化学反应工程省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二篇第二篇 化学反应工程化学反应工程绪论：绪论：一、一、化学反应工程学化学反应工程学内容和任务内容和任务 工业化学反应过程实现是工业化学反应过程实现是 化学反应过程化学反应过程 和和 三传三传 等物理过程等物理过程 共同作用结果。共同作用结果。化学反应工程化学反应工程研究对象研究对象：以以工业规模工业规模进行化学反应过程。进行化学反应过程。任务任务：是研究反应器正确选型、合理设计、有效放大和优化是研究反应器正确选型、合理设计、有效放大和优化控制等化控制等化 工设计和生产问题工设计和生产问题。第第1页页二、本征动力学和宏观动力学二、本征动力学和宏观动力学举例：试验室烧杯中进行反应举例：试验室烧杯中进行反应.间间歇进行，加热均匀，搅拌充分，歇进行，加热均匀，搅拌充分，转化率可达转化率可达96%分析：分析：反应规律不变，但传递过程受到影响反应规律不变，但传递过程受到影响放大到工业连续生产放大到工业连续生产反应釜，一样反应，反应釜，一样反应，转化率仅转化率仅75%完全由完全由均匀均匀各种变量对化学反应速率影响动力学称为各种变量对化学反应速率影响动力学称为本本征动力学征动力学。即。即不受传递过程不受传递过程影响。影响。在本征动力学基础上，还要考虑到在本征动力学基础上，还要考虑到传递过程传递过程影响影响.即为即为宏观宏观动力学动力学。即工业反应器内化学反应过程是化学过程和传递过程统一过程，即工业反应器内化学反应过程是化学过程和传递过程统一过程，所以，化学反应工程学研究内容是所以，化学反应工程学研究内容是宏观动力学范围。宏观动力学范围。第第2页页反应器尺寸改变反应器尺寸改变-放大过程放大过程研究：研究：传递和反应结合规律传递和反应结合规律.对已经有反应器、测试分布、强化对已经有反应器、测试分布、强化.对未知反应器合理选型设计对未知反应器合理选型设计.对于操作条件进行优化：对于操作条件进行优化：反应速率最正确反应速率最正确.反应选择性最正确反应选择性最正确.能耗最低能耗最低.安全生产。安全生产。宏观动力学宏观动力学如如 消除扩散（传递消除扩散（传递）影响）影响，-无梯度反应器创造无梯度反应器创造则唯一由反应决定。即回到本征动力学。则唯一由反应决定。即回到本征动力学。第第3页页三、化学反应工程学发展三、化学反应工程学发展 二十世纪二十二十世纪二十 年代：单元操作出现，如吸收、精馏等。年代：单元操作出现，如吸收、精馏等。单元作业出现，如磺化、硝化等。单元作业出现，如磺化、硝化等。五十年代：石油化工快速发展，反应规模不停五十年代：石油化工快速发展，反应规模不停 增大。反应器放大问题，促进了化学增大。反应器放大问题，促进了化学 反应特征与传递特征统一研究。反应特征与传递特征统一研究。四十年代：原子能工业发展提出高倍率放大反四十年代：原子能工业发展提出高倍率放大反 应器问题，推进了工业化学反应应器问题，推进了工业化学反应 特征规律研究。特征规律研究。三十年代三十年代：（：（1937年）提出新看法：扩散、传递对年）提出新看法：扩散、传递对 反应影响。反应影响。第第4页页五十年代初：对流体流动与混合，流体元在反应器五十年代初：对流体流动与混合，流体元在反应器 内停留内停留 时间分布函数和宏观动力学时间分布函数和宏观动力学 研究结果。奠定了反应工程学研究结果。奠定了反应工程学 基础。基础。1957年：年：第一届欧洲化学反应工程会议上，正式使用第一届欧洲化学反应工程会议上，正式使用“化化 学反应工程学学反应工程学”概念。概念。六十年代后：数学模型法在反应工程研究中日益深入。六十年代后：数学模型法在反应工程研究中日益深入。1970年年 前后，相继出现全方面系统地叙述化前后，相继出现全方面系统地叙述化 学反应工程学教科书及专著。标志着化学学反应工程学教科书及专著。标志着化学 反应工程学成熟。反应工程学成熟。第第5页页 尤其是生物化学反应工程发展，标志着化学反应工程学发展新尤其是生物化学反应工程发展，标志着化学反应工程学发展新阶段。（阶段。（第第4版，加了一章生物工程版，加了一章生物工程）同时，因为化工产品品种日新月异，化工能源重点同时，因为化工产品品种日新月异，化工能源重点不停转移，人们对新产品、新能源和新过程开发不停转移，人们对新产品、新能源和新过程开发（Development)日益注意，随之出现反应日益注意，随之出现反应过程开发过程开发方法方法研究，进步丰富了化学反应工程学研究内容。研究，进步丰富了化学反应工程学研究内容。（第第4版加强开发内容。）版加强开发内容。）七十年代中期：化学反应工程学向深广两方面发展，逐七十年代中期：化学反应工程学向深广两方面发展，逐 渐出现渐出现“气液反应器气液反应器”，“气、液、固三气、液、固三 相反应器设计相反应器设计”“生物化学反应器生物化学反应器”等著作。等著作。第第6页页四、化学反应工程学研究方法四、化学反应工程学研究方法1、经典研究方法：主要是以、经典研究方法：主要是以相同论相同论和和因次论因次论为基础经验归纳法。为基础经验归纳法。程序：程序：1）确定影响原因）确定影响原因.2）用因次分析法确定准数）用因次分析法确定准数.3）试验数据回归，得出准数关联式）试验数据回归，得出准数关联式.4）依据相同论，用准数关联式进行放大）依据相同论，用准数关联式进行放大.但：但：经典研究方法，不能满足化学反应工程学研究要求，经典研究方法，不能满足化学反应工程学研究要求，化学反应工程着重研究传递与反应统一规律，在传递与化学反应工程着重研究传递与反应统一规律，在传递与反应统一体系内，反应统一体系内，不能同时满足几何相同，物理相同和不能同时满足几何相同，物理相同和化学相同。化学相同。第第7页页2、基本研究方法：模型方法、基本研究方法：模型方法 化学反应工程学研究是化学反应工程学研究是传递与反应统一体传递与反应统一体。这种对复杂难于数学描述客观实体，人为地做一些假定，构想出一个简化模这种对复杂难于数学描述客观实体，人为地做一些假定，构想出一个简化模型，并对简化模型进行数学描述，用以处理对客观复杂实体地描述方法，叫做型，并对简化模型进行数学描述，用以处理对客观复杂实体地描述方法，叫做模型方法。模型方法。程序程序：1）建立简化物理模型：）建立简化物理模型：对复杂实体进行合理简化，构想一个模对复杂实体进行合理简化，构想一个模 型代替实型代替实 体，简化必须合理，即简化模型必须反应客观实体，简化必须合理，即简化模型必须反应客观实 质，便于数学描述和满足实用。（如连续精馏质，便于数学描述和满足实用。（如连续精馏 计算前计算前 提）提）2）建立数学模型：依据物理模型和相关已知原理导出描述模）建立数学模型：依据物理模型和相关已知原理导出描述模 型数学方程及其初始和边界条件。型数学方程及其初始和边界条件。3）用模型方程解来讨论客体特征规律（如双膜理论）用模型方程解来讨论客体特征规律（如双膜理论）除上述例举除上述例举机理模型机理模型以外，也用以外，也用经验模型经验模型。经验模型只反。经验模型只反应客体统计规律，即只能做有限外推。应客体统计规律，即只能做有限外推。第第8页页五、化学反应工程学教材体系五、化学反应工程学教材体系化学反应工程研究关键问题：化学反应工程研究关键问题：反应器设计与放大反应器设计与放大化学反应规律与传递规律之统一规律化学反应规律与传递规律之统一规律.内因内因外因外因（热力学允许反应热力学允许反应）（反应器空间与时间效应造成）（反应器空间与时间效应造成）重点动力学问题重点动力学问题体系以下：体系以下：1）、动力学基础。）、动力学基础。2）、反应器内物流）、反应器内物流 流动和混合特征，反应工程学基础。流动和混合特征，反应工程学基础。3）、停留时间分布认识（关键问题）。）、停留时间分布认识（关键问题）。4）、在以上基础上，能够分类研究各均相反应器）、在以上基础上，能够分类研究各均相反应器传递特征传递特征 与与化学反应化学反应之间统一规律，建立宏之间统一规律，建立宏 观动力学方程：并进观动力学方程：并进 行设计和行设计和放大反应器，以及对反应器进行分析。放大反应器，以及对反应器进行分析。第第9页页第七章第七章、化学反应动力学基础、化学反应动力学基础7-1 化学动力学基本概念化学动力学基本概念7-2 简单反应速率方程式简单反应速率方程式.一级：一级：二级：二级：第第10页页可逆反应：指正方向和逆方向同时以显著速率进行化学反可逆反应：指正方向和逆方向同时以显著速率进行化学反 应。应。简单反应：反应过程只需用一个化学计量方程式和一个简单反应：反应过程只需用一个化学计量方程式和一个 速率速率 方程式表示化学反应。方程式表示化学反应。复杂反应：需用两个或两个以上速率方程式表示。复杂反应：需用两个或两个以上速率方程式表示。如平行反应和连串反应等。如平行反应和连串反应等。转化率：转化率：选择性选择性（选率）：（选率）：收率：收率：7-4 本征动力学和宏观动力学本征动力学和宏观动力学 反应速率控制步骤：反应速率控制步骤：化学反应和扩散原因（传递）化学反应和扩散原因（传递）反应控制？扩散控制？联合控制？相互转换反应控制？扩散控制？联合控制？相互转换第第11页页第八章第八章 经典反应器经典反应器8-1.化学反应器类型化学反应器类型.工业反应器基本特征都能够归纳为工业反应器基本特征都能够归纳为传递特征传递特征。故文件中常将故文件中常将反应器传递特征反应器传递特征称做称做装置特征装置特征。若再将反应器按工程特征进行分类，则若再将反应器按工程特征进行分类，则 欲为某一类具特定工程要欲为某一类具特定工程要求化学反应选择一个能满足其基本要求反应器类型。求化学反应选择一个能满足其基本要求反应器类型。一、按物料相态分类：一、按物料相态分类：两类：两类：均均 相：相：非均相：非均相：g-s gl l-l l-s s-s gl-sg-g l-l详见详见 P20 表表8-1 此种分类方法，实质上突出反应器相间传质特征对反应器性能此种分类方法，实质上突出反应器相间传质特征对反应器性能影响。影响。第第12页页二、二、按反应器几何构型分类：按反应器几何构型分类：按反应器高（或长）径比，可分为三类：按反应器高（或长）径比，可分为三类：管式：管式：，用于连续操作，生产能力大，质量稳定。，用于连续操作，生产能力大，质量稳定。槽式或釜式：槽式或釜式：；由筒体、端盖等组成；夹套、搅；由筒体、端盖等组成；夹套、搅 拌，可间歇，可连续。拌，可间歇，可连续。塔式：塔式：在以上二者之间。在以上二者之间。第第13页页此种分类实质：在于突出此种分类实质：在于突出流体流动特征流体流动特征对对反应器性能反应器性能影响。影响。进料进料出料出料进料进料出料出料液体液体气体气体液体液体气体气体（A）反应釜）反应釜（B）管式反应器）管式反应器（C）鼓泡塔）鼓泡塔三、按操作方式分：三、按操作方式分：连续操作，间歇，半连续连续操作，间歇，半连续采取哪种方式，主要取决于生产规模和人工费与投资之间权衡。采取哪种方式，主要取决于生产规模和人工费与投资之间权衡。第第14页页气体气体气体气体气体气体气体气体（D）固定床）固定床（E）流化床）流化床四、按催化剂存在方式分：四、按催化剂存在方式分：第第15页页五、按反应器内物流流动情况分：五、按反应器内物流流动情况分：理想流动理想流动：.在连续操作反应器中在连续操作反应器中 一，一，理想排挤式（理想排挤式（平推流、活塞流平推流、活塞流）：在管式反应中，理想流）：在管式反应中，理想流 动。动。无阻力、径向处处相同；轴向沿流向不停变换参数无阻力、径向处处相同；轴向沿流向不停变换参数.但不随时间而变。但不随时间而变。（Plug Flow Reactor-PFR)1.沿物料流动方向（沿物料流动方向（轴向轴向）.：操作参数随位置改变操作参数随位置改变2.在与流动方向垂直同一截面上（在与流动方向垂直同一截面上（径向径向）.：径向混合均匀，径向混合均匀，3.不一样截面上物料间没有任何混合不一样截面上物料间没有任何混合 .cA0 xA0cAf xAf12cA1cA2cA0 xA0cAf xAf第第16页页3.，里外均一里外均一二二、理想混合流动（理想混合流动（全混流全混流CSTR:CSTR:Continuous Stirred Tank Reacter）1 1，整体均一，整体均一反应器内任何一点、任何时候浓度、温度均一反应器内任何一点、任何时候浓度、温度均一（rA）为常数）为常数加料后，反应物浓度马上降至反应器内物料浓度加料后，反应物浓度马上降至反应器内物料浓度2 2，瞬间均一，瞬间均一出口物料浓度与反应器内浓度是相同。出口物料浓度与反应器内浓度是相同。反应一直是在较低浓度下进行反应一直是在较低浓度下进行 .第第17页页.在在间歇式间歇式操作中操作中-间歇搅拌间歇搅拌釜式釜式反应器反应器（Batch Stirred Tank ReacterBSTR）。）。BSTR 其中因为搅拌充分，处处均其中因为搅拌充分，处处均 匀，不随位置而变。（等温、匀，不随位置而变。（等温、等浓；无传递影响）。等浓；无传递影响）。实际流动状态介于理想流动两种极端状态之间。实际流动状态介于理想流动两种极端状态之间。以上分类，实际是交叉并行。以上分类，实际是交叉并行。如连续流动如连续流动 均相均相 釜式釜式 理想理想 反应器。反应器。固体固体热气热气产品产品（F）回转筒式反应器）回转筒式反应器产品产品气体气体（G）喷嘴式反应器）喷嘴式反应器第第18页页8-2 间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器 (Batch Stirred Tank ReacterBSTR)一、结构及操作特点：一、结构及操作特点：理想状态：理想状态：因为因为搅拌理想搅拌理想，均匀，均匀.反应器内等温、等浓。反应器内等温、等浓。不受传递过程影响。不受传递过程影响。理想理想BSTR反应结果，唯一地由化学反应本征动力学确定。反应结果，唯一地由化学反应本征动力学确定。加料口加料口冷却水或冷凝水出口冷却水或冷凝水出口搅拌叶轮搅拌叶轮冷却水冷却水或或 加加热蒸汽热蒸汽进口进口搅拌器搅拌器温度计插口温度计插口出料口出料口第第19页页五个特点：五个特点：等温、等温、等浓、等浓、简单、简单、灵活、灵活、产量低产量低同时注意：同时注意：1）如为挥发物质，则釜顶安装排气口并有回流装置；）如为挥发物质，则釜顶安装排气口并有回流装置；2）如为加压操作，釜顶安装安全设施。）如为加压操作，釜顶安装安全设施。3）严格地按操作规程操作，不然每釜质量不一。）严格地按操作规程操作，不然每釜质量不一。第第20页页二、反应器工艺尺寸设计二、反应器工艺尺寸设计 BSTR特点：分为反应时间特点：分为反应时间 t 和和 辅助时间辅助时间 t 一个生产循环下来时间总计为一个生产循环下来时间总计为 t+t 假如操作中，单位时间内假如操作中，单位时间内平均处理物料体积平均处理物料体积为为v、则反应器、则反应器 有效容积有效容积VR有效容积概念：有效容积概念：VR=t+t v 而整体体积或而整体体积或反应器体积为反应器体积为VT.为装料系数（装填系数）为装料系数（装填系数）0.7 0.850.4 0.6VR第第21页页VT.VR一定，但实际生产中仍有问题需要处理：一定，但实际生产中仍有问题需要处理：1）.高径比：高径比：反应器高径比大多数靠近于反应器高径比大多数靠近于1。不然。不然 对传热、对传热、传传 质不利。质不利。2）单系列、多系列：）单系列、多系列：各具优缺点：各具优缺点：应从产品质量、反应物性质、操作稳定性、安全生产、经济应从产品质量、反应物性质、操作稳定性、安全生产、经济 成本等全方位考虑。成本等全方位考虑。第第22页页三、反应时间确定（t)BSTR：任一瞬间器内各处参数均一，整个反应器有效体积：任一瞬间器内各处参数均一，整个反应器有效体积 内对组分做物料衡算内对组分做物料衡算进入物料量进入物料量=输出物料量输出物料量+反应掉物料量反应掉物料量+物料物料 积累量积累量 （8-1）着眼组分着眼组分A,BSTR操作过程中为间歇加料、出料，反应进程中无操作过程中为间歇加料、出料，反应进程中无 输入，无输出输入，无输出 反应掉反应掉 +积累积累 =0第第23页页即单位时间内反应消耗即单位时间内反应消耗A物料量物料量=-单位时间内物料单位时间内物料A 积累量积累量左边左边=右边右边=积分：积分：BSTR基本方程式。基本方程式。-（8-2）第第24页页若为定容（恒容过程）、即若为定容（恒容过程）、即VR为常数，则：为常数，则：又定容过程：又定容过程：代入代入（8-3）中：）中：-（8-3）（txA)第第25页页上述表示式可用图解表示对应关系：上述表示式可用图解表示对应关系：CA0CA0t(t=0 CA=CA0 t=t CA=CA)t CA0txAxA=1 t xA(t=0 xA=0 t=t xA=xA)0trA t rA(随随t，rA下降下降)-(8-4)(tcA)且有：且有：第第26页页0 xA0 xA0CA第第27页页 当当.rA详细表示式为已知时候，如一级、二级简单反应，即详细表示式为已知时候，如一级、二级简单反应，即可用可用解析法解析法直接计算出反应时间。直接计算出反应时间。分析、观察（分析、观察（8-3）：）：BSTR中，到达一定转化率中，到达一定转化率xA.时，所需反应时间时，所需反应时间t，只，只取决于过程反应速率取决于过程反应速率rA，和，和cA 0；而与反应器大小；而与反应器大小VR无关。无关。而反应器大小而反应器大小VR取决于反应物料处理量。取决于反应物料处理量。第第28页页 即即1Kg 物料，同一吨物料，若到达一样转化率物料，同一吨物料，若到达一样转化率xA，所需时间是一样所需时间是一样。（条件是理想搅拌）。（条件是理想搅拌）即：可用放大反应器，来增加产量。即：可用放大反应器，来增加产量。以上结论说明：对于以上结论说明：对于BSTR，如放大过程中，如放大过程中，保保证大、小证大、小 装置中反应速率（装置中反应速率（rA）影响原因）影响原因(T.c)相同，就能够实现相同，就能够实现 高倍数放大。高倍数放大。且完全由其本征动力学决定。且完全由其本征动力学决定。第第29页页四、一级、二级反应四、一级、二级反应BSTR.本征动力学、回想物化中学习过内容：本征动力学、回想物化中学习过内容：反应级数反应级数 反应速率式反应速率式 反应物浓度反应物浓度 转化率式转化率式（见见 P34.表表 8-3.以一级为主以一级为主）第第30页页例一：例一：（P25 例例8-2）已知在已知在BSTR中，己二酸、己二醇以等物质量比，在中，己二酸、己二醇以等物质量比，在343K下下进行缩聚反应，由试验室测得进行缩聚反应，由试验室测得若天天处理若天天处理 2400kg己二酸，且己二酸转化率要求达己二酸，且己二酸转化率要求达80%.第第31页页解：解：t=?v=?二级反应：二级反应：第第32页页v:平均时间内处理平均体积平均时间内处理平均体积 己二酸己二酸 相对分子量为相对分子量为146 （量纲分析，得出（量纲分析，得出 结论）结论）第第33页页 练习：练习：第第34页页再分析：再分析：.一级一级实际意义：可利用高浓度反应，增加生产效率，得一样实际意义：可利用高浓度反应，增加生产效率，得一样xA.二级：二级：实际意义：实际意义：CA0大，大，且产量大。且产量大。不一样级数反应，情况不一样。生产中区分对待。不一样级数反应，情况不一样。生产中区分对待。第第35页页例二：例二：第第36页页结论：结论：反应物初始浓度大，（反应物料多），反应物初始浓度大，（反应物料多），需要反应时间长。需要反应时间长。第第37页页.当残余浓度很低时当残余浓度很低时尽管初始浓度相差很大，但假如残余浓度很小时，尽管初始浓度相差很大，但假如残余浓度很小时，所需所需 反应时间相差极少。反应时间相差极少。此种情况下，可用提升初始浓度此种情况下，可用提升初始浓度 方法，花一样长时间，来提升产量。方法，花一样长时间，来提升产量。第第38页页例三、例三、试分别计算一级反应、二级反应，从转化率试分别计算一级反应、二级反应，从转化率090%.和和90%99%所需时间之比。并分析其结论。所需时间之比。并分析其结论。CA0=1解：解：一级反应一级反应090%：9099%：t20 99%：第第39页页二级：二级：0 90%：90 99%：0 99%：第第40页页结论：结论：1 反应后期，追求高转化率所需时间较长。反应后期，追求高转化率所需时间较长。2）反应级数越高，反应后期所需）反应级数越高，反应后期所需 t 越长。越长。应用：应用：1）不适盲目追求高转化率，不如分离后，再循环反应。）不适盲目追求高转化率，不如分离后，再循环反应。2）高级数反应，为节约时间，能够降低级数方法。）高级数反应，为节约时间，能够降低级数方法。如将廉价某种反应物过量如将廉价某种反应物过量.拟一级反应，快速拟一级反应，快速 进行。进行。练习：练习：P44.1、2、3.思索题：思索题：1）对于）对于BSTR.怎样控制反应进程？怎样获取最大怎样控制反应进程？怎样获取最大 产量？产量？（掌握：对应一级计算及结论）（掌握：对应一级计算及结论）2）放大效应怎样？）放大效应怎样？第第41页页8-3 BSTR中搅拌（选讲）中搅拌（选讲）搅拌目标：搅拌目标：（1）促进物系均化。）促进物系均化。(混合）（溶液、乳浊液等）混合）（溶液、乳浊液等）（2）促进物系间传质。（如溶解、结晶、浸提、萃取、吸收）促进物系间传质。（如溶解、结晶、浸提、萃取、吸收）.（3）强化过程传热。）强化过程传热。（加热、冷却）（加热、冷却）除下面机械搅拌外，液体搅拌还可采取：除下面机械搅拌外，液体搅拌还可采取：气流、射流、超声等。气流、射流、超声等。此节为扩展内容。了解。此节为扩展内容。了解。第第42页页一、混合机理：一、混合机理：1、湍流扩散：、湍流扩散：因为搅拌而形成总体流动产生。因为搅拌而形成总体流动产生。是搅拌时，搅拌器使液体在容器中形成宏观是搅拌时，搅拌器使液体在容器中形成宏观循环流动而形成湍流扩散，使物料在总体上循环流动而形成湍流扩散，使物料在总体上混合均匀。混合均匀。此种扩散，可将此种扩散，可将 液体分散成一定尺度液滴带往容器液体分散成一定尺度液滴带往容器各处，造成宏观大尺度均匀混合。各处，造成宏观大尺度均匀混合。但总体流动并不能将液滴破碎到细小尺寸。但总体流动并不能将液滴破碎到细小尺寸。第第43页页2、主体对流扩散：、主体对流扩散：在总体流动中，还包含有繁多局部湍动，湍动强度因搅拌器类在总体流动中，还包含有繁多局部湍动，湍动强度因搅拌器类型不一样而有很大不一样。型不一样而有很大不一样。尺寸很小液团就是由总体流动中湍动造成。尺寸很小液团就是由总体流动中湍动造成。湍动或湍流是由总体流动中大量强度不一样和大小不一样旋涡运湍动或湍流是由总体流动中大量强度不一样和大小不一样旋涡运动动叠加而组成。（这种扩散称为主体对流扩散），是湍流扩散叠加而组成。（这种扩散称为主体对流扩散），是湍流扩散 +涡流扩散。涡流扩散。高速旋转旋涡高速旋转旋涡可使总体流动液团产生猛烈相对运动和环可使总体流动液团产生猛烈相对运动和环绕运动，沿液滴表面形成不均匀压力分布和剪切力，克服了液绕运动，沿液滴表面形成不均匀压力分布和剪切力，克服了液滴表面张力，滴表面张力，使液团变形并再撕裂使液团变形并再撕裂。第第44页页 旋涡尺寸越小旋涡尺寸越小，强度越大，数量越多，则所形成湍动程度越，强度越大，数量越多，则所形成湍动程度越高，其破碎作用越大，生产液滴越小。高，其破碎作用越大，生产液滴越小。大旋涡破碎作用差，因为小液滴被卷入后只随同旋转而不被撕裂。大旋涡破碎作用差，因为小液滴被卷入后只随同旋转而不被撕裂。所以，所以，总体流动强并不等于搅拌效果好总体流动强并不等于搅拌效果好总体流动强并不等于搅拌效果好总体流动强并不等于搅拌效果好。而形成了。而形成了强烈旋涡强烈旋涡，有了有了 剪切力和压力分布，才会实现良好均质效果。剪切力和压力分布，才会实现良好均质效果。而且：分散同时，其逆过程凝聚也在进行，造成液相中存在液而且：分散同时，其逆过程凝聚也在进行，造成液相中存在液滴尺寸不均匀分布。而且：滴尺寸不均匀分布。而且：在搅拌叶轮附近区域内，湍动程度高，分散速率在搅拌叶轮附近区域内，湍动程度高，分散速率 凝聚凝聚 液滴尺寸细小。液滴尺寸细小。在搅拌叶轮较远区域，湍动程度减弱，凝聚在搅拌叶轮较远区域，湍动程度减弱，凝聚 分散速度分散速度.液滴直径变大。液滴直径变大。第第45页页对于互溶液体，搅拌越强烈，液滴尺寸越小。但最对于互溶液体，搅拌越强烈，液滴尺寸越小。但最后只能依靠分子扩散才能到达分子尺度上均匀。后只能依靠分子扩散才能到达分子尺度上均匀。对于不互溶液体，不论搅拌多么强烈，也不可能达对于不互溶液体，不论搅拌多么强烈，也不可能达到分子尺度上均匀，只能使液滴尽可能地变小。到分子尺度上均匀，只能使液滴尽可能地变小。二、搅拌器类型二、搅拌器类型搅拌目标：搅拌目标：1）形成流体整体流动，到达宏观均匀。）形成流体整体流动，到达宏观均匀。2）产生强烈湍流，促使液团破碎。）产生强烈湍流，促使液团破碎。在搅拌器选型时，常以液体粘度和搅拌容器在搅拌器选型时，常以液体粘度和搅拌容器容积作为初选依据。容积作为初选依据。第第46页页惯用旋桨式和涡轮式惯用旋桨式和涡轮式1）旋桨式）旋桨式结构：结构：很象船用推进器，所以也叫推进式、船舶型。三很象船用推进器，所以也叫推进式、船舶型。三个叶片（见插图个叶片（见插图 P420421，)特征：特征：旋转式搅拌器能造成容器内流体旋转式搅拌器能造成容器内流体总体流动总体流动，其循环量大，但湍，其循环量大，但湍动程度不高。动程度不高。适合用于以宏观混合为目标搅拌过程适合用于以宏观混合为目标搅拌过程。旋桨式搅拌器搅拌时为预防打旋，从而使流体液团分散所需剪切力降低，旋桨式搅拌器搅拌时为预防打旋，从而使流体液团分散所需剪切力降低，常设壁挡板以防止流体打旋。（见下页插图）常设壁挡板以防止流体打旋。（见下页插图）第第47页页参数：参数：b)转速较高。叶片端部线速度控制在转速较高。叶片端部线速度控制在515 m/s；常；常 用用7 10 m/s。c)叶轮距容器底部要有一定距离，普通叶轮距容器底部要有一定距离，普通H=D.2)涡轮式：涡轮式：结构：结构：属于属于小叶片小叶片高速搅拌器，叶轮形状相同高速搅拌器，叶轮形状相同于离心泵叶轮。普通为于离心泵叶轮。普通为6个（个（Z=6)第第48页页第第49页页第第50页页特征：特征：旋转时，液体在槽内形成两个回路总体循环流动，桨旋转时，液体在槽内形成两个回路总体循环流动，桨叶外缘附近造成强烈叶外缘附近造成强烈旋涡旋涡运动，因而有很大剪切运动，因而有很大剪切力，力，将液团撕很细将液团撕很细。适合用于要求小尺度均匀分散。适合用于要求小尺度均匀分散。黏度黏度 50 Pa.s。中等粘度以下液体。中等粘度以下液体。不适合用于不适合用于 易分层液体。易分层液体。参数：参数：a)直径直径D 为槽内径为槽内径D 00.3 0.5；b)叶轮端部速率为叶轮端部速率为 3 8 m/s.叶轮转速惯用叶轮转速惯用300 600 r.min-1.思索题：思索题：1）松香乳化应采用什么搅拌器？）松香乳化应采用什么搅拌器？2）黏度不高时，为传热均匀为目，采用黏度不高时，为传热均匀为目，采用什么什么 搅拌搅拌 器？器？第第51页页2、高粘度液体搅拌器、高粘度液体搅拌器.如用小叶片高速搅拌器，所提供能量很快地液体地粘滞阻力如用小叶片高速搅拌器，所提供能量很快地液体地粘滞阻力所消耗，使得距叶片稍远液体流动迟缓甚至停顿，混合效果差。所消耗，使得距叶片稍远液体流动迟缓甚至停顿，混合效果差。高粘度时，适选取高粘度时，适选取大叶轮低速搅拌器大叶轮低速搅拌器，锚式、框式、螺带式等。，锚式、框式、螺带式等。结构：结构：见下页图见下页图.特征：特征：剪切力小，但搅拌范围大剪切力小，但搅拌范围大，不会形成死角，适合用于高粘度液体。，不会形成死角，适合用于高粘度液体。也预防器壁附近物料浓度。气锚式和框式搅拌器造成轴向也预防器壁附近物料浓度。气锚式和框式搅拌器造成轴向流动小，难于确保物料轴向均匀混合。流动小，难于确保物料轴向均匀混合。第第52页页第第53页页参数：参数：a)D 略小于略小于D 0，搅拌器与容器内壁间隙很小。，搅拌器与容器内壁间隙很小。b)搅拌器转速低，若为搅拌器转速低，若为40 200 r/min.其端部圆围速率为其端部圆围速率为 0.5 1.5 m/s。三、搅拌时液体流动形态和搅拌功率三、搅拌时液体流动形态和搅拌功率1、搅拌时流动形态：搅拌时流动形态：d:搅拌器直径搅拌器直径m;n:搅拌器转速搅拌器转速r/s;)判断：判断：Re10.滞流滞流.10 Re10000 过渡流过渡流Re10000 湍流湍流.（且：邻近搅拌桨液体为湍流，（且：邻近搅拌桨液体为湍流，远离搅拌器液体可能为滞流。）远离搅拌器液体可能为滞流。）第第54页页2、搅拌功率：、搅拌功率：搅拌功率消耗搅拌功率消耗=搅拌槽内液体流动循环量搅拌槽内液体流动循环量 对液体提供压头对液体提供压头但影响原因复杂但影响原因复杂.用准数关联式：用准数关联式：C:同几何形状相关总系数同几何形状相关总系数Re:搅拌器搅拌器.m:与流动形态相关指数。与流动形态相关指数。搅拌器功率曲线见下页图搅拌器功率曲线见下页图 8-6。第第55页页第第56页页 对于惯用旋桨式和涡轮式搅拌器，在带垂直挡板搅拌槽对于惯用旋桨式和涡轮式搅拌器，在带垂直挡板搅拌槽中和惯用搅拌条件，中和惯用搅拌条件，K值可从上图值可从上图 8-6查得。查得。计算得到计算得到P是正常运转时搅拌所需是正常运转时搅拌所需.起动时，要克服静止液体惯性，开启功率较此要大。起动时，要克服静止液体惯性，开启功率较此要大。对于小型搅拌器，二者对于小型搅拌器，二者 差异更显著。差异更显著。挡板设置增大了搅拌动力消耗，有时会使搅拌功率挡板设置增大了搅拌动力消耗，有时会使搅拌功率 增大增大4-5倍或更多。倍或更多。请参见请参见 化工工艺设计手册化工工艺设计手册化学工业出版社。化学工业出版社。定型搅拌器能够购置，但特殊自己做或定做。定型搅拌器能够购置，但特殊自己做或定做。第第57页页例例1：（P30 例例8-3）有一开启式直叶涡轮搅拌器，）有一开启式直叶涡轮搅拌器，6片叶轮，直片叶轮，直径为径为0.15 m，转速为，转速为450 r/min，搅拌容器内径为，搅拌容器内径为0.5 m，容器壁上有容器壁上有4块垂直挡板，挡板宽与容器内径之比为块垂直挡板，挡板宽与容器内径之比为1：10，液体密度为，液体密度为970 kg/m3.粘度为粘度为0.0012Pa.s.试估算搅拌器试估算搅拌器所需功率？所需功率？解：解：流动形态属于充分湍流区，从图流动形态属于充分湍流区，从图8-6 查出查出K=40.则则第第58页页8-4 管式反应器管式反应器一、管式反应器特点：一、管式反应器特点：将实际，复杂，管式反应器中流动情况，抽象简将实际，复杂，管式反应器中流动情况，抽象简 化为化为 PFR.(Plug Flow Reactor)为一理想流动反应器。为一理想流动反应器。但流速较高时，管式反应器长度远大于直径时，其流动靠近于但流速较高时，管式反应器长度远大于直径时，其流动靠近于PFR。在等温、定态条件下，在等温、定态条件下，PFR含有以下特点：含有以下特点：（1）在反应器轴向不一样位置上，物料浓度、反应速率、转化率）在反应器轴向不一样位置上，物料浓度、反应速率、转化率 等均不相等；（沿管长等均不相等；（沿管长l而改变）而改变）（2）在轴向每个截面上，）在轴向每个截面上，物料浓度、反应速率、转化率等物料浓度、反应速率、转化率等 均相等；且不随时间而改变。均相等；且不随时间而改变。（3）在径向上不存在任何差异（包含浓度差、温度差、速度差）在径向上不存在任何差异（包含浓度差、温度差、速度差 等）。等）。CAO xAOCAf xAf第第59页页第第60页页二、反应器容积计算：二、反应器容积计算：对对PFR进行物料衡算进行物料衡算.取微元：取微元：衡算关系：衡算关系：加入加入 A=排出排出A量量 +反应掉反应掉A量量 +积累积累A量量.（稳态流动，无积累）（稳态流动，无积累）代入（代入（8-12）式中：）式中：得：得：第第61页页积分：积分：且定态操作，且定态操作，为常数为常数.PFR基本方程式基本方程式-（8-13）深入整理：深入整理：其中其中量纲分析量纲分析.应以时间为单位量应以时间为单位量.含含称为称为空间时间空间时间。第第62页页空间时间定义：空间时间定义：是反应器有效容积与进口处体积流量之比。是反应器有效容积与进口处体积流量之比。空间时间，简称空时。空间时间，简称空时。空时倒数，称为空时倒数，称为空间速度，简称空速空间速度，简称空速。单位为时间。单位为时间倒倒 数。如数。如 s-1.在定容过程中，在定容过程中，空间速度即表示单位时间内经过流空间速度即表示单位时间内经过流体体体体 积是反应器体积若干倍。积是反应器体积若干倍。（很形象，详细地反应了反应（很形象，详细地反应了反应 器处理物料能力）器处理物料能力）如氨合成塔空速为如氨合成塔空速为 35000V3/h第第63页页另一表示式，以另一表示式，以CA为变量：为变量：（8-16）又一）又一PFR基本式。基本式。对比对比BSTR 和和PFR基本式及解析式基本式及解析式:一致一致第第64页页结论：结论：形式相同形式相同（计算完全相同）（计算完全相同）不一样之处：不一样之处：BSTR 中中 t-反应时间；反应时间；PFR中中 t0-空间时间空间时间.有时角标不写；应用于不一样反应器，意义不有时角标不写；应用于不一样反应器，意义不一样一样为何？为何？BSTR诸参数随时间而变。诸参数随时间而变。PFR诸参数随位置诸参数随位置l而变。而变。但但变迁史变迁史相同相同.推进力相同推进力相同.第第65页页复杂反应，不好解析法计算，用图解积分法（数值积分法）复杂反应，不好解析法计算，用图解积分法（数值积分法）.原理原理同同BSTR相同相同。结论结论（1）反应进行越完全，转化率要求越高，所需反应进行越完全，转化率要求越高，所需VR就就 越大。越大。（2）可用易实现）可用易实现BSTR所取得数据（所取得数据（xAt)进行不进行不 易实现连续流动易实现连续流动PFR设计和放大。（类比设计和放大。（类比 试验）试验）第第66页页（3）BSTR t 和和 PFRt0 计算式相同，但计算式相同，但VR不一样。不一样。BSTR中：中：PFR中：中：（一样反应体系一样反应体系.一样条件一样条件.一样转化率）一样转化率）作为反应器选型一个基本参考依据，有动力学意义。作为反应器选型一个基本参考依据，有动力学意义。但反应器选型还需得到各方面指标（不是只有容积成本但反应器选型还需得到各方面指标（不是只有容积成本）。）。（4）计算计算t 及及t0 反应式相同，但两种反应器结构不反应式相同，但两种反应器结构不 同同.操作方式不一样，物料流动状态也不一样。操作方式不一样，物料流动状态也不一样。（5）PFR无辅助时间，连续操作稳定，处理物料量无辅助时间，连续操作稳定，处理物料量 大，更大，更 适合用于大规模工业化生产。适合用于大规模工业化生产。第第67页页例例1：（P34.例例8-5）对比对比 BSTR.PFRVR=?解：解：（1）BSTR：（同（同BSTR一节中例一节中例1）第第68页页求求 v =?第第69页页(2)PFR:练习：练习：P44.4、5、6.2.16 1.45第第70页页8-5 全混流反应器全混流反应器 BSTR t 使反应周期较长。所以，如改为连续操作，则：使反应周期较长。所以，如改为连续操作，则：Bach stirred tank reactor (BSTR)Continuous stirred tank reactor (C