7反应工程

反应工程化学反应和反应器的分类•一、按反应系统涉及的相态分类，分为•1．均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。•2．非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液—固相反应等。•二、按操作方式分类，分为•1．间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。•2．连续操作，指反应物料连续地通过反应器的操作方式。•3．半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。•三、按反应器型式来分类，分为•管式反应器槽式反应器塔式反应器•四、按传热条件分类，分为•1．等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。•2．绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。•3．非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。第一章均相单一反应动力学和理想反应器化学反应式化学反应计量式化学反应计量式只表示参与化学反应的各组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以进行的程度无关。反应程度（反应进度）•对于任一化学反应•定义反应程度•式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。反应进行到某时刻，体系中各组分的摩尔数与反应程度的关系为：转化率•目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学反应进行的程度。•定义组分A的选取原则•A必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于一个组•份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。••转化率与反应程度的关系，结合••SRBAsrbaSRBAsrba0SRBAsrba0SRBAsrbaI0IInnII0InnA0A0AAAnnnAx组分的起始量组分量转化了的0AAA0AnnnxI0IInn•得到：•亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数•对A组分本身，将上式中的I用A代替，可得化学反应速率反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率•常用的还有以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。•nA：反应体系内，反应物A的摩尔数；•V：反应体积•t：时间•以反应物B为基准定义的反应速率为：•以反应产物C为基准定义的反应速率为：•必有•当I为反应物时，•I为产物时，化学反应动力学方程定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式称为反应动力学方程。主要考虑反应物系组成和温度对反应速率的影响•化学反应动力学方程有多种形式，对于均相反应，方程多数可以写为（或可以近似写为，至少在一定浓度范围之内可以写为）幂函数形式，反应速率与反应物浓度的某一方次呈正比。•对于体系中只进行一个不可逆反应的过程，•式中：cA，cB：A，B组分的浓度mol.m-3•kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应级数的不同有不同的因次。kc是温度的函数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌斯关系。反应级数•m，n：A，B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。A0AAnxAA0AI0IIxnnnAA0A1xnn13smmoldd1tVr13AAsmmoldd1tnVr4D3C2BA对于反应13BBsmmoldd1tnVr13CCsmol.mdd1tnVrDCBA413121rrrrIIrrIIrrSRBAsrba13BAcAsmmolnmcckr•如果反应级数与反应组份的化学计量系数相同，即m=a并且n=b，此反应可能是基元反应。基元反应的总级数一般为1或2，极个别有3，没有大于3级的基元反应。对于非基元反应，m，n多数为实验测得的经验值，可以是整数，小数，甚至是负数。•把化学反应定义式和化学反应动力学方程相结合，可以得到：•直接积分，可获得化学反应动力学方程的积分形式。•对一级不可逆反应，恒容过程，有：•由上式可以看出，对于一级不可逆反应，达到一定转化率所需要的时间与反应物的初始浓度cA0无关。半衰期定义反应转化率达到50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。建立动力学方程式的方法积分法微分法几个时间概念•(1)反应持续时间tr简称为反应时间，用于间歇反应器。指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。•(2)停留时间t和平均停留时间停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。•(3)空间时间τ其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。即•空间时间是一个人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应器体积的流体所需要的时间。•空间时间不是停留时间•(4)空间速度SV•有空速和标准空速之分。空速的一般定义为在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。即：•标准空速定义为：简单混合与返混若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同nmckctnVrBAAAdd1AAAddkctcrAA0A11lnlnxcckt0RVV1R0VhVVS1RNOVhVVS的物料之间的均匀化过程，称之为返混。•按混合情况不同反应器被分为以下四种类型间歇反应器：由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混平推流反应器[理想置换反应器]：属于简单混合无返混全混流反应器：在这类反应器中物料返混达最大值。非理想流反应器：物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间间歇反应器：反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。间歇反应器特点：①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。理想置换反应器理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器，英文名称为Plug(Piston)FlowReactor，简称PFR理想置换反应器的特性①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。变容反应过程理想置换反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的变化。膨胀因子和膨胀率膨胀因子•反应式•计量方程•定义膨胀因子膨胀因子是由反应式决定的，一旦反应式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它因素一概无关。SRBAsrba0SRBAISRBAIAIA02312C3BA2AδA0是摩尔数增加的反应，反应体积增加。δA0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。δA=0是摩尔数不变的反应，反应体积不变。膨胀率•物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性物的存在等有关，因此引入第二个参数膨胀率。•定义膨胀率•即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初始体积。膨胀因子与膨胀率的关系变容过程转化率与浓度的关系对于A组分流体在平推流反应器中的真实停留时间由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。•恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间τ不同。如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。全混流反应器•全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。全混流反应器特性•①物料在反应器内充分返混；②反应器内各处物料参数均一；③反应器的出口组成与器内物料组成相同；④连续、稳定流动，是一定态过程。第二章复合反应与反应器选型•平推流反应器在结构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但有一点是共同的，就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。•间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样。单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较001AAAAxxxVVVAA0AyAAA0AA11xxcc理想流动反应器的组合•(1)平推流反应器的并联操作•VR=VRl+VR2•因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：•V0=V01+V02•由平推流反应器的设计方程尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此，是应当遵循的条件•(2)全混流反应器的并联操作多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。全混流反应器的串联操作N个全混流反应器串联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应•对于N釜串联操作的系统，总空间时间：•τ小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时的空间时间。由于釜与釜之间不存在返混，故总的返混程度小于单个全混釜的返混循环反应器循环反应器的基本假设：①反应器内为理想活塞流流动；②管线内不发生化学反应；③整个体系处于定常态操作。•当循环比β为0时，还原为普通平推流反应器设计方程。•当循环比β→∞时，变为全混流反应器设计方程。•当0β∞时，反应器属于非理想流动反应器。自催化反应特性自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化作用，加速该反应过程的进行。这类反应频繁出现在生化反应过程中21A0AA0A0RdxrxcVV02012R1R::VVVVN21•反应1•反应2•特性：•通常k2值远大于k1。在反应初期尽管反应物的浓度较高，但产物浓度很低，所以总反应速率不大。随着反应的进行，产物浓度