第六章 化学反应工程学 6.1~6.8节.ppt

第六章 化学反应工程学 6.1 概述 6.1.1 化学反应器的作用 1. 化学反应器：化工生产中用于进行化学反应的设备。 2.化学反应器的作用：让化学反应在其进行，并且最大限度和最经济地转化为所需的产品，提高原料利用率，减轻后续分离过程的负担，降低生产成本。 3. 从微观化学反应动力学出发，影响化学速率的因素主要有浓度和温度。 4. 宏观化学反应动力学，则需考虑传递过程因素及其对浓度、温度的影响。 第六章 化学反应工程学 6.1.2 化学反应工程学的研究对象与方法 1. 化学反应工程学：化学反应工程学主要研究大规模化学反应的生产过程、设备特性的基本规律和各种参数间的相互关系。其具体任务： （1）化学反应器的正确选型与合理设计； （2）利用实验室的研究数据进行有效放大，解决在工业规模生产中可能出现的问题； （3）实现反应过程的设计和控制最优化； （4）改进和强化现有的技术与设备，降低能耗，提高经济效益。 6.2 基本反应器 6.2.1 化学反应器的类型 1. 按物料的相态分类：均相、非均相 表6.1 按物料相态分类的反应器种类 (p.278) 2. 按反应器的结构形式分 1）釜式：完全混合式 2）管式：推流 3）塔式：塔滤 4）固定床：普通生物滤池 5）流化床：厌氧流化床 3. 图6.1 各种结构形式的反应器的示意图 (p.279) 4. 表6.2 主要反应器结构形式，适用的相态和生产上的应用举例 6.2 基本反应器 6.2.2 几种典型的基本反应器 1. 间歇操作的搅拌釜 在间歇操作的搅拌釜中，物料一次加入反应器进行反应，待反应达到要求的转化率，物料一次放出。 特点 1）分批操作，反应物料一次加入，反应后一次排出，所有物料的反应时间相同。 2）在恒温和恒压条件下，反应物和生成物的浓度均随时间变化，故反应速率也随时间变化。 图6.2 间歇式反应器及其性能示意图 (p.280) 6.2.2 几种典型的基本反应器 2. 连续（流动）操作的管式反应器（推流式，continuous plug-flow) 其示意图见 p.280: 图6.3。反应物料连续不断地加入反应器内，反应后的物料连续不断地排出反应器。 特点 1）操作为连续进料和连续出料； 2）在恒定温度、压力和流量时，反应器内任一截面上的物料浓度不随时间变化，但不同截面上的物料浓度不同； 3）当处理量大时，管内物料通常处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内的停留时间大致相同。 6.2.2 几种典型的基本反应器 3. 连续操作的搅拌釜 其示意图见 p.280: 图6.4。连续操作的搅拌釜和间歇操作的搅拌釜相类似，只是原料和产物同时连续不断地进入和排出反应器。 特点 1）操作为连续进料和连续出料； 2）在恒定温度、压力和流量时，反应器内物料浓度不随时间变化，处于常态； 3）新进入的物料在釜内很快分散并与原有物料混合，致使物料微团在反应器内的停留时间不一致。故停留时间常以平均停留时间来表示，而最终反应转化率亦应为平均转化率。 6.2.2 几种典型的基本反应器 4. 串联的连续操作的搅拌釜 其示意图见 p.281: 图6.5。串联的连续操作搅拌釜是由若干连续操作搅拌釜串联而成的，物料在每一釜内充分混合，而釜与釜之间互不混合。 特点 1）操作为连续进料和连续出料； 2）每一级内有确定不变的物料浓度，但各级内的反应物浓度不同，便于分段操作控制； 3）物料通过串联的多釜之后，其停留时间可相对集中，串联的釜数越多，停留时间越趋于一致。 6.3 物料在反应器内的流动模型 6.3.1 全混流模型 全混流模型（理想混合）：先后进入反应器的物料质点之间立刻充分混合，使反应器内各种浓度完全均匀，而且出口物料的浓度与噐内完全一样，物料质点在反应器内停留时间有长有短，从0～?都有。 6.3.2 平推流模型 平推流模型（活塞流，plug-flow）：在与流体流动方向（轴向）垂直的截面上各质点的流速完全相同，就像柱赛在气缸里平推过去一样，没有轴向混合与扩散，流体在反应器内的停留时间也完全相同。 6.3 物料在反应器内的流动模型 6.3.3 轴向返混模型 轴向返混模型：轴向返混模型是以平推流模型为基础，再叠加以轴向扩散形式表示的返混构成的。 6.3.4 多釜串联流动模型 多釜串联流动模型：多釜串联流动模型是以全混流模型为基础，由N个全混流反应器串联组合而成的。 6.4 均相反应器的计算 1. 原则：物质不灭定律，能量守恒定律 2. 对某一体系 单位时间内物料的输入量＝单位时间内物料的输出量＋单位时间内物料的积累量＋单位时间内由于反应而消失的物料量 6.4 均相反应器的计算 6.4.1 间歇釜式反应器 1. 反应器有效容