化学反应工程学基础第一节概述一、化学反应工程的研究对象和内容研究对象：工业规模化学反应过程及其设备的共同规律。工业规模的化学反应与实验室研究中的化学反应存在非常大的差别。浓度分布温度分布溶液气体停留时间分布ABC+D(A+B)研究内容：（1）研究化学反应器的基本理论；（2）反应器的
设计
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、放大、控制；（3）反应器设计、操作的优化。实践
数学
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模型简化求解完成一致二、化学反应工程的研究方法数学模型法：就是在对反应过程进行抽象和合理的简化的基础上，建立一整套数理方程，即数学模型。第二节工业反应器的基本类型一、化学反应器的分类（一）按物料的聚集状态分类可分为均相反应器和非均相反应器两大类 反应器种类举例特性适用的反应器形式均相气相燃烧、裂解、烃高温氯化等无相界面，反应速率只与浓度、温度有关管式液相中和、酯化、水解等釜式、管式非均相气-液相氧化、氯化、加氢、化学吸收等有相界面，实际反应速度与相界面大小及相间扩散速度有关釜式、塔式液-液相磺化、硝化、烷基化等釜式、塔式气-固相燃烧、还原、各种固相催化等固定床、移动床、流化床液-固相还原、离子交换等釜式、塔式固-固相电石、水泥制造等回转窑式气-液-固相加氢裂解、加氢脱硫等釜式、固定床、流化床（二）按反应器的结构型式分类可分为釜式、管式、塔式等反应器釜式反应器高径比通常接近于1；管式反应器的长径比相差很大，呈细长形结构，有单根直管、盘管、列管等型式；塔式反应器的高径比在上述两者之间。(a)反应釜(b)管式反应器外管内管(c)鼓泡塔反应器(d)列管式固定床反应器(e)固定床多段绝热反应器(f)流化床反应器（三）按操作方式分类可分为间歇操作、连续操作和半连续操作1、间歇操作（1）特点：a、不稳定过程：T（t），p（t），c（t），R（t）。产品质量不稳定。b、易控制，易改变。c、不易自动化，反应器利用率低（2）适用：小批量，多品种，速率慢，热效应小的化工企业。2、连续操作（1）特点：a、稳定过程b、难改变品种和条件c、易自动化d、设备封闭，污染少，对设备要求高。二、流体混合的概念及意义1、流体粒子（微元）在空间顺序上的混合——空混。空混=∞，完全空混，Δc=0；空混=0，完全无混合；空混↑，Δc↓。2、流体粒子（微元）在时间顺序上的混合——返混。返混=∞，完全返混，；返混↑，Δt↓。返混=0，完全无返混，Δt=0三、间歇操作搅拌釜式反应器t=0C=CA,Ot=tC=CA特点：（1）分批操作；（2）空混=∞，Δc=0；返混=0，完全无返混，Δt=0。（3）不稳定过程。操作灵活方便，适合于小规模、多品种的精细化学品生产。四、连续操作搅拌釜式反应器特点（1）连续操作（2）条件恒定时，c=常数。（3）空间混合=∞；返混=∞。物料微团在反应器内的停留时间不一致。ABC+D(A+B)外管内管适用于需要维持一定生成物或反应物浓度的定常态操作。五、连续操作管式反应器特点：（1）连续操作;（2）轴向空间混合=0；返混=0。反应器内任一截面上的物料浓度不随时间变化，但不同截面上的物料浓度不同；湍流时停留时间大致相同。适用于均相和非均相的反应。六、多釜串联反应器特点：（1）连续操作。（2）每一级内物料浓度恒定，但各级内的浓度不同，便于分段操作和控制。（3）其停留时间可相对集中，串联的釜数越多，停留时间越趋于一致。第三节反应器内物料的流动模型流动模型——从宏观角度对反应系统内物料微团运动现象作了切合实际的简化，以形成了便于定量描述微团运动结果的数学模型方法一、全混流模型空间混合=∞；返混=∞。连续操作搅拌釜式反应器特点：（1）c一致；（2）停留时间不相同，存在停留时间分布。ABC+D(A+B)二、活塞流模型活塞流模型的混合情况是：轴向空间混合=0；返混=0;同一截面，u、c、T、t相同，且不随时间改变，不同截面，u、c、T、t不同。三、非理想流动模型（一）轴向扩散模型轴向扩散活塞流udlcc+dc（二）多级全混模型釜内空间混合=∞；返混=∞。釜间空间混合=0；返混=0。当N=1时，为全混流；当N=∞时，类似于活塞流反应器。第四节反应器内物料的停留时间分布物料微团从进入反应器到离开反应器的时间称为该微团在反应器内的停留时间。一、停留时间二、停留时间分布的表示方法闭式系统：只有一个入口和一个出口，物料微团一旦进入系统，就不再返回输入管路，而一旦离开系统，也不再返回系统。（一）停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数停留时间区间流体粒子个数ΔN所占分率y=ΔN/N时间间隔Δt停留时间分布E（t）0-1350.03510.0351-21070.10710.1072-31780.17810.1783-42420.24210.2424-52140.21410.2145-61430.14310.1436-7710.07110.0717-8100.01010.01010001tE(t)tt+dt特点:1、t不同，y不同2、t-t+Δt间的面积，为停留时间为t-t+Δt间的分子所占的分率。3、∫0∞E(t)dt=1不同停留时间的物料离子所占的分率总和应等于1，即所谓归一化条件。∑ΔN/N=1。4、增减性与系统有关。停留时间分布函数（二）停留时间分布函数停留时间分布函数停留时间分布密度函数F(t)=F(θ)θ=t/tE(t)dt=E(θ)dθE(θ)=tE(t)E(θ)=dF(θ)/dθ特点:1、单调递增函数；2、最大值为1。（三）用对比时间表示三、几种流动模型的停留时间分布（二）全混流模型（一）活塞流模型E(θ)θ1.0（三）轴向扩散模型DL/uLE(θ)θ1.01.0∞20.20.0250.002（四）多级全混模型E(θ)θ1.01.01251020
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