第四章 化学反应工程学

第四章 化学反应工程学 —反应器的基本原理§4.1 化学反应工程学的基本任务及研究方法 4.1.1 基本任务 通过对反应过程的分析，对技术开发进行深入 研究，掌握过程的传递动力学和化学动力学、 改进和强化现有的反应技术与设备，降低生产 成本，提高效能。 开发新的技术与设备，并指导和解决反应过程 中的放大问题。 根据合理的技术方案和操作条件对反应器进行 最优化设计和反应过程的最优化控制。

4.1.2 研究目的将实验室成果转化为工业生产，并对所采 用的反应及预期的生产过程要求对反应 器型式、结构、尺寸及操作方式和操作 条件进行优化选择与设计. 4.1.3 主要研究方法 数学模拟方法关键：数学模型的关键

数学模拟方法步骤 实验室内进行的小规模实验，包括新产 品合成，反应动力学的研究以及新型催 化剂的开发等。 初步放大:仍属于实验室规模，但大于通 常的实验室规模，且反应器的结构与将 来工业规模装臵相接近。

大型冷模试验包括“冷模实验”和“热模实验”,主要用于探索传 递过程对化学反应过程的影响以及与设备规模之间的 关系。

中试这一阶段的试验除在规模上扩大外，在流程及设备型 式上也与生产车间十分接近。目的在于对数学模型进 行检验和修正，为最终工业化设计提供有用的信息。 同时对设备材料的情况、催化剂的寿命及活性变化进 行考查。

4.2 工业反应器及其分类反应的操作方法 化学反应过程 反应器的型式 反应的相态

4.2.1 反应的操作方法间歇(或分批)操作 非定态的操作 反应的操作方法 连续操作定态的操作

半连续(半分批)操作 非定态的操作

4.2.2反应器的型式型式 釜式 管式 塔式 气—液—固 固定床 流化床 气—固(催化或非催化)相 气—固(催化或非催化)相 催化裂化，乙烯氧氯化制二氯乙烷等 气—固(催化或非催化) ,催化 移动床 剂失活很快的反应 气—固相，固—固相， 回转筒式 液—固相 喷嘴式 气相，高速反应的液相 氯化氢的合成，天然气裂解制乙快 苯酐转位成对二甲酸，水泥制造等 矿物的焙烧或冶炼，石油催化裂化等 化，苯连续磺化，苯的氯化，异丙苯氧化等 合成氨，乙苯脱氢，乙烯法制醋酸乙烯等 丙烯氨氧化制丙烯腈，邻二甲苯或萘氧化制苯酐，石油 适用的反应 液相，液—液相，液—固相 气相，液相 气—液，液—液， 生产实例 氯乙烯聚合，苯的硝化，顺丁橡胶聚合等 石脑油裂解，油脂或脂肪酸加氢生产高碳醇等 苯乙烯的本体聚合，化学吸收，苯的烷基化，二甲苯氧

管式反应器

鼓泡塔反应器

釜式反应器

固定床反应器 流化

床反应器

填料塔反应器喷雾塔反应器

回转筒式反应器

4.2.3 反应的相态反应物料相态均相 气相 液相

反应特性无相界面，反应速 度仅与浓度或温 度有关

反应类型举例燃烧、裂解等 酯化、中和、水解等

运用的反应器型式管式 釜式

气—液相 液—液相 气—固相 非均相 液—固相 固—固相 气—液— 固相

加氢、 氯化、 氧化、 釜式、塔式 吸收等 有相界面，实际 硝化、烷基化、磺 釜式、塔式 反应速度与相 界 面 大 小 及 相 化 等 各 种 固 相 催 固定床、流化床、 间 扩 散 速 度 有 化、燃烧、还原等 移动床 关 离子交换、还原等 釜式、塔式 水泥制造等 硫等 回转筒式 加氢裂解、加氢脱 固定床、流化床

4.2.4均相反应

化学反应的动力学基础

在均一的气相或液相中进行的反应，如 烃类的高温裂解，酯化、皂化、酸碱中 和等反应，均为典型的气相和液相均相 反应。

4.2.4.1. 化学反应速率及其表示

1 dni ri V dt若反应过程中体积恒定，即均相定容反应d ( ni V ) dci ri dt dtri——体系中i组分的反应速率 ni——i组分的物质的量 V——反应体积

aArA rB rP rS

+

bB

pP

+

sS

dcA 1 dnA V dt dt dcB 1 dnB V dt dt 1 dnP dcP V dt dt 1 dnS dcS V dt dt

同一化学反应按不同组 分计算得到的反应速率 在数值上并不一定相等

rA rB rP rS a b p s

1 dcA 1 dcB 1 dcP 1 dcS a dt b dt p dt s dt

1 dnA rA kc A c B V dt反应速率常数

k A0 e

E RT

f ( T ,E )

k的单位随反应级数不同而异反应速率数的单位为(kmol· m-3)1-n· s-1 则对一级反应k的单位为 s-1, 二级反应的单位为m3· kmol-1· s-1k P k C ( RT ) n kY (1 p) n

d ln k E 2 dt RT

T2 T1 E log k 2 k1 ( ) 2.303R T1T2

图4-2 流动体系的反应速率示意图

dFi ri dVi

dFA rA dVR

4.2.5 转化率，产率和选择性 转化率 x A转化为目的产物和副产 物的 A的物质的量 转化率 进入反应器的 A的物质的量

反应物 A转化的物质的量 反应物 A的起始物质的量

aA

+

nA0 nA0-nA间歇系统

bB nB0 0

pP + sS 0 0

xA xA

n A,0 n A n A,0FA,0 FA FA,0

连续流动系统

等温、定容条件下 x A

c A,0 c A c A, 0

转化率是针对反应物而言的。以不同的反 应物为基准计算得到的转化率数值可能并 不相同 在工业反应过程所用的反应物料中，各反 应组分之间的比例通常并不符合化学计量 关系，一般选择不过量的反应物计算转化 率 .这样的组分称为着眼组分或关键组分 由关键组分计算的转化率，其最大值为 100%。而按过量组分计算，

其最大值永远 小于100%。 当原料中各组分间的比例符合化学计量关 系时，对于同一状态，按任意一种反应物 计算的转化率数值都一样。

收率y

aA nA0

+

bB 0

pP + sSpnA0 a

0

0

0

a nP y p n A,0

单一反应，转化率与收率相等，而且 无论按哪一个反应产物计算的收率， 其数值都相等 当反应系统中进行的反应不只一个时， 则不相等 .

选择性 S 在工业生产中，评价复合反应时，除 了采用转化率和收率外，还常用反应 的选择性来表示。aA nA0 nA0-nA + bB 0 pP + sS 0p(nA0-nA) a

0

nP a S p n A,0 n A