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第六章 工业化学反应过程及反应器
重点掌握
1、化学反应速率的定义和各种表示方法。2、反应速率方程和影响反应速率的主要因素。 3、复合反应的基本形式和反应进程的描述方法.4、 反应速率方程的积分形式，包括恒容和变容过程。 5、多相催化作用原理、理想吸附等温式和反应动力学方程的推导。 6、动力学参数的确定和建立速率方程的一般步骤。
深入理解：
1、反应进度的意义。2、 反应网络的概念和应用背景。3、 真实吸附和吸附等温式的联系与区别。 4、动力学参数的确定和建立速率方程的一般步骤.5、 动力学参数的确定和建立速率方程的一般步骤。
1、釜式反应器
重点掌握：
· 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）.
· 连续釜式反应器的计算 。
· 空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。
· 连续釜式反应器的串联和并联。
· 釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。
· 连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用.
· 深入理解：
· 变温间歇釜式反应器的计算。
广泛了解：串联釜式反应器最佳体积的求取方法。
连续釜式反应器的多定态分析与计算.
产生多定态点的原因，着火点与熄火点的概念.
2、管式反应器
重点掌握：
· 等温管式反应器设计方程的推导与应用。
· 管式和釜式反应器的对比。
· 循环反应器的计算与分析。
· 变温管式反应器的分析与计算，包括:热量衡算方程的建立、绝热温升和非绝热变温管式反应器的计算等.
深入理解：
· 活塞流和全混流模型的基本假设与含义，返混的基本概念.
广泛了解：
· 拟均相的含义和模型假定.
一 、绪 论
重点掌握：
化学反应转化率、选择性和收率的概念和应用
化学反应工程要解决的主要问题
深入理解：化学反应器的三种操作方式和特点。反应器设计的基本方程。
广泛了解:化学加工过程的普遍特征。各种化学和石油加工流程、常见设备和场区概貌.化学反应器的主要类型、结构和工作原理。工业反应器的放大方法.
 无论是化学工业还是冶金、石油炼制和能源加工等工业过程，均采用化学方法将原料加工成为有用的产品。生产过程包括如下三个组成部分：

图1。1　典型的化学加工过程
　　第①和③两部分属于单元操作的研究范围;而②部分是化学反应工程的研究对象，是生产过程的核心。
第一节 化学反应工程
一、化学反应工程的研究对象
化学反应工程是化学工程学科的一个重要分支，主要包括两个方面的内容，即反应动力学和反应器设计分析。
　　反应动力学-—研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息,如反应模式、速率方程及反应活化能等
其中速率方程可表示为：
　　r=f（T、、P)（对于一定的反应物系）而言--随时间、空间变化
其中，r为反应系统中某一组分的反应速率，代表浓度的矢量,P为系统的总压。
　 反应器设计分析—-研究反应器内上述因素的变化规律,找出最优工况和适宜的反应器型式和尺寸.
　　注意:化学反应是研究反应本身的规律，与反应器内各局部的状况有关，而反应器总体的性态。所以可以说反应动力学从点上着眼，而反应器的设计与分析则从面上（体上)着手。
二、化学反应的分类（反应工程学科）
　　无论是自然界还是实际生产过程中，存在各种各样的化学反应，通常为了便于研究和应用,将化学反应进行分类。下表中给出了常见的化学反应分类、方法和种类，一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。　

例如： 为一气固催化反应
三、反应过程的举例
　　一般来说反应过程包括： 物理现象—-传递现象（热量、动量和能量传递过程)
　　　　　　　　　 　 化学现象--化学反应
概括为"三传一反".例如：对于反应过程

实际的反应过程可能包括：
　　反应物、产物的扩散过程（内外)+表面反应过程
　　无论对于放热过程，还是吸热过程，催化剂与反应物气体存在温差
　　就整个反应器而言，如反应器内的浓度和温度随位置变化，需将化学反应与传递现象综合起来考虑.
四、化学反应工程作用
　　对于化学产品和加工过程的开发、反应器的设计放大起着重要的作用。运用化学反应工程知识可以:
　提高反应器的放大倍数，减少试验和开发周期
　对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产效率
　开发环境友好的绿色生产路线和工艺
第二节 转化率、收率和选择性
一、 反应进度
对于反应：
(例如：）

转化量为：　

从而有：　

或者 　
二、 转化率 X—-针对反应物而言
定义：
注意：
　　如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来为X是不一样的
　　关键组分(着眼组分)为不过量、贵重的组分（相对而言）
　　针对关键组分计算，可使X最大到100%　　　
　　计算基准:起始状态选择问题（分母部分的计量）
　　使用的原则:对于连续反应器，进口处的状态
　　　　　　　　间歇反应器，开始反应时的状态
　　　　　　　　串联使用的反应器，进入第一个反应器的原料为准这样有利于计算和比较
　　单程转化率和全程转化率的区别
　　　如图1.2所示的甲醇合成流程简图，生产中采用循环操作，一部分未能转化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全转化反应物的循环,在计算全程转化率时，计算基准为新鲜原料进入反应系统到离开所达到的转化率.而单程转化率是一次性从反应器进入到离开所达到的转化率。两者相比较，全程转化率必定大于单程转化率。
第三节 化学反应器的类型
　　反应器的类型很多，如果按反应器的工作原理来分，可以概括为以下几种类型
　　种类
　　　　　　　特点
　　　应用范围
　管式反应器
长度远大于管径,内部没有任何构件
多用于均相反应过程
　釜式反应器
高度与直径比约为2-3内设搅拌装置和档板
均相、多相反应过程均可
　　　塔式 　
（填料塔板式塔）
高度远大于直径,内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积
用于多相反应过程
　　固定床
底层内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物
用于多相反应系统
　　流化床
反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能
多相反应体系，可以提高传热速率
　　移动床
固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触
用于多相体系,催化剂可以连续再生
　　滴流床
是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种
属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程

图 1.3 反应器的类型和特点
(a)管式反应器
（b)规整填料塔反应器
(c)喷雾塔式反应器
（d）板式塔反应器　
（e）鼓泡塔反应器
（f)气液搅拌釜式反应器
（g）移动床反应器
（h）循环式浆态反应器
(i）半连续浆态床反应器
（j)机械搅拌浆态床反应器
(k）固定床鼓泡床反应器
（l)滴流床反应器

　　　　　　　　　　　图1.2 循环系统转化率的计算

例1。1　
三、收率与选择性—-是对反应产物而言的
定义：

注意：
对于单一反应 Y=X（关键组分）(无论用哪种产物计算结果均是如此）
　　 对于复杂反应 Y≠X
　收率也有单程和全程之分（循环物料系统）
　无论是收率还是选择性，还有其它的定义（结果不一样，但说明同样的问题）
　转化率X只能说明总的结果，Y说明在转化的反应物件成目的比例，评价复合反应，还有选择性S，其定义为

第四节 反应器的操作方式
间歇操作:一次性投料,卸料。反应物系参数（浓度或组成等）随时间变化连续操作：
原料不断加入,产物不断引出，反应器内物系参数均不随时间变化。
半连续(或半间歇）兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。
第五节 反应器的设计与基本过程
反应器设计的基本内容一般包括：
· 选择合适的反应型式
· 确定最佳操作条件
· 根据操作负荷和规定的转化程度,确定反应器的体积和尺寸
要完成上述任务，需要使用下列三类基本设计方程：
· 物料衡算式(描述浓度变化）——连续性方程
· 能量衡算式（描述温度变化)
· 动量衡算式（描述压力变化）