化学反应过程与设备
化学反应过程与设备1.2
《化学反应过程与设备》
主讲教师：
化学反应过 程与设备
任务2、气固相反应器的选择
常用的气固相反应器： 固定床反应器 流化床反应器
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
（一）固定床反应器的特点 固定床的定义： 凡是流体通过不动的固体物料形成的床层面进行反应的设备都 称为固定床反应器 固定床反应器的优点： ①在化学反应速率较快、在完成同样生产能力时所需要的催化剂 用量和反应器体积较小。 ②气体停留时间可以严格控制，温度分布可以调节，因而有利于 提高化学反应的转化率和选择性。 ③催化剂不易磨损，可以较长时间连续使用。 ④适宜于在高温、高压条件下操作。
化学反应过 程与设备
三、气固相催化反应器的选择
化学反应过 程与设备
二、流化床反应器的特点结构
（一）流化床反应器的特点 优点： 1、2、3、4、5
缺点：
1、2、3 流态化操作总的经济效果是不错的，特别是传热和传质速率快、 床层温度均匀、操作稳定的突出优点，对于热效应很大的大规模生产 过程特别有利。
化学反应过 程与设备
二、流化床反应器的特点结构
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
（二）固定床反应器的类型与结构 中间间接换热式： 作用： 间接换热式是用热交换器使冷、热流体通过管壁进行热交换
冷激式：
冷激用的冷流体如果是尚未反应的原料气，称为原料气冷激式； 冷激用的冷流体如果是非关键组分的反应物，称为非原料气冷激
化学反应过 程与设备
固定床反应器虽有缺点，但可在结构和操作方面做出改进，且其 优点是主要的。因此，在化学工业中得到了广泛的应用。
化学反应过 程与设备
一、固定床反应器的特点结构
化学反应过程与设备1.1
化学反应过 程与设备
三、管式反应器的应用与分类
(一)管式反应器在化工生产中的应用与分类：
化学反应过 程与设备
三、管式反应器的应用与分类
(二)管式反应器的特点：
操作方式：多数采用连续操作，少数采用半连续操作，使用间 歇操作的则极为罕见。 特点：①单位反应器体积具有较大的换热面积，特别适用于热 效应较大的反应。 ②由于反应物在管式反应器中反应速率快、流速快，所以它 的生产效率高。 ③适用于大型化和连续化生产，便于计算机集散控制，产品 质量有保证。 ④与釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下， 其管内流体流型接近于理想置换流。
带接管的“T”形透镜环用于安装测温、测压元件用的。
化学反应过 程与设备
四、管式反应器的结构
4、管件
反应器的连接必须按规定的紧固力矩进行，所以对法兰、螺柱和螺 母都有一定要求。 5、机架 反应器机架用桥梁钢焊接成整体，地脚螺栓安放在基础桩的柱头上， 安装管子支座部位装有托架，管子用抱箍与托架固定。
化学反应过 程与设备
化学反应过 程与设备
《化学反应过程与设备》
主讲教师：
化学反应过 程与设备
主要内容：
1
一、反应器的选择
2
二、反应器的设计和优化
三、反应器操作与控制
3
化学反应过 程与设备
1.教材与教参
教材采用教育部高职 高专规划教材，教材的难 度适中，相比本科教材，
其特点是复杂的理论分析
较少，增加许多工程实践 的实例。符合高职高专的
化学反应过 程与设备
二、搅拌釜式反应器的结构
3、传热构件：
釜内介质的热量传递，可在釜外焊制传热夹套，通入适当 载热体进行热交换，也可以在釜内设置螺旋盘管，在管内 通载热体把釜内物料的热量带走或传入，以满足其化学反 应的需要。 4、传动装置： 旋转运动是通过一个磁力驱动器来实现的，它位于釜盖中 央，与搅拌转子联成一体，以同步转速旋转。
化学反应过程与设备课程总结
化学反应过程与设备课程总结首先，化学反应过程是指物质之间发生化学变化的过程。
在化学反应过程中，通常会涉及到反应速率、反应平衡、反应热等方面的内容。
学习化学反应过程的关键是了解反应动力学，并通过反应动力学的理论，可以对反应速率进行计算和优化，从而实现更高的产率和选择性。
此外，还需要了解反应平衡的概念和计算方法，以实现化学反应的平衡控制。
对于反应过程中产生的热能，我们还需要学习热平衡原理，并通过热平衡计算来决定反应体系中的温度、压力和物质的平衡分布。
其次，化学反应设备的选择与设计是化学工程中的重要任务。
化学反应设备通常包括反应釜、反应塔、换热器等。
学习化学反应设备的关键是了解设备的类型、工作原理和选择方法。
在选择反应设备时，需要根据反应过程的要求，考虑到反应的温度、压力、反应物料、反应性质等因素，选择合适的反应设备。
在设计反应设备时，还需要考虑到反应的热量平衡、质量平衡和物料传输等问题，使得设备的设计符合反应过程的工艺要求。
此外，在学习化学反应过程与设备的过程中，我们还需要了解一些相关的基础知识。
例如，需要了解反应动力学的基本概念和公式，掌握均相反应和异相反应的表达式和计算方法；需要了解换热原理，掌握热平衡计算和热传导方程的应用；需要了解流体力学的基本原理，掌握流体的流动规律和压降计算方法；还需要了解质量平衡的基本原理，掌握物料的流动规律和浓度的计算方法等。
综上所述，化学反应过程与设备课程是化学工程专业中的重要课程，通过学习这门课程可以掌握化学反应的基本原理和设计方法，了解反应设备的类型和选择方法。
通过这门课程的学习，我对化学反应过程和相关设备有了更深入的理解和认识，为我今后的专业发展打下了坚实的基础。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
因为
nA0 nA nB 0 nB nR nR 0 nS nS 0 a b r s
rA rB rR rS r a b r S
故更为一般的速率表达式：
1 dni r viV dt
由反应进度可得：
1 d r V dt
2.2均相反应速率其他形式的表达： A、流动系统：
0
c
cA
A0
c A c A0
dcA kcA
22
恒温条件下，k为常数，积分得： 用转化率表示得：
ln
cA0 k cA
cA cA0ek
ln
1 k 1 xA
一级不可逆反应的几个重要特征： （1）.速率常数的单位：时间单位的倒数；（2）.浓度的对数与反应时间成线 性关系；（3）.反应时间长短仅与转化率高低有关，与初始浓度大小无关。 6.2恒温恒容不可逆二级反应： 两种情况：只有一种反应物且为二级反应；或者是其它反应物大量存在，因而在 反应过程中可视为常量；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级 ，二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，可归结为第一种情况。
30
解题思路：
根据题意恒温恒容一级不可逆均相反应，求反应一定时间后物料的残余浓度 ，故选择公式 cA cA0ek 解题较简便。 对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系 的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。 引申知识点： 对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应 时间却相差很少。 6.4恒温变容不可逆反应：
26
例题介绍：
解：由
cA cA0ek
，将反应物的初始浓度，速率常数k和反应时间带入上式
化学反应过程与设备
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
气液相反应工业应用： 气液相反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工 过程。
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 鼓泡塔反应器： 广泛应用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量 大的反应。 优点： 缺点：
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应 的基本类型与特点
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 填料塔反应器： 广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气液相反应器。 反应方式： 适用于： 优点： 缺点：
二、鼓泡塔反应器结构
（二）鼓泡塔反应器的结构
组成： (1)塔底部的气体分布器分布 作用： (2)塔筒体部分 作用： (3)塔顶部的气液分离器 作用：
化学反应过 程与设备
三、填料塔反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器结构
（一）填料塔反应器的结构
定义：填料塔是以塔内装有大量的 填料为相间接触构件的气液传质设备。 结构：填料塔的塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板，填料以乱堆或 整砌的方式放置在支承板上。
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （5）液体分布装置
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （6）液体收集及再分布装置
化学反应过 程与设备
反应过程与设备
序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 3132 33 3435 36 37 3839 40 41 42题干按物质的聚集状态，反应器分为均相反应器和非均相反应器。
按照反应器的结构型式，可把反应器分成釜式、管式、塔式、固定床和流化床。
长径比较大的流化床反应器中的流动模型可以看成平推流。
单段绝热床反应器适用于反应热效应较大、允许反应温度变化较大的场合，如乙苯脱氢制苯乙烯。
单一反应过程，采用平推流反应器总比全混流反应器所需要的体积小。
对同一反应，活化能一定，则反应的起始浓度越低，反应的速率常数对浓度的变化越敏感。
对液—气、液—固非均相的反应物系，若热效应不大时，多采用釜式反应器。
对于可逆放热反应而言，并非温度越高反应速度越快，而是存在最佳反应温度，即反应速度最快时的对应的温度。
对于零级反应，增加反应物的浓度可提高化学反应速率。
反应过程的整体速度由最快的那一步决定。
反应器并联的一般目的是为了提高生产能力。
串联的一般目的是为了提高转化率。
非均相反应器可分为：气-固相反应器、气-液相反应器。
釜式反应器返混小，所需反应器体积较小。
釜式反应器既可以用于间歇生产过程也能用于连续生产过程。
釜式反应器体积越大，传热越容易。
高速搅拌的釜式反应器中的流动模型可以看成全混流。
工业反应器按换热方式可分为：等温反应器；绝热反应器；非等温、非绝热反应器等。
鼓泡塔反应器和釜式反应器一样，既可要连续操作，也可以间歇操作。
固定床反应器比流化床反应器的传热效率低。
固定床反应器的传热速率比流化床反应器的传热速率快。
固定床反应器适用于气一液相化学反应。
管式反应器的优点是减小返混和控制反应时间。
管式反应器亦可进行间歇或连续操作。
管式反应器主要用于气相或液相连续反应过程，且能承受较高压力化学反应的活化能是指基元反应，分子反应需吸收的能量间歇反应器由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度均相同。
化学反应过程与设备(反应器设计和优化)
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。 活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行； 活化能低，则容易进行。 但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应 速率。 理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而 只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温 度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的 升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应： 重 点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之 间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应： 基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反 应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转 化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。 （3）单分子、双分子和三分子反应 单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是 一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。 （4）反应级数 反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以 是整数、分数，也可以是负数。
化学反应过程与设备课件资料
列管式固定床反应器的温度分布
采用分段冷却，改变移热速率， 使与放热速率尽可能平衡。
化工专业基础课程
化工系工艺组
28Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
自热式固定 床反应器：
上部为绝热层，下部为催化剂装在冷管间的连续换热催化床。
径向反应器：
化工专业基础课程
化工系工艺组
29Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
任务2
气固反应器选择——流化床反应器
一、流化床反应器的特点与结构 1.流化床反应器的特点
固体流态化：
将固体颗粒悬浮于运动的流体中，具有类似于流体的性 质，称之为固体流态化。
2.无泄漏磁力釜基本结构
构成 釜体、搅拌转子、传热构件、传动装置、安全与保护装置。
3.反应釜的特点与发展趋势
特点： 结构基本相同，操作压力较高、操作温度较高， 反应釜多属间歇操作。
发展趋势：
化工专业基础课程
大容积化；搅拌器已有单搅拌器发展到用双搅拌器 或外加强制循环；生产自动化和连续化；合理利用 热能。
生产要求：
反应温度、压力、反应时间、转化率、选择性、 压降、能耗、生产能力等。
化工专业基础课程
化工系工艺组
17Author:huangkangsheng
化学反应过程与设备——项目1
2.均相反应器选择要考虑的方面
根据物料聚集状态选择。气相：管式；液相：釜式
根据产量大小选择操作方式。
根据反应速率选择。 根据动力学特性选择。
化工专业基础课程
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甘肃联合大学
化学反应过程与设备复习总结
一选择题
1.阿伦尼乌斯公式：)exp(0RT
E k A -
= 2.气液传质基本理论是：费克定理 3.釜式反应釜上夹套的作用：加热或冷却
4.对于反应dS cR bB aA +=+,组分A 的膨胀因子δA
是:[(c+d)-(a+b)]/a
5.与平推流反应器比较进行同样的反应，全混流反应器所需要的体积大
6.某反应为放热反应，反应在时75℃才开始反应，最佳反应温度为115℃最适合的传热介质是：导热油 二．判断题
1.按反应器的结构形式，可把反应器分成釜式、管式、固定床和流化床。
（ √）
2.在间歇反应器中所有的物料反应时间相同、不存在返混。
（ √）
3.对于零级反应增加反应物浓度可提高反应速率 （ ×）
4.计算反应釜的理论传热面积时，应以反应开始阶段的速率为依据 （ √）
5.平推流反应器与全混流反应器均不存在返混。
（ ×）
6.反应级数应为整数。
（ ×）
7.若一化学反应为一级反应式，则λ-与c A 的一次方成正比（ ×）
8.对于任一反应，其反应级数就是化学方程式中的计量数（ ×）
9.就
10.管式反应器亦可进行间歇式连续操作。
（ √）
三．填空题
1.间歇反应器的生产周期包括反应时间和辅助时间
2.已知反应速率k=0.02h
kmol
cm ∙3
，该反应为 0 级反应
3.固定床反应器主要分为绝热式和换热式两大类。
4.搅拌釜式反应器的结构组成包括壳体，搅拌装置，轴封，换热装置。
5.搅拌的目的是加强反应器的溶液均匀混合，加强传质、传热。
6.鼓泡塔反应器的基本组成包括气体分布器、塔筒体部分、塔顶气液分离。
7.化学反应过程的技术的目标有速率、选择性、能量消耗。
8.流化床内装设内部构件的作用是破碎气体在床层中产生的大气泡、增大气固相之间的接触机会、减少返混而增加反应速率和提高转化率。
9.绝大部分催化剂的组成有哪三部分活性组分、助催化剂、载体。
三．简答题
1.什么是反应分子数？什么是反应级数，反应级数对反应速率有什么影响？ 答：反应级数是指动力学方程式中浓度项的指数，它是由实验确定的常数。
反应级数的绝对值愈高，则该物料得浓度变化对反应速率的影响愈显著，如果反应级数等于零，在动力学方程式中该物料的浓度项就不出现，说明该物料浓度的变化对反应速率没有影响，如果反应级数是负值，说明该物料浓度的增加反而阻抑了反应，使反应速率下降。
2.管式反应器由哪些结构组成，有什么特点？
答：由直管，弯管，密封环，法兰及紧固件，温差补偿器，传热夹套及连接管和机架等组成。
特点：①单位反应器体积具有较大的换热面积，特别适用于热效应较大的反应 ②由于反应物在管式反应器中反应速率快，流速快，所以它的生产效率高。
③适用于大型化和连续化生产，便于计算机集散控制，产品质量有保证。
④与釜式反应器相比较，其犯混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流刑接近于理想置换流。
3.什么是复杂反应，复杂反应可反应分为哪几种类型请举例说明？ 答：复杂反应是由若干单一反应组成且反应同时进行的反应。
可分为： ①可逆反应
S R B A +→+
②平行反应
H H C H
C 2426
2
+→
③连串反应
S R A →→
④复合复杂反应
D C B A +⇔+
E C A ⇔+ S R D +→
4.间歇反应釜的特点？ 答：①一次进料，一次出料
②无返混
③操作周期由反应时间和辅助时间构成 5.简述气固相反应的过程？
答：一般而言，经历以下七个步骤：
①反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递（外扩散过程） ②反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递（内扩散过程） ③反应组分在催化剂表面的活性中心吸附（吸附过程） ④在催化剂表面上进行化学反应（表面反应过程） ⑤反应产物在催化剂表面上脱附（脱附过程）
⑥反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（内扩散过程） ⑦反应产物从催化剂外表面向流体主体传递（外扩散过程） 也可表示成：
内扩散脱附表面反应吸附内扩散外扩散表面反应
→
→→→→→
6.搅拌器有什么作用？有哪些？
答：可以加强釜式反应器内物料的均匀混合，以强化传质和传热 例如：桨式，齿片式，锚式，框式，螺杆式，螺带式，推进式…… 7.什么是返混，形成返混的原因有哪些？返混对反应过程有什么影响？
答：是指不同时刻进入反应器的物料之间的混合是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
原因：反应物料在反应器内流动时不可能形成理想的置换。
影响：反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低
四．计算题
1.间歇反应器中进行等温二级反应
B
A →,反应速率方程式为：
())(01.02
s L mol C
A A ∙=-γ，当C A 0分别为1
L
m ol
,5
L
m ol
,10
L
m ol
时，求反应至
C A
=0.01L m ol 所需的反应时间？
解：由
τK C
C A A
=-
1
1
得：
当C A 0
=1L
mol
时
τ01.01
1
01.01=- ⇒=τ9900s
当C A 0=5L mol 时
τ01.05
1
01.01=- ⇒=τ9980s
当C A 0=10L m ol 时
τ01.010
1
01.01=- ⇒=τ9990s
2.在搅拌良好的间歇操作釜式反应器中，用乙酸和丁醇生产乙酸丁酯，其反应是为：
O
H H COOC CH OH H C COOH
CH 2943943+→+
反应在恒温条件下进行，温度为373K ，进料比为乙酸：丁醇=1:4.97（mol)，以少量的SO H 42作催化剂。
当使用过量丁醇时，该反应以乙酸（下标以A 计）表示的动力学方程式为
C A
A K 2
=-λ。
在上述条件下，反应速率常数
K=0.0174min)(3
∙kmol m ，反应物密度m
kg
3
750=ρ（假设反应前后不变）。
若每天
生产2400kg 乙酸乙酯（不考虑分离等过程损失），求乙酸转化率x Af 达到0.5时所需反应器的有效体积和反应体积。
每批辅助时间为30min ，取反应釜台数为1，
装料系数ϕ为0.7。
解： ⑴ 计算反应时间 以C A K 2
=-γ代入式⎰-
=x x A f A A
A A dx C 00λ
τ
积分
得
⎰-=x x A f A A
A A dx C 00λτ=)
1(1
00
2
2
0)1(x x
C x C x C Af
Af
A A Af
A k x A k d A f
-=
⎰- 乙酸和丁酯的相对分子质量分别为60和74，故得乙酸的初始浓度为：
=
c A 0)(8.17497.4601750
13m
kmol =⨯+⨯⨯
将反应速率常数k=0.0174 min)(3
∙kmol m 和乙酸的转化率x Af =0.5 代入，得反应时间为
=
τ)(53.0(min)325
.015
.08.10174.01h ==-⨯⨯
⑵ 计算反应器有效体积 要求每天生产2400kg 乙酸丁酯，乙酸丁酯的相对分子量为116，则每小时乙酸的用量：
1035
.01
11660242400=⨯⨯ （kg/h)
每小时需要处理的原料体积为 979.0750
1
)97.460741(1030
=⨯+⨯=v （h
m
3
）
根据ϕ
δ
ττn v v )('
0+=
，反应器有效体积为：
008.1)53.05.0(979.0=+⨯=v R
(m 3)
⑶ 计算反应器体积 根据装料系数定义，反应器体积为
44.17
.0008.1===ϕ
v R v （m 3）。