化学反应工程学----反应器基本原理

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第十章 化学反应工程学----反应器基本原理第一节 概述 一、化学反应工程学的发展 20世纪30年代德国科学家丹克莱尔在当时实验数据十分贫 乏的情况下,较系统地论述了扩散、流体流动和传热对反应器 产率的影响，为化学反应工程奠定了基础， 40年代末期，霍根和华生的著作《化学过程原理》及前苏 联学者弗兰克—卡明涅斯基的著作《化学动力学中的扩散与 传热》相继问世，总结了化学反应与传递现象的相互关系， 探讨了反应器设计的问题，对化学反应工程学的发展起到了 巨大的推动作用。

1957年荷兰阿姆斯特丹举行的欧洲第一届化学反应工程会 议上，正式确定了“化学反应工程学”这一学科的名称。

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60年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加工向化学反应 工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的发展。特别是后来计算 机的应用，解决了不少复杂的反应器设计与控制问题。 1970年前后相继出现全面系统地论述化学反应工程学的教科书和专著。 标志着化学反应工程学的成熟。 80年代后，随着高新技术的发展和应用(如微电子器件、光导纤维、新 材料及生物技术的应用等),扩大了化学工程的研究领域，形成了一些新 的学科分支，如生化反应工程、聚合物反应工程、电化学反应工程等，将 化学反应工程的研究推到了一个崭新的阶段。

二、化学反应工程学研究的内容和方法 研究的内容： (1)通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力 学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术 和设备，降低能耗，提高效率。 (2)开发新的技术和设备。 (3)指导和解决反应过程开发中的放大问题。 (4)实现反应过程的最优化。

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研究的方法：数学模型 在化学工程中，数学模型主要包括以下内容： (1)、动力学方程式 对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应， 一般采用宏观速率方程式。 (2)、物料衡算式 流入量 = 流出量 + 反应消耗量 + 累积量 (3)、热量衡算式 物料带入热=物料带出热 + 反应热 + 与外界换热 + 累积热 (4)、动量衡算式 输入动量 = 输出动量 + 动量损失 (5)、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。

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三、化学反应工程学与相关学科的关系

传递工程

反应器中流体 流动与传热 化 学 动 力 学 化 学 热 力 学 化学反应工程 反应过程分析 反应技术放大 反应器的设计 化工工艺流 程中反应器 与设备 化学工艺 反 应 系 统 中 测 量 与 控 制 最 优 化 工 程 控 制

化 学

催化 剂与 反应 条件

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四、化学反应过程和化学反应器的分类(一)、化

学反应过程分类分类特征 反应特征 热力学特征 相态 时间特征 控制步骤 反应过程 简单反应、复杂反应(平行反应、连串反应等) 可逆的，不可逆的 均相(气、液),非均相(气-液，气固、液固、气-液-固) 定态，非定态 化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附 控制

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判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性1、反应速率 反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生 成物的变化量。

1 dni ri V dt如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。 则上式可写成：

d (ni V ) dci 1 dni ri V dt dt dt正号----表示产物的生成速率 负号----表示反应物的消失速率

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化学反应各组分的反应速率为：

aA bB eE fF

rA rB rE rF

1 dnA dcA V dt dt 1 dnB dcB V dt dt 1 dnE dcE V dt dt 1 dnF dcF V dt dt

各组分反应速率之间的关系：

rA rB rE rF a b e f

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根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度， 这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：

1 dnA rA k c A cB V dtk----反应速率常数，可以根据阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程求得：

k A e2、转化率

E RT

反应物A的消耗量 转化率(x A) 反应物A的起始量对于间歇系统

xA

n A, 0 n A n A, 0

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对于连续流动系统，转化率则以下式表示：

xA

FA, 0 FA FA, 0

对于等温、恒容反应，可以用浓度表示： 3、反应的选择性

xA

c A, 0 c A c A, 0

反应的选择性是指生成目的产物所消耗的关键组分量与 已转化的关键组分量之比。

np 生成目的产物所消耗的关键组分量 a s 已转化的关键组分量 p n A, 0 n A

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