”。活塞流模型特點是：（1）在與流動方向垂直任意截面上各點，物料流速、濃度、溫度及停留時間等完全同樣；（2）物料濃度、溫度等各參數(shù)沿流動方向遞變；（3）在每一截面上物料各參數(shù)都不隨時間而變化。細(xì)長型連續(xù)流動管式反應(yīng)器內(nèi)物料流況就近似這種流動模型。在長徑比較大固定床、流化床、鼓泡塔、填料塔等反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)氣相流速達(dá)成一定值后，其氣相流動情況一般亦能夠以為是活塞流。凡器內(nèi)物料呈抱負(fù)置換流動反應(yīng)器就稱為抱負(fù)置換反應(yīng)器。其典型代表是連續(xù)操作活塞流管式反應(yīng)器，也稱為平推流反應(yīng)器，以PFR表達(dá)。1.兩種抱負(fù)流動狀態(tài)：(2)抱負(fù)混合流動反應(yīng)器：是指物料以穩(wěn)定流量進(jìn)入反應(yīng)器后，瞬間就在整個反應(yīng)器內(nèi)分散均勻并與器內(nèi)原存留物料完全混合。第5頁抱負(fù)混合流動特點是：（1）整個反應(yīng)器內(nèi)以及出口物料組成和溫度等參數(shù)均勻一致，且不隨時間、空間而變化；（2）各物料微元在器內(nèi)停留時間不盡相同，存在停留時間分布。在實際反應(yīng)器中，帶強(qiáng)烈攪拌連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)物料流況就近似于這種流動模型。另外，沸騰床中固相顆粒運動，長徑比比較大鼓泡塔中液相流動，大循環(huán)量連續(xù)反應(yīng)器流體流動等等，也都趨近于這種流動模型。凡是器內(nèi)物料呈抱負(fù)混合流動反應(yīng)器，就稱為抱負(fù)混合反應(yīng)器。一般用連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器代表抱負(fù)混合反應(yīng)器，也稱為全混釜，以CSTR表達(dá)。上述抱負(fù)流動，是抱負(fù)流動模型兩種極端情況。實際反應(yīng)器中物料流況總是或多或少地偏離抱負(fù)狀態(tài)，而是介于抱負(fù)混合和抱負(fù)置換兩種流動模型之間，這種流動統(tǒng)稱為非抱負(fù)流動。造成這種偏離原因主要是反應(yīng)器型式、操作條件和物料性質(zhì)。2.流體在反應(yīng)器內(nèi)停留時間：1.抱負(fù)置換流動停留時間：由于沒有返混，所有質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)停留時間都相等，設(shè)流體在通過反應(yīng)器時，體積不發(fā)生變化，第6頁τ------流體在反應(yīng)器內(nèi)停留時間，VR------反應(yīng)器體積，v------流體體積流量，F(xiàn)-----流體摩爾流量，C-------流體濃度，則τ=VRv=VRF/C2.抱負(fù)混合流動停留時間：抱負(fù)混合流動中，物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布在0和無窮之間，一般就用平均停留時間來表達(dá)。τ=VRv=VRF/C四、反應(yīng)器物料衡算：進(jìn)入反應(yīng)器物料量=引出反應(yīng)器物料量+反應(yīng)消耗物料量+積累物料量

（1）

（2）

（3）

（4）

對于不一樣操作反應(yīng)器，可作如下簡化。

間歇反應(yīng)器：（3）+（4）=0

連續(xù)穩(wěn)定反應(yīng)器：（1）=（2）+（3）

半連續(xù)反應(yīng)器：（1）=（2）+（3）+（4）

第7頁第二節(jié)間歇操作反應(yīng)釜一、反應(yīng)時間計算：對間歇操作反應(yīng)釜，一種生產(chǎn)周期由兩部分，一部分為化學(xué)反應(yīng)時間τ，另一部分為裝料、清洗等輔助時間τ‘。間歇反應(yīng)釜內(nèi)物料是一種完全混合流動，釜內(nèi)物料組成和溫度是均勻，因此可選擇整個反應(yīng)器內(nèi)組分A為物料衡算范圍，則反應(yīng)消耗物料量=-積累物料量設(shè)反應(yīng)釜有效容積，即反應(yīng)混合物所占體積為VR，一定溫度下反應(yīng)速度為rA，則A消耗速度=rA

VR又設(shè)A初始量為nA0，反應(yīng)后任一時刻量為nA，此時轉(zhuǎn)化率為xA，則該時刻A積累速度為：nA=nA0(1-xA),dnA/dτ

=-nA0dxA/dτ

代入衡算式并整頓-rAVR=nA0dxA/dτdτ=nA0dxArAVRτ=nA0dxArAVR∫0xAf對等溫恒容過程，VR保持不變，設(shè)CA0為A初始濃度，則CA0=nA0VRCA0=CA(1-xA)，代入τ計算公式，可得τ=-∫CA0CAdCArA第8頁若A濃度與反應(yīng)速度間函數(shù)關(guān)系rA=f(xA)已知，則反應(yīng)時間就可求出。對一級反應(yīng)，AR，rA

=kCA=kCA0(1-xA)τ=k1lnCACA0=k1ln1-xA1對二級反應(yīng)：A+AB，rA

=kCA2=kCA0(1-xA)2τ=1()kCA1CA01=xAkCA0(1-xA)二、反應(yīng)器實際體積計算：設(shè)反應(yīng)器裝料系數(shù)為φ=VR/VT,每批物料反應(yīng)時間為τ，輔助時間為τ’，一種生產(chǎn)周期內(nèi)平均每單位時間處理物料體積為v，則v=VRτ+τ’vVR=(τ+τ’)vVT=(τ+τ’)φ1三、間歇操作反應(yīng)釜特點及應(yīng)用：1.釜內(nèi)物料溫度、濃度均勻，能夠采取多種方式調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，可達(dá)成較高轉(zhuǎn)化率；2.適應(yīng)性強(qiáng)，可用于小批量多品種生產(chǎn)；3.設(shè)備利用率低，難以實現(xiàn)自動化，不宜大規(guī)模生產(chǎn)。第9頁第三節(jié)管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器一般采取連續(xù)操作辦法進(jìn)行生產(chǎn)，管內(nèi)液體流動接近于抱負(fù)轉(zhuǎn)換流動，適用于氣相反應(yīng)和均一液相反應(yīng)。下列我們主要討論等溫恒容情況。一、空間速度、空間時間：1.空間速度：就是反應(yīng)物體積流量與反應(yīng)器有效體積之比，用Sv來表達(dá)。Sv=v/VR[1/時間］物理意義：單位體積反應(yīng)器在單位時間內(nèi)體積。對恒容過程，當(dāng)體積流量與反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)相同步，它表達(dá)單位時間內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)通過液體體積是反應(yīng)器體積多少倍。但對非恒容過程，則不能這樣以為。空間時間能夠表達(dá)反應(yīng)器生產(chǎn)能力，它值越大，反應(yīng)器生產(chǎn)能力越大。2.空間時間：空間時間是空間速度倒數(shù)，一般用τs來表達(dá)。τs=VR/

v[時間］物理意義：物料連續(xù)流過反應(yīng)器所需要時間。也就是在一定條件下，處理一反應(yīng)器體積物料需要時間。它也是表達(dá)反應(yīng)器特性一種量，它值越小，反應(yīng)器生產(chǎn)能力越大。第10頁二、恒容過程管式反應(yīng)器體積計算：dVRCA0v0xA

=0xAxA+dxACAf

XAf對連續(xù)操作反應(yīng)器，組分A積累速度為0，因此它物料衡算式為：進(jìn)入反應(yīng)器物料量=引出反應(yīng)器物料量+反應(yīng)消耗物料量對微元體積dVR，進(jìn)入時轉(zhuǎn)化率為xA，導(dǎo)出時為xA+dxA，則組分A加入速度=(1-xA

)

v0CA0=

v0CA導(dǎo)出速度=

v0(

CA-

dCA)=

v0CA0(1-xA-dxA)消耗速度=rAdVR代入物料衡算式并整頓，得：dVR=

v0CA00XAfdxArA積分：VR=

v0CA0dxArA對于我們討論等溫恒容過程，xA=CA0-CA第11頁二、恒容過程管式反應(yīng)器體積計算：dVRCA0v0xA

=0xAxA+dxACAf

XAf對連續(xù)操作反應(yīng)器，組分A積累速度為0，因此它物料衡算式為：進(jìn)入反應(yīng)器物料量=引出反應(yīng)器物料量+反應(yīng)消耗物料量對微元體積dVR，進(jìn)入時轉(zhuǎn)化率為xA，導(dǎo)出時為xA+dxA，則組分A加入速度=(1-xA

)

v0CA0=

v0CA導(dǎo)出速度=

v0(

CA-

dCA)=

v0CA0(1-xA-dxA)消耗速度=rAdVR代入物料衡算式并整頓，得：dVR=

v0CA00XAfdxArA積分：VR=

v0CA0dxArA對于我們討論等溫恒容過程，xA=CA0-CACA0dxA=-dCA/

CA0因此，CA0CAdCArAVR=-

v0第12頁三、管式反應(yīng)器特點：1.易于實現(xiàn)自動控制；由于沒有輔助生產(chǎn)時間，設(shè)備利用率高；沒有返混現(xiàn)象，能夠達(dá)成較高轉(zhuǎn)化率；適用于熱交換量較大反應(yīng)。第四節(jié)連續(xù)操作反應(yīng)釜連續(xù)操作反應(yīng)釜特性：1.釜內(nèi)物料情況接近于抱負(fù)混合流動，且釜內(nèi)各處組成和溫度都相同；2.液體內(nèi)各質(zhì)點在釜內(nèi)停留時間不盡相同；3.反應(yīng)物濃度、轉(zhuǎn)化率以及反應(yīng)速度(等溫時)不隨時間、空間而變化。一、連續(xù)操作反應(yīng)釜體積：物料衡算范圍：整個反應(yīng)器物料衡算組分：組分A物料衡算基準(zhǔn)：單位時間進(jìn)料量第13頁進(jìn)入反應(yīng)器物料量=引出反應(yīng)器物料量+反應(yīng)消耗物料量+積累物料量

連續(xù)操作反應(yīng)器：進(jìn)入反應(yīng)器物料量=引出反應(yīng)器物料量+反應(yīng)消耗物量

v0CA0vfCArAVR對等溫恒容過程：v0=vfCA0=CA(1-xA)v0CA0=v0CA0(1-xA)+rAVRVR=v0CA0xArA物料在反應(yīng)釜內(nèi)平均停留時間：τ=VRv0=CA0xArA=CA0-CArA對一級反應(yīng)：VR=v0CA0xAkCArA=kCA=

xAk(1–xA)對二反應(yīng)：rA=kCA2VR=v0CA0xAkCA2τ=τ=CA0xArA=CA0-CAkCA2二、連續(xù)操作單級反應(yīng)釜特點：1.達(dá)成相同轉(zhuǎn)化率，所需時間比間歇反應(yīng)釜或管式反應(yīng)器長得多；2.單位時間內(nèi)處理相同物料及達(dá)成相同轉(zhuǎn)化率時，它體積要最大。第14頁三、多級串聯(lián)反應(yīng)釜：第一釜：τ1

=VR1v0=CA0–CA1rA1τ1

=VR2v0=CA1–CA2rA2第二釜：第n釜：τn=VRnv0=CAn-1–CAn-2rAn對于在n級串聯(lián)釜中進(jìn)行一級反應(yīng)，假如各個釜中操作溫度和有效容積不變，則各釜及k都同樣。ττ=CAn-1-CAnkCAn=xAn-xAn-1k(1–xAn)CAn-1CAn=kτ+1CA0CAn整頓，得=11–xAn=CA0CA1CA1CA2CA2CA3CAn-1CAn……=(1+kτ)n第15頁AS副反應(yīng)rs=dCs/dτ=k2CAn2第五節(jié)均相反應(yīng)器性能比較與選擇作為反