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第七章 化学反应工程基础 第七章 化学反应工程基础 第一节 化学反应工程概述 第二节 化学反应动力学 第三节 典型反应器 第四节 非理想流动及实际反应器的计算 第五节 气固相催化反应器 第一节 化学反应工程概述 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应工程是物理与化学两类因素的综合过程。 1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化学反应工程”这一学科名称。 ①化学热力学： 主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度等。 ②反应动力学： 专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。 ③催化剂： 催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。 ④化学工艺： 主要是设备型式、操作方式和流程。 ⑤传递工程： 装置中的动量传递、热量传递和质量传递(简称“三传”)问题。 ⑥工程控制： 一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优化的条件，末必与整个生产系统最优化所要求的条件相一致。 综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举。在解决新过程的开发问题时，可先建立动力学和传递过程模型，然后再综合成整个过程的初步的数学模型，根据数学模型所作的估计来制定试验，特别是中间试验方案，然后用试验结果来修正和验证模型。 连续系统中单位时间反应物或产物的量或浓度无变化，不能用间歇系统的公式。 连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即： 三、动力学方程 需要用两个或更多的独立的计量方程来描述的反应即为复合反应。此时在反应系统中同时存在几个独立地发生的化学反应，其数目与独立的计量方程数相同。 几个反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同时地发生反应则称为平行反应： 三、平推流反应器(PFR) 从理想管式反应器和间歇反应器的表达式比较，可以看出它们完全相同。 理想管式反应器中各个截面上的浓度和转化率等参数只是空间位置的函数；间歇反应器则随时间而变化。这些参数经历了相同的变化过程，反应的推动力是一致的。就反应过程而言，两种反应器具有相同的效率。 因为间歇反应器存在非生产时间，故生产能力低于管式反应器。 3.平推流反应器与全混流反应器的比较 谢谢大家！ ①气因流化床中，少量气体以气泡形式通过床层，气团接触严重不均，导致气体反应很不完全，其转化率往往比全混流反应器还低； ②固体颗粒的运动方式接近全混流，停留时间相差很大，对固相加工过程，会造成固相转化率不均匀； ③固体颗粒间以及颗粒和器壁间的磨损会产生大量细粉，被气体夹带而出，造成催化剂的损失和环境污染，必须设置旋风分离器等颗粒回收装置； ④流化床反应器的放大远较固定床反应器困难。 流化床反应器也存在一些严重的缺点： 小 结 本章以恒温、等容、均相反应器为例，从理想流动模型入手，介绍了活塞流反应器、全混流反应器等理想反应器的特点及计算，并引入返混概念，在此基础上，比较和分析了各种理想反应器的流动状况对生产能力、反应的选择性的影响，从而对选择适宜反应器、强化生产、优化反应提供了途径。 工业反应器是大规模化学反应过程进行的场所，其结构型式和操作方式及流体在它里面的流动状况都直接影响着产品的质量和产量。 对非理想流动反应器，其偏离理想流动(返混)的程度采用停留时间分布表征，它的设计计算也像理想反应器一样从建模开始。实际反应器的建模思路是：研究实际反应器的流动状况和传递规律，设想非理想流动模型，导出该模型参数与停留时间分布的定量关系，然后通过实验测定停留时间分布确定模型参数，再从若干可能的模型中筛选出最能反映实际情况而参数又少的模型(检验模型)供设计计算。 反应器计算的思路是：研究反应器的流动状况，建立流动模型(对等温反应器借助物料衡算)，结合反应器内的动力学模型，获得反应器的数学模型，再根据已知条件使用模型进行计算。 气固相催化反应器在化工生产中有着广泛的应用，其中进行的气固相催化反应过程较之均相反应具有复杂性，但气固相催化反应器的设计计算与均相反应器的设计计算的思路却是相同的。本章仅就气固相催化反应过程的特点和气团相催化反应器的结构特征进行了介绍。 化