第二章 化学反应工程基础剖析

第二章化学反应工程基础

本章学习重点：

（1）如何根据反应的特点与反应器的性能特征来正确选择反应器的形式与操作方式（2）造成非理想流动的原因及其测定描述，非理想流动对化学反应的影响。

第一节化学反应和反应器的分类

第二节均相反应动力学

第三节理想反应器的设计

第四节理想混合反应器的热稳定性

第五节连续流动反应器的停留时间分布

第六节流动模型

第七节停留时间分布与化学反应

第一节化学反应和反应器分类

1、化学反应的分类

2、反应器的分类

3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态

1、化学反应的分类

（1）按化学反应的特性分类

（2）按反应物料的相态分类

（3）按反应过程进行的条件分类

（1）按化学反应的特性分类

（1）按物料相态分类的反应器种类

（2）按反应器的结构型式分类

（3）按操作方式分类

（1）按物料相态分类的反应器种类

夹套式蒸汽加热反应釜

内外盘管式加热不锈钢反应釜管式反应器鼓泡塔反应器

固定床反应器

厌氧流化床反应器

（3）按操作方式分类

间歇反应器

间歇反应器特点：

1、反应物料一次加入，产物一次取出。

2、非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应时间连续变化。

3、同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度相同。

连续反应器

连续反应器特点：

1、反应物料连续加

入，反应产物连续

引出。

2、稳态操作，反应

器内任一点的组成

不随时间改变

半连续反应器特点：

1、某些反应物料一次加入，其余物料连续加入，或者将某种产物连续取出。

2、非稳态操作。

3、连续流动反应器内流体流动的两种理想形态

平推流反应器

平推流反应器特点：

1、在稳态操作时，在反应器的每个截面上，物料浓度不随时间变化。

2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。

2、反应器内物料浓度沿着流动方向改变，故反应速率随空间位置改变，即反应速率的变化只限于反应器的轴向。

理想混合流反应器特点：

1. 物料连续以恒定的流速流入、流出反应器，稳态操作。

2. 反应器内各空间位置温度、浓度均一。

3. 反应器内浓度、温度与出口处浓度、温度相同。

第二节均相反应动力学

☐均相反应是指在均一的液相或气相中进行的反应

☐均相反应动力学内容：研究化学反应本身的速度规律，即物料的浓度，温度，催化剂等因素对化学反应速度的影响。

即Rp~(C,T,Cats)

均相反应动力学没有考虑到物理因素的影响，仅研究化学反应内在规律

1、反应速率

定义：对均相反应而言，反应速率可定义为单位时间，单位反应体积中所生成（消失）的某组分的摩尔数。即

＋：表示i组分的生成速率

－：表示i组分的消失速率

对反应：aA + Bb lL + mM

各组分的反应速率：

它们之间

幂函数形式

k: 反应速率常数

α1，α

2

：实验测定常数总级数n=α

1

+α

2

对基元反应：α1=aα2=b 复杂反应：n需实验测定

k遵循Arrehnies方程:k = A

e-E/RT

– E/RT

lnk =lnA

dlnk/dT = E/RT2

(1) 反应对T敏感

（2) (低温)

所以，T对K的响在低温下更敏感

2、等温、恒容、单一反应动力学方程式

单一反应是指用一个化学反应式和一个动力学方程式便能代表的反应。为简化起见，只研究、等温、恒容、单一反应动力学

不可逆反应

●一级不可逆反应

●二级不可逆反应

可逆反应

● 一级可逆反应 ● 二级可逆反应 2.1 一级不可逆方程

对于等温系统，k 为常数,初始条件： t=0 C A =C A0

一级不可逆反应C —t 关系

2.2 二级不可逆方程

可按一级不可逆反应的情况作类似的处理，有如下反应：

因为A,B 等摩尔消耗，所以C A0x A = C B0x B 令M ＝C B0/C A0

A

S

（1）M ＝1 即 C A0=C B0 C A =C B

（2）M≠1 即 C A0≠C B0 C A ≠C B

不可逆二级反应的C —t 关系 左：ＣＡ０≠ＣＢ０；右：ＣＡ０＝ＣＢ０

2.3 一级可逆方程

若t=0，C R0=0，则C A + C R = C A0

可逆一级反应C —t 图

2、 复合反应

复合反应是几个反应同时进行的，常见的复合反应有平行反应，连锁反应，平行－连锁反应

等。

☐平行反应

☐连串反应

3.1 平行反应

积分: t = 0 C R0=C S0=0

一级平行反应C-t 图 3.2 连串反应

积分： t=0 C A =C A0

C R0=C S0=0 积分公式

公式形式

积分结果

令 dC R /dt =0 得：

各组分浓度变化：

3

、 等温变容过程

对于定容或变容体系，组分I 的变化速率为：

☐ 对恒容：

☐ 对变容：r i 的变化不仅有dC i /dt 变化，而且体系V 变化，C i /V ，dV/dt 都变化。