2014化学反应工程学基础

四、连续操作搅拌釜式反应器
A B
特点 （1）连续进料连续 出料。 (2)在恒定温度、压 强和流量条件下，反 应器内物料不随时间 变化，是定常态操作。
C+D(A+B)
特点 (3)反应器内出口物料的温度和浓度等于反 应器内物料的温度和浓度。c=常数。 （4）空间混合=∞；返混=∞。物料微团在 反应器内的停留时间不一致。 (5)流体微团的停留时间不同。停留时间常 以平均停留时间来表示，而最终反应转化 率也为平均转化率。
停留时间分布的表示方法
闭式系统：只有一个入口和一个出口，物 料微团一旦进入系统，就不再返回输入管 路，而一旦离开系统，也不再返回系统。
dN N 停 留 时 间 为 t-t+dt的 物 料 量 = 进入系统的物料量
第五节 反应器内物料的停留时间分布 停留时间—物料微团从进入反应器到离开反应器的时间 称为该微团在反应器中的停留时间。 在连续反应器中，反应物料质点的停留时间可能相 同，也可能不同。通常可用物料质点的年龄与寿命来说 明停留时间的长短。 年龄是指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的 时间. 寿命是指反应物料质点从进人反应器到离开反应器的 时间，即质点在反应器中总共停留的时间。
(3) 在气-液反应中，采用双膜论、溶质渗透论 和表面更新论等传质模型来描述气－液传质过程。 (4) 在讨论流固相反应时，用缩芯模型和整体模 型描述反应过程。 这些都是对不同真实过程加以抽象简化、修 改后的数学模型。
２.简化模型的等效性
某一真实过程可以用多个简化模型来描述，但简化模 型必须等效于真实过程，不能简化到失真。
生成物R
③
4—3非理想流动模型
非理想流动模型的流动形态介于上述两种理想流动模 型之间。即物料微团在反应系统内有一定程度的返混，但 不能达到完全返混。 描述这种非理想流动状态的模型有轴向扩散和多级全 混流模型。
轴向扩散模型－活塞流+轴向扩散
它仿照分子扩散的概念，在平推流ห้องสมุดไป่ตู้动上叠加一轴向 分散过程，以表示反应器流动方向上的返混。
相 液相
气-液相
管式 无相界面， 反应速率 只与浓度、 温度有关 釜式、管式 釜式、塔式 有相界面， 釜式、塔式 实际反应 速度与相 固定床、移动 界面大小 床、流化床 及相间扩 散速度有 釜式、塔式 回转窑式 关
液-液相 非 气-固相 均 相 液-固相 固-固相
磺化、硝化、烷基化等
燃烧、还原、各种固相 催化等 还原、离子交换等 电石、水泥制造等
化学反应工程学基础
第一节 概述 一、化学反应工程的研究对象和内容 研究对象：工业规模化学反应过程及其 设备的共同规律。 工业规模的化学反应与实验室研究 中的化学反应存在非常大的差别。
溶液
气体
浓度分布
温度分布
A
B
C+D(A+B)
停留时间分布
研究内容： （1）研究化学反应器的基本理论； （2）反应器的设计、放大、控制； （3）反应器设计、操作的优化。
二、化学反应工程的研究方法
数学模型方法是化学反应工程的基本研究方法， 由四部分组成：
真实过程
简化模型
数学模型
模型计算
修改
模型检验 实际应用
数学模拟方法的基本特点如下：
1.简化模型 将真实过程加以抽象简化成简化模型。例如： (1) 在讨论理想流动时，把管式反应器中物料的 流动状况简化成平推流，把搅拌反应器中物料的 流动状况简化成全混流； (2) 在讨论气固相催化反应本征动力学时，采用 均匀表面吸附理论，即均匀表面吸附模型来描述 发生在颗粒内表面上的催化反应。
具有不同停留时间的粒子（微元） 的逆向混合，称为返混。
返混 流体粒子（微元）在时间顺序上的混合
平推流反应器
理想流动模型 流 动 模 型 返混=∞或 返混=0 全混流反应器
返混=0
返混=∞
轴向扩散模型 非理想流动模型 介于两种理 想流动之间 多级全混流模型
4—1全混流模型
反应物A 反应物B
特点：
① 假设反应器的搅拌良好。
气-液-固相 加氢裂解、加氢脱硫等
釜式、固定床、 流化床
（二）按反应器的结构型式分类 可分为釜式、管式、塔式等反应器
釜式反应器高径比通常接近于1；管 式反应器的长径比相差很大，呈细长形结 构，有单根直管、盘管、列管等型式；塔 式反应器的高径比在上述两者之间。
外管
内管
(a)反应釜
(b)管式反应器
(c)鼓泡塔反应器
整理得：
rA C A,0
单位时间 出系统A 物质的量
dxA dVR qV ,0
单位时间 A物质反 应的量
反应时间：间歇反应器中，反应物料从开始反应到达到 所要求转化率所持续的时间。 停留时间：在连续的流动反应器中，物料质点从反应器 入口到出口所经历时间。 空间时间：连续流动反应器中，反应器的有效体积(反 应体积)与指定状态下流体入口体积流率qV,0之比，简称 空时。
多级全混流模型
原料A
生成物R 特点：
① 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。
② 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。 ③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
注意:
1)返混较全混流在一定程度得到抑制，串联釜数越多，抑制作用越大。因此，串联釜 数可以用来衡量反应器内物料的返混程度。串联釜数为1时，为全混流；串联釜数为∞时， 为平推流。 2)与扩散模型一样，多级全混流模型模拟实际反应器也是虚拟 的。反应器本身并不一定是多个全混流反应器串联，只是用这种模 型来表示其中物料的返混程度。 3)虽然模型概念与实际过程返混的机理完全不同，但模型直观、简单，能对任何返混 现象造成的返混程度做等效描述，相对于扩散模型也更便于求解。
明确 任务
建立 数 学模型
计算机
解算 数 学模型
检验 数学 计算机 实际 模型 应用
修改模型
数学模拟放大法示意图
物料 在反 应器 内流 动时 可能 存在 两种 不同 的混 合。
空混 流体粒子（微元）在空间顺序上的混合
流体粒子在反应器内相对位置发生变 化而造成的物料微元之间的混合，称为空 间混合，简称空混。
3)对于气固相流动反应系统，流体只能从颗粒的空隙中 通过，此时的空间时间应根据V空计算，即

VR
dVR
qV ,0
0

VR
qV,0
4)空间速度表示在单位时间内通过单位反应器体积的物料 体积，其值为空间时间的倒数，用符号SV表示，即
q V,0 SV VR 1
第四节反应器内物料的流动模型
3.数学方法简单 简化模型决定了模型的数学方法，力求数学方法简单。 例如在气液反应中，双膜论所采用的方法比渗透论的 数学方法简单，所以直到现在，人们仍然采用双膜论 来研究气液反应。 4.模型参数少，便于测定 简化模型中都含有模型参数。模型参数是简化模型偏 离真实过程的归并结果，都要通过实验确定，所以模 型参数越少越好，而且要便于测定。
数学模拟方法是化学反应工程中主要的研究方法，是 可行的，但并不是一种万能方法。 对于物料的流动状况，可以用流动模型描述。平推流 和全混流是流动状况的两种极端状况。平推流和全混
流是理想流动模型，它们没有模型参数，因此可以直
接对平推流反应器和全混流反应器进行计算。
对于非理想流动，可以用非理想流动模型描述，非理
C=CA,O t=t
C=CA
特点： （1）一次性进料，反应结束一次性出 料。所有物料反应时间相同。 （2）空混=∞，Δc=0；返混=0，完全 无返混， Δt=0。 （3）反应物和生成物浓度均随时间变 化，反应速率也随时间变化，为非定常 态操作过程。 操作灵活方便，适合于小规模、多品种 的精细化学品生产。
化学反应工程学的研究方法： 数学模型 —— 数学模型法 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。
数学模型方法的基本精神有以下几点。 ① 简化。 ② 等效性。 ③ 模型简化的程度体现在模型参数的个数。
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 （3）热量衡算式 （5）参数计算式 （2）物料衡算式 （4）动量衡算式
想流动模型中含有模型参数。
建立数学模型的依据： 物料衡算 热量衡算 动力学方程 参数方程
第二节 工业反应器的基本类型
一、化学反应器的分类 （一）按物料的聚集状态分类
可分为均相反应器和非均相反应器两大类
反应器种类 举例
均 气相
特性
适用的反应器 形式
燃烧、裂解、烃高温氯 化等
中和、酯化、水解等 氧化、氯化、加氢、化 学吸收等
适用于需要维持一定生成物或反应物浓度 的定常态操作。
注意
间歇操作和连续操作釜式反应器的构型和 容积均可以相等，二者的反应结果相差很 大。后者特别适合需要维持一定生成物和 反应物浓度的定常态操作，如自催化反应。
五、连续操作管式反应器
外管 内管
特点： （1）连续操作; （2）轴向空间混合=0；返混=0。反应器 内任一截面上的物料浓度不随时间变化， 但不同截面上的物料浓度不同；当处理 量大时，管内物料通常处于高度湍流状 态，各物料微团在反应器内的停留时间 大致相同。
② 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。
生成物R
③
全混流反应器
4—2活塞流模型
反应物A
反应物B
活塞流反应器 特点： ① 反应器的长径比较大。 ② 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。