《化工基础》电子教案 第四章 化学反应工程学

第四章化学反应工程学 第一节概述 化学反应过程是化工生产的核心,反应器是化工生产中最重要的设备。因此研究化学反应 过程和反应器也是化学工程学中最重要的内容。从工程的角度研究化学反应过程化学变化的共 同规律以及传递现象对化学反应过程的影响,就是化学反应工程学。化学反应工程学的主要任 务是通过对工业化学反应过程的分析,改进现有反应技术并开发新的技术和设备:进行反应过 程的放大和反应器的设计。化学反应工程学不仅要解决反应器的设计问题,还要解决反应过程 的传热问题以及反应器的稳定性问题 随着化工生产规模的日趋大型化,在化工过程开发中,数学模型放大方法已成为最有发展 前途的放大方法并越来越多地被采用。这将给化学反应工程学的研究和应用提出更高的要求 在工业反应过程中,由于化学反应与传递过程交织,主副反应同时进行,原料中混有杂质, 过程非常复杂。人们只能根据概念认识对过程进行合理简化从而获得对过程的描述。因此在化 学反应工程中采用的主要方法是模型的方法。在模型方法中,首先对各种典型反应器中物料的 混合扩散行为进行合理简化的描述,亦即建立反应器内物料的“流动模型”;然后根据物理化学 中给出的化学反应动力学方程(又称本征动力学模型),通过反应器内的物料衡算,建立反应器 中的动力学模型(又称反应器的动力学方程),进而对反应器进行分析计算。除此之外,反应工 程中使用的数学模型也包括描述反应器内温度分布的热量衡算式和有关过程参数和准数的经验 关联式 本章内容纲要 1.反应器的类型和反应器内物料的流动模型(2学时,自学) 介绍物料返混扩散的物理模型 2.理想反应器的计算(4学时) 介绍间歇反应器、活塞流管式反应器、连续搅拌釜和非等容反应的计算 3.流动模型的研究方法—停留时间分布(2学时) 4.非理想反应器的计算(1学时) 介绍多釜串联反应器和一维扩散反应器的计算 5非等温反应(1学时) 6固定床催化反应器(1学时) 7流化床反应器(0.5学时)

第四章 化学反应工程学 第一节 概述 化学反应过程是化工生产的核心，反应器是化工生产中最重要的设备。因此研究化学反应 过程和反应器也是化学工程学中最重要的内容。从工程的角度研究化学反应过程化学变化的共 同规律以及传递现象对化学反应过程的影响，就是化学反应工程学。化学反应工程学的主要任 务是通过对工业化学反应过程的分析，改进现有反应技术并开发新的技术和设备；进行反应过 程的放大和反应器的设计。化学反应工程学不仅要解决反应器的设计问题，还要解决反应过程 的传热问题以及反应器的稳定性问题。 随着化工生产规模的日趋大型化，在化工过程开发中，数学模型放大方法已成为最有发展 前途的放大方法并越来越多地被采用。这将给化学反应工程学的研究和应用提出更高的要求。 在工业反应过程中，由于化学反应与传递过程交织，主副反应同时进行，原料中混有杂质， 过程非常复杂。人们只能根据概念认识对过程进行合理简化从而获得对过程的描述。因此在化 学反应工程中采用的主要方法是模型的方法。在模型方法中，首先对各种典型反应器中物料的 混合扩散行为进行合理简化的描述，亦即建立反应器内物料的“流动模型”；然后根据物理化学 中给出的化学反应动力学方程（又称本征动力学模型），通过反应器内的物料衡算，建立反应器 中的动力学模型（又称反应器的动力学方程），进而对反应器进行分析计算。除此之外，反应工 程中使用的数学模型也包括描述反应器内温度分布的热量衡算式和有关过程参数和准数的经验 关联式。 本章内容纲要 1.反应器的类型和反应器内物料的流动模型（2 学时，自学） 介绍物料返混扩散的物理模型 2.理想反应器的计算（4 学时） 介绍间歇反应器、活塞流管式反应器、连续搅拌釜和非等容反应的计算 3.流动模型的研究方法——停留时间分布（2 学时） 4.非理想反应器的计算（1 学时） 介绍多釜串联反应器和一维扩散反应器的计算 5.非等温反应（1 学时） 6 固定床催化反应器（1 学时） 7 流化床反应器（0.5 学时）

、反应器的类型 按物料的相态分为均相和非均相反应器,气固相反应器又可分为非催化和催化反应器 按反应器形式分为间歇反应器(Ⅰ)、管式反应器(Ⅱ)、连续搅拌釜(Ⅲ)、多釜串联反 应器(Ⅳ)。 参见书中4.1.1(二),应了解各种反应器的适用场合 二、反应器内物料的流动横型 参见书中4.1.2(三)。或北京大学:《化学工程基础》,1983年版 共有四种流动模型描述三种流动反应器(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,与四种反应器并非一一对应),注 意每种模型描述哪些情形,其中前两种称为理想流动模型,活塞流模型描述理想的管式反应器 而后两种模型称为非理想模型,均可用于描述非理想的管式反应器。 四种模型可概括如下 理想混合(全混流)模型 物理描述:各向全“返混”(指不同反应程度的物料微团的混合,反应器内各点的各种物 理性质均匀一致。 搅拌釜中或流化床中乳浊相的流动均可看作此模型 活塞流模型 物理描述:径向全返混,轴向无返混扩散,各组分,各微团速度一致,齐头并 长径比比较大的管式反应器中的流动或流化床中较高速的气相流动可看作此模型。 轴向扩散(一维扩散)模型 物理描述:在活塞流主体流动上叠加了一个轴向的扩散,该扩散可用数学模型表示 dl (理想混合)多釜串联模型 物理描述:该反应器可看成是N个理想搅拌釜的串联

一、反应器的类型 ＜概要＞ 按物料的相态分为均相和非均相反应器，气固相反应器又可分为非催化和催化反应器； 按反应器形式分为间歇反应器（Ⅰ）、管式反应器（Ⅱ）、连续搅拌釜（Ⅲ）、多釜串联反 应器（Ⅳ）。 参见书中 4.1.1（二），应了解各种反应器的适用场合。 二、反应器内物料的流动模型 参见书中 4.1.2（三）。或北京大学：《化学工程基础》，1983 年版。 ＜概要＞ 共有四种流动模型描述三种流动反应器（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，与四种反应器并非一一对应），注 意每种模型描述哪些情形，其中前两种称为理想流动模型，活塞流模型描述理想的管式反应器， 而后两种模型称为非理想模型，均可用于描述非理想的管式反应器。 四种模型可概括如下： 理想混合（全混流）模型 物理描述：各向全“返混”（指不同反应程度的物料微团的混合），反应器内各点的各种物 理性质均匀一致。 搅拌釜中或流化床中乳浊相的流动均可看作此模型。 活塞流模型 物理描述：径向全返混，轴向无返混扩散，各组分，各微团速度一致，齐头并进。 长径比比较大的管式反应器中的流动或流化床中较高速的气相流动可看作此模型。 轴向扩散（一维扩散）模型 物理描述：在活塞流主体流动上叠加了一个轴向的扩散，该扩散可用数学模型表示： l c D A N d d = − （理想混合）多釜串联模型 物理描述：该反应器可看成是 N 个理想搅拌釜的串联