復(fù)旦環(huán)境工程基礎(chǔ)課件06化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)

6.1概述6.1.1化學(xué)反應(yīng)器的作用1.化學(xué)反應(yīng)器：化工生產(chǎn)中用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。2.化學(xué)反應(yīng)器的作用：讓化學(xué)反應(yīng)在其進(jìn)行，并且最大限度和最經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化為所需的產(chǎn)品，提高原料利用率，減輕后續(xù)分離過程的負(fù)擔(dān)，降低生產(chǎn)成本。3.從微觀化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)出發(fā)，影響化學(xué)速率的因素主要有濃度和溫度。4.宏觀化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，則需考慮傳遞過程因素及其對濃度、溫度的影響。第六章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)6.1.2化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究對象與方法1.化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)主要研究大規(guī)?；瘜W(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)過程、設(shè)備特性的基本規(guī)律和各種參數(shù)間的相互關(guān)系。其具體任務(wù)：（1）化學(xué)反應(yīng)器的正確選型與合理設(shè)計；（2）利用實驗室的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行有效放大，解決在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題；（3）實現(xiàn)反應(yīng)過程的設(shè)計和控制最優(yōu)化；（4）改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有的技術(shù)與設(shè)備，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。第六章化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)6.2.1化學(xué)反應(yīng)器的類型1.按物料的相態(tài)分類：均相、非均相表6.1按物料相態(tài)分類的反應(yīng)器種類(p.278)2.按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式分1）釜式：完全混合式2）管式：推流3）塔式：塔濾4）固定床：普通生物濾池5）流化床：厭氧流化床3.圖6.1各種結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)器的示意圖(p.279)4.表6.2主要反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式，適用的相態(tài)和生產(chǎn)上的應(yīng)用舉例6.2基本反應(yīng)器6.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器1.間歇操作的攪拌釜在間歇操作的攪拌釜中，物料一次加入反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，待反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率，物料一次放出。特點1）分批操作，反應(yīng)物料一次加入，反應(yīng)后一次排出，所有物料的反應(yīng)時間相同。2）在恒溫和恒壓條件下，反應(yīng)物和生成物的濃度均隨時間變化，故反應(yīng)速率也隨時間變化。圖6.2間歇式反應(yīng)器及其性能示意圖(p.280)6.2基本反應(yīng)器2.連續(xù)（流動）操作的管式反應(yīng)器（推流式，continuousplug-flow)其示意圖見p.280:圖6.3。反應(yīng)物料連續(xù)不斷地加入反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)后的物料連續(xù)不斷地排出反應(yīng)器。特點1）操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料；2）在恒定溫度、壓力和流量時，反應(yīng)器內(nèi)任一截面上的物料濃度不隨時間變化，但不同截面上的物料濃度不同；3）當(dāng)處理量大時，管內(nèi)物料通常處于高度湍流狀態(tài)，各物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間大致相同。6.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器3.連續(xù)操作的攪拌釜其示意圖見p.280:圖6.4。連續(xù)操作的攪拌釜和間歇操作的攪拌釜相類似，只是原料和產(chǎn)物同時連續(xù)不斷地進(jìn)入和排出反應(yīng)器。特點1）操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料；2）在恒定溫度、壓力和流量時，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度不隨時間變化，處于常態(tài)；3）新進(jìn)入的物料在釜內(nèi)很快分散并與原有物料混合，致使物料微團(tuán)在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間不一致。故停留時間常以平均停留時間來表示，而最終反應(yīng)轉(zhuǎn)化率亦應(yīng)為平均轉(zhuǎn)化率。6.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器4.串聯(lián)的連續(xù)操作的攪拌釜其示意圖見p.281:圖6.5。串聯(lián)的連續(xù)操作攪拌釜是由若干連續(xù)操作攪拌釜串聯(lián)而成的，物料在每一釜內(nèi)充分混合，而釜與釜之間互不混合。特點1）操作為連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料；2）每一級內(nèi)有確定不變的物料濃度，但各級內(nèi)的反應(yīng)物濃度不同，便于分段操作控制；3）物料通過串聯(lián)的多釜之后，其停留時間可相對集中，串聯(lián)的釜數(shù)越多，停留時間越趨于一致。6.2.2幾種典型的基本反應(yīng)器6.3.1全混流模型全混流模型（理想混合）：先后進(jìn)入反應(yīng)器的物料質(zhì)點之間立刻充分混合，使反應(yīng)器內(nèi)各種濃度完全均勻，而且出口物料的濃度與噐內(nèi)完全一樣，物料質(zhì)點在反應(yīng)器內(nèi)停留時間有長有短，從0～都有。6.3.2平推流模型平推流模型（活塞流，plug-flow）：在與流體流動方向（軸向）垂直的截面上各質(zhì)點的流速完全相同，就像柱賽在氣缸里平推過去一樣，沒有軸向混合與擴(kuò)散，流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間也完全相同。6.3物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型6.3.3軸向返混模型軸向返混模型：軸向返混模型是以平推流模型為基礎(chǔ)，再疊加以軸向擴(kuò)散形式表示的返混構(gòu)成的。6.3.4多釜串聯(lián)流動模型多釜串聯(lián)流動模型：多釜串聯(lián)流動模型是以全混流模型為基礎(chǔ)，由N個全混流反應(yīng)器串聯(lián)組合而成的。6.3物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動模型1.原則：物質(zhì)不滅定律，能量守恒定律2.對某一體系單位時間內(nèi)物料的輸入量＝單位時間內(nèi)物料的輸出量＋單位時間內(nèi)物料的積累量＋單位時間內(nèi)由于反應(yīng)而消失的物料量6.4均相反應(yīng)器的計算6.4.1間歇釜式反應(yīng)器1.反應(yīng)器有效容積的計算1）一般式2）具體討論一些特殊情況的計算（1）對于定容過程（2）對于不可逆的一級定容反應(yīng)（3）積分的邊界條件（4）幾種典型反應(yīng)在間歇攪拌釜中達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)時間：表6.3（5）反應(yīng)時間只與反應(yīng)速率有關(guān)，與反應(yīng)物的量無關(guān)（6）間歇釜式反應(yīng)器性能方程的圖解表示：圖6.8(p.286)6.4均相反應(yīng)器的計算3）反應(yīng)器的有效容積VRVR=(+‘)×日處理量/24=v(+‘)式中：

v

——平均每小時處理的物理量，m3/h;‘

——每批操作中加料、出料和清洗等輔助時間，h。4）反應(yīng)器的總體積VT：VR=VT為裝料系數(shù)：（1）不發(fā)生泡沫，不沸騰的液體，＝0.7～0.8（2）其它物料：＝0.4～0.6污水處理：超高5）反應(yīng)器個數(shù)的確定：找錯6.4均相反應(yīng)器的計算6.4.2連續(xù)操作的管式反應(yīng)器1.反應(yīng)所需有效時間1)一般式2)對于等溫一級反應(yīng)3)邊界條件4)不同化學(xué)反應(yīng)在連續(xù)管式反應(yīng)器中的反應(yīng)時間5)各參數(shù)之間的關(guān)系：圖6.9(p.289)6)比較表6.4(p.288)和表6.3(p.285)2.反應(yīng)所需有效體積3.反應(yīng)所需總體積6.4均相反應(yīng)器的計算6.4.3連續(xù)操作的攪拌釜1.反應(yīng)所需有效時間1)一般式2)對于等溫一級反應(yīng)3)邊界條件4)不同化學(xué)反應(yīng)在連續(xù)操作的攪拌釜中的反應(yīng)時間5)各參數(shù)之間的關(guān)系：圖6.10(p.290)2.反應(yīng)所需有效體積3.反應(yīng)所需總體積6.4均相反應(yīng)器的計算CA)6.4.3連續(xù)操作的攪拌釜4.幾種反應(yīng)器所需有效時間的比較1)間歇式反應(yīng)器與連續(xù)操作的管式反應(yīng)器2)連續(xù)操作的管式反應(yīng)器和連續(xù)操作的攪拌釜（1）對于零級反應(yīng)（2）對于一級反應(yīng)（3）產(chǎn)生這種差別的原因6.4均相反應(yīng)器的計算練習(xí)：請推導(dǎo)當(dāng)化學(xué)反應(yīng)速率級數(shù)分別為零級反應(yīng)、一級反應(yīng)、二級反應(yīng)，且反應(yīng)為均相定容不可逆時，在間歇式反應(yīng)器、連續(xù)操作的管式反應(yīng)器、連續(xù)操作的攪拌釜中達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率和一定濃度所需的時間。6.4均相反應(yīng)器的計算6.4.4多釜串聯(lián)反應(yīng)器1.多釜串聯(lián)反應(yīng)器的二個基本方程2.四個需計算求解的參數(shù)：每個反應(yīng)器的有效容積VRi,反應(yīng)器釜數(shù)N,最終轉(zhuǎn)化率xAN和最終濃度cAN1）代數(shù)法：已知動力學(xué)模型2）圖解法：無動力學(xué)模型，但有一組動力學(xué)數(shù)據(jù)6.4均相反應(yīng)器的計算6.5.1以生產(chǎn)強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器1.反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度：反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度是指反應(yīng)器的單位體積所具有的生產(chǎn)能力。2.容積效率（或有效利用系數(shù)）：對同一反應(yīng)，在同溫度、同產(chǎn)量和同轉(zhuǎn)化率條件下，平推流反應(yīng)器的有效容積（反應(yīng)體積）與全混流反應(yīng)器的有效容積之比稱為容積效率（或有效利用系數(shù)）1）零級反應(yīng):(6-24）2）一級反應(yīng):(6-25)3）二級反應(yīng):(6-26)6.5理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇6.5.1以生產(chǎn)強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器3.容積效率與轉(zhuǎn)化率xA和反應(yīng)級數(shù)的關(guān)系:圖6.164.多釜串聯(lián)反應(yīng)器釜數(shù)對反應(yīng)器有效容積的影響一級反應(yīng):（6-27）和圖6.176.5理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇6.5.2以產(chǎn)率和選擇性為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器1.轉(zhuǎn)化率(x)轉(zhuǎn)化率(x)=轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的反應(yīng)物量/進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物量＝反應(yīng)物被消耗的量/反應(yīng)物起始量2.收率()收率()=轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應(yīng)物量/進(jìn)入反應(yīng)器的反應(yīng)物量3.選擇性()選擇性()=轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物的反應(yīng)物量/轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物和副產(chǎn)物的反應(yīng)物量6.5理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇6.5.2以產(chǎn)率和選擇性為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器4.三者關(guān)系：原料不循環(huán)返回反應(yīng)器：收率()＝選擇性()×轉(zhuǎn)化率(x)一般在工業(yè)上常用收率表示原料的有效利用程度，而在理論探討時，往往用選擇性來表示。5.提高收率的方法1）平行反應(yīng)2）串聯(lián)反應(yīng)6.5理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇5.提高收率的方法1）平行反應(yīng)[1]:當(dāng)1>2:選用平推流反應(yīng)器或間歇式反應(yīng)器采用較小的單程轉(zhuǎn)化率用濃度高的進(jìn)料對氣相反應(yīng)，增加系統(tǒng)的壓強(qiáng)[2]:當(dāng)1<2:選用全混流反應(yīng)器采用較大的單程轉(zhuǎn)化率用部分反應(yīng)后的物料循環(huán)，以降低進(jìn)料中的反應(yīng)物濃度加入惰性稀釋劑對氣相反應(yīng)，減壓操作[3]:當(dāng)1＝2改變溫度，采用催化劑來增大k1,減小k26.6.1物料返混和停留時間分布1.返混的概念1）非理想流動：在實際反應(yīng)器中，物料的流動狀況與理想流動有偏差。用物料返混程度大小表示其偏差大小。2）返混：不同停留時間的物料之間的混合。3）停留時間：物料微團(tuán)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時間。4）間歇式反應(yīng)器：不存在返混連續(xù)操作的反應(yīng)器：存在返混6.6物料停留時間分布和流動模型6.6.1物料返混和停留時間分布1.返混的概念5）引起返混的原因：（1）攪拌引起的錯流或?qū)Я鳎?）分子擴(kuò)散或渦流擴(kuò)散（3）反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)引起的死角、短路和溝流。6）返混造成的結(jié)果（1）降低反應(yīng)速率及轉(zhuǎn)化率，影響產(chǎn)品質(zhì)量（2）是反應(yīng)器產(chǎn)生“放大效應(yīng)”（反應(yīng)器的性能隨反應(yīng)器的放大而變差）的主要因素之一。6.6物料停留時間分布和流動模型6.6.1物料返混和停留時間分布2.停留時間分布(RTD,residencetimedistribution)當(dāng)反應(yīng)器存在返混時，所有物料微團(tuán)在反應(yīng)器中的停留時間不一致，呈現(xiàn)一種概率分布，稱為停留時間分布。3.停留時間分布的表示方法1）停留時間分布密度函數(shù)：E()圖6.222）停留時間分布函數(shù)：F()3）停留時間分布密度函數(shù)[E()]與停留時間分布函數(shù)[F()]間關(guān)系的示意圖：圖6.236.6物料停留時間分布和流動模型6.6.1物料返混和停留時間分布3.停留時間分布的表示方法4）分布密度函數(shù)[E()]的性質(zhì)（1）分布密度函數(shù)[E()]曲線下方所包圍的全部面積等于1：(6-33)（2）平均停留時間:(6-34)（3）停留時間對平均停留時間的離散情況的方差6.6物料停留時間分布和流動模型6.6.2停留時間分布的測定方法1.脈沖法2.階躍法習(xí)題：用脈沖法測定一流動反應(yīng)器的停留時間分布，得出口流體示蹤劑的濃度c()與時間的關(guān)系列于下表中，試求該反應(yīng)器內(nèi)物料的平均停留時間和各時間的E()6.6物料停留時間分布和流動模型6.6.3理想反應(yīng)器的停留時間分布1.理想平推流反應(yīng)器內(nèi)物料停留時間分布2.理想全混流反應(yīng)器內(nèi)物料停留時間分布3.串聯(lián)多釜連續(xù)操作的理想攪拌釜的停留時間分布6.6物料停留時間分布和流動模型6.6.4停留時間分布在非理想流動均相反應(yīng)器中的應(yīng)用和計算1.停留時間分布曲線的作用1）提供理想流動反應(yīng)器內(nèi)停留時間分布曲線的典型圖像。2）定性判斷實際反應(yīng)器較接近的理想流動模型，以及偏離理想流動模型的程度和返混程度。3）定性診斷反應(yīng)器內(nèi)物料的流動狀況是否正常。2.停留時間分布在一級反應(yīng)計算中的應(yīng)用3.非一級反應(yīng)情況6.6物料停留時間分布和流動模型6.7.1擴(kuò)散模型反應(yīng)式：AR動力學(xué)方程式：-rA=kcAn軸向擴(kuò)散流動模型：(6-1)擴(kuò)散模型：(6-47)無因次形式擴(kuò)散模型：(6-48)一級反應(yīng)解析解：(6-49)圖6.36：式(6-49)的圖示Da

0,(uL)/Da

，理想平推流Da

,(uL)/Da

0，理想全混流6.7非理想流動反應(yīng)器內(nèi)的流動模型

——擴(kuò)散模型6.7.1擴(kuò)散模型將式(6-49)愈(6-12)聯(lián)合起來，可得圖6.37，由Da圖6.37可知：1）有軸向返混的反應(yīng)器所需的容積大于理想平推流反應(yīng)器的容積，即V/Vp>1;2）軸向返混愈嚴(yán)重，即Da/(uL)愈大，V/Vp也愈大，反應(yīng)器性能愈差；3）轉(zhuǎn)化率愈大，V/Vp也愈大，反應(yīng)器性能愈差；4）在進(jìn)行零級反應(yīng)時，軸向返混對反應(yīng)器性能沒有影響；反應(yīng)級數(shù)愈高，影響愈大。6.7非理想流動反應(yīng)器內(nèi)的流動模型

——擴(kuò)散模型6.7.2擴(kuò)散模型參數(shù)的確定Peclet數(shù)(Pe)：Pe＝(uL)/Da

1/Pe

0，理想平推流1/Pe

,理想全混流1/Pe與停留時間分布函數(shù)關(guān)系：(6-50)當(dāng)返混很小時：(6-51)當(dāng)返混很大時：(6-52)如圖6.38所示6.7非理想流動反應(yīng)器內(nèi)的流動模型

——擴(kuò)散模型6.7.2擴(kuò)散模型參數(shù)的確定對固定床反應(yīng)器，Pe與Re的關(guān)系：對氣體，當(dāng)Re>100(湍流區(qū)）：(Pe)軸向＝2(6-53)(Pe)徑向＝12(6-54)理想平推流反應(yīng)器：對于氣固相固定床反應(yīng)器，當(dāng)床層高度大于固體顆粒直徑100倍時，可忽略返混的影響，可將反應(yīng)器看成是理想推流反應(yīng)器。6.7非理想流動反應(yīng)器內(nèi)的流動模型

——擴(kuò)散模型氣固相催化反應(yīng)器：非均相反應(yīng)非均相反應(yīng)過程：氣液、氣固、液固、氣液固等；催化和非催化反應(yīng)氣固相催化反應(yīng)器：1）固定床催化反應(yīng)器2）移動床催化反應(yīng)器3）流化床催化反應(yīng)器6.8氣固相催化反應(yīng)器6.8.1固定床催化反應(yīng)器1.結(jié)構(gòu)和類型1)絕熱式反應(yīng)器（1）簡單絕熱反應(yīng)器（2）