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化学反应工程学反应器基本原理
yxAs
有时也用质量收率表示:
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
(二)、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类:
反应器的种类
反应类型
均相 气相 液相
燃烧、裂解 中和、硫化、水解
非
气-液相
氧化、氯化、加氢
均
液-液相
磺化、硝化、烷基化
相
气-固相
燃烧、还原、固相催化
液-固相 还原、离子交换 固-固相 水泥制造 气-液-固相 加氢裂解、加氢硫化
对于等温、恒容反应,可以用浓度表示:
xA
cA,0 cA cA,0
3、反应的选择性
pP (目的产物) aA
qQ (副产物)
反应的选择性是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。
s a np p nA,0 nA
收率:生成目的产物的量比加入反应物的量
y a np p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为:
判断反应结果的好坏主要两个因素:反应速率、反应的选择性
1、反应速率
反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生
成物的变化量。
ri
1 V
dni dt
如果在反应过程中体积是恒定的,也就是恒容过程。
则上式可写成:
riV 1d din td(n d i V t)d dict
正号----表示产物的生成速率 负号----表示反应物的消失速率
输入动量 = 输出动量 + 动量损失 (5)、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。
三、化学反应工程学与相关学科的关系
传递工程
反应器中流体 流动与传热
化学反应工程 反 测
化 学
化化
应量
学 学 反应器的设计 系 与
动热
统控
工 程 控
力力
中制
制
学学
催化
反应工艺流
最
剂与
程与设备
佳
反应
设备的结构 反应特性 形式
管式 釜式
无相界面,反应速 率只与温度或浓度 有关
釜式、塔式 釜式、塔式
固定床、流 化床 釜式、塔式 回转筒式
固定床、流 化床
在相界面,实际反 应速率与相界面大 小及相间扩散速率 有关
2、按反应器的结构型式分类
结构型式 反应釜
适用的相态
液相,气-液相 液-液相,液固相
管式 鼓泡塔
二、化学反应工程学研究的内容和方法
研究的内容: (1)通过深入地研究,掌握传递过程的动力学和化学动力 学共同作用的基本规律,从而改进和深化现有的反应技术 和设备,降低能耗,提高效率。 (2)开发新的技术和设备 (4)实现反应过程的最优化。
研究的方法:数学模型
在化学工程中,数学模型主要包括以下内容: (1)、动力学方程式
对于均相反应,可采用本征速率方程式;对于非均相反应, 一般采用宏观速率方程式。 (2)、物料衡算式
流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量 (3)、热量衡算式 物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热 (4)、动量衡算式
气相,液相 气-液相,气-液-固相
固定床
气-固相
流化床 回转筒式 喷嘴式
气-固相 气-固相,固-固相 气相,高速反应的液相
应用举例
药物的合成、染料、中间体合 成、树脂合成
轻质油裂解,高压聚乙烯 变换气的碳化,苯的烷基化, 二甲苯的氧化 SO2氧化,乙苯脱氢 半水煤气的产生 硫铁矿焙烧,萘氧化制苯酐 水泥生产
2、活塞流反应器 在等温操作的管式反应器中,物料沿着管长,齐头并
进,象活塞一样向前推进,物料在每个截面上的浓度不变, 反应时间是管长的函数,象这种操作称为理想置换,这种 理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器 (plug flow reactor简称PFR)。
3、全混流反应器 特点:由于强烈的搅拌,物料进入反应器的瞬间即与反应器中 的物料混合均匀,反应器内物料组成、温度均匀一致,并且等 于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不 大的连续搅拌釜式反应器(continuous Stirred tank reactor 简称CSTR)近似地看成全混流反应器(是一种返混量为无限 大的理想化的流动反应器)
化
条件
化学工艺
四、化学反应过程和化学反应器的分类 (一)、化学反应过程分类
分类特征 反应过程
反应特征 简单反应、复杂反应(平行的、连串的等)
热力学特征 可逆的,不可逆的
相态
均相(气、液),非均相(气-液,气固、液固、气-液-固)
时间特征 定态,非定态
控制步骤
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
化学反应工程学反 应器基本原理
60年代石油化工的大发展,生产日趋大型化以及原料深加工 向化学反应工程领域提出了一系列的课题,加速了这一学科的 发展。特别是后来计算机的应用,解决了不少复杂的反应器设 计与控制问题。
80年代后,随着高新技术的发展和应用(如微电子器件、 光导纤维、新材料及生物技术的应用等),扩大了化学工程的 研究领域,形成了一些新的学科分支,如生化反应工程、聚合 物反应工程、电化学反应工程等,将化学反应工程的研究推到 了一个崭新的阶段。
化学反应
aA bB eE fF
各组分的反应速率为:
rA
1 V
dn A dt
dc A dt
rB
1 V
dn B dt
dc B dt
rE
1 V
dn E dt
dc E dt
rF
1 V
dn F dt
dc F dt
各组分反应速率之间的关系: rA rB rE rf a be f
根据实验研究发现:均相反应的速度取决于物料的浓度和温度, 这种关系可以用幂函数的形式表示,就是动力学方程式:
氯化氢的合成,天然气裂解制 乙炔
3、按操作方式分类
1)、间歇操作 2)、连续操作 3)、半连续半间歇操作
五、理想均相反应器
1、理想间歇反应器 反应器理想化的条件:反应物粘度小、搅拌均匀、压强、
温度均一(任一时刻物料的组成,温度均一),这就是理 想间歇反应器(batch reactor简称BR)
特点:操作具有较大的灵活性,操作弹性大,相同设备可 以生产多个品种。 缺点:劳动强度大,装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间,产品质量难以控制。
rAV 1ddA ntkcAcB
k----反应速率表常数,可以根据阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程求得:
kAeERT
2、转化率 转化率 xA) ( 反 反应 应A A物 物 的 的起 消始 耗量 量
对于间歇系统
xA
nA,0 nA nA,0
对于连续流动系统,转化率则以下式表示:
xA
FA,0 FA FA,0