4.化学反应工程的基本原理全解
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化学反应工程全套教学课件
可逆反应 不可逆反应
❖ 按照反应分子数分
单分子反应 双分子反应
多分子反应
❖ 按照反应机理分 单一反应
多重反应
平行反应 同时反应 连串反应 平行连串反应 集总反应
平行反应：一例如：氯苯的再氯化 k1
C6H5Cl + Cl2
k2
对-C6H4Cl2 + HCl 邻-C6H4Cl2 + HCl
❖ 本征动力学：又称化学动力学，是在理想条件下研究化学反 应进行的机理和反应物系组成、温度、压力等参数，不包括 传递过程及反应器结构等参数对反应速率的影响。
❖ 宏观反应动力学与本征动力学的区别：宏观反应动力学除了 研究化学反应本身以外，还要考虑到质量、热量、动量传递 过程对化学反应的交联作用及相互影响，与反应器的结构设 计和操作条件有关。
❖传递工程：涉及到动量传递、热量传递和质量传递。
❖工程控制：反应器的运转正常与否，与自动控制水平 相关。
1.4 化学反应工程学中涉及的定义
❖ 宏观反应过程：在工业规模的化学反应器中，化学反应过程 与质量、热量及动量传递过程同时进行，这种化学反应与物 理变化过程的综合称为宏观反应过程。
❖ 宏观反应动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观反应 动力学。
❖ 停留时间分布：在非理想流动中，不同的质点在反应器中的停 留时间不同，形成停留时间分布。
寿命分布：指质点从进入到离开反应
停留时间分布有两种
器时的停留时间分布
年龄分布：指仍然停留在反应器中的
质点的停留时间分布。
寿命和年龄的关系：寿命是反应器出口处质点的年龄。
❖ 返混：不同停留时间的质点或粒子的混合称为返混，又称为 逆向混合。是不同年龄质点的混合，逆向是时间的概念上的 逆向，不同于一般的搅拌混合。
化学工程中的化学反应工程原理
化学工程中的化学反应工程原理化学反应工程是化学工程学中的一项重要内容，它通过对化学反应过程的研究和设计，以达到高效、经济和环保的目的。
在化学工程中，化学反应工程原理是指在实际工程过程中，根据化学反应的基本原理，选择适当的工艺条件和参数，以及控制反应过程，从而实现预期的反应结果。
一、化学反应的基本原理化学反应是指物质之间由于化学变化而形成新物质的过程。
在化学反应中，原料与反应物通过一系列的反应步骤转化为产物，同时伴随着能量的释放或吸收。
化学反应的基本原理包括：1. 反应物和产物之间的化学平衡：化学反应达到平衡时，正反两个方向的反应速率相等，反应物和产物的浓度保持不变。
2. 反应速率：反应速率受到反应物浓度、反应温度和催化剂等因素的影响。
通过控制这些因素，可以提高反应速率和产物的产率。
3. 反应热力学：化学反应的热力学参数（如焓变、熵变和自由能变）决定了反应是否能够进行，以及反应的方向性。
4. 反应动力学：反应速率随时间的变化规律，即反应速率方程。
了解反应速率方程可以帮助设计反应的工艺条件。
二、化学反应工程的设计原则化学反应工程的设计是为了达到预期的反应结果，同时考虑经济效益、能源利用和环境保护等因素。
以下是化学反应工程设计的几个重要原则：1. 选择适当的反应类型：不同的反应类型有不同的特点和适用范围，如聚合反应、酯化反应、氧化反应等。
根据反应物的性质和产物的要求，选择合适的反应类型。
2. 优化反应条件：通过调节反应温度、压力等参数，控制反应物浓度和反应速率，实现高效、安全的反应过程。
3. 选择合适的催化剂：催化剂可以提高反应速率和选择性，降低反应温度和能耗。
选择适当的催化剂对化学反应工程具有重要意义。
4. 控制副反应和副产物生成：副反应和副产物的生成会降低反应产率和纯度，需要采取相应的措施，如控制工艺条件、优化催化剂选择等。
5. 实施反应过程的自动化与监控：通过自动化设备和监控系统，实现对反应过程的实时监测和控制，提高生产效率和安全性。
化学反应工程的基本原理和应用
化学反应工程的基本原理和应用化学反应工程是一门研究化学反应过程、反应器设计和反应条件优化的学科。
其基本原理涉及到热力学、动力学、传热学和质量传递等多个方面。
在化学工业、制药工业、食品加工、环境保护等领域中，化学反应工程都得到了广泛的应用。
本文将介绍化学反应工程的基本原理和应用。
一、化学反应工程的基本原理1. 热力学基础热力学是研究物质热性质和能量转换的学科。
化学反应的方向、速率和平衡状态均与热力学有关。
在化学反应过程中，反应物和生成物的热力学性质会决定反应物和反应产物的物态和量。
在热力学中，常用的量有物态函数、能量、熵、焓和自由能等。
物态函数是指与温度、压力和物质量有关的函数。
比如，摩尔焓表示单位物质的能量和摩尔基本热容表示温度变化单位物质的热容。
熵表示物质分子的运动状态的无序程度，是一个复杂的物理量。
自由能是描述热力学过程能量变化的重要物理量。
2. 动力学基础动力学研究物质在时间上的变化。
化学反应的速率、动力学模型、反应路径等都与动力学有关。
在化学反应中，反应速率对于工艺过程的影响非常重要，主要受反应物浓度、反应温度、反应物质分子的能量等影响。
化学反应的速率常被表述为反应物消失和产物生成的速率。
反应速率与反应物质分子间的碰撞次数和碰撞的方式有关，速率常数是用来描述反应速率大小的参数。
通过测量反应物的消失和产物的生成速率，可以推导出化学反应的动力学模型和反应路径。
3. 传热学基础传热学是研究热量的传递过程和方法的学科，其研究内容包括传热传质的机理、传热传质的基本定律和传热传质的数学模型等。
在化学反应工程中，传热是一个非常重要的环节。
化学反应需要吸热或放热，传热的效率和传热方式会直接影响反应的温度和速率。
常见的传热方式包括传导、对流和辐射等。
传热系数是描述传热的重要参数，其大小受传热的方式、材料特性和流体性质等多个因素的影响。
4. 质量传递基础质量传递是气体、液体和固体之间物质的传递。
化学反应中会涉及到多种物质的质量传递，比如，反应物的输送、反应产物的分离和纯化等。
化学反应工程原理 简单反应
= Ca f CA 0 CA
Chemical Reaction Engineering •收率 C Pf C A0 •单耗 C A 0 C Pf •单程收率 x A •总收率 （循环系统
A
C A0
R
D P
x A=1）
Chemical Reaction Engineering
k1 HCl + CH 3(CH2) 6CH 2OH k2 HCl + CH 3(CH2) 10 CH 2 OH CH 3(CH2) 10 CH 2 Cl + H 2O CH 3(CH2) 6CH 2 Cl + H 2 O
为一平行反应，辛醇（A）和十二醇（B）的反应速率为 （-rA)=k1cAcC （-rB)=k2cBcC 式中cA、cC和cB 分别表示辛醇、十二醇和盐酸的浓度。反 应在 等温条件下进行，反应速率常数为 k1 = 1.6*10-3L/mol.min k2 = 1.92*10-3L/mol.min 若初始浓度分别为 CA0=2.2 M CB0=2.2 M CP0=2.2 M,试计算当辛基氯收率为34%（以盐酸计），盐 酸转化率和十二基氯的收率
E1 E 2 E1 E 2 0 T E1 E 2 E1 E 2 0 T
E1 E 2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E 2
T
Chemical Reaction Engineering 工业操作：
A P S
二、平行反应选择性的温度效应
1 k2 n 1 C A2 n1 k1
1 k 20 E1 E 2 RT n 1 e C A2 n1 k10
化工第五章化学反应
2.按操作方法分类：
可分为间歇、半间歇、连续式三种。
操作特点：原料一次加入，经过一定时间后，反应产物一次卸出。 间歇反应器 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。 操作特点：一种原料一次加入，另外的反应物以一定的 速度连续地加入，反应后将产物全部卸出。 生产特征：反应程度和反应物的性质均随时间而变化。
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
反应器中的 流动状况影 响反应结果
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
二、化学反应器的分类：
1.按反应器的结构型式分类： 这种分类的实质是按传递特性分类，反映出不 同的反应器中最基本的传递过程的差别。按 反应器的结构特征，常见的工业反应器可分 为釜式、管式、塔式。固定床式、流化床式 和移动床式。 书141页图
rA=k
cA x A k
xA kcA0( 1 x A ) cA0 cA 1 xA
反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=qv (τ+τ′)
实际操作时间=反应时间(τ) + 辅助时间 (τ’)
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
原料 产物
物理处理
化学处理
物理处理
循环
第一节
一、化学反应工程学：
概述
1.化学反应工程发展概况： 远在古代，人们就开始利用化学反应，如陶器的制作、 酒与醋的酿造、金属的冶炼以及炼丹、造纸等等，然而， 这些生产过程直到上世纪五十年代还未形成一门独立的学 科，其原因是由于人类还没有能够从种类繁多、看起来似 乎毫不相干而又变化多端的反应过程中，认清它们的共同 规律。 科学技术的发展，特别是二战后石油化工的发展，对化 学反应器的设计产生了迫切要求，而化学动力学研究的进 展和化工单元操作方面的理论和实践经验的日趋成熟，才 使这类问题的系统解决有了可能。
反应工程原理
第一节 反应器与反应操作
③空间时间（空时、空塔接触时间）(space time) 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 空间时间
V / qV
(11.1.1)
注意： • 具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 • 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。 τ＝30s 表示了什么？ 每30s处理与反应器有效体积相等的流体
反应量 -rAV
qnA0 qV cA0
浓度cA，cB 体积V
第一节 反应器与反应操作
（四）有关反应器操作的几个工程概念 ①反应持续时间 (reaction time)： 简称反应时间，主 要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时 间。 ②停留时间 (retention time)： 亦称接触时间，指连续 操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实 际时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元” 的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分 布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
第III篇 反应工程原理
将化学和生物反应原理应用于污染控制工程， 需要借助适宜的装置，即反应器来实现。 系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设 计计算方法，对于优化反应器的结构型式、操作方 式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。 本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、 动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类 化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。
第一节 反应器与反应操作
四、反应器内反应物的流动与混合状态
在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从 而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和 反应速率。(例子：同时进场以班为单位顺序出场；跳球抽号机) 返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器 的反应特性。
化学反应工程 绪论介绍
研究宏观反应过程的动力学称为宏观动力学。 本征（微观）动力学，即化学动力学，是在理想
条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、 温度、压力等参数，不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。 区别：在于是否考虑反应器结构和操作条件。
19
高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
20
11
第三阶段：现代化学工业（二战前后）
在以石油和天然气为主要原料的化学工业 中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应 技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在 生产规模日益大型化趋势的影响下，促使化学工 程学科形成了一次理论综合：即从动量传递、热 量传递、质量传递的角度深入研究化工生产的物 理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来 研究化工生产的化学变化过程。从而使化学工程 学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。
7
绪论
一、化学反应工程的学科历史 二、化学反应工程的研究对象及内容 三、化学反应工程的研究方法 四、化学反应工程的学习目的 五、化学反应工程与其他学科的关系
8
一、化学反应工程的学科历史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医
药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于 人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万 物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素 观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成 理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未 形成有规模的化学加工实践。
学习本门课程，学生应牢固地掌握化 学反应工程中最基本的原理和计算方法， 运用科学思维方法，增强提出问题、分析 问题和解决问题的能力。课程教学将突出 阐述反应工程理论思维方法，重点讨论气 固相催化反应本征动力学、宏观动力学及 反应器中的混合及对反应的影响，并以开 发实例进行分析，培养学生应用反应工程 方法论解决实际问题的能力。
条件下研究化学反应进行的机理和反应物系组成、 温度、压力等参数，不包括传递过程及反应器结 构等参数对反应速率的影响。 区别：在于是否考虑反应器结构和操作条件。
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高 低 并 列 的 提 升 管 装 置
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第三阶段：现代化学工业（二战前后）
在以石油和天然气为主要原料的化学工业 中，各种催化反应被广泛应用，这就要求在反应 技术和反应器设计方面作出重大努力。尤其是在 生产规模日益大型化趋势的影响下，促使化学工 程学科形成了一次理论综合：即从动量传递、热 量传递、质量传递的角度深入研究化工生产的物 理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来 研究化工生产的化学变化过程。从而使化学工程 学科上升为一门具有完整理论体系的全面学科。
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绪论
一、化学反应工程的学科历史 二、化学反应工程的研究对象及内容 三、化学反应工程的研究方法 四、化学反应工程的学习目的 五、化学反应工程与其他学科的关系
8
一、化学反应工程的学科历史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 这一时期经历了实用化学、炼丹和炼金、医
药化学和冶金化学等时期。早期化学知识来源于 人类的生产和生活实践。同时在人类对自然界万 物的本原构成的探索中，诞生了古代朴素的元素 观。古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成 理论体系、是化学的萌芽时期；另一方面，尚未 形成有规模的化学加工实践。
学习本门课程，学生应牢固地掌握化 学反应工程中最基本的原理和计算方法， 运用科学思维方法，增强提出问题、分析 问题和解决问题的能力。课程教学将突出 阐述反应工程理论思维方法，重点讨论气 固相催化反应本征动力学、宏观动力学及 反应器中的混合及对反应的影响，并以开 发实例进行分析，培养学生应用反应工程 方法论解决实际问题的能力。
化学反应工程学
ｑＶ
经过t→t+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物 总量（M0）的分率为：
dN 在t t dt时间流出的示踪物量 ( )示踪物 N 示踪物总量 qV c（t）dt M0
在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在 反应器内停留时间为t→t+dt的物料在N中所占的分率为：
ｑＶ
连续操作的流动 体系
ｑＶ
在阶跃示踪法中，t秒时由出口测出的是停留时间为0→t秒的 示踪物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在t秒都会从出口 流出来，所以阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：
停留时间为 0 t秒的示踪物 c(t ) t秒内加入物料体积 t秒内进入反应器的示踪 物 停留时间为 0 t秒的分率 t秒内加入物料体积 qV c0 t E（t） dt
np a s p n A, 0 n A
收率：生成目的产物的量比加入反应物的量
a np y p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为：
y xA s
有时也用质量收率表示：
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
（二）、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类 反应类型 设备的结构 反应特性 形式
dN ( ) 物料 E（t）dt N
由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以
dN dN ( )示踪物 ( ) 物料 N N
qV c(t ) dt E (t )dt M0 qV E (t ) c(t ) M0
C(t)
t
2、阶跃示踪法
从某一时刻起连续 加入示踪物 测定示踪物浓度 c(t) 随 时间 t 的变化
根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度， 这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：
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4 .4 .3 平均停留时间与散度Mean residence time and divergence
物料在反应器中的停留时间是一随机变量, 为了定量比较不同流动状况下的停留时间 分布, 可以用随机变量的两个特征值——— 数学期望与方差来表示。停留时间分布的 数学期望就是物料的平均停留时间t, 方差则 是停留时间分布的散度。 (一) 平均停留时间t (二) 方差Variance也称离散度dispersion, 是用以度量随机变量与其均值的偏离程度
4 .3均 相 反 应 器Homog4 .3 .2 化学反应器设计的基本方法 4 .3 .3间歇操作的釜式反应器(IBR ) ideal batch reactor 4 .3 .4全混流反应器(CSTR) continuous stirred tank reactor 4 .3 5活塞流反应器(PFR)(plug flow reactor, ) 4 .3 .6理想反应器的组合 4 .3 .7均相反应器的优化选择 4 .3 .8非等温反应过程 4 .3 .9有关成本核算
化学反应工程的基本原理
Basic principles of chemical reaction engineering
Dr.潘传艺
阐明化学反应工程课程地位，激发学生学 习兴趣。 The course position of chemical reaction engineering was elaborated in order to clarify the status of chemical engineering, and stimulate students' interest in learning
4 .1 .2化学反应工程中的基本概念
(一)关于体积
(二)关于时间 (三)混合与返混Mix and backmixing
4 . 2化学反应体系的量
4 .2 .1化学计量方程式
4 .2 .1化学反应进行的程度
4 .2 .3化学反应速率
4 .2 .4收率与选择性yield and selectivity 4 .2 . 5等温变容反应系统Isothermal reaction system
4 .4 .1 停留时间分布(residence time distribution)的定量描述
物料粒子在反应器内的停留时间分布是一个 随机过程, 它可以用概率分布的方法描述物 料粒子的停留时间分布, 即停留时间分布密 度函数和停留时间分布函数。 (一) 停留时间分布函数F( t) (二) 停留时间分布密度函数E( t)
4 .5 气 -固相催化反应Gas-solid catalytic reaction
气-固相催化反应是气相组分在固体催化剂作用下发生的 反应过程, 它在工业上有着广泛的应用。为使反应得以进 行, 反应物首先必须由气相主体扩散到催化剂的外表面( 外 部传质过程) ; 然后再由催化剂外表面通过催化剂颗粒的内 孔扩散到内表面( 内部传质过程) ; 反应物在颗粒内表面进 行表面反应后的产物从内表面扩散到外表面(内部传质过 程) ; 产物再从外表面向气相主体扩散, 上述过程是串联进 行的。外部传质和内部传质的一个重要差别是前者为单纯 的传质过程, 后者为传质和反应同时进行的过程。由于反 应往往伴有热效应, 因此在质量传递的同时, 催化剂的外部 和内部同时还存在热量传递。所以, 气-固相催化反应过程, 不仅受动力学因素的影响, 同时还受到传递因素的影响。 在化学工程中, 将化学反应规律与传递规律综合考虑对反 应结果的影响, 称为宏观动力学; 如果排除传递过程影响的 动力学称本征动力学。
(二)工业反应器
2.反应器的类型 同一反应在不同类型结构的反应器中进行，其化学反应的 效果是不相同的。如在带搅拌器的釜式反应器中进行的反 应，由于良好的搅拌提供了良好的传质条件;列管式反应 器的单位体积物料的传热面积比夹套反应器要大得多;还 有像氯化、硝化、还原等单元反应中的许多产品的生产， 在使用相同体积的反应器时，由于结构和操作条件的不同 能使生产能力提高数十倍甚至上百倍。所以，我们在设计 和选用反应器时，不仅需要了解化学反应的特点，还必须 熟悉各种反应器结构特点及传递特性。工业上反应器的类 型繁多，分类方法也有多种。
4 .5 . 1 外部传质过程External mass transfer process的影响
在气-固相催化反应中, 反应组分从气相主体 扩散到催化剂外表面的过程属于外部传质 过程。 (一) 反应速率和传质速率 (二) 外扩散效率因子η外与Da 准数的关系 (三) 外部传质对复杂反应选择性的影响
4. 4 化学反应器中的非理想流动 Non ideal flow in chemical reactors
在活塞流反应器中流体的粒子完全不返混而全混流反应器 中,粒子之间的返混程度达到最大。但实际上流体在反应 器内的流动状况与理想流动有不同程度的偏离,流体质点 间的返混程度介于活塞流与全混流之间。造成偏离的原因 很多,例如,由于流体在系统中速率分布不均匀,流体的分子 扩散和湍流扩散,搅拌引起的强制对流,因为反应器的设计、 加工和安装不良而产生的沟流、短路、死区等,使得流体 粒子在系统中的停留时间有长有短,有些物料粒子很快离 开了反应器;有些粒子却经历很长时间后才离开,从而形成 了停留时间分布。所以对实际工业反应器,一般需要采用 非理想流动模型来描述,建立各种流动模型的基础是物料 在反应器的停留时间分布。
4 .4 .2 停留时间分布的实验测定
为了简单起见, 在停留时间分布这节所讨论的流体流动常假定为流体 在流动过程中为恒容过程, 且无反应发生, 并且为一闭式系统。闭式系 统是假定在系统进口处流体粒子有进无出, 而在系统出口处则有出无 进。这种假定, 通常是符合大多数实际情况的。停留时间分布的实验 测定, 主要方法是示踪应答技术, 通过示踪剂跟踪流体在系统内的停留 时间。即用一定的方法将示踪剂从反应器进口加入, 然后在反应器出 口流体中检测示踪剂信号, 以获得示踪剂在反应器中停留时间分布规 律的实验数据。可以选用的示踪剂很多, 利用其光学的、电学的、化 学的或放射性的特点, 以相应的测试仪器检测其电导率、放射性物质 的活度等。最为直观的方法是向流体中加入少量有色颜料, 然后用光 电比色仪测定流出液颜色的变化。关于示踪剂的选择, 一般遵循下列 原则: 对流体流动状况没有影响; 示踪剂不参与反应、不挥发、不沉淀; 易于检测。根据示踪剂加入的方式不同, 可分为脉冲法、阶跃法和周 期输入法。 (一)脉冲法 （二）阶跃法
(三)化学反应工程学的研究方法
可见，在工业反应器中进行的化学反应，既不是实验室化学试验的再 现，也不是化学反应的简单放大。所以实验室研究成果的产业化，以 往通常先要在实验室规模的装置上试验，然后再在稍大的装置上试验， 并逐步放大，最后在工业装置上进行工艺过程的试验。这种方法安全 可靠，但却非常费事、费时且成本高。随着现代科学技术的发展，用 数学模型法对化学反应工程有关内容进行的研究也在迅速发展。数学 模型法就是将复杂的对象进行合理的简化，用数学表达式来表示反应 器的空间、时间与反应参数间的关系，即用数学语言来表达化学反应 过程中各个变量之间的关系。建立数学模型的一般程序包括:模型的建 立、模型参数的估计和模型的鉴别。具体做法是根据对实际化工过程 的理解、概括，提出一个合理的简化模型来模拟复杂的实际过程;然后 以简化了的模型确定各参数和变量之间的数学关系式—数学模型;最后 通过计算机进行模拟实验，并经过实际装置的检验和修正，建立有效、 可靠的数学模型以应用于放大计算。
4 .4 .4 理想反应器Ideal reactors中的停留 时间分布
理想反应器中流体, 其流动型态是确定的, 可以直接计算停留时间分布。 (一) 活塞流 (二) 全混流
4 .4 .5 实际反应器的设计方法( 流动模型)
实际反应器中流体的流动状况偏离理想流动, 称为非理想流动。产生 非理想流动的原因通常可以划分为两类: 第一类是由于反应器设计、 制造不良造成的病态流动, 这种情况下反应器的操作状况会严重恶化, 必须设法加以排除; 第二类是反应体系固有特性相互作用引起的非理 想流动, 此种情况下需要对非理想流动状况建立适宜的流动模型来预 测反应的结果。建立流动模型的依据是停留时间分布, 采用的方法为 对理想流动模型进行修正, 或者将理想流动模型与滞流区、沟流和短 路等作不同的组合, 所建立的模型宜便于数学处理, 模型参数一般不宜 超过两个, 而且能正确反映模拟对象的物理实质。需要注意的是, 形成 非理想流动的原因很多, 返混只是其中之一, 并且停留时间分布与反应 器中流体的返混之间不一定存在一一对应关系。即一定的返混必然会 造成确定的停留时间分布, 然而同样的停留时间分布可以由不同的返 混或由其他非理想流动所造成。因此模型选择的是否合理必须通过实 验检验。下面介绍三种非理想流动模型。 (一) 凝集流模型 (二) 多釜串联模型 (三) 轴向扩散模型
4 .1概 述
化学工业与其他工业的主要区别是在原料加工过程中发生了化学反应。化学反应 工程是一门研究在生产装置中进行化学反应的工程学科,它把反应的化学特性 和装置的传递特性有机地结合起来,形成了化学工程学的一个重要分支。它以 工业反应过程为主要研究对象,以反应技术的开发、反应过程的优化和反应器 设计为主要研究内容。 化学反应工程是研究如何在工业规模上实现有经济价值的化学反应。任何一个化 学反应过程要实现工业化生产,必须做到技术上的可行性和经济上的合理性。 技术上的可行性包括一个反应过程有合适的催化剂,反应能以一定的速率和选 择率进行;对生成的产物可以通过一定的手段进行分离提纯;有适宜的反应温度、 压力等条件;反应过程产生的废料有合适的处理技术,以免对环境产生污染等。 当生产过程的技术问题解决之后,过程在经济上的合理性就成为工程技术人员 追求的主要目标。 工业反应过程的经济指标大都是指生产某一产品过程中所需的成本或产品的利润。 成本或利润的高低与生产费用密切相关。生产费用包括一次性的投资费用(主 要是设备和机器费用)及经常性的原料和操作费用。操作费用主要包括人工费、 动力消耗、能量消耗、设备维修和公用工程等方面的开支。决定工业反应过 程经济性的技术指标主要有反应速率、反应选择率及生产过程中的能量消耗。 因化工生产的复杂性,能耗往往要以整个流程、车间、甚至整个工厂作为一个 系统进行全面考察,这已超出本教材的讨论范围。本章主要以反应速率和反应 选择性作为衡量化学反应生产过程经济性的两个基本技术指标。