相
烯、乙苯脱氢、半水煤气生产等
流化床
气-固（催化或非催化） 相，特别是催化剂很 快失活的反应
硫铁矿焙烧、萘氧化制苯酐、石油催化 裂化、乙烯氧氯化制二氯乙烷、丙烯 氨氧化制丙烯腈等
回转筒式 喷雾式
气-固相、固-固相 气相、高速反应的液相
水泥制造等 氯化氢合成、天然气裂解制乙炔
反应釜
夹套式蒸汽加热反应釜
四、等温变容过程
• 工业生产上，对于液-液均相反应，如果反 应过程中物料密度变化不大，一般可以作 为恒容过程处理。
• 对于聚合反应，由于单体密度比聚合物密 度小，因而随着反应的进行，反应体积不 断的减小，所以就不能作为恒容过程处理。
第三节 理想反应器的设计
一、设计中主要解决的问题：
•提高反应物料进行反应所需要的容积，保证 设备有一定的生产能力。
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
聚合反应工程基础
第一章 绪论 第二章 化学反应工程基础(重点； 12学时) 第三章 聚合反应工程分析(6学时) 第五章 搅拌釜内流体的搅拌与混合(重点；8
学时) 第六章 搅拌聚合釜的传热与传质(2学时) 第八章 聚合过程及聚合反应器(2学时)
第一章 绪论
• 聚合反应工程是化学工程的一个分支，是 研究聚合物制造中的化学反应工程问题， 即研究工业反应过程和反应器。
• 对于恒温过程，只需物料衡算就可确定反应器的 体积。
• 通常的化学反应过程，需要物料衡算和热量衡算 联立求解，确定反应器的体积。
1.物料衡算
物料衡算的理论基础是质量守恒定律，即反 应前后的物料质量应该相等。

反应物A 的流入速度



反应物A 的流出速度



反应物A由于 反应的消失速度
• 平推流反应器特点：
• 在稳态操作时，在反应器的各个截面上， 物料浓度不随时间而变化；
• 反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变， 反应速率的变化只限于反应器的轴向。
反应物A 反应物B
生成物R
平推（活塞）流反应器
2. 理想混和流(全混流)反应器
• 由于反应器强烈的搅拌作用，使刚进入反 应器的物料微元与器内原有的物料微元瞬 间达到充分混合，各点浓度相等且不随时 间变化，出口流体组成与器内相等。
•具有足够的传热面积，保证反应过程中热量 的传递，使反应指控在最适合的温度下进行。
•保证参加反应的物料均匀混合。
• 在进行化学反应时，伴随着质量、热量和动量的 传递，这些传递过程对反应速率有直接的影响， 所以在设计反应器时必须进行物料、热量和动量 的衡算。
• 当流体通过反应器前后的压力差不太大时，动量 衡算可不予考虑。
随物料流 入的热量



随物料流 出的热量



反应系统与外 界交换的热量



反应过程 的热效应



累积的 热量


0
对于间歇反应器，式中的流入和流出都为零； 对于稳态操作的连续流动反应器，累积为零。
• 通过热量衡算可以确定反应器所需的传热面积以 及传热剂的用量。
• 根据物料衡算、热量衡算可以得到反应器设计的 基本方程式，再结合动力学方程式便可计算反应 器的体积，所以反应器的设计实际上是物料衡算、 热量衡算和动力学方程三者联立求解。
• 但这样做十分复杂，可按具体情况加以简化，如 对等温操作的理想反应器只需考虑物料衡算和动 力学方程式就可以设计反应器了。
二、间歇反应器
操作方式
• 间歇，连续，半连续
间歇
连续 气
液
半 连 续 气
气
封闭系统
气
液
流动系统
气
气
流动系统
三、连续反应器内流体流动的两种 理想型态
1. 平推（活塞）流反应器
• 当反应物料在长径比很大地反应器中流动 时，反应器内的每一微元体积中的流体均 以相同的速度向前流动，这种流动型态称 为平推流，具有此种流动型态的反应器称 为平推流反应器。
生成物R
第二节 均相反应动力学
• 均相反应是指在均一的液相或气相中进行 的反应
• 均相反应动力学内容：研究化学反应本身 的速度规律，即物料的浓度，温度，催化 剂等因素对化学反应速度的影响。
• 均相反应动力学没有考虑到物理因素的影 响，仅研究化学反应内在规律。
一、反应速率
• 定义：对均相反应而言，反应速率可定义 为单位时间，单位反应体积中所生成（消 失）的某组分的摩尔数。即
• 这种流动型态称为理想全混流，与之相适 应的反应器称为理想混和流反应器。
• 在工程设计上，常常把比较接近某种理想 流动型态的过程当做理想流动来处理，
• 把管径较小，流速较大的管式反应器作为 平推流反应器处理，
• 而把带有强烈搅拌的釜式反应器当做理想 全混流反应器。
反应物A 反应物B
理想混合流反应器



反应物A 的积累速度


0
上式是普遍的物料衡算式，无论对流动系统 或间歇系统均可适用。
对于间歇反应器，式中的流入和流出都为零； 对于稳态操作的连续流动反应器，累积为零。
2. 热量衡算
热量衡算的依据是能量守恒定律，对于流动 系统和间歇系统可列出均可适用的普遍的热 量衡算式：


CA0 CA C A0
二、等温恒容单一反应动力学方程式
• 单一反应是指用一个化学反应式和一个动 力学方程式便能代表的反应。
• 不可逆反应：一级不可逆反应；二级不可 逆反应；
• 可逆反应：一级可逆反应。
1. 一级不可逆反应
2. 二级不可逆反应
这三种不可逆反应的反应速度式和反应速度积分式必须记住！！！
内外盘管式加热不锈钢反应釜 管式反应器
鼓泡塔反应器
固定床反应器
固定床反应器
厌氧流化床反应器
化工厂里的各种设备就像人体里的各种器官， 而连接多个设备的各种管道就像人体里的各种血管和经络。
3. 按操作方式分类
• 间歇反应器：在反应前先将反应物一次放入 反应器内，当反应达到规定转化率后即取出 反应物。
• 化学工程学科体系的基本内容：可概括为 “三传一反”，即动量传递、热量传递、 质量传递及化学反应。
• 聚合反应的特点：
• 反应机理多样，动力学关系复杂，重现性 差，且微量杂质的影响大；
• 聚合过程中，除考虑转化率外，还要考虑 聚合物及其分布、共聚物组成及其分布、 聚合物结构和性能等问题；
• 聚合物体系粘度很高，它们的流动、混合 以及传热、传质等都与低分子体系有很大 的不同；
操作方式 温度条件
间歇反应、半连续反应、连续反应
等温反应、绝热反应、非绝热变温 反应
• 由于化学反应的复杂性，无论按哪一种分 类方法都不可能说明其全部特性。
• 在化学反应工程的领域内，大多数是按反 应物料的相态进行分类，但并不排除其他 分类法。
• 从工程的角度来看，还需注意操作方式分 类：间歇反应；半连续反应；连续反应。
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
2.16m³
四、理想全混流反应器
7.234m³>2.16m³>1.45m³ 全混流 > 间歇 >平推流
五、多级串联理想全混流反应器
原料A CA0
xA0 0
v0
xCA1 A1
CA2
xA2
CAN 1
xAN 1
C AN
xAN
tT=tR+tA tR：反应时间 tA：辅助时间
P24：例2-2
三、平推流反应器
间歇反应器与平推流反应器的设计基本方程形式完全相同； 由此表明两种反应器在达到相同转化率时，所需的反应时间相等； 间歇反应器是属于非稳态操作，平推流反应器是属于稳态操作； 平推流反应器不需要辅助时间，生产能力更大。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
• 由于聚合物体系及聚合产品种类繁多，各 种化工基础数据十分缺乏，实验测定这些 数据又十分不易，所以造成聚合反应工程 至今尚不成熟。