工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是

工业反应器中对反应结果产生影响的主要物理过程是：(1)由物料的不均匀混合和停留时间不同引起的传质过程；(2)由化学反应的热效应产生的传热过程；(3)多相催化反应中在催化剂微孔内的扩散与传热过程。这些物理过程与化学反应过程同时发生。从本质上说，物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即反应动力学规律不因为物理过程的存在而发生变化。但是流体流动、传质、传热过程会影响实际反应场所的温度和参与反应的各组分浓度在空间上的分布，最终影响到反应的结果。化学反应和反应器的分类:化学反应和反应器的分类方法很多，常按下列四种方法进行分类。一、按反应系统涉及的相态分类，分为1．均相反应，包括气相均相反应和液相均相反应。2．非均相反应，包括气—固相，气—液相，气—液—固相反应等。二、按操作方式分类，分为1．间歇操作，是指一批物料投入反应器后，经过一定时间的反应再取出的操作方法。23．半连续操作，指反应器中的物料，有一些是分批地加入或取出，而另一些则是连续流动通过反应器。三、按反应器型式来分类，分为1．管式反应器，一般长径比大于302．槽式反应器，一般高径比为1—33．塔式反应器，一般高径比在3—30之间四、按传热条件分类，分为1．等温反应器，整个反应器维持恒温，这对传热要求很高。2．绝热反应器，反应器与外界没有热量交换，全部反应热效应使物料升温或降温。3．非等温、非绝热反应器，与外界有热量交换，但不等温。工业反应器的种类:用来实现化学变化的设备－－反应器按反应物料的相态进行分类，可有均相反应器和非均相反应器两大类。按反应物料流型进行分类，可大约将反应器分为平推流，全混流，非理想流动反应器三大类。化学反应工程的基本研究方法:化学反应工程的基本研究方法是数学模型法。数学模型法是对复杂的难以用数学全面描述的客观实体，人为地做某些假定，设想出一个简化模型，并通过对简化模型的数学求解，达到利用简单数学方程描述复杂物理过程的目的。化学反应器特点：传递过程+反应过程，反应器内流动情况动量传递过程-------流动性因素基础数学模型:（化学动力学模型、流动模型、传递模型）宏观动力学模型（核心内容）反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率化学反应速率定义：单位时间内单位反应混合物体积反应物的反应量或产物的生成量反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述时,该定量关系式称为化学反应式:多重反应：多重反应是指有多个反应同时进行的体系。它包括同时反应、连串反应、平行反应。复合反应(平行-----连串反应）连续系统情况下，化学反应速率可表示为单位反应体积中（或单位反应表面积上，或单位质量固体和催化剂上）某一反应物或产物的摩尔流量的变化空间时间τ其定义为反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。空间速度SV：有空速和标准空速之分。空速的一般定义为在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。化学反应速率与反应物系的性质、压力、温度、及各反应组分的浓度等因素有关。对于气固相催化反应，还与催化剂的性质有关。特定反应的反应物系的性质是相同的，因此反应速率可用函数关系表示，定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式称为反应动力学方程。大量实验表明，均相反应的速率是反应物系组成、温度和压力的函数。而反应压力通常可由反应物系的组成和温度通过状态方程来确定，不是独立变量。所以主要考虑反应物系组成和温度对反应速率的影响定义反应转化率达到50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。动力学方程表现的是化学反应速率与反应物温度、浓度之间的关系微分法是根据不同实验条件下在间歇反应器中测得的数据cA-t直接进行处理得到动力学关系的方法理想反应器理想流动反应器：流体流动状况影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础.流动模型是反应器中流体流动与返混的描述。流动模型：理想流动模型和非理想流动模型。理想流动模型：完全没有返混的平推流反应器和返混为极大值的全混流反应器。非理想流动模型是对实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。流动模型相关的重要概念物料质点物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。物料质点的年龄和寿命年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器算起已经停留的时间，称为年龄。寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。返混1）返混指流动反应器内不同年龄年龄质点间的混合。在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。2）返混的原因a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。简单混合与返混若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混按返混情况不同反应器被分为以下四种类型间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器、非理想流动反应器间歇反应器：间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。平推流反应器：理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。理想流动模型平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动1）模型特点物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有边界层）；沿流动方向的截面间不相混合；质点的寿命相同，任一截面上的质点的年龄相同；返混＝0,不同年龄的质点不相混合。2）适用范围管式反应器：L/D较大，流速比较大。全混流反应器：连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。在这类反应器中物料返混达最大值。全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合1）模型特点：反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同，且等于出口处的参数；同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合，反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中，质点的寿命也不相同。返混＝∞2）适用范围：搅拌反应器，强烈搅拌。非理想流反应器：非理想流反应器。物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。间歇反应器特点：①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。理想置换反应器：理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一样在反应器中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器，英文名称为Plug(Piston)FlowReactor，简称PFR。理想置换反应器的特性：①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性（组成、温度等）是一致的；③在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按平推流反应器处理。变容反应过程：理想置换反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反应。用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反应会引起系统物流体积发生变化。物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而引起反应速率的变化。