第六章 化学反应工程学 6.1 概述 化学反应器的作用 1. 化学反应器：化工生产中用于进行化学反应的设备。

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1 第六章 化学反应工程学 6.1 概述 6.1.1 化学反应器的作用 1. 化学反应器：化工生产中用于进行化学反应的设备。
2.化学反应器的作用：让化学反应在其进行，并且最大限度和最经济地转化为所需的产品，提高原料利用率，减轻后续分离过程的负担，降低生产成本。 3. 从微观化学反应动力学出发，影响化学速率的因素主要有浓度和温度。 4. 宏观化学反应动力学，则需考虑传递过程因素及其对浓度、温度的影响。

2 第六章 化学反应工程学 6.1.2 化学反应工程学的研究对象与方法
1. 化学反应工程学：化学反应工程学主要研究大规模化学反应的生产过程、设备特性的基本规律和各种参数间的相互关系。其具体任务： （1）化学反应器的正确选型与合理设计； （2）利用实验室的研究数据进行有效放大，解决在工业规模生产中可能出现的问题； （3）实现反应过程的设计和控制最优化； （4）改进和强化现有的技术与设备，降低能耗，提高经济效益。

3 6.2 基本反应器 6.2.1 化学反应器的类型 1. 按物料的相态分类：均相、非均相 2. 按反应器的结构形式分
表6.1 按物料相态分类的反应器种类 (p.278) 2. 按反应器的结构形式分 1）釜式：完全混合式 2）管式：推流 3）塔式：塔滤 4）固定床：普通生物滤池 5）流化床：厌氧流化床 3. 图6.1 各种结构形式的反应器的示意图 (p.279) 4. 表6.2 主要反应器结构形式，适用的相态和生产上的应用举例

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7 6.2 基本反应器 6.2.2 几种典型的基本反应器 1. 间歇操作的搅拌釜
几种典型的基本反应器 1. 间歇操作的搅拌釜 在间歇操作的搅拌釜中，物料一次加入反应器进行反应，待反应达到要求的转化率，物料一次放出。 特点 1）分批操作，反应物料一次加入，反应后一次排出，所有物料的反应时间相同。 2）在恒温和恒压条件下，反应物和生成物的浓度均随时间变化，故反应速率也随时间变化。 图6.2 间歇式反应器及其性能示意图 (p.280)

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10 6.2.2 几种典型的基本反应器 2. 连续（流动）操作的管式反应器（推流式，continuous plug-flow)
几种典型的基本反应器 2. 连续（流动）操作的管式反应器（推流式，continuous plug-flow) 其示意图见 p.280: 图6.3。反应物料连续不断地加入反应器内，反应后的物料连续不断地排出反应器。 特点 1）操作为连续进料和连续出料； 2）在恒定温度、压力和流量时，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； 3）当处理量大时，管内物料通常处于高度湍流状态，各物料微团在反应器内的停留时间大致相同。

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12 几种典型的基本反应器 3. 连续操作的搅拌釜 其示意图见 p.280: 图6.4。连续操作的搅拌釜和间歇操作的搅拌釜相类似，只是原料和产物同时连续不断地进入和排出反应器。 特点 1）操作为连续进料和连续出料； 2）在恒定温度、压力和流量时，反应器内物料浓度不随时间变化，处于常态； 3）新进入的物料在釜内很快分散并与原有物料混合，致使物料微团在反应器内的停留时间不一致。故停留时间常以平均停留时间来表示，而最终反应转化率亦应为平均转化率。

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14 6.2.2 几种典型的基本反应器 4. 串联的连续操作的搅拌釜
几种典型的基本反应器 4. 串联的连续操作的搅拌釜 其示意图见 p.281: 图6.5。串联的连续操作搅拌釜是由若干连续操作搅拌釜串联而成的，物料在每一釜内充分混合，而釜与釜之间互不混合。 特点 1）操作为连续进料和连续出料； 2）每一级内有确定不变的物料浓度，但各级内的反应物浓度不同，便于分段操作控制； 3）物料通过串联的多釜之后，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。

15 6.3 物料在反应器内的流动模型 6.3.1 全混流模型 6.3.2 平推流模型
6.3 物料在反应器内的流动模型 6.3.1 全混流模型 全混流模型（理想混合）：先后进入反应器的物料质点之间立刻充分混合，使反应器内各种浓度完全均匀，而且出口物料的浓度与噐内完全一样，物料质点在反应器内停留时间有长有短，从0～都有。 6.3.2 平推流模型 平推流模型（活塞流，plug-flow）：在与流体流动方向（轴向）垂直的截面上各质点的流速完全相同，就像柱赛在气缸里平推过去一样，没有轴向混合与扩散，流体在反应器内的停留时间也完全相同。

16 6.3 物料在反应器内的流动模型 6.3.3 轴向返混模型 轴向返混模型：轴向返混模型是以平推流模型为基础，再叠加以轴向扩散形式表示的返混构成的。 6.3.4 多釜串联流动模型 多釜串联流动模型：多釜串联流动模型是以全混流模型为基础，由N个全混流反应器串联组合而成的。

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19 6.4 均相反应器的计算 1. 原则：物质不灭定律，能量守恒定律 2. 对某一体系
6.4 均相反应器的计算 1. 原则：物质不灭定律，能量守恒定律 2. 对某一体系 单位时间内物料的输入量＝单位时间内物料的输出量＋单位时间内物料的积累量＋单位时间内由于反应而消失的物料量

20 6.4 均相反应器的计算 6.4.1 间歇釜式反应器 1. 反应器有效容积的计算 1）一般式 2）具体讨论一些特殊情况的计算
6.4 均相反应器的计算 间歇釜式反应器 1. 反应器有效容积的计算 1）一般式 2）具体讨论一些特殊情况的计算 （1）对于定容过程 （2）对于不可逆的一级定容反应 （3）积分的边界条件 （4）几种典型反应在间歇搅拌釜中达到一定转化率所需的反应时间：表6.3 （5）反应时间只与反应速率有关，与反应物的量无关 （6）间歇釜式反应器性能方程的图解表示：图6.8 (p.286)

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23 6.4 均相反应器的计算 3）反应器的有效容积VR 4）反应器的总体积VT：VR = VT 5）反应器个数的确定：找错
6.4 均相反应器的计算 3）反应器的有效容积VR VR = (+ ‘)×日处理量/24 = v (+ ‘) 式中： v ——平均每小时处理的物理量，m3/h; ‘ ——每批操作中加料、出料和清洗等辅助时间，h。 4）反应器的总体积VT：VR = VT 为装料系数： （1）不发生泡沫，不沸腾的液体，  ＝0.7～0.8 （2）其它物料： ＝0.4～0.6 污水处理：超高 5）反应器个数的确定：找错

24 6.4 均相反应器的计算 6.4.2 连续操作的管式反应器 1. 反应所需有效时间 2. 反应所需有效体积 3. 反应所需总体积
6.4 均相反应器的计算 6.4.2 连续操作的管式反应器 1. 反应所需有效时间 1) 一般式 2) 对于等温一级反应 3) 边界条件 4) 不同化学反应在连续管式反应器中的反应时间 5) 各参数之间的关系：图6.9 (p.289) 6) 比较表6.4 (p.288) 和表6.3 (p.285) 2. 反应所需有效体积 3. 反应所需总体积

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29 6.4 均相反应器的计算 6.4.3 连续操作的搅拌釜 1. 反应所需有效时间 2. 反应所需有效体积 3. 反应所需总体积 1) 一般式
6.4 均相反应器的计算 6.4.3 连续操作的搅拌釜 1. 反应所需有效时间 1) 一般式 2) 对于等温一级反应 3) 边界条件 4) 不同化学反应在连续操作的搅拌釜中的反应时间 5) 各参数之间的关系：图6.10 (p.290) 2. 反应所需有效体积 3. 反应所需总体积

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34 6.4 均相反应器的计算 6.4.3 连续操作的搅拌釜 4. 几种反应器所需有效时间的比较 1) 间歇式反应器与连续操作的管式反应器
6.4 均相反应器的计算 6.4.3 连续操作的搅拌釜 4. 几种反应器所需有效时间的比较 1) 间歇式反应器与连续操作的管式反应器 2) 连续操作的管式反应器和连续操作的搅拌釜 （1）对于零级反应 （2）对于一级反应 （3）产生这种差别的原因

35 6.4 均相反应器的计算 练习： 请推导当化学反应速率级数分别为零级反应、 一级反应、二级反应，且反应为均相定容不可逆时，在间歇式反应器、连续操作的管式反应器、连续操作的搅拌釜中达到一定转化率和一定浓度所需的时间。

36 6.4 均相反应器的计算 6.4.4 多釜串联反应器 1.多釜串联反应器的二个基本方程 2. 四个需计算求解的参数：
6.4 均相反应器的计算 6.4.4 多釜串联反应器 1.多釜串联反应器的二个基本方程 2. 四个需计算求解的参数： 每个反应器的有效容积VRi, 反应器釜数N, 最终转化率xAN和最终浓度cAN 1）代数法：已知动力学模型 2）图解法：无动力学模型，但有一组动力学数据

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40 6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.1 以生产强度为优化目标选择反应器
6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.1 以生产强度为优化目标选择反应器 1.反应器的生产强度：反应器的生产强度是指反应器的单位体积所具有的生产能力。 2. 容积效率（或有效利用系数）：对同一反应，在同温度、同产量和同转化率条件下，平推流反应器的有效容积（反应体积）与全混流反应器的有效容积之比称为容积效率（或有效利用系数） 1）零级反应: (6-24） 2）一级反应: (6-25) 3）二级反应: (6-26)

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44 6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.1 以生产强度为优化目标选择反应器 3. 容积效率与转化率xA和反应级数的关系: 图6.16
6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.1 以生产强度为优化目标选择反应器 3. 容积效率与转化率xA和反应级数的关系: 图6.16 4. 多釜串联反应器釜数对反应器有效容积的影响 一级反应: （6-27）和图6.17

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46 6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.2 以产率和选择性为优化目标选择反应器 1. 转化率(x) 2. 收率() 3. 选择性()
6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.2 以产率和选择性为优化目标选择反应器 1. 转化率(x) 转化率(x)=转化为目的产物和副产物的反应物量/进入反应器的反应物量＝反应物被消耗的量/反应物起始量 2. 收率() 收率()=转化为目的产物的反应物量/进入反应器的反应物量 3. 选择性() 选择性()=转化为目的产物的反应物量/转化为目的产物和副产物的反应物量

47 6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.2 以产率和选择性为优化目标选择反应器 4.三者关系：
6.5 理想均相反应器的优化选择 6.5.2 以产率和选择性为优化目标选择反应器 4.三者关系： 原料不循环返回反应器：收率()＝选择性()×转化率(x) 一般在工业上常用收率表示原料的有效利用程度，而在理论探讨时，往往用选择性来表示。 5. 提高收率的方法 1）平行反应 2）串联反应

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49 5. 提高收率的方法 1）平行反应 [1]:当1> 2: 选用平推流反应器或间歇式反应器 采用较小的单程转化率 用浓度高的进料
对气相反应，增加系统的压强 [2]:当1< 2: 选用全混流反应器 采用较大的单程转化率 用部分反应后的物料循环，以降低进料中的反应物浓度 加入惰性稀释剂 对气相反应，减压操作 [3]:当1＝ 2 改变温度，采用催化剂来增大k1,减小k2

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54 6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 1. 返混的概念
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 1. 返混的概念 1）非理想流动：在实际反应器中，物料的流动状况与理想流动有偏差。用物料返混程度大小表示其偏差大小。 2）返混：不同停留时间的物料之间的混合。 3）停留时间：物料微团从进入反应器到离开反应器的时间。 4）间歇式反应器：不存在返混 连续操作的反应器：存在返混

55 6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 1. 返混的概念 5）引起返混的原因： （1）搅拌引起的错流或导流
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 1. 返混的概念 5）引起返混的原因： （1）搅拌引起的错流或导流 （2）分子扩散或涡流扩散 （3）反应器的结构引起的死角、短路和沟流。 6）返混造成的结果 （1）降低反应速率及转化率，影响产品质量 （2）是反应器产生“放大效应”（反应器的性能随反应器的放大而变差）的主要因素之一。

56 6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 2. 停留时间分布(RTD, residence time distribution) 当反应器存在返混时，所有物料微团在反应器中的停留时间不一致，呈现一种概率分布，称为停留时间分布。 3. 停留时间分布的表示方法 1）停留时间分布密度函数：E() 图6.22 2）停留时间分布函数： F() 3）停留时间分布密度函数[E()]与停留时间分布函数[F()]间关系的示意图：图6.23

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61 6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 3. 停留时间分布的表示方法 4）分布密度函数[E()]的性质
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.1 物料返混和停留时间分布 3. 停留时间分布的表示方法 4）分布密度函数[E()]的性质 （1）分布密度函数[E()]曲线下方所包围的全部面积等于1：(6-33) （2）平均停留时间: (6-34) （3）停留时间对平均停留时间的离散情况的方差

62 6.6.2 停留时间分布的测定方法 6.6 物料停留时间分布和流动模型 1. 脉冲法 2. 阶跃法
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.2 停留时间分布的测定方法 1. 脉冲法 2. 阶跃法 习题：用脉冲法测定一流动反应器的停留时间分布，得出口流体示踪剂的浓度c()与时间的关系列于下表中，试求该反应器内物料的平均停留时间和各时间的E()

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69 6.6.3 理想反应器的停留时间分布 6.6 物料停留时间分布和流动模型 1. 理想平推流反应器内物料停留时间分布
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.3 理想反应器的停留时间分布 1. 理想平推流反应器内物料停留时间分布 2. 理想全混流反应器内物料停留时间分布 3. 串联多釜连续操作的理想搅拌釜的停留时间分布

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74 6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.4 停留时间分布在非理想流动均相反应器中的应用和计算 1.停留时间分布曲线的作用
6.6 物料停留时间分布和流动模型 6.6.4 停留时间分布在非理想流动均相反应器中的应用和计算 1.停留时间分布曲线的作用 1）提供理想流动反应器内停留时间分布曲线的典型图像。 2）定性判断实际反应器较接近的理想流动模型，以及偏离理想流动模型的程度和返混程度。 3）定性诊断反应器内物料的流动状况是否正常。 2. 停留时间分布在一级反应计算中的应用 3. 非一级反应情况

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79 6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型
6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型 6.7.1 扩散模型 反应式：AR 动力学方程式：-rA=kcAn 轴向扩散流动模型： (6-1) 扩散模型：(6-47) 无因次形式扩散模型：(6-48) 一级反应解析解：(6-49) 图6.36：式(6-49)的图示 Da 0, (uL)/ Da ，理想平推流 Da , (uL)/ Da 0，理想全混流

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83 6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型
6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型 6.7.1 扩散模型 将式(6-49)愈(6-12)联合起来，可得图6.37，由Da图6.37可知： 1）有轴向返混的反应器所需的容积大于理想平推流反应器的容积，即V/Vp>1; 2）轴向返混愈严重，即Da/ (uL)愈大，V/Vp也愈大，反应器性能愈差； 3）转化率愈大， V/Vp也愈大，反应器性能愈差； 4）在进行零级反应时，轴向返混对反应器性能没有影响；反应级数愈高，影响愈大。

84 6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型
6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型 6.7.2 扩散模型参数的确定 Peclet数(Pe)： Pe＝(uL)/ Da 1/Pe 0，理想平推流 1/Pe , 理想全混流 1/Pe与停留时间分布函数关系： (6-50) 当返混很小时：(6-51) 当返混很大时：(6-52) 如图6.38所示

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86 6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型
6.7 非理想流动反应器内的流动模型 ——扩散模型 6.7.2 扩散模型参数的确定 对固定床反应器，Pe与Re的关系： 对气体， 当Re>100(湍流区）： (Pe)轴向＝ (6-53) (Pe)径向＝ (6-54) 理想平推流反应器：对于气固相固定床反应器，当床层高度大于固体颗粒直径100倍时，可忽略返混的影响，可将反应器看成是理想推流反应器。

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88 6.8 气固相催化反应器 气固相催化反应器：非均相反应 非均相反应过程：气液、气固、液固、气液固等；催化和非催化反应 气固相催化反应器：
6.8 气固相催化反应器 气固相催化反应器：非均相反应 非均相反应过程：气液、气固、液固、气液固等；催化和非催化反应 气固相催化反应器： 1）固定床催化反应器 2）移动床催化反应器 3）流化床催化反应器

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90 6.8 气固相催化反应器 6.8.1 固定床催化反应器 1.结构和类型 1)绝热式反应器 （1）简单绝热反应器 （2）多段绝热反应器
6.8 气固相催化反应器 6.8.1 固定床催化反应器 1.结构和类型 1)绝热式反应器 （1）简单绝热反应器 （2）多段绝热反应器 2）非绝热外部换热列管式反应器 3）非绝热自热式列管反应器

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