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第四章 非均相反应器

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化学制药工艺与反应器第4章 化学制药反应器51P

化学制药工艺与反应器第4章 化学制药反应器51P

第四章 化学制药反应器
反应过程及反应器在生产中重要性
制药工业的生产过程由一系列化学反应与物理处理过程有 机地组合而成的。 以氯霉素工艺为例 化学反应过程是生产过程的中心，反应器是关键设备。
第一节 反应器基础
一、化学反应器的分类 1.按物料的聚集状态分
均相： 气相、液相 非均相：g-l相、 g-s相、l-l相、l-s相、 g-l-s相
（3）连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程。属定态
过程，反应器内参数不随时间而改变，适于大规模生 产。
二、反应器计算的内容和基本方程式 （一）反应器计算的基本内容 1.选择合适的反应器型式 2.确定最佳操作条件 3.计算完成生产任务所需的反应器体积
（二）反应器计算的基本方程
反应器计算可以采用经验法和数学模型法。
釜式反应器的结构, 主要由壳体、搅拌 装置、轴封和换热 装置四大筒体、底、盖（或称封头）、 手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
2.搅拌器
作用：使物料混和均匀，强化传热和传质。
种类：桨式、推进式、涡轮式、框式、锚式、 螺带式等
选择依据：主要根据物料性质、搅拌目的及 各种搅拌器的性能特征来进行。
CA CA,O
time
CA, out
0
tout/2
tout
t
➢ 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应 时间较长的产品生产
➢ 缺点：
➢装料、卸料等辅助操作时间长， 定
产品质量不稳
➢ 应用：用于液—液相、气—液相等系统，如染料、 医药、农药等小批量多品种的行业。
一、已知条件
1.每天处理物料总体积VD（或反应物料每小时体积流 量V0）
➢ 一般情况下，反应器计算可以不考虑此 项。
第四章12颗粒与流体间的相对流动

第四章12颗粒与流体间的相对流动


本章难点
➢ 非球形颗粒的表示方法； ➢ 干扰沉降速度的计算； ➢ 可压缩滤饼比阻随压强的变化； ➢ 洗涤速率与过滤速率的关系。
第一节 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动
1.1 颗粒及颗粒床层的特性 ➢ 单颗粒的特性参数 ➢ 颗粒群(混合颗粒)的特性参数 ➢ 颗粒床层的特性 1.2 流体与颗粒间的相对运动 ➢ 流体绕过颗粒的流动 ➢ 流体通过颗粒床层的流动
于空隙率ε。
(4)床层通道特性 ➢ 固体颗粒堆积所形成的孔道的形状是不规则的、细
小曲折的。
➢ 许多研究者将孔道视作流道，并将其简化成长度为 Le的一组平行细管，并规定：（1）细管的内表面积 等于床层颗粒的全部表面；（2）细管的全部流动等 于颗粒床层的空隙容积。则这些虚拟细管的当量直 径de为:
de
➢ 固体颗粒沉降时，起重要作用的特征数仍是雷诺数。
➢ 静止或流速很慢的流体中，固体颗粒在重力（或离 心力）作用下作沉降运动。此时颗粒的受到以下三 方面的作用力:
(1) 场力F
➢ 重力场
Fg = mg
➢ 离心力场 Fc = mrω2
式中：r——颗粒作圆周运动的旋转半径；
ω——颗粒的旋转角速度；
m——颗粒的质量，对球形颗粒m=πdp3ρp /6。
(2)颗粒群的平均特性参数
➢ 颗粒群的平均粒径有不同的表示法，常用等比表面
积当量直径来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的
平均比表面积αm为：
am
xiai
6 xi d pi
由此可得颗粒群的比表面积平均当量直径 dm为：
1
d m
xi d pi
ai——第i层筛网上颗粒的比表面积， m2/m3 ；
(Re p )
➢ 修正雷诺数的定义为：
非均相反应器

非均相反应器

固定床催化反应器结化构剂层示温意度分图布接近于较理想的状况。 （双套管催化床）
自热式固定床反应器
自热式反应器在开车时需要外部热源。
甲烷化炉
34
固定床催化反应器的热点温度及降低措施
概念：沿固定床催化剂床层轴向上，存在温度分布（如下图 ），其中最高温度称为热点温度。
轴向的温度分布主要 决定于沿轴向各点的 放热速率和管外载热 体的移热速率。
46
床层内空隙率径向分布不均匀，引 起各处的流速不同，因而床层内各 处的传热和停留时间也不一样。 为减少壁效应的影响，设计时要求 床层直径至少要大于颗粒直径的 8 倍以上。
47
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.3.2 固定床反应器内 的流体流动特性 固定床反应器内的流体流 动直接影响床层的压力降 和传递过程，并最终影响 反应结果。
当流速较低时， 床层固体颗粒静 止不动，颗粒之 间仍保持接触， 床层的空隙率及 高度都不变，流 体只在颗粒间的 缝隙中通过
固定床
流速继续增大，当 流体通过固体颗粒 产生的摩擦力与固 体颗粒的浮力之和 等于颗粒自身重力 时，床层略有膨胀， 但颗粒不能自由运 动，颗粒间仍处于 接触状态，
当流速进一步增加 到高于初始流化的 流速时，颗粒全部 悬浮在向上流动的 流体中，即进入流 化状态。此时床层 高度发生变化，但 存在明显的上界面
（5）形状系数 s
催化剂颗粒的形状系数定义为：球形颗粒的外表面积与体 积相同的非球形颗粒的外表面积之比，即
s
As Ap
（6-7）
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
2. 床层空隙率 空隙率是催化剂床层的空隙体积与催化剂床层总体积之 比，可用式(6-8)进行计算。
(6-8)
模块四反应工程分析解析

模块四反应工程分析解析

模块四反应工程一、单选题1．使用固体催化剂时一定要防止其中毒，若中毒后其活性可以重新恢复的中毒是（）A、永久中毒；B、暂时中毒；C、碳沉积；D、钝化。

2．固定床反应器具有反应速度快、催化剂不易磨损、可在高温高压下操作等特点，床层内的气体流动可看成（）A、湍流；B、对流；C、理想置换流动；D、理想混合流动。

3．下列性质不属于催化剂三大特性的是（）。

A、活性；B、选择性；Ｃ、稳定性；Ｄ、溶解性。

4．与平推流反应器比较，进行同样的反应过程，全混流反应器所需要的有效体积要（）A、大；B、小；C、相同；D、无法确定。

5．流化床的实际操作速度显然应（）临界流化速度。

A、大于；B、小于；C、相同；D、无关。

6．当固定床反应器操作过程中发生超压现象，需要紧急处理时，应按以下哪种方式操作（）A、打开入口放空阀放空；B、打开出口放空阀放空；C、降低反应温度；D、通入惰性气体。

7．在对峙反应A+B C+D中加入催化剂(k1、k2分别为正、逆向反应速率常数)，则（）A、k1、k2都增大，k1/k2增大；B、k1增大，k2减小，k1/k2增大；C、k1、k2都增大，k1/k2不变；D、k1和k2都增大，k1/k2减小。

8．平推流的特征是（）A、进入反应器的新鲜质点与留存在反应器中的质点能瞬间混合；B、出口浓度等于进口浓度；C、流体物料的浓度和温度在与流动方向垂直的截面上处处相等，不随时间变化；D、物料一进入反应器，立即均匀地发散在整个反应器中。

9．釜式反应器可用于不少场合，除了（）。

A、气－液；B、液－液；C、液－固；D、气－固。

10．下列（）项不属于预防催化剂中毒的工艺措施。

A、增加清净工序；B、安排预反应器；C、更换部分催化剂；D、装入过量催化剂。

11．化学反应器的分类方式很多，按（）的不同可分为管式、釜式、塔式、固定床、流化床等。

A、聚集状态；B、换热条件；C、结构；D、操作方式。

12．固定床反应器内流体的温差比流化床反应器（）A、大；B、小；C、相等；D、不确定。

化学反应工程第六章非均相反应器(上)

化学反应工程第六章非均相反应器(上)

流化床反应器62流化床反应器63固定床反应器61第六章非均相反应器其他非均相反应器简介6461固定床反应器611固定床反应器的特点固定床反应器无论塔式还是管式均垂直设置气体由顶部进入流动方向与重力方向一致这样可以防止气体冲动床层造成催化剂分布不均匀和催化剂的磨损带出同时有利于反应器中可能形成的液态物质的排除
6.1.5 固定床反应器的工艺计算
(4)管间采用道生油强制外循环换热。道生油进口温度 503K， 出口温度508K,道生油对管壁给热系数α0可取 2717kJ／(m2·h·K)。 (5)催化剂为球形，直径dP为5mm，床层空隙率ε为0.48。 (6)年工作7200h，反应后分离、精制过程回收率为90％， 第一反应器所产生环氧乙烷占总产量的90%。
6.1.2 固定床反应器的类型
气流不是沿轴向而是沿径向通 过催化剂床层，这种流程可以 解决床层过高、走轴向压力降 过大的问题，该合成塔床层阻 力小、可以采用大气量、小颗 粒催化剂，利于减小内外扩散 的阻力，强化传质，因此特别 适用于大中型生产规模的场合。
图6-7 径向反应塔示意图
6.1.3 固定床反应器内的流体流动
6.1.4.1 固定床中的传质 内扩散控制过程发生的场合是，颗粒大，因而内扩散阻力 大，内扩散速度小；温度高因而化学反应速度快；气速高
因而外扩散速度大。内扩散控制过程浓度分布特征是 CAg≈CAs>> CAc≈CAeq 。
外扩散的控制过程 传质速度（外扩散速度）即为总反 应速度。外扩散控制发生的场合是颗粒小，气速小、温度 高。外扩散控制过程浓度分布的特征是
CO2 52.67+3.26=55.93kmol/h
N2
566.35kmol/h
C2H4O 3.16kmol/h
化工基础第四章 单元反应

化工基础第四章 单元反应


4.1.2单元反应的分类
4.1.2.1按参加反应物质的相态分类 4.1.2.2按反应器型式分类 4.1.2.3按操作方式分类 4.1.2.4按传热方式分类 4.1.2.5按热效应分类 4.1.2.6按热力学特征 4.1.2.7按时间特征 4.1.2.8按反应过程的化学特性分类
4.1.2.1按参加反应物质的相态分类
第4章 单元反应
4.1概述
4.1.1单元反应及其在化工生产中的作用 4.1.2单元反应的分类 4.1.3单元反应的表征 4.1.4反应类型的比较 4.1.5单元反应对反应器的要求 4.1.6化学反应器的分类
4.1.1单元反应及其在化工生产中的作用
单元反应是指具有化学变化特点的基本加工过程， 比如氧化、还原、硝化、磺化等反应过程。化工过 程是由一系列单元反应和一系列单元操作构成。反 应过程是化工生产中创造新物质的过程，因此是化 工生产过程的中心环节。前述的各单元操作主要是 发生物理变化，是为化学反应过程提供条件的。
④液─固相反应过程
液─固相反应过程是指参加反应的物质存在液相和固相的非均相反应过 程。这类反应包括两种情况：一种情况是反应物分别处于液相和固相 的非催化反应，如：纯碱苛化制烧碱，反应物为固相的氢氧化钙和液 相的碳酸钠溶液；另一种情况是反应物都处于液相，催化剂处于固相 的催化反应，如乙醇脱氢制乙醛，反应物乙醇处液相，锌、钴等催化 剂处于固相。这类反应多数是用槽式反应器，也有用塔式反应器、回 转筒式反应器的。 其特征和气─固相反应很相似，液─固相非催化反应通常在固相表面进 行，液相反应物要先扩散到固相表面；液─固相催化反应通常在固相催 化剂表面进行，液相反应物要先扩散到催化剂表面。液相反应物的扩 散速度要比气相反应物慢，为增大相间抵触，加快扩散速度，常在反 应釜中设搅拌装置。
非均相催化氧化课件

非均相催化氧化课件


催化剂的活性组分
金属元素
如铂、钯、铱等贵金属和铜、铁、钴等过渡金属，具有催化 活性的中心。
非金属元素
如氧、硫、磷等，作为氧化还原中心或酸性中心参与催化反 应。
催化剂的载体
硅酸盐载体
如硅藻土、石英等，具有良好的热稳定性和化学 稳定性。
活性碳载体
具有较大的比表面积和良好的孔结构，能够提高 催化剂的分散度和活性。
有机物的选择性氧化
总结词
非均相催化氧化在有机物的选择性氧化中具有独特优势，可以实现高选择性、高收率的氧化反应。
详细描述
在有机物的选择性氧化中，非均相催化氧化能够有效地控制反应条件，使有机物在氧化过程中只发生 特定的反应，从而获得高纯度、高附加值的氧化产物。这种方法在制药、精细化工等领域具有广泛的 应用前景。
探究催化剂表面的活性中心，理解活性中心与反应物之间的相互作 用机制，为催化剂的设计和优化提供理论支持。
反应动力学
研究反应的动力学过程，建立反应速率方程，为反应条件的优化和 控制提供依据。
反应过程的优化与控制
反应条件优化
通过实验研究，探索最佳的反应温度、压力、浓度等条件，提高 反应效率和产物选择性。
实验流程
反应物通入反应器，在催化剂的作用 下进行氧化反应，产物通过收集系统 进行收集，同时对反应温度、压力进 行控制和监测。
实验操作方法
催化剂装填
按照实验要求，将催化剂装填 入反应器中。
反应物通入
将反应物通入反应器中，调整 流量和温度。
氧化反应
在催化剂的作用下进行氧化反 应。
产物收集
对产物进行收集，记录数据。
求。
多功能催化剂
研究能够同时实现多种催化功能的 催化剂，如氧化还原、酸碱催化等 ，以提高催化效率。
第四章 外部传递过程对非均相催化反应的影响

第四章 外部传递过程对非均相催化反应的影响


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二、动力学方程
1、本征动力学方程
反应速率是由反应实际进行场所的浓度和温度决定的，对气固
相催化反应过程而言，也就是由催化剂表面活性中心上的浓度
cAs和温度Ts决定的，当采用幂函数型动力学方程时，可表示为：
本征动力学方程
Ei1）
◇这种排除了传递过程影响的动力学方程称为本征动力学方程
Chemical Reaction Engineering
气－固相催化反应的过程
气膜 微孔 载体
反应表面
颗粒外表面
气相主体
(3)
CA(4)
(5)
⑴ 反应物A
⑵
CAG
CA
S
(6)
CBS
(7)
Chemical Reaction Engineering
产物CBG
外部传质和内部传质的主要差别 ☞外部传质：单纯的传质过程 ☞内部传质：传质和反应同时进行的过程。
Chemical Reaction Engineering
气固催化反 应过程
Chemical Reaction Engineering
气固相催化反应的 3 个过程
（1）外扩散
（2）内扩散
内 扩
（3）吸附
外 表面 扩
散 （4）表面反应 反应 散
过 程
（5）脱附
过程 过 程
（6）内扩散
（7）外扩散
Chemical Reaction Engineering
第四章
外部传递过程对 非均相催化反应的影响
CheCmheicmailcRaleRaecatcioionnEEngineeerriinngg
学习目标
• 1、掌握外部效率因子的定义方法，以及与 Da之间的关系；
hgyl四非均相物系的分离PPT课件

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计算通式
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2、阻力系数
阻力系数反映颗粒运动时
流体对颗粒的曳力，所以又称
曳力系数。
Re t

dut
式中通：过d量—纲颗分粒析的可直推径导；出，
阻动201及9/力时9/20粘系雷度，数诺；是准—流数流体的体与函的颗数密粒，度相即对运 21
与Ret的具体关系式也 很难得到，将大量的实验结
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§4－2－1 重力沉降速度
一、重力沉降 1、概念 重力沉降：在重力沉降。
即借地球引力场的作用而实现的沉降就是重力 沉降。
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2、分类
重力沉降分为自由沉降和干 扰沉降。
自由沉降：非均相物系中的固
（3） 湍流区（Newton
区）：103<Ret<2×105
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（1）滞流区（Stokes 区）：1u0t － 4d<2(R1e8s t<)1g
计各 算区
（2）过渡区（Allen 区):ut 01.2<7 Rde(t<s10)3Ret0.6
公沉 式降
速
（3） 湍流区（Newton
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8
三、非均相物系分离的目的
主要有三个的目的：
1、回收有用物质：主要回
收物系中的分散相。
如颗粒催化剂的回收。从
催化反应器出来的气体中，往
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比如硫酸的生产过程中，
原料气（炉气）中含有大量
灰尘，在SO2的催化氧化工序 之前，必须把大量灰尘除去，
否则除降低催化剂的活性外，
第二阶段为等速运动。
西南大学化学反应工程期末复习要点

西南大学化学反应工程期末复习要点

西南⼤学化学反应⼯程期末复习要点绪论1. 化学反应⼯程是⼀门研究_________化学反应的⼯程问题_____的科学。

2. 化学反应⼯程是⼀门研究化学反应的⼯程问题的科学，既以___化学反应____作为研究对象，⼜以_____⼯程问题__为研究对象的学科体系。

3. ____三传⼀反___是化学反应⼯程的基础。

4. 化学反应过程按操作⽅法分为__分批式操作_____、__连续式操作_____、___半分批式____操作。

5. 化学反应⼯程中的“三传⼀反”中的三传是指____传质___、__传热_____、___动量传递____。

6. 不论是设计、放⼤或控制，都需要对研究对象作出定量的描述，也就要⽤数学式来表达个参数间的关系，简称____数学模型___。

7. 在建⽴数学模型时，根据基础资料建⽴物料、热量和动量衡算式的⼀般式为___累积量=输⼊量-输出量____。

8.“三传⼀反”是化学反应⼯程的基础，其中所谓的⼀反是指__（D ）_____。

A ．化学反应 B. 反应⼯程 C. 反应热⼒学 D. 反应动⼒学9.“三传⼀反”是化学反应⼯程的基础，下列不属于三传的是___（A ）____。

A. 能量传递B. 质量传递C. 热量传递D. 动量传递第⼀章应⽤化学反应动⼒学1. 均相反应是指___________________________________。

（参与反应的物质均处于同⼀相）2. aA + bB pP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。

（a p ）3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。

（00K K K K n n n -=χ）4.当计量⽅程中计量系数的代数和等于零时，这种反应称为_______，否则称为_______。

（等分⼦反应、⾮等分⼦反应）5. 化学反应速率式为βαB A C A C C K r =-，⽤浓度表⽰的速率常数为C K ，假定符合理想⽓体状态⽅程，如⽤压⼒表⽰的速率常数P K ，则C K =_______P K 。

化学反应工程 第四章 非理想流动

化学反应工程 第四章 非理想流动


今用分散模型关联，求
数。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
解：
换算为无量纲时标，
则得下表数据。
将实验数据标绘成曲线，然后读取
等间隔时的诸E值
见下表。
化学反应工程
4.2.1 常见的几反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
③化学反应的计算 定态情况下平推流管式反应器的物料衡算式为：
流， ；对一般实际流况， 。
；对平推
所以，用
来评价分布的分散程度比较方便。
化学反应工程
4.1.4 用对比时间θ表示的概率函数
例4-1 今有某一均相反应器中测定的下列一组数据（见 ，示踪加入 下表第一栏和第二栏），实验采用
量Q=4.95g，实验完毕时测得反应器内存料量V=1785mL，求 解：
（详见教材P92）
对定态系统的非理想流动，同样可作微元段的物料衡算而得：
若用无量纲参数表示并注意到：
这样式（4-32）便变为：
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
对一级反应可得解析解：
对于二级反应，用数值法求得的结果，表示在图（4-17）
和图（4-18）中。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
（４）组合模型
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
在一个稳定的连续流动系统中，当在某一瞬间同时进 入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留 时间后依次自系统中流出。如果把函数 用曲线表示，
则图4-2（a）中所示阴影部分的面积值也就是停留时间介 于t和t＋dt之间的流体分率。
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
化学反应工程

非均相化学反应器.pptx

第一节 固相催化反应器
催化反应的基本特征：
• 催化剂本身在反应前后不发生变化，催化剂能够 反复利用，所以一般情况下催化剂的用量很少。
• 催化剂只能改变反应的历程和反应速率，不能改 变反应的产物。
• 对于可逆反应，催化剂不改变反应的平衡状态， 即不改变化学平衡关系。
• 催化剂对反应有较好的选择性，一种催化剂一般 只能催化特定的一个或一类反应。
rA vA ka pAv ka ' A
Ks
P A
P K P pPv
表面反应和产物的脱附达到平衡
rA
ka
pA
KP KS K A
pP
(1/ KS )KP pP 1
第14页/共97页
(14.1.31)
第一节 固相催化反应器
2.表面反应过程控制
rA rS kS A kS ' P
K A pAv A K P pPv P
1
1 ] 0.21
s tanh 3s 3s 4.38 tanh(3 4.38) 3 4.38
第33页/共97页
第一节 固相催化反应器
4.西勒模数对固相催化反应过程的影响
s
R 3
kv c As n 1 De
1[ 1 1 ] s tanh(3s ) 3s
(14.1.64)
s
值越小：反应速率与扩散速率的比值越小，宏 观反应速率受扩散的影响就越小。
第一节 固相催化反应器
(4)微孔的结构与孔体积分布 (5)颗粒堆积密度( ρb )
固体催化剂填充层的密度（重量与填充层体积之比） (6)填充层空隙率(εb)
固体催化剂填充层内空隙体积与总体积之比。
第6页/共97页
第一节 固相催化反应器

化学制药反应器—反应器类型及应用

二、反应器在制药工业中的应用
第四章 化学制药反应设备
化学制药反应设备又称化学反应器，是制药过 程的核心设备，它的作用是：通过对参加反应的 介质充分搅2 拌，使物料混合均匀；强化传热效果 和相间传质；使气体在液相中作均匀分散；使固 体颗粒在液3 相中均匀悬浮；使不相容的另一液相 均匀悬浮或充分乳化。混合的快慢、均匀程度和 传热情况的好坏，都会影响反应结果。
第一节 间歇操作釜式反应器
LOGO
❖ 由于药品的生产规模小，品种多，原料与工艺条件多种多样， 而间歇操作的搅拌釜装置简单，操作方便灵活，适应性强，因此在 制药工业中获得广泛的应用。这种反应器的特点是物料一次加入， 反应完毕后一起放出，全部物料参加反应的时间是相同的；在良好 的搅拌下，釜内各点的温度、浓度可以达到均匀一致；可以生产不 同规格和品种的产品，生产时间可长可短，物料的浓度、温度、压 力可控范围广；反应结束后出料容易，便于清洗。
第四章 化学制药反应器
第一节 反应器类型及应用
一、化学反应器的分类 1、按物料的聚集状态分
均相：气相、液相 非均相：g-l相、 g-s相、
l-l相、l-s相、 g-l-s相
实质是按宏观动力学特性分类，相同聚 集状态反应有相同的动力学规律。
2、据反应器结构分
（a）釜式反应器；（b） 管式反应器；（c）塔式；（d）固定床反应器；（e） 流化床反应器；
实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应 器内物料具有相同流动、混和、传质、传热等特征。
3、按化学反应器的操作方式分
（1）分批(或称间歇)式操作 （2）半分批(或称半连续)式操作 （3）连续式操作
4、按温度条件分 等温、非等温式反应器
5、 按传热方式分 绝热式：不与外界进行热交换 外热式：由热载体供给或移走热量 自热式：利用反应本身的热量来预热原料

非均相化学反应

非均相化学反应
非均相化学反应是指在反应体系中，反应物和生成物的状态不同，存在相界面的化学反应。

其中，“相”是指物理上的相态，如气相、液相、固相等。

在非均相反应中，反应物和生成物处于不同的相态中，因此需要通过相界面进行物质交换和能量传递。

非均相反应在许多领域都有广泛的应用，例如催化反应、电化学反应、生物化学反应等。

在催化反应中，催化剂通常是固体，而反应物和生成物则处于气相或液相中。

在电化学反应中，电解质溶液和电极之间存在相界面，电子通过相界面进行传递。

在生物化学反应中，酶通常是水溶性的，而反应物和生成物则可能处于不同的相中。

非均相反应的速率通常受到相界面的传质速率和反应物在相间的扩散速率的限制。

因此，为了提高非均相反应的速率和效率，需要优化相界面的传质和扩散条件。

这可以通过选择合适的催化剂、电解质、溶剂等来实现。

总之，非均相化学反应是一种重要的化学反应类型，在许多领域都有广泛的应用。

了解非均相反应的特点和规律对于设计和优化反应过程具有重要的意义。

化工反应工程答案 第四章要点

4 管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应： 6532664+→+C H CH H C H CH在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度，mol/l ，原料处理量为2kmol/h ，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。

若反应器的直径为50mm ，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。

解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：00=T H C C ，则有：0(1)==-T H T T C C C X示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/--⨯⨯===⨯⨯⨯====⨯T T T T p C kmol mRT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.50 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51---==--=⨯=⨯=⨯--⎰⎰⎰TT X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX mX 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=⨯m4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。

解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题 3.2中已算出：0275.8/=Q l h 0 1.231/=A C mo l l 所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X l kC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。

流化床反应器的类别

流化床反应器的类别流化床反应器是一种广泛应用于化工、石化等领域的反应设备。

根据反应物料的状态和反应过程的特点，流化床反应器可以分为多种不同的类别。

本文将从不同角度介绍几种常见的流化床反应器类别。

一、按反应物料状态分类根据反应物料的状态，流化床反应器可以分为气体流化床反应器、液体流化床反应器和气液流化床反应器三种类别。

1. 气体流化床反应器气体流化床反应器主要用于气相反应，反应物料以气体形式进入反应器，并在床层内与固体催化剂或吸附剂进行反应或吸附。

气体流化床反应器具有良好的传质和传热性能，反应速率高，操作灵活等优点。

2. 液体流化床反应器液体流化床反应器主要用于液相反应，反应物料以液体形式进入反应器，并与固体催化剂或吸附剂在床层内进行反应或吸附。

液体流化床反应器具有较大的反应体积和接触面积，反应速率较快，能够实现高效的传质和传热。

3. 气液流化床反应器气液流化床反应器是气体流化床反应器和液体流化床反应器的结合，反应物料既包括气体又包括液体。

气液流化床反应器广泛应用于气液相催化反应、气液相吸附等过程。

二、按反应过程特点分类根据反应过程的特点，流化床反应器可以分为均相反应器和非均相反应器两种类别。

1. 均相反应器均相反应器是指反应物料和催化剂在反应过程中处于相同的物理状态，比如气体与气体的反应、液体与液体的反应等。

均相反应器具有反应速度快、反应条件容易控制等优点，广泛应用于化学工业中。

2. 非均相反应器非均相反应器是指反应物料和催化剂在反应过程中处于不同的物理状态，比如气体与固体的反应、液体与固体的反应等。

非均相反应器具有较大的反应接触面积，可以实现高效的传质和传热，适用于一些困难的反应。

三、按反应过程控制方式分类根据反应过程的控制方式，流化床反应器可以分为等温流化床反应器和非等温流化床反应器两种类别。

1. 等温流化床反应器等温流化床反应器是指反应过程中反应床温度保持恒定不变。

等温流化床反应器通常采用外部换热器或循环流体方式控制床温，以确保反应过程的稳定性和高效性。

聚合反应工程基础复习提纲（精品PDF）

第一章绪论1. 说明聚合反应工程基础研究内容①以工业规模的聚合过程为对象,以聚合反应动力学和聚合体系传递规律为基础;②将一般定性规律上升为数学模型,从而解决一般技术问题到复杂反应器设计,放大等提供定量分析方法和手段;③为聚合过程的开发,优化工艺条件等提供数学分析手段.简而言之:聚合反应工程研究内容为:进行聚合反应器最佳设计;进行聚合反应操作的最佳设计和控制. 第二章化学反应工程基础1.间歇反应器、连续反应器间歇反应器：物料一次放入，当反应达到规定转化率后即取出反应物，其浓度随时间不断变化，适用于小规模，多品种，质量不均。

连续反应器：连续加料，连续引出反应物，反应器内任一点的组成不随时间而改变，生产能力高，易实现自动化，适用于大规模生产。

2. 平推流、平推流反应器及其特点：当物料在长径比很大的反应器中流动时，反应器内每一位原体积中的流体均以同样的速度向前移动，此时在流体的流动方向上不存在返混，这种流动形态就是平推流。

具有此种流动型态的反应器叫平推流反应器。

特点：①在稳态操作时，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时间而变化，②反应器内物料的浓度沿着流动方向而改变，故反应速率随时间位置而改变，及反应速率的变化只限于反应器的轴向。

3. 理想混合流、理想混合流反应器及其特点：反应器中强烈的搅拌作用使刚进入反应器的物料微元与器内原有物料微元间瞬时达到充分混合，使各点浓度相等，且不随时间变化，出口流体组成与器内相等这种流动形态称之为理想混合流。

与理想混合流相适应的反应器称为理想混合流反应器。

特点：①反应器内物料浓度和温度是均一的，等于出口流体组成②物料质点在反应器内停留时间有长有短③反应器内物质参数不随时间变化。

5. 容积效率：指同一反应在相同的温度、产量、和转化率的条件下，平推流反应器与理想混合反应器所需的总体积比7.返混：指反应器中不同年龄的流体微元间的混合8、宏观流体、微观流体宏观流体：流体微元均以分子团或分子束存在的流体；微观流体：流体微元均以分子状态均匀分散的流体；9.宏观流动、微观流动宏观流体指流体以大尺寸在大范围内的湍动状态，又称循环流动；微观流体指流体以小尺寸在小范围内的湍动状态11.微观混合、宏观混合P70微元尺度上的均匀化称为宏观混合；分子尺度上的均匀化称为微观混合。

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Nt F (t ) N
4.1-1
2、停留时间分布密度函数（概率密度函数）E(t)
在定常态下连续流动的体系中，对于在t=0瞬间流入器内的物 料，在出口物流中停留时间在t~t+dt之间的物料占总流出物料 的分率为E(t) dt 。
E (t ) dF (t ) dt
t 0
4.1-2 4.1-3
所以： F (t ) E (t )dt
这种混合过程
返混
返混
4.1.2 返混对反应过程的影响
cA cA
t1
t 平均 t 2
t
r2 r平均 r1
r
返混还影响 复合反应的 选择率
图4-1 返混对反应过程的影响
由图4-1可知，停留时间为t1的物料和停留时间为t2的物料产 生混合（返混）， 平均停留时间 t 平均 1 ，但t平均对 （t 1 t 2） 应的 r平均
1.0 0
4.2-20a 4.2-20b 4.2-20c
dF( )
0
t 1 1.0 t dF(t ) tdF(t ) τ τ 0 τ
1.0 0
( ) dF( )
2 2 0
1.0
t t 2 ( ) dF(t ) τ τ

1 τ
Vc 阶跃输出后的物料(量为 0 )中 时间小于t的示踪剂，其量为：
Vc0 [1 F (t )] Vc0 F (t )
对示踪剂物料衡算得：
Vc Vc0 [1 F (t )] Vc0 F (t )
c c0 F (t ) c0 c0
4.2-1
4.2-2
c 如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 0 0
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
Vt t F (t ) c m 0
4.2-13
平均停留时间与散度函数可按下式计算：
t
0
V tE (t )dt m
tct
0
t 为定值时，
Vt t t tc m 0
散度函数：
t2 (t t ) E (t )dt
F(t)的归一性：
F () E(t )dt 1
0
4.1-4
F(t) 和E(t)的关系：
F (t )
1.0
t tdF(t )
0
1.0
F (t1 )
dF(t ) 斜率 E (t1 ) dt t t1
停留时间分布函数F(t)是累 积函数。
E (t )
E (t1 )
0 0
1

4.3-1
4.3.2 多级混合釜模型
1、多级混合釜的物理模型 基本假设： 由N个体积相等的CSTR串联组成； 从一个CSTR到下一个CSTR之间的管道内物料不发生反应。
V0 V0 c0 c1
V0 c2
……
V0 cn1
V0 cn
图4-10 多级全混流串联模型
2、模型的计算 若采用阶跃示踪法测定停留时间分布规律，在时间为t时， 第i釜的示踪剂物料衡算为： M in Vc i 1 M out Vc i dci dN Mb VR,i dt dt dci 则 Vc i 1 Vc i VR,i 4.3-2 dt 若每个CSTR的容积为VRi,则N各CSTR的总体积为N VRi ：
0 0 1.0
4.1-5
4、散度，即方差 t2 变量t对数学期望的二次距，即：
t2 (t t ) 2 dF(t ) (t t ) 2 E(t )dt
0 0 1.0
4.1-6
化简得： t2 t 2 dF (t ) (t ) 2
0 2 t E (t )dt (t ) 2 0 1.0
第四章 非均相反应器
宋永辉 冶金工程学院
4.1 概述
4.2 流体在反应器内的停留时间分布 4.3 非理想流动模型 4.4 模型法进行均相反应过程计算小结
4.1 概述
理想置换反应器 （PFR） 理想混合反应器 （CSTR）
两种流体流动极 限模型反应器
4.1.1 返混定义
简单混合 在空间上的混合 物料在反应 器中的混合 在时间上的混合
Vcdt Vcdt
0 0
t
4.2-8
Vc dt 0 m
t
4.2-9
E (t )
dF (t ) Vc dt m
4.2-10
若测定数据为离散型，则：
V E (t ) m c
t
4.2-11 4.2-12
t Vc Vc 所以F (t ) dt t 0 m 0 m
t τ
τ VR V0
4.2-18a 4.2-18b
N F () N
2、以对比时间为自变量的停留时间分布规律： 停留时间分布函数： 4.2-19a 4.2-19b 4.2-19c
dF () 停留时间分布密度函数： E () d
平均停留时间： 散度：
2 1.0 0
dF( ) E( )d
dc c 所以 ln 1 0c c c 0 0
c
4.2-27 4.2-28
c 1 e c0
前已述及，阶跃示踪法的F(θ)为：
c F ( ) 1 e c0 dF ( ) E ( ) e d
2 两个特征值， 和 分别为：
t
F () E (t )dt 1
0

F (t1 )
停留时间分布密度函数E(t) 是点分布函数。
t
F (t1 ) E(t )dt
0 t1
图4-2 F(t) 和E(t)之间关系图
3、平均停留时间，即数学期望 t 变量t对坐标原点的一次距，即：
t tdF(t ) tE(t )dt
1 1
t τ
E (t )
1
F (t )
1.0
t2 0 2 0
4.2-24
VR
t
V0
VR
t
V0
图4-6 理想置换反应器E(t)、F(t) 曲线
2、充分返混型反应器： 给全混流反应器一个阶越“激励”
c0
0
c
c0
0
c
“激励”曲线
t
t
“响应”曲线
图4-7 全混流反应器“激励”与“响应”曲线
0 0 2 0
1.0

( ) dF( ) ( ) 2 E( )d
4.2-19d
3、两种停留时间分布规律之间的关系： 因为
t τ
N N t
所以 F ( ) F (t )
E ( )
1.0
dF ( ) dF (t ) dF (t ) τ E (t ) d d (t ) d( t ) τ
返混程度
定量确定
停留时间 分布规律
停 留 时 间
两个函数 描述 两个特征值
概 率 函 数
概率密度函数
数 学 期 望
方 差
4.2.1 停留时间分布的定量描述
1、停留时间分布函数（概率函数）F(t)
在定常态下连续流动的体系中，对于在t=0瞬间流入器内的物 料，在出口物流中停留时间少于t的物料占总流出物料的分率。
0 (a)“激励”曲线
2014-12-12
t
0 (b)“响应”曲线
t
图4-4 脉冲法测定停留时间分布密度函数
14
停留时间分布函数F(t)的求解： 因为示踪剂是同一时间进入反应器的，因此停留时间小于t 的示踪剂量应为：
mt 0tVcdt
示踪剂总量显然是：
4.2-7
m 0Vcdt
m 所以F (t ) t m
。
显然，停留时间分布函数存在如下规律：
F (t ) 0 F (t ) 1 E (t ) 0 E (t ) t t t t tt t t
或 或
F ( ) 0 F ( ) 1 E ( ) 0 E ( )
1 1
4.2-21 4.2-22 4.2-23
4.2-29
4.2-30

2
0

dE( ) d

0
e d 1
4.2-31

0 0
( ) 2 E ( ) d

e
2
d
2
1
4.2-32
全混流反应器E(t)、F(t) 曲线
E (t )
1 t
F (t )
E( ) e
宏观流体以分子集团的状态相混 合。称为宏观混合。
在凝集流模型中，各个BR的停留时间是不同的，所以出 口流中物料的转化率是各BR中转化率的平均值，即：
x A x A (t ) （停留时间在 t和t dt流体元的分率）
0
x A x A (t )dF(t ) x A (t ) E(t )dt
4.1-7
4.2.2 停留时间分布规律的实验测定
停留时间 分布规律
确 定
研究
入口处加“激励”
示踪法 阶 跃 示 踪 法
出口处研究“响应”
从原物料到 示踪剂的 阶跃变化
脉 冲 示 踪 法
用示踪剂 代替原物料的 瞬间变化
1、阶跃示踪法 从某一时刻起，将原物料全部切换为示踪物，示踪物浓度 阶跃突变。
1.0
1 ( r1 r2 ) 。 2
2
4.1.3 按返混程度分类反应器
☆ 完全不返混型反应器（物料之间只有简单混合） 如：PFR就属此类。
☆ 充分返混型反应器（物料的返混程度达到最大） 如：CSTR就属此类。