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第25篇 反应动力学及反应器&主稿、编写人 袁渭康 华东理工大学 教授 中国工程院 院士 编写人 吕德伟 浙江大学 教授 朱开宏 华东理工大学 副教授 戎顺熙 浙江大学 教授 王凯 浙江大学 教授 张成芳 华东理工大学 教授 5

1 反应过程动力学 5

1.1 基本概念 5

1.1.1 化学反应计量方程 5

1.1.2 独立反应数 6

1.1.3 化学反应速率的定义 6

1.1.4 反应速率方程 6

1.1.5 反应级数 6

1.1.6 速率常数 6

1.1.7 反应机理、基元反应与速率方程 7

1.2 均相反应 8

1.2.1 反应速度理论简述 8

(1)碰撞理论 8

(2)绝对速度理论(过渡态或活性络合物理论) 8

1.2.2 单一反应(只须一个计量方程来描述的反应) 8

(1)不可逆定容反应 8

(2)不可逆变容反应 8

(3)可逆反应 10

1.2.3 复合反应 10

1.2.4 链锁反应 11

(1)链锁反应的速率式 11

(2)支链反应 13

1.3 聚合反应动力学 13

1.3.1 聚合反应的分类和特点 13

(1)分类 13

(2)聚合物的分子量(或聚合度)和分子量分布(或聚合度分布) 14

(3)瞬间平均聚合度和聚合度分布 14

(4)聚合方法 15

1.3.2 缩聚动力学 15

1.3.3 加聚反应 16

(1)游离基聚合 16

(2)共聚合反应 19

(3)离子型聚合 21

1.4 气-固相(催化)反应动力学 23

1.4.1 气-固催化反应的宏观特征 23

1.4.2 气-固催化反应动力学(指本征动力学) 23

(1)反应速率的定义 23

(2)气-固催化反应机理与速率式 23

1.5 催化剂的失活 28

1.6 实验研究方法和数据处理 29

1.6.1 研究反应动力学用的实验室反应器 30

1.6.2 动力学方程的确定和参数估值 32

(1)积分法 32

(2)微分法 33

1.6.3 用于模型判别的最佳序贯法实验设计 33

1.6.4 用于参数估值的最佳序贯法设计 34

参考文献 34

2 反应工程基本原理 35

2.1 理想反应器 35

2.1.1 理想间歇反应器 35

(1)基本概念 35

(2)等温操作的计算 35

(3)非等温操作的计算 37

2.1.2 平推流反应器 38

(1)恒容反应系统的计算 38

(2)变容反应系统的计算 39

(3)和间歇反应器的比较 39

2.1.3 全混流反应器 39

(1)物料衡算和能量衡算 40

(2)和平推流反应器的比较 40

2.1.4 组合反应器 41

2.2 返混合停留时间分布 42

2.2.1 返混 42

2.2.2 停留时间分布 42

(1)停留时间分布的描述 42

(2)停留时间分布的实验测定 43

(3)停留时间分布函数的数字特征 43

(4)用对比时间θ表示的分布函数 43

2.2.3 流动模型 44

(1)理想流动模型 44

(2)非理想流动模型 44

2.2.4 非理想流动反应器的计算 46

(1)多级全混流模型的反应器计算 46

(2)分散模型的反应器计算 49

2.3 反应相的内部和外部传递 49

2.3.1 本征动力学与表观动力学 50

2.3.2 气固相催化反应中的传递过程 50

(1)外部传递的影响 50

(2)内部传递的影响 53

2.3.3 气液相反应过程 55

2.3.4 气固相非催化反应 56

(1)基本特征 56

(2)一般模型 56

(3)缩核模型 57

2.4 微观混合及其对反应结果的影响 58

2.4.1 反应物系的混合状态 58

(1)混合程度的考察 58

(2)微观混合与宏观混合 59

2.4.2 微观混合对简单反应转化率的影响 59

2.4.3 微观混合对快速反应产物分布的影响 60

(1)微观混合对并串联反应选择性的影响 60

(2)微观混合对反应结晶过程晶体粒度分布的影响 60

2.4.4 微观混合对聚合反应的影响 60

2.5 反应器的多重定态和热稳定性 61

2.5.1 全混流反应器的多重定态和热稳定性 61

(1)全混流反应器的多重定态 61

(2)全混流反应器的稳定性判据 62

2.5.2 单颗粒催化剂的多重定态和稳定性 62

2.5.3 列管式固定床反应器的稳定条件 63

参考文献 64

3 化学反应器概述 65

3.1 化学反应器分类 65

3.1.1 按反应器中的物相分类 66

3.1.2 按操作方式分类 66

3.1.3 按物料流动状态分类 66

3.1.4 按传热特征分类 66

3.2 反应器内的浓度和温度特征 66

3.2.1 反应器内的返混和反应物的宏观浓度 67

3.2.2 宏观温度 67

3.2.3 分散相的传质和传热 68

3.2.4 微观混合 68

3.2.5 反应系统 68

3.3 化学反应器的特性及比较 69

3.4 化学反应器的开发 70

3.4.1 预实验 70

3.4.2 敏感性分析 70

3.4.3 过程分解和简化，过程模型和模拟 70

3.4.4 放大判据 71

3.4.5 冷模试验 71

3.4.6 开发实验规划 71

参考文献 72

基本参考文献 72

4 固定床反应器 72

4.1 概述 72

4.1.1 工业应用 72

4.1.2 结构形式 73

4.1.3 选型 74

4.2 固定床的传递过程 75

4.2.1 流动阻力 75

4.2.2 床层尺度的传热与传质 76

(1)径向传热 76

(2)轴向传热 78

(3)质量传递 78

4.3 数学模型 79

4.3.1 拟均相基本模型(A-Ⅰ) 79

4.3.2 拟均相轴向分散模型(A-Ⅱ) 80

4.3.3 拟均相二维模型 80

4.3.4 考虑颗粒界面梯度的活塞流非均相模型(B-I) 81

4.3.5 考虑颗粒界面梯度和粒内梯度的活塞流非均相模型(B-Ⅱ) 81

4.3.6 非均相二维模型(B-Ⅲ) 82

4.4 拟均相基本模型的求解 82

4.4.1 初值问题的求解 82

4.4.2 两点边值问题的求解 83

4.5 拟均相二维模型的求解 83

4.6 多段绝热反应器的设计计算 84

4.7 自热式固定床反应器的计算 86

4.8 固定床反应器的参数敏感性 87

4.9 移动床反应器 88

4.9.1 固相加工过程的计算 88

4.9.2 催化剂失活的气相加工过程 89

参考文献 89

5 流化床反应器 90

5.1 基本类型及基本特点 90

5.1.1 流化床反应器的分类 90

(1)按流化体系分类 90

(2)按流态分类 90

5.1.2 基本结构 90

5.1.3 基本特点和优缺点 91

5.2 工业应用 92

5.2.1 各类反应过程 92

(1)气相催化反应过程 92

(2)气相非催化反应过程 92

(3)气-固相反应过程 93

5.2.2 工业应用 93

(1)烃类的催化裂化 93

(2)丙烯烃流化床反应器 93

(3)费-托合成 93

5.3 流化床的流体力学和反应过程 93

5.3.1 流域和流域的过渡 93

(1)颗粒的分类 93

(2)流域和流域的过渡 94

5.3.2 鼓泡流化床反应器 95

(1)分布板区 95

(2)鼓泡区 95

(3)自由空间区(稀相区) 96

(4)各区对反应过程的作用 96

5.4 流化床反应器系统的数学模型 97

5.4.1 鼓泡区中的相际质量传递 97

5.4.2 流化床反应器数学模型 98

(1)均相模型 98

(2)鼓泡流化床反应器两相模型 98

(3)鼓泡流化床反应器三相模型 102

(4)湍流流化床反应器模型 102

(5)快速流化床反应器模型 103

(6)分布板区和自由空间区模型 103

5.5 气-固相反应过程 104

5.6 工程放大和设计原则 105

5.6.1 过程的开发和放大 105

5.6.2 工程设计原则 107

(1)分布板的设计 107

(2)床体的尺寸和催化剂用量 108

(3)内部构件 108

(4)自由空间区 108

(5)旋风分离器的专门设计 108

符号说明 108

参考文献 109

6 搅拌釜式反应器 110

6.1 导言 110

6.2 搅拌器的基本类型和使用范围 110

6.2.1 常用的搅拌器 110

6.2.2 评价搅拌操作特性的参数 110

6.2.3 搅拌器的选型 112

6.3 搅拌釜内的流型和搅拌器的混合性能 112

6.3.1 搅拌釜内的流型 112

6.3.2 搅拌器的混合性能 113

6.4 搅拌器的功率消耗 114

6.4.1 功率数的一般关联式 114

6.4.2 算图法解功率数 114

6.4.3 牛顿流体的功率数关联式 115

6.4.4 粘稠性流体的功率数 116

6.5 搅拌釜式反应器的传热 117

6.5.1 搅拌釜传热概述 117

6.5.2 热载体侧的传热系数 118

(1)管中流体对管壁的传热系数 118

(2)夹套中热载体对釜壁的传热系数 119

6.5.3 被搅液侧的传热系数 120

(1)桨式、涡轮式叶轮在湍流域的传热系数 120

(2)锚式叶轮的传热系数 120

(3)螺带式叶轮的传热系数 120

(4)螺杆-导流筒式叶轮的传热系数 120

(5)以搅拌器作传热内构件的传热系数 120

(6)假塑性流体的传热系数 121

6.6 非均相釜式反应器 121

6.6.1 气液相搅拌釜式反应器 121

(1)气体分散状态 121

(2)通气时的搅拌功率 123

(3)比界面积、持气率和气泡平均直径 123

6.6.2 液液相搅拌釜式反应器 123

(1)液液分散搅拌器 123

(2)液液分散的稳定三角区 124

(3)平均滴径和比界面积 124

6.6.3 固液相搅拌釜式反应器 124

(1)固液悬浮的判据 124

(2)固液悬浮的搅拌设备 125

(3)临界转速 125

6.7 搅拌釜式反应器的放大 126

6.7.1 搅拌釜式反应器的放大技术概述 126

6.7.2 几何相似放大 126

6.7.3 非几何相似放大 127

6.7.4 搅拌釜式反应器的放大实例 127

(1)氯乙烯悬浮聚合反应器 127

(2)苯乙烯本体聚合反应器 128

6.8 搅拌釜式反应器的进展 128

6.8.1 搅拌釜式反应器主要部件的进展 128

(1)搅拌叶轮的进展 128

(2)传动装置的进展 129

(3)夹套的进展 130

6.8.2 几个先进的搅拌釜式反应器 130

(1)罗纳-普郎法磷酸反应器 130

(2)双层后掠叶搅拌釜式反应器 130

(3)乳液聚合反应器 130

(4)操作高粘流体的反应器 130

参考文献 131

7 气液和液液反应器 132

7.1 相际传质模型及其表观参数 132

7.2 反应传质的速率 133

7.2.1 反应对传质的影响 133

(1)反应可忽略的传质过程 133

(2)液流主体中慢反应的过程 133

(3)传质增强因子 133

7.2.2 各种反应过程的传质速率 134

(1)一级不可逆反应 134

(2)不可逆瞬间反应 134

(3)二级不可逆反应 135

(4)m、n级不可逆反应 136

(5)可逆反应 136

7.3 界面阻力和稳定性 136

7.3.1 界面传质阻力 136

7.3.2 界面的稳定性 136

7.4 气液反应器总论 137

7.4.1 气液反应的平衡 137

(1)气液平衡和亨利定律 137

(2)溶液中气体溶解度系数的估算 138

(3)气液反应平衡的关联 140

7.4.2 气液反应器概述 140

(1)气液反应器的型式 140

(2)工业对气液反应器的要求 140

(3)常见气液反应器的特点 141

(4)气液反应器的稳定性 142

7.5 填料反应器 143

7.5.1 填料反应器有关特性 143

(1)填料层的储液量 143

(2)润湿表面和有效表面 144

(3)填料反应器的返混 144

7.5.2 填料反应器的计算 144

(1)气液相均为平推流 145

(2)考虑气相轴向分散的计算法 145

7.6 降膜反应器 145

7.6.1 降膜管的润湿和布液装置 146

7.6.2 降膜塔流动特性 146

(1)降膜流动的分区 146

(2)膜厚与液流强度的关系 146

(3)压降与液泛 147

7.6.3 降膜管的传热传质 148

(1)降膜管的传热 148

(2)降膜管的传质 148

7.6.4 降膜塔内反应过程 148

7.7 板式反应器 148

7.7.1 板上气荷率 148

7.7.2 传质系数和传质表面 148

7.7.3 板上的返混 149

7.7.4 板上的反应过程 149

7.8 鼓泡反应器 149

7.8.1 鼓泡反应器两相流动特征 150

(1)鼓泡反应器的流动状态 150

(2)鼓泡反应器的平均气荷率 150

(3)鼓泡反应器两相流动分布 151

7.8.2 鼓泡反应器的轴向混合 151

(1)气相轴向分散系数 151

(2)液相轴向分散系数 152

7.8.3 鼓泡反应器传质特性 152

7.8.4 鼓泡反应器传热特性 152

7.8.5 气体分布器的设计 153

7.8.6 鼓泡反应器的计算 153

(1)气相为平推流液相为全混流 153

(2)气液两相均为全混 153

(3)气相有轴向分散 153

7.9 气液搅拌反应器 154

7.9.1 气液搅拌反应器的型式 154

7.9.2 强制分散搅拌反应器 154

(1)搅拌器的型式和混合 154

(2)操作区域和特征转速 155

(3)搅拌功率消耗 156

(4)气荷率、比表面和传质系数 156

(5)系数及其他 156

7.9.3 自吸式搅拌反应器 157

(1)工作原理 157

(2)搅拌器的形式 157

(3)传质传热 158

7.9.4 表面充气式搅拌反应器 158

7.10 液液反应器 158

7.10.1 反应器概述 158

7.10.2 分散相和连续相的确定 159

7.10.3 界面的稳定性 159

7.10.4 相对速度和特征速度 159

7.10.5 传质系数 160

7.10.6 液液反应器操作特性 160

(1)喷洒塔 160

(2)筛板塔 161

(3)填料塔 161

(4)转盘塔 162

(5)搅拌混合器 162

一般参考文献 162

参考文献 163

8 气液固反应器 165

8.1 涓流床反应器 166

8.1.1 气液并流向下流过填充床的流动形态 167

8.1.2 涓流床的压力降 167

8.1.3 涓流床的荷液率 168

8.1.4 涓流床反应器的宏观反应速率 169

(1)对组分A为拟一级不可逆反应 169

(2)对组分B为拟一级不可逆反应 169

(3)对组分A和B均为一级的不可逆反应 170

8.1.5 催化剂表面润湿率和效率因子 170

(1)催化剂表面润湿率 170

(2)部分润湿催化剂的效率因子 170

8.1.6 涓流床的传质 171

(1)气液相间传质 171

(2)液固相间传质 172

8.1.7 涓流床的传热 172

(1)床层有效导热系数 172

(2)床层对壁传热分系教 173

8.1.8 床层液体分布和轴向返混 173

8.1.9 涓流床反应器反应模型 173

(1)拟均相反应模型 173

(2)非均相反应模型 173

(3)轴向分散定态模型 174

8.2 填充鼓泡床反应器 175

8.2.1 气液并流向上流过填充床的流动形态 175

8.2.2 填充鼓泡床的压降 175

8.2.3 填充鼓泡床气荷率和液荷率 176

8.2.4 轴向分散系数 176

8.2.5 填充鼓泡床反应器的设计 176

8.3 淤浆反应器 176

8.3.1 淤浆反应器的反应模型 177

(1)组分A的传递过程 177

(2)无内扩散影响时的反应速率 178

(3)考虑内扩散影响时的反应速率 178

(4)各反应模型实例和特征 180

8.3.2 间歇式淤浆反应器操作时间的确定 181

(1)对A和B都是一级 181

(2)对A为一级，对B为零级 181

(3)对A为m级，对B为n级 181

(4)反应时间解析 181

(5)溶解度系数的改变和产物对反应的抑制 182

8.3.3 固体催化剂的悬浮 182

8.3.4 淤浆反应器气液传质特性 183

8.3.5 液固相际传质特性 183

8.3.6 淤浆反应器传热特性 183

8.4 三相流化床反应器 183

8.4.1 流动状态图 183

8.4.2 最小流化速度 184

8.4.3 床层膨胀和压降 184

8.4.4 返混特性 184

8.4.5 传质特性 184

8.4.6 传热特性 184

一般参考文献 184

参考文献 184