化学工程中的反应器模型建立
化工基础第六章工业反应器
第6章工业化学反应过程及反应器6.1 概述1．工业化学反应过程的特征在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。
化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。
六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。
化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。
大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。
实践证明，同一化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面：①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。
②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。
③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。
工业反应器内存在一个停留时间分布。
工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程。
2．化学反应工程学的任务和研究方法化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。
①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。
③指导和解决反应过程开发中的放大问题。
化学反应工程(第九章 气-液-固三相反应工程)
易于更换、补充失活的催化剂，但又要求催化剂耐磨损。 使用三相流化床或三相携带床时，则存在液-固分离的技术
问题，三相携带床存在淤浆输送的技术问题。
3. 气、液并流向上休系的操作流型 颗粒运动基本操作方式：固定床、膨胀床（悬浮床）、 输送床（携带床）。 液体介质的液固系统中固体颗粒终端速度ut：
采用多孔固体催化剂时，可以定义两 种润湿率： ①内部润湿或空隙充满率。 ②外部有效润湿率。
图9-6 催化剂颗粒间的 液囊和流动膜
4. 床层压力降
单相气体通过固定床的压力降与气体的流速和物性、催
化剂的粒径、形状及催化剂的装填状况等因素有关，可 用Ergun式作为计算固定床压降的基本方程。 并未计入破碎、积炭、物流中的固体杂物沉积和床层下 沉等因素致使随操作后期压力降增加，因此工业反应器 开工初期的压力降可称为床层固有压力降。 气、液并流下向下滴流床反应器的床层固有压力降，还 应考虑液体以液膜的形式在催化剂颗粒表面间流动形成
床层宏观反应动力学91气液固三相反应器的类型及宏观反应动力学92三相滴流床反应器93机械搅拌鼓泡悬浮三相反应器9497压力对三相悬浮床反应器操作性能的影响95气液并流向上三相流化床反应器96三相悬浮床中的相混合98气液固三相悬浮床反应器的数学模型99讨论与分析图95气液井流滴流床流动状态与操作条件气液并流向下固定床内气体和液体的流动状态可以分为稳定流动滴流区脉冲流动区和分散鼓泡区如图95流动状态一气液并流向下通过固定床的流体力学气液稳定流动滴流区当气速较低时液体在颗粒表面形成滞流液膜气相为连续相这时的流动状态称为滴流状
rA, g dNA/dVR k AG a(cAg c Aig ) kALa(cAiL c AL ) kAS Se(c AL c AS ) kwSeρ sw c AS ζ 向气－液界面传质速率 向液相主体传质速率 向催化剂外表面传质速 率 催化剂内的扩散 - 反应速率
CSTR模型的名词解释
CSTR模型的名词解释在化学工程领域，一个常见的实验室设备是连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）。
CSTR模型是基于这种实验室设备的反应器模型，用于描述和分析在化学反应中物质转化的过程。
CSTR模型是一种常用的动态平衡模型，用于描述在化学反应器中各组分浓度随时间变化的规律。
它基于一些基本假设，例如反应液处于均相状态，反应液中各组分的浓度均匀分布等。
根据这些假设，CSTR模型可以更好地描述反应物的转化程度以及反应速率的控制因素。
CSTR模型的核心是质量守恒和物质转化方程。
质量守恒方程基于反应液中各组分的质量守恒定律，描述了反应液中各组分的物质转移规律。
物质转化方程描述了反应速率与反应物浓度之间的关系，其中考虑了反应速率常数和反应级数等参数。
这些方程构成了CSTR模型的数学基础。
在CSTR模型中，反应速率是一个重要的参数，它决定了反应物转化的速度。
反应速率受到多种因素的影响，例如反应温度、催化剂、反应物浓度等。
通过在CSTR模型中引入合适的反应速率方程，可以更好地理解和预测化学反应的行为。
CSTR模型的分析通常涉及到动态响应和稳态分析两个方面。
动态响应研究反应物浓度随时间变化的规律，通过解析或数值方法，可以得到反应物浓度随时间的变化曲线。
稳态分析研究当反应物浓度稳定时，系统的平衡状态以及反应速率的控制因素。
除了对整个反应系统进行建模和分析，CSTR模型还可以应用于设计和优化化学反应器。
通过对反应物浓度、反应温度、催化剂等参数的调节，可以实现最大化反应物转化率、最小化副反应产物生成的目标。
CSTR模型在反应器设计和操作中发挥了重要的作用。
总结来说，CSTR模型是一种常用的化学反应器模型，用于描述和分析反应物转化的过程。
它基于质量守恒和物质转化方程，可以用来预测不同反应条件下的反应物浓度变化规律和反应速率的控制因素。
CSTR模型在化学工程中有着广泛的应用，对于反应器的设计和优化具有重要意义。
化学反应工程（1）
化学反应⼯程（1）1、幂函数型反应动⼒学⽅程和双曲函数型反应动⼒学⽅程⼀般各适⽤什么场合？各有什么特点与区别？答：上述两类动⼒学模型都具有很强的拟合实验数据的能⼒，都既可⽤于均相反应体系，也可⽤于⾮均相反应体系。
以均匀表⾯吸附理论为基础的L -H 型反应动⼒学⽅程称为双曲函数型动⼒学⽅程；以不均匀表⾯吸附理论为基础的反应动⼒学⽅程，且只有单组分吸附态时，可形成幂函数型，称为数型反应动⼒学⽅程。
幂函数反应动⼒学⽅程形式简单，参数数⽬少，通常也能够精确地拟合实验数据，所以在⾮均相反应过程开发和⼯业反应器设计得到⼴泛应⽤。
若反应产物对反应起到抑制作⽤，反应物的浓度将出现在反应动⼒学⽅程中，即)(幂级函数s S C r R C B C A C k A r βα=- )(1双曲函数型s SC r R C k B C A C k A r *+=-βα当反应开始时，反应产物浓度为0，r A 趋于⽆穷⼤，不符合事实。
⽽⽤双曲型函数修正，既可避免上述困难。
2、⽓固催化反应⼀般要经历哪⼏个步骤？其中具有化学变化特征的是哪⼏个步骤？答：⼀般要经历以下⼏个步骤：①反应物从⽓流主体扩散到催化剂颗粒表⾯；②反应物从催化剂颗粒外表⾯向催化剂孔道内部扩散；③在催化剂内部孔道所组成的内表⾯上进⾏催化反应；④产物从外表⾯扩散到内表⾯；⑤产物从外表⾯扩散到⽓流主体。
①⑤称为外扩散过程，②④称为内扩散过程，③为本征动⼒学⽅程，其中步骤三具有化学特征变化。
3、在什么样的情况下，反应原料的预混合相当重要的？答：当反应发⽣在两种或两种以上组分之间时，这些组分必须预先混合，提供不同组分互相接触的机会，反应能进⾏。
当反应速率很快或流体黏度很⾼，达到分⼦尺度的均匀混合时间很长时，预混合将对反应结果产⽣重⼤影响。
如在⽓固催化反应中，反应物⼀经接触就开始反应，必须采⽤有效地预混合措施以保证最佳的浓度和温度分布。
在均相反应的极快反应中，如对⼀些易燃易爆的组分预混合必不可少，否则物料在流动中容易形成爆炸死⾓。
化学反应工程中的反应器模拟
化学反应工程中的反应器模拟反应器是化学反应过程中最重要的装置之一，其设计和运行对于反应过程的效率和安全性都起着至关重要的作用。
在反应器设计过程中，模拟仿真是必不可少的一步，可以有效帮助工程师优化反应器的操作条件，提高反应器的运行效率。
反应器模拟主要包括传热、传质、反应动力学等方面的模拟。
在传热方面，工程师需要考虑反应器内部的温度分布、热传递系数等参数，以保证反应器内部不会发生过热或过冷等情况。
在传质方面，工程师需要考虑反应物和产物在反应器内部的浓度变化、扩散系数等参数，以保证反应物能够被充分利用并达到预期的反应效果。
在反应动力学方面，工程师需要考虑反应物在反应器内部的互作用、反应速率等参数，以保证反应过程的可控性和安全性。
反应器模拟的方法主要包括实验、计算机仿真和理论计算三种方式。
实验方法通常是通过实际操作反应器来获得反应器内部的动态数据，并通过分析这些数据来优化反应器设计。
计算机仿真方法则是通过计算机程序模拟反应器内部的温度分布、浓度分布等参数，并根据这些参数优化反应器的操作条件。
理论计算方法是通过理论公式和数学模型计算反应器内部的温度、浓度等参数，以达到优化反应器操作的效果。
在化学反应工程中，反应器模拟的应用非常广泛，可以用于设计新型反应器、改进既有反应器的操作效率、实现反应工程的安全性管理等方面。
下面我们将具体介绍几种常见的反应器模拟方法及其应用。
1. CFD模拟方法CFD是计算流体力学的缩写，是一种将流体流动、传热、传质等热力学现象进行计算机数值模拟的方法。
在反应器设计中，CFD方法可以用于预测反应器内部的流动状态、温度分布、浓度分布、反应速率等参数。
通过这些参数，工程师可以优化反应器的设计，提高反应器的操作效率和反应产品的质量。
2. 动态模拟方法动态模拟方法是通过数学模型和计算机程序模拟反应器内部的动态变化过程，以了解反应器任意时刻的温度分布、浓度分布、反应速率等参数。
工程师可以根据这些参数进行反应器的优化设计，实现反应过程的高效、稳定、安全。
化学反应工程__第2章_理想反应器讲解
平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2020年8月15日星期六
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2020年8月15日星期六
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
11 ln
k 1 xA
VRv(tt0)v( 1 kln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。 由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
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。
化工单元操作反应器设计与优化项目二-任务一
r i f (c, T )
恒温条件下， r i kf (cA, c , ) B ...............
恒温条件下， r i f＇(T ) f (cA, c , ) B ...............
（二）反应分数与反应级数
r kc , c , α1
α2
i
A
B ..........
2A P
ABP
(cA0=cB0)
二级
rA
dcA d
k
k cA0 yA0 A
ln(1 yA0 AxA )
rA
dcA d
kcA
k ln(1 xA)
rA
dcA d
kcA2
cA0k
(1 A yA0 )xA
1 xA
yA0 A
恒温恒容间歇反应
X Af
dxA cA0
r X A0
A
cAf
dcA
r cA0
A
入口物料中不 含产物的情况
图解积分
X Af
dxA cA0
r X A0
A
cAf
dcA
r cA0
A
1/(rA)V 1/(rA)V
t/c A0
xA0
1/rA －xA
xAf x
k kA ln cBcA0 kA ln 1 xB cB0 cA0 cAcB0 cB0 cA0 1 xA
n级 n≠1
rA
dcA d
kcAn
kt
n
1
1
(c1An
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
化学工程中的反应器模型建立化学工程是一门应用化学的学科，旨在将化学原理应用于实际工程中，从而实现化学反应的优化与控制。
反应器作为化学工程中的关键
设备，其性能与效率对整个生产过程起着至关重要的作用。
为了更好
地理解和控制反应器的行为，建立反应器的数学模型是必不可少的。
1. 反应器模型的概念
反应器模型是对反应器内物质输送和反应过程进行数学描述的方法。
通过对反应器行为进行建模，可以预测反应器的响应及各种操作条件
的影响，进而优化反应器的设计和操作。
反应器模型可分为理论模型
和经验模型两种。
2. 理论模型的建立
理论模型是基于化学反应原理和质量守恒、能量守恒等基本物理学
原理建立的。
其中最常用的是反应动力学方程。
反应动力学方程描述
了反应物浓度随时间的变化关系，是理论模型的核心部分。
在建立理论模型时，需要确定反应动力学方程中的反应级数、反应
速率常数以及反应机理。
反应级数指的是反应速率与各参与反应物浓
度的关系。
反应速率常数反映了反应物浓度单位变化时反应速率的变
化量。
反应机理描述了反应物之间的反应路径及相关中间产物。
3. 经验模型的建立
经验模型是通过实验数据和统计方法建立的，它没有明确的物理和化学基础，但可以准确地预测反应器的行为。
经验模型适用于那些难以建立理论模型的反应器系统，或者用于初步估计系统性能。
经验模型可以通过实验数据分析得到，常见的方法包括回归分析、最小二乘法等。
通过对反应器操作条件和结果的统计分析，建立经验模型可以帮助工程师快速了解反应器的行为，并进行初步的设计和优化。
4. 反应器模型的应用
反应器模型在化学工程中具有广泛的应用。
首先，反应器模型可以用于优化反应器设计，确定最佳操作条件和反应器尺寸，以提高反应效率和产率。
其次，反应器模型可以用于反应过程的动态响应分析，帮助工程师了解系统的稳定性和动态性能。
此外，反应器模型还可以用于模拟反应器技术方案，评估新工艺的可行性和经济性。
5. 反应器模型的挑战和发展方向
尽管反应器模型在化学工程中的应用已取得了许多成果，但仍面临一些挑战和需要改进的地方。
首先，反应器模型建立需要大量的实验数据和反应动力学参数，这对于一些复杂的反应体系来说是一项困难的任务。
其次，现有的反应器模型往往忽略了各种不确定性因素，导致模型结果与实际情况存在一定偏差。
未来，反应器模型的发展方向主要包括以下几个方面：一是建立更准确、可靠的反应动力学方程，提高模型的预测能力；二是结合计算
流体力学方法，建立三维反应器模型，模拟更为细致的反应器行为；三是研究新的建模方法和工具，如人工智能和机器学习，用于反应器模型的快速建立和优化。
总之，反应器模型的建立在化学工程中具有重要意义。
它可以帮助工程师更好地理解反应器的行为，进行有效的设计和操作。
随着理论和实验技术的不断进步，反应器模型的应用将会得到进一步的拓展和改进，为工业生产和科学研究提供更为可靠的支持。