化学反应器理论
反应器基本理论课件
• 反应器概述 • 反应器的基础理论 • 反应器的类型与选择 • 反应器的操作与优化
反器概述
01
反应器的定义和分类
分类
连续反应器（Continuous Reactor）：反应物以稳定流速连 续加入，产物也连续流出。
定义：反应器是一种用于进行化 学反应的设备或系统，通过控制 反应条件来促进化学反应的进行， 并获取所需的产物。
批式反应器（Batch Reactor）： 反应物一次性加入，反应完成后 产物一次性取出。
半连续反应器（Semi-Batch Reactor）：反应物一部分连续加 入，一部分批次加入。
反应器在化工流程中的地位
01
02
03
核心设备
反应器是化工流程中的核 心设备之一，直接影响产 品质量和生产效率。
反应条件控制
评估指标
评估反应器性能的主要指标包括反应器的转化率、选择性、产率等。此外，还需关注反应器的能耗、设备寿命、 操作稳定性等方面的指标。在实际应用中，需根据具体反应体系和需求，综合权衡各方面因素，选择最适合的反 应器类型和设计参数。
04
反器的操作
化
反应器的稳态操作
稳态操作定义
指的是反应器在连续、稳 定的状态下进行操作，各 参数不随时间变化。
适用场景
非均相反应器适用于涉及固-液、固气等反应体系的反应过程，如催化裂 化、气体吸附等。
反应器的选择与评估
选择因素
在选择反应器时，需要考虑反应物的性质、反应条件、产物要求等因素。例如，对于快速反应，宜选择均相反应 器；对于慢反应，宜选择非均相反应器。同时，还需考虑反应器的传热、传质性能，设备的投资与运行成本等因 素。
非理想流动模型
分析实际反应器中可能出现的非理想流动现象，如返混、死区等， 以及这些现象对反应器性能的影响。
化学工程中的反应器设计原理
化学工程中的反应器设计原理在化学工程中，反应器是一种用于进行化学反应的装置。
它起着将原料转化为所需产品的关键作用。
反应器的设计原理涉及许多方面，包括反应动力学、传热传质、流体力学等。
本文将探讨化学工程中的反应器设计原理，以及一些常见的反应器类型和应用。
一、反应动力学反应动力学是研究化学反应速率与反应条件之间关系的学科。
在反应器设计中，了解反应动力学是至关重要的。
反应动力学包括反应速率方程、反应级数、反应速率常数等。
通过实验测定反应速率和反应物浓度的关系，可以确定反应速率方程和反应级数。
反应速率方程可以帮助工程师选择适当的反应器类型和设计反应器尺寸。
二、传热传质在反应过程中，传热传质是不可忽视的因素。
传热传质的效率直接影响反应器的性能。
常见的传热传质方式包括对流、传导和辐射。
对流是指通过流体的运动传递热量和物质。
传导是指通过物质内部的分子传递热量和物质。
辐射是指通过电磁波传递热量。
在反应器设计中，需要根据反应物的性质和反应条件选择合适的传热传质方式，并优化传热传质效果。
三、流体力学流体力学是研究流体运动规律的学科。
在反应器设计中，流体力学是一个重要的考虑因素。
流体力学涉及流体的流动速度、流体的流动模式、流体的混合程度等。
根据反应物的性质和反应条件，可以选择合适的流动模式，如湍流、层流等。
合理设计反应器的流体力学特性可以提高反应效率和产品质量。
四、常见的反应器类型1. 批式反应器批式反应器是最简单的反应器类型之一。
它适用于小规模生产和实验室研究。
批式反应器的特点是反应物一次性加入反应器，反应结束后才取出产品。
批式反应器的优点是操作简单，适用于不稳定或难以控制的反应。
缺点是生产效率低，不适用于大规模生产。
2. 连续式反应器连续式反应器是一种持续进行反应的装置。
它适用于大规模生产和稳定的反应。
连续式反应器的特点是反应物和产物连续流动，反应过程持续进行。
连续式反应器的优点是生产效率高，适用于大规模生产。
缺点是操作复杂，对反应物和产物的控制要求高。
化学反应工程学反应器基本原理 (2)
原子经济性可以用原子利用率AU来衡量。
目的产物的物质的量 AU (%)化学计量方程 物式 的中 物反 质 1应 的 0% 0量
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化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
E-因子（环境因子）
E 因子目废的弃产物物的的质质量量
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理想均相反应器
典型反应器（形状、流动状况、操作方法）： 间歇操作搅拌釜式反应器 连续流动管式反应器 连续操作搅拌釜式反应器 多釜串联反应器
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理想均相反应器
理想间歇反应器 高/径比1-3，釜内设有搅拌装置和挡板，常带夹套或
釜内放置蛇管，以维持釜内所需的反应温度，反应 器的搅拌良好，黏度较小的反应物料按一定配比一 次加入反应器后，开动搅拌，瞬间反应器内各处物 料的组成和温度均一，任一处的组成和温度都可以 表征整个反应器的状态，称为理想间歇反应器IBR， 该反应器具有操作灵活，容易适应不同操作条件和 产品品种的优点，缺点是装、卸料等辅助操作要耗 费一定时间，且产品质量不易稳定。
第4页，此课件共28页哦
化学反应过程和化学反应器的分类
-化学反应过程的分类
化学反应工程是研究工业规模的化学反应的规律，即伴有物理过 程的化学反应。
分类特征 反应特征 热力学特征 相态 时间特征 控制步骤 操作方式 操作条件
是否用催化剂
反应过程 简单，复杂（平行、连串、分支等） 可逆，不可逆 均相（气、液），非均相（气-液、气-固、液-液、液-固、气-液-固） 定态，非定态 化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制 连续，间歇，半间歇（半连续）
化工反应器基本理论
缺点
连续操作管式反应器
Piston Flow Reactor (PFR)
特点：一端加入反应物，一端引出，c，v沿流动方向 逐渐降低；定常态时，各参数不变
优点：设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易 于控制，适合于大规模生产
连续操作搅拌釜
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
选控制体的原则
如果反应器内各处浓度均一,衡算的控制体选整个反应器, 存在两个或两个以上相态,各点物料组成未必相同,选微元 体积为控制体.
对确定的关键组分： 1 2 进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+ 反应消耗的物料量+累积的物料量 3 4 简歇： 3+4=0 连续： 1=2+3 半连续： 1=2+3+4
二、间歇釜式反应器 特点： 1.分批装、卸(周期性、非稳态性)； 2.适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于 医药、试剂、助剂等生产。 3.整个操作时间=反应时间+辅助时间（装+卸+清 洗）(每批） 计算 经验估计
A+B
C
A为 关键组分，对整个反应器作物料A的衡算
二、间歇釜式反应器
基础设计式 等容过程
反应级数
不同组分表示化学反应 速率关系
2. 浓度对反应速率的影响
基元反应：质量作用定律
rA=kCAaCBb
非基元反应：幂函数型、双曲线型、级数型
rA=kCAn1CBn2 反应级数是速率对浓度敏感的标志。 a. 不可逆反应的反应物浓度越高，r越大。 b. n越大，A的浓度变化对r的影响大。
c. 为改善高级数反应的转化率，工业上常采
在连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出， 有的则经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分 布。
化学反应简单的反应器原理
化学反应简单的反应器原理
您好,关于化学反应的简单反应器原理,我来简要概述如下:
一、反应器的基本结构
简单反应器主要由反应槽、搅拌装置、温控系统、供料系统等部分组成。
二、反应槽
反应槽容纳反应物,起到反应的载体作用。
反应槽的材质需要与反应物相适应,保证反应过程中不被侵蚀。
常用的有耐腐蚀材料制成的搪瓷槽、搅拌槽等。
三、搅拌装置
搅拌装置通过机械混合使反应物充分接触,提高反应速率。
常见的有传动联轴的桨式搅拌器、磁力驱动的螺旋桨搅拌器等。
四、温控系统
许多化学反应需要在一定温度下进行。
反应器会安装电加热套、冷却水套等设备来控制反应温度。
五、供料系统
将反应物定量供入反应器的装置,使用泵、计量tank、流量控制器等来精确供料。
六、产品收集系统
将反应生成的产品从反应器中收集出来的管路和储罐等。
七、测控系统
反应过程需要检测反应条件参数和进行在线分析。
测控系统实现对温度、压力、pH值等的监测和控制。
综上所述,这些是简单反应器的一些基本组成部分和工作原理。
实际设计中还需要考虑反应过程的特点,做出最佳配置。
正确使用反应器,可以提高反应效率,实现对反应过程的精确控制。
反应器工作原理
反应器工作原理
反应器是一种用于进行化学反应的设备，其工作原理基于化学反应的原理和热力学的法则。
具体工作原理如下：
1. 反应器选择：根据要进行的化学反应类型和反应条件，选择合适的反应器。
常见的反应器有批量反应器、连续流动反应器和半连续流动反应器等。
2. 反应条件设定：为了实现所需的反应速率和产率，反应器中的温度、压力和反应物的摩尔比等反应条件需要进行适当的设定。
3. 反应物的混合：将反应物以适当的比例混合进入反应器中。
混合方式可以是机械搅拌、气体吹入或流体注入等，以确保反应物均匀分布在反应器内。
4. 反应过程：一旦反应物进入反应器，反应开始进行。
根据反应类型和反应条件，反应物会发生化学变化，形成产物。
反应速率取决于反应物浓度、温度、压力和催化剂等因素。
5. 其他过程：在反应进行过程中，可能会产生热量、气体或固体物质的副产物。
这些物质可能会影响反应的速率和平衡，因此需要适时地进行排放或处理。
6. 完成反应：当反应达到所需的程度时，反应停止。
根据反应物和产物的性质，可以采取不同的方法进行产物的分离和纯化，如蒸馏、结晶、沉淀等。
7. 反应器清洗和维护：在一次反应结束后，需要对反应器进行清洗和维护，以使其准备好进行下一次反应。
总之，反应器的工作原理是通过提供适当的反应条件，将反应物混合并在一定的时间内与催化剂一起进行化学反应，从而得到所需的产物。
这个过程需要控制温度、压力、反应物摩尔比等因素，以确保反应的高效进行。
1 反应器基本理论
第一章反应器基本理论第一节理想反应器一、基本反应器形式反应器的种类很多，但最主要的为间歇操作搅拌釜，连续操作搅拌釜和管式反应器等。
在药厂的反应器中，以间歇釜最为常用。
(一) 间歇釜间歇釜：具有装置简单，操作方便灵活，适应能力强，基本上能适应与药厂生产的规模小，品种多，原料多，工艺条件复杂的实际情况，因此，间歇釜是药厂最常见的反应釜。
特点：1、物料一次加入，反应后一起排出。
2、如果搅拌良好，则釜内各点的T、C i基本一致。
3、釜内物料浓度(C i)和反应速度(r i) ，随时间而变化。
(二) 管式反应器物点：1、物料从一端进，另一端引出。
2、反应时间是管长的函数t = t (ℓ)3、稳定物料，反应速度沿流动方向逐渐降低。
4、稳定操作时，管内某一点的物料浓度、温度、反应速度、压力等工艺参数，不随时间而发生变化。
(三) 连续反应釜间歇釜、连续釜的设备结构是一致的，主要是工艺操作过程不同而致。
物点：1、反应器内各点的温度、浓度一致。
2、总体物料量进出平衡，出口物料中物料性质与釜内物料性质一致。
3、稳态时，釜内物料性质不随时间而变化。
除自催化反应外，连续反应不随时间而变化内的物料浓度与出料浓度一致，即物料浓度很低，因此，反应速度很慢，因此，需要更长的反应时间，或更大的反应器体积。
多不随时间而变化串联的情况较为常见。
对于自催化反应，A + P 2 P，由于存在一个最大的反应速度，如果控制在此处进行反应，则所需的反应器体积为最小，连续釜式反应器，可以满足这一要求。
C Af C A* C A0(-r A)二、返混返混是连续操作反应器的固有流动物性，管式反应器和连续釜式反应器，均存在这一现象。
连续操作反应器的容积V R平均停留时间τ=物料的体积流量υ即物料流径反应器所需的时间(一) 年龄分布与返混年龄分布指反应器内的物料停留时间分布寿命分布指反应器出口处的物料年龄分布：物料从进入反应器的瞬间开始计算年龄，到所考虑的时间为止，反应器的物料，在反应器内的停留时间分布，即构成年龄分布。
化学反应工程的理论基础和应用方法
化学反应工程的理论基础和应用方法化学反应工程是化学工程的一个重要分支，主要研究化学反应的理论和实际应用。
化学反应工程的主要目的是为了掌握化学反应过程中的基本原理和规律，并将其有效地应用于工业生产中。
本文将阐述化学反应工程的理论基础和应用方法。
化学反应原理化学反应是化学过程中最重要的一个环节，它是指由两种或多种物质相互作用，形成新的物质的变化过程。
化学反应的基本原理是物质在反应中发生化学变化，反应物消耗，产物形成。
化学反应由反应物和反应速率控制，反应速率主要受到反应物浓度、温度和催化剂等因素的影响。
化学反应的本质是能量转化，吸收能量的反应称为吸热反应，放出能量的反应称为放热反应。
化学反应过程中，反应物的摩尔比例和反应温度是判断反应的关键因素。
当反应物的摩尔比例大于化学反应的摩尔比例时，将导致反应倾向于向产物一侧移动；当反应温度升高时，反应速率也会增加，反之亦然。
化学反应工程的理论基础化学反应工程的理论基础主要包括反应动力学和反应热力学。
反应动力学是从宏观角度研究化学反应的速率和反应机理的学科。
它描述了反应速率如何受到多种因素的影响，包括浓度、温度、催化剂、化学反应机理等。
应用反应动力学的原则可以合理控制反应的速率和产物的选择。
反应热力学是描述化学反应如何消耗或释放能量的学科。
它研究反应物的热力学参数，包括反应热、反应焓和反应熵等，这些参数可以用于计算反应物吸热或放热的能力。
化学反应工程的应用方法化学反应工程应用的原则是将化学反应理论转化为可行的生产过程，并将生产过程优化。
优化化学反应工程过程的方法包括反应器设计、优化反应条件、催化剂的选择以及反应产物的提取和分离等。
反应器设计是指设计最佳的反应器结构和体积，以获得最佳的化学反应条件。
反应器的设计应考虑产物浓度、反应速率和反应器容积等参数。
优化反应条件是将化学反应理论转化为可行的生产过程的重要步骤。
这需要控制反应物摩尔比例和反应温度，以最大化产物产率和最小化不良产物。
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10 8 6 4 2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
GDP 27% Profit 27%
FLOTU
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利用煤生产三烯、三苯？ 过程中的环境、水问题？ 小分子产品大规模生产问 题及环境控制？
2004 2006 2008 2010 Year
大尺度下观察的化工问题
FLOTU
FLOTU
化学工程与工艺核心课程的基本框架
FLOTU
化工过程集成（工艺）
分 离 工 程 化工热力学 反 应 工 程 传递过程原理
四大化学、数学、物理学、生物学
化工生产过程及流程
化工生产工艺流程组织—— 推论分析法 FLOTU
反应器
分离与再循环
换热网络 公用工程 环境、安全 资源、生态
制造业
过程工业
9,733.1
1,106.3 627.3 19,920.3 3,505.4
化学工程在发生着革命性的变化:越来越向着基础, 不依靠经验, 创新是第一位的.
FLOTU
• • • •
仅19 % 的引用为学术研究论文 只有 0.3% 是化学工程学科的学术论文。 只有20% 以下的教授有一年以上工业经验； 化工教授少于 15% 的论文发表在化工杂志上
课程目标
FLOTU
反应工程学什么？知识、技能、思维方法？ 课程目标：反应器分析与设计并重，结合实际、 结合工艺、拓宽思路、引导创新。 内容：多相流反应工程、能源、大化工、材料 等 授课方法：讲课与讨论、设计、专题调研相结 合，研讨当前反应工程的发展及一些方向性、 热点性问题。 成绩：平时作业（３０％）＋专题报告（4０ ％）＋课程开卷考试（3０％）
多相反应过程工程化的层次
工业装置 工业试验
10-1 ~ 101 m 10-9 ~ 10-7 10-2 ~ 100
中试
10-2 ~ 10-1
小试
催化剂
FLOTU 微反
10-3 ~ 10-2
10-6 ~ 10-3
6、工程化
5、工程放大
4、流动区域及接触
3、聚团结构
2、催化剂
1、量子输运与反应
• 完整研发周期越来越长 • 如何缩短周期？是否可行？
ZSM-5纳米结构晶面选择性高产PX
FLOTU
B轴直孔 道方向
C轴直孔 道Z形孔 道交替方 向
Shen K. et al, JMC, 2013, JACS, 2013
ZSM-5 MTA结果
100
FLOTU
NK-38 B NK-38 BD D A AC C
Coversion, aromatics yield, %
46
碳纳米管的可视化
FLOTU
Adv. Mater. 2010, 22(16):1867; Nature Comm. 2013, 1727, doi: 10.1038/ncomms2736
毫米级碳纳米管可视化
FLOTU
0.349 mN 110 GPa
1mm 1mm
多级结构反应器放大
外表面 尺寸2
体积 尺寸3
反应、流动、传递的放大
自然界中的自组装多级结构
FLOTU
自然界中多级结构与自组装制造
FLOTU
现代化工业企业-以大为美
FLOTU
FLOTU ！中国、印度怎么办？
全球煤及石油储量
FLOTU
FLOTU
500强中的化工企业
FLOTU
国际炼油企业
FLOTU
中国公司排名
2011 2010
排名 排名 5 6 7 60 77 7 10 8 112 87 公司名称 (中英文) 中国石油化工集团公司 中国石油天然气集团公司 国家电网公司 鸿海科技集团 中国工商银行
营业收入
(百万美元) 273,421.9 240,192.4 226,294 95,190.5 80,501.3
3 否 75.7 5.7 21.2 8.6 18.3 8.3 24.3
4 是 64.7 4.2 22.2 25.1 2.3 0.7 89.4
不同基板作用力下的两种生长机理及对CNT结构的影响 碳-基板作用强
FLOTU
催化剂-基板作用强
CNT apply 10-30 GPa tensile, without flow influence on tip Tip growth
自上而下的方法： ——以物理学为基础、结构 性能关系为基础；
——物质在复杂程度、形貌、 结构等发生变化 创造的后发劣势？
FLOTU
石油化工基础
C2 production , Mt/a
10
3
World
10
2
Ann. growth rate % 1940-1973 26 1980-2012 4.5 China 1960-2012 15
10
1
FLOTU
10
0
=
10
-1
10
-2
1940
1960
1980
2000
Year
00
10
1
Ann. Growth rate, % China PX 20 World PX 8
三烯 三苯
Polimeri Europa
0.1
中国化学工业的发展
GDP & Profit, Trillion Yuan
化学工业GDP12万亿元，世 界最大化工产业，完全依 赖石油。 我国资源95%为煤，我国仅 产50%的三烯、三苯，PX为 单一进口量最大产品。
大尺度下观察的CO2问题
FLOTU
论文、专利与产能关系
FLOTU
Carbon nanotube Production and pulications Number or ton,
10
4
10
3
Journal paper
45% Patent 60%
18%
10
2
Production capacity 60%
80 60 40 20 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Time on stream（hr）
PX生产最大化
FLOTU
催化剂 是否硅改性 芳烃总选择性 苯 甲苯 对二甲苯 间二甲苯 邻二甲苯 PX/X
1 否 70.0 10.7 30.6 6.1 13.1 5.7 24.6
2 是 41.7 5.2 15.7 18.6 0.4 0.1 97.0
人口与合成氨、青霉素关系
FLOTU
对人类贡献最大的化工技术
用化学反应为人类创造价值
实验室的3p原则： 平台 专利 论文
FLOTU
Robert Langer：43岁美国三院院士， 有史以来工程领域被引次数最多的人
化学工程的历史
FLOTU 1900 年起，单元操作，主要以单相流动、分离为主，很少催化，不 着重于数学，化学+设备。煤化工为主 1957年反应工程：动力学、传递、流体力学，化学+数学，石油化工 1960年 传递过程，现代化工时代，三传一反 1960年分子筛催化剂，纳米材料等 1980年微型反应器、电池、燃料电池等分布式应用 1990年纳米技术，CVD反应器等与电子工业结合 课程结构体系无重大变化，但内容由传统化工走向现代化工：怎样 定义目前的化工及反应工程？ 三大支柱：流体力学、传递、反应 两个层面：介面(颗粒，固体表面)对流体的作用与影响 化学与化工相互结合？这世界在变，而我们没有 应用技术抽象成科学时, 我们会失去什么?
化学反应器理论
FLOTU 第一章、绪
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章
第七章
论 反应动力学 催化剂上反应传递现象 催化剂失活 反应器选择性 多功能反应器 反应器设计
化学反应器理论
第一章 绪论
魏飞, 王铁峰 助教：王琪 清华大学化工系 Wf-dce@ /homepage/~weifei
化工能干什么？
交 叉
与 信 息
与生
物交
叉
FLOTU
化工以优势 学科为依托
与生态环境交叉
材料
叉
与新
源
与
交叉
能
交
FLOTU
FLOTU
chemkin
反应工程的尺度
FLOTU
化工过程的多尺度问题
Layer 1: Molecular Insight
FLOTU
Layer 2: Kinetic Models
Base growth
42
550 mm 超长碳纳米管
FLOTU
无缺陷超长碳纳米管
FLOTU
•
•
高 TOF ~105 s-1
高 WHSV ~ 107
•
•
低缺陷 10-9
高纯度原料
Wei et al, ACS Nano，2013
离散条件下的传递问题
FLOTU
FLOTU
Adv. Mater. 2010, 22(16):1867; Chem. Mater. 2010, 22:1294.
机电工业
FLOTU
炼油工业 石化工业 冶金工业 建材工业 制药工业 能源工业
汽车工业 家电工业 航空航天工业 计算机等信息产业 机械工业
——自下而上自组装的方法： 物质在分子水平进行重组 ——创造了世界上最大的工业 产业之一 ——以数学、物理，化学，生 物学为基础； 我们可以在规模上有后发优势！