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第四章 工业化学反应过程 及反应器 * * 第四章 工业化学反应过程及反应器 第一节 概述 第二节 理想反应器及其计算 本章主要内容： 1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的分类、理想流动模型和理想反应器的概念； 2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算； 第一节 概 述 一、化学反应工程学的基本任务和研究方法 二、化学反应过程和化学反应器的分类 三、理想均相反应器 四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 一、化学反应工程学的基本任务和研究方法 是化学工程学的一个分支，常简称为反应工程。 化学反应工程范围示意图： 化学反应工程学的基本任务： （1）改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力，降低消耗，提高效率； （2）开发新的反应技术和设备； （3）指导和解决反应过程开发中的放大问题； （4）实现反应过程的最优化； （5）不断发展反应工程学的理论和方法。 化学反应工程学的研究方法： 数学模拟法 数学模型 —— 在反应器的设计、放大或控制过程中， 都需要对研究对象作出定量的描述，也 就是要用数学式来表达各参数间的关系， 简称数学模型。 化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容： （1）动力学方程式 （2）物料衡算式 （3）热量衡算式 （4）动量衡算式 （4）参数计算式 数学模拟放大法示意图 明确任务 建立 数学模型 解算 数学模型 检验 数学模型 实际应用 修改模型 计算机 计算机 二、化学反应过程和化学反应器的分类 1. 基本概念与术语： 化学计量方程 化学反应速率 转化率 选择性 收率 2. 化学反应过程的分类 3. 化学反应器的分类 化学计量方程： 它表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。 如方程： 一个由S个组分参与的化学反应，其化学计量方程为： ?1 A1 + ?2 A2 + …… + ?s As = 0 Ai表示i 组分；?i为i 组分 的计量系数。 化学反应速率： 对于均相反应，常用单位时间、单位反应体积内某组分的物质的量的变化来定义该组分的反应速率。 反应过程体积恒定： 反应速率方程式，通常可以用如下幂函数的形式表示： 说明： 各组分反应速率之间存在如下关系： 各浓度项上方的指数 和 分别是反应对A组分和B组分的反应级数，它们的代数和称为总反应级数。 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无 直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。 k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌 斯方程： 质量作用定律 (基元反应) …… 转化率： 它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。 转化率（xA） 间歇系统： 连续流动系统： 等温恒容 选择性： 它表明反应的方向，即反应过程中着眼反应物转化为目的产物的百分率。 若反应物A经过化学反应生成目的产物P，其化学计量系数分别为a 和p，则选择性为： 收率： 它是反映原料利用率的综合指标。 表6-1 化学反应过程的分类 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 控制步骤 定态，非定态 时间特征 均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、液－液、液－固、气－液－固） 相 态 可逆的，不可逆的 热力学特征 简单的，复杂的（平行的、连串的等） 反应特征 反 应 过 程 分类特征 化学反应器的分类： （1）按反应物料的相态分类： （2）按反应器的结构型式分类： （3）按操作方式分类： 均相反应器 非均相反应器 釜式反应器 管式反应器 塔式反应器 固定床反应器 流化床反应器 间歇操作反应器 连续操作反应器 半连续(半间歇) 反应器 三、理想均相反应器 1. 理想间歇反应器 2. 活塞流反应器 3. 全混流反应器 4. 多级全混流反应器 1. 理想间歇反应器 TU 理想间歇反应器 特点： ① 假设反应器的搅拌良好。 反应器内各处物料的组成 和温度均一，不随位置而 变，仅随时间而变。 装料、卸料需要辅助操作 时间，且产品质量不易稳 定。 *