反应工程课件.pptx
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第七篇-化学反应工程PPT课件
解：一级反应， ( rA )kA c kA 0 c (1xA )
t1ln1 1 ln1 99 .（ 8s6 ） k 1xA 0.0021 3 0.9 1
-
18
反应器体积：
V R q V 0(t t') 1 2m h 4 3 4 (9 3.9 6 8 6 3 6 0)0 0 0 .4m 533
-
9
活塞流模型－理想排挤流动模型（平推流） 反应器内任一截面上无速度梯度；物料在反 应器内的停留时间完全相同。（连续操作管 式反应器）
-
10
非理想流动模型－介于上两 种理想模型之间 a.轴向扩散模型－活塞流+轴 向扩散
将对活塞流的偏离情况通过轴 向扩散（轴向返混）速率来描 述 b.多。级费全克混定流律模：型u （D多l d釜dCl串联 流动模型）
(rA)VRdA n /dt (rA)dA c/dt d tdAc/ (rA)
基本方程：
tcA cA0
( d rAA )ccA0
xA 0
dA x (rA)
-
等容过程，液相反应
15
简单一级反应： ( rA )kA c kA 0 c (1xA )
t c A 0 0 x Ak A 0 d ( 1 c A x A x ) k 1 0 x Ad 1 ( 1 x x A A ) k 1 l1 n 1 x A k 1 lc c n A A 0
按操作 方法分
间歇 连续 半连续
5
7 基本反应器 间歇操作搅拌釜式反应器
特点：分批操作；所有物料 的反应时间相同；反应物的 浓度是时间的函数。
连续操作管式反应器
特点：连续进料；T、P、q
一定时，反应器内任一截面
的物料浓度不随时间变化；
t1ln1 1 ln1 99 .（ 8s6 ） k 1xA 0.0021 3 0.9 1
-
18
反应器体积：
V R q V 0(t t') 1 2m h 4 3 4 (9 3.9 6 8 6 3 6 0)0 0 0 .4m 533
-
9
活塞流模型－理想排挤流动模型（平推流） 反应器内任一截面上无速度梯度；物料在反 应器内的停留时间完全相同。（连续操作管 式反应器）
-
10
非理想流动模型－介于上两 种理想模型之间 a.轴向扩散模型－活塞流+轴 向扩散
将对活塞流的偏离情况通过轴 向扩散（轴向返混）速率来描 述 b.多。级费全克混定流律模：型u （D多l d釜dCl串联 流动模型）
(rA)VRdA n /dt (rA)dA c/dt d tdAc/ (rA)
基本方程：
tcA cA0
( d rAA )ccA0
xA 0
dA x (rA)
-
等容过程，液相反应
15
简单一级反应： ( rA )kA c kA 0 c (1xA )
t c A 0 0 x Ak A 0 d ( 1 c A x A x ) k 1 0 x Ad 1 ( 1 x x A A ) k 1 l1 n 1 x A k 1 lc c n A A 0
按操作 方法分
间歇 连续 半连续
5
7 基本反应器 间歇操作搅拌釜式反应器
特点：分批操作；所有物料 的反应时间相同；反应物的 浓度是时间的函数。
连续操作管式反应器
特点：连续进料；T、P、q
一定时，反应器内任一截面
的物料浓度不随时间变化；
化学反应工程课件
A
B
R
A B C
c
A
cB
cR
k/ k
c c c K A / B / R /
1/
ABR
c
语言精品资源PPT
9
A A B B R R 1
A
B
R
k/
k
K
1/ C
1. 正逆反应的反应级数之差与相应的化学计量系 数之比为一定值;
2. 化学计量数ν，为速率控制步骤出现的次数。
设 2A＋B ↔ R 的反应机理为
第二章 反应动力学基础
天津大学化工学院 反应工程教学组
语言精品资源PPT
1
2.1 化学反应速率
定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分 的反应量。
A A BB RR
rA
1 V
dnA dt
, rB
1 V
dnB dt
, rR
1 V
dnR dt
1. 对反应物dn/dt<0,对产物dn/dt>0
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k d ln k 1 d ln K p 1 Hr
dT 语言精品资源PPT dT dT
1R3 T 2
1
E E H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
(1) A ↔ A*
(2) A* + B ↔ X
(3) A* + X ↔ R
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
《反应工程整》课件
环保要求
随着环保意识的提高，反应工程需要 更加注重环保，减少废气、废水和固 废的产生，降低能耗和资源消耗，实 现绿色生产。
新型反应器的研发与优化
01
新型反应器的研究
针对特定反应过程，研究开发新型反应器，以提 高反应效率和产物收率。
02
反应器的优化
通过对现有反应器的优化改造，提高其性能和效 率，降低能耗和物耗，实现可持续发展。
《反应工程整》ppt 课件
目录
• 反应工程概述 • 反应工程的基本原理 • 反应工程的应用领域 • 反应工程的前沿技术 • 反应工程的挑战与展望 • 案例分析
01
反应工程概述
定义与特点
定义
反应工程是研究化学反应和相关传递过程在工业 反应器中的集成和优化的一门科学。
特点
反应工程注重化学反应与传递过程的相互影响， 强调工业反应器的实际应用，涉及范围广泛，包 括化学、物理、数学等多个领域。
详细描述
对某环保处理技术的反应过程进行分析，研究反应机理、 反应动力学以及传递特性对处理效果的影响。通过分析反 应过程，发现反应条件和工艺参数的优化空间，为提高处 理效果提供指导。
总结词
工艺参数优化
总结词
处理效果评估
详细描述
对优化后的环保处理技术进行实际应用和效果评估。通过 对比优化前后的处理效果数据，发现优化方案显著提高了 处理效率和降低了能耗，证明了优化的效果。
反应工程的历史与发展
01 历史回顾
反应工程的发展可以追溯到20世纪初，随着化学 工业的快速发展和科学技术的不断进步，反应工 程逐渐成为一门独立的学科。
02 当前发展
当前，反应工程的研究领域不断扩大，涉及的新 技术和新方法也不断涌现，如计算流体力学、人 工智能等在反应工程中的应用越来越广泛。
随着环保意识的提高，反应工程需要 更加注重环保，减少废气、废水和固 废的产生，降低能耗和资源消耗，实 现绿色生产。
新型反应器的研发与优化
01
新型反应器的研究
针对特定反应过程，研究开发新型反应器，以提 高反应效率和产物收率。
02
反应器的优化
通过对现有反应器的优化改造，提高其性能和效 率，降低能耗和物耗，实现可持续发展。
《反应工程整》ppt 课件
目录
• 反应工程概述 • 反应工程的基本原理 • 反应工程的应用领域 • 反应工程的前沿技术 • 反应工程的挑战与展望 • 案例分析
01
反应工程概述
定义与特点
定义
反应工程是研究化学反应和相关传递过程在工业 反应器中的集成和优化的一门科学。
特点
反应工程注重化学反应与传递过程的相互影响， 强调工业反应器的实际应用，涉及范围广泛，包 括化学、物理、数学等多个领域。
详细描述
对某环保处理技术的反应过程进行分析，研究反应机理、 反应动力学以及传递特性对处理效果的影响。通过分析反 应过程，发现反应条件和工艺参数的优化空间，为提高处 理效果提供指导。
总结词
工艺参数优化
总结词
处理效果评估
详细描述
对优化后的环保处理技术进行实际应用和效果评估。通过 对比优化前后的处理效果数据，发现优化方案显著提高了 处理效率和降低了能耗，证明了优化的效果。
反应工程的历史与发展
01 历史回顾
反应工程的发展可以追溯到20世纪初，随着化学 工业的快速发展和科学技术的不断进步，反应工 程逐渐成为一门独立的学科。
02 当前发展
当前，反应工程的研究领域不断扩大，涉及的新 技术和新方法也不断涌现，如计算流体力学、人 工智能等在反应工程中的应用越来越广泛。
《化学反应工程》PPT课件
由于三相反响器中，液固相间的相对运动速率一般较小，而气相反 响物必须通过液相才能到达固体催化剂外表，因此反响相外的传质对表 观反响速率往往具有重要影响。所以当反响物为难容气体时，我们可以 忽略溶质在气相中的传递阻力。
气泡
气泡
气—液界面
液体
催化剂颗粒
浓 度
0 距离
图7.1 三相反响中气相反响物浓度分布
气
气液 膜膜
液
相
相
主
主
体
体
1.3 气液固三相反响动力学——主要讨论气液固相 催化反响的动力学
根据双模理论模型，我们可以知道气液固三相反响过程中同时存在 气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相外表的化学 反响，是一比较复杂的传质—反响交互作用的过程。虽然气液固三相反 响是一个很复杂的反响过程，但是我们可以通过具体情况对其进展简化。
0.52 0.32 0.27 0.22
0.20 0.18
解：因为气相进料为纯氢，所以式〔7.12〕适用
t/min
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
图 7.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
当催化剂的质量分数为0.07%时，假设能消除气液间传质阻力，由 图7.2可见：
优点
反响条件温和，可延长 催化剂的寿命，对许多 反响过程，这将有利于 改善选择性
由于液相组分热容大， 对强放热反响改善了 传热和温度控制
1.2 气液固三相反响动力学理论模型—双膜理论模型
假设
在相界面附近，由 于流体的相对运动 干扰，相界面两边 各有一层处于层流 运动状态，分别称 为气膜和液膜
在气液两相主体中， 流体的运动状态处 于充分的湍流溶质 在主体中以涡流扩 散方式传递，故主 体浓度可视为均一
气泡
气泡
气—液界面
液体
催化剂颗粒
浓 度
0 距离
图7.1 三相反响中气相反响物浓度分布
气
气液 膜膜
液
相
相
主
主
体
体
1.3 气液固三相反响动力学——主要讨论气液固相 催化反响的动力学
根据双模理论模型，我们可以知道气液固三相反响过程中同时存在 气液相际的传质，液固相际的传质和固相内部的传质和固相外表的化学 反响，是一比较复杂的传质—反响交互作用的过程。虽然气液固三相反 响是一个很复杂的反响过程，但是我们可以通过具体情况对其进展简化。
0.52 0.32 0.27 0.22
0.20 0.18
解：因为气相进料为纯氢，所以式〔7.12〕适用
t/min
0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10
图 7.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
当催化剂的质量分数为0.07%时，假设能消除气液间传质阻力，由 图7.2可见：
优点
反响条件温和，可延长 催化剂的寿命，对许多 反响过程，这将有利于 改善选择性
由于液相组分热容大， 对强放热反响改善了 传热和温度控制
1.2 气液固三相反响动力学理论模型—双膜理论模型
假设
在相界面附近，由 于流体的相对运动 干扰，相界面两边 各有一层处于层流 运动状态，分别称 为气膜和液膜
在气液两相主体中， 流体的运动状态处 于充分的湍流溶质 在主体中以涡流扩 散方式传递，故主 体浓度可视为均一
化学反应工程完整ppt课件
1. 正逆反应的反应级数之差与相应的化学计量系 数之比为一定值;
2. 化学计量数ν，为速率控制步骤出现的次数。
设 2A＋B ↔ R 的反应机理为
(1) A ↔ A* (2) A* + B ↔ X (3) A* + X ↔ R
.
10
例2.2 等温下进行醋酸（A）和丁醇（B）酯化反应
CH3COOH+C4H9OH ↔ CH3COOC4H9+H2O 醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmol/m3,测 得不同时间下醋酸转化量,试求该反应的速率方程。
反应变 量：XA
● 恒
cA
nA V
nA V0
容
nAnA0nA0XA
过 程
cAnA0(1V0XA)cA0(1XA).
cB
nB V
nB nB0
nB
V0B A
nA0XA
cB
cB0
B A
cA0XA
28
kc A cB kc A 0(1X A )(cB 0BcA 0X A ) A
V 1d d n tA V 1 0d n A 0 (1 d t X A ) n V A 0 0d d X tA c A 0d d X tA
.
8
平衡时，r＝0
kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
cAA/cBB/cRR/Kc1/
.
9
A AAB BBR RR1
k/ k KC1/
一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的。
2. 化学计量数ν，为速率控制步骤出现的次数。
设 2A＋B ↔ R 的反应机理为
(1) A ↔ A* (2) A* + B ↔ X (3) A* + X ↔ R
.
10
例2.2 等温下进行醋酸（A）和丁醇（B）酯化反应
CH3COOH+C4H9OH ↔ CH3COOC4H9+H2O 醋酸和丁醇的初始浓度分别为0.2332和1.16kmol/m3,测 得不同时间下醋酸转化量,试求该反应的速率方程。
反应变 量：XA
● 恒
cA
nA V
nA V0
容
nAnA0nA0XA
过 程
cAnA0(1V0XA)cA0(1XA).
cB
nB V
nB nB0
nB
V0B A
nA0XA
cB
cB0
B A
cA0XA
28
kc A cB kc A 0(1X A )(cB 0BcA 0X A ) A
V 1d d n tA V 1 0d n A 0 (1 d t X A ) n V A 0 0d d X tA c A 0d d X tA
.
8
平衡时，r＝0
kc AAc BBc RR kcA AcB BcR R
c c c AA BB RR ABR
k/k
cAAcBBcRR Kc
1
A AAB BBR RR
A B C
cA cB cR k/k
cAA/cBB/cRR/Kc1/
.
9
A AAB BBR RR1
k/ k KC1/
一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的。
化学反应工程PPT演示课件
方程。
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
非均相模型（考虑流体和粒子表面间 1.按动力学 的拟温均度相和模浓型度（差忽）略流体和粒子表面间
的温度和浓度差，假设流体与粒子为 浑然一体的均相）
2.床层温度二 一维 维模 模型 型（ （轴 平向 推和 流径 模向 型） 和轴向扩散模型）
3.按流体流动非 理理 想想 流流 动动 模模 型型
26
• 解：①求颗粒的平均直径。
dS
1 xi
0.60 0.25 0.15 1 3.96mm 3.96103 m 3.40 4.60 6.90
di
• ②计算修正雷诺数。
Re m
g
dSG
1 B
3.96 103 6.2
2.3105 1 0.44
dV
19
•（2）外表面积当量直径： (非球形颗粒折合 成相同外表面积的球形颗粒应当具有的直径）
球形外表面积：SS
4π
d 2
2
SS π
1
2
da
• （3）比表面积当量直径： (非球形颗粒 折合成相同比表面积的球形颗粒应当具 有的直径）
球形比表面积：
SV
SS VS
－P f
L de
um2 2 B 2
＝f
L
2 3
.
(1
B
B
)
.d
S
um2 2 B2
＝3 f 4
L dS
1B
3 B
u m2
f L dS
1B
3 B
u
化学反应工程 课件
33
• 必有
rA1 2rB1 3rC1 4rD
• 当I为反应物时， r rI
I • I为产物时， r rI
I
34
化学反应动力学方程
• 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。
9
• 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30 • 2． 槽式反应器，一般高径比为1—3 • 3． 塔式反应器，一般高径比在3—30之
间
10
• 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
个不可逆反应动力学方程，如(-rA)=kf' (cA)， 经过积分运算后得到，f(cA)=kt的关系式。
• 例如，一级反应
ln
cA cA0
kt
44
• (2)将实验中得到的ti下的ci的数据代f(ci)函 数中，得到各ti下的f(ci)数据。
• (3)以t为横座标，f(ci)为纵座标，将ti-f(ci) 数据标绘出来，如果得到过原点的直线， 则表明所假设的动力学方程是可取的(即 假设的级数是正确的)，其直线的斜率即 为反应速率常数k。否则重新假设另一动 力学方程，再重复上述步骤，直到得到 直线为止。
rAV 1dd ntA
mo m 3 ls1
• nA：反应体系内，反应物A的摩尔数； • V：反应体积
• t：时间
32
对于反 A 2应 B 3 C 4D
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入反应器的流体粒子必同一时刻离开 反应器，所有粒子在反应器内停留时 间相同。 ❖ 特点：径向上物料的所有参数都相 同，轴向上不断变化。
层流 湍流 活塞流
4.1 理想流动模型—基本概念（续2）
全混流模型：
基本假定：
径向混合和轴向返混都达到最大
符合此假设的反应器，物料的停留 时间参差不齐
❖ 特点
反应物系的所有参数在径向上均一， 轴向上也均一，即：各处物料均一， 均为出口值
' Af
X Am
X Af
XA
此时，可以： 釜式与管式的串联
4.4 循环反应器
对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率， 将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口， 与新鲜原料一起进行反应。
Q0
X A0
cA0
M
Vr
Qr Q0
Reactor
X Af
N
Vr
? cA0
X Af ?
dX A ( A )
Vr (1
)Q0cA0
X Af
X Af 1
dX A (A )
4.4 循环反应器（续1）
设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： Qr
Q0
故,反应器的物料处理量为： Q0 Qr (1 )Q0
管径较小，流 速较大的管式 反应器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反应器 －－可按全混 流处理
4.2 等温管式反应器的设计
Fi 0
单一反应
进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量
Fi
Fi (dFi Fi ) (Ri )dVr 0
dz
dVr
dFi dVr
Ri
dFA dVr
RA
数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。
4.2 等温管式反应器的设计（续4）
复合反应
(k1
k2 )cA
dcA
d
0
k1cA
dcP
d
0
cA cA0 exp[(k1 k2 ) ]
cp
k1cA0 k1 k2
{1 exp[(k1
k2 ) ]}
k2cA
dcQ
d
0
cQ
k2cA0 k1 k2
{1 exp[(k1
4.2 等温管式反应器的设计（续6）
根据空时的定义 对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停
留时间
问题？
对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均 停留时间？
自测题
自测题
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。
第四章 管式反应器
第四章 管式反应器
本章内容
理想流动模型 ❖ 等温管式反应器的计算 管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器 变温管式反应器的计算
本章内容
活塞流模型的基本假定 等温管式反应器设计与分析 管式反应器与釜式反应器的性能比较 循环管式反应器的分析计算 管式反应器的变温操作
4.1 理想流动模型—基本概念
Fi dFi
X Af
FA FA0 (1 X A )
FA0
dX A dVr
RA ( X A )
FA0 Q0cA0
Q0 c A0
dX A dVr
RA ( X A )
4.2 等温管式反应器的设计（续1）
Fi 0
t间歇
cA0
X Af 0
dX A [RA ( X A )]
Fi
dz
dVr
Fi dFi
k2 )
]}
t 0时，cA cA0 , cP 0, cQ 0
4.2 等温管式反应器的设计（续5）
复合反应
A k1 P k2 Q
对A的物料衡算：
k1c A
dc A
d
0
cA cA0ek1
对P的物料衡算：
(k 1c A
k2cP
)
Байду номын сангаас
dcP
d
0
cP
k1cA0 k1 k2
(ek2
ek1
)
k1 k2
Vrp
Q0cA0
X A2
dX A
0 [RA ( X A )]
达到相同的转化率， 管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器
4.3.2 反常动力学
M
G
VrM
Q0cA0 X A2 [RA ( X A )]
1
(RA ) L
0
N
P
X X A1
X A2
A
VrM
Q0cA0 X A1 Q0cA0 ( X A2 X A1)
dVr
Ri
M
ij rj
j 1
i 1,2,..., k
该方程组初值为：Vr 0 , Fi Fi0 ,i 1,2,...,k
解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的 转化率或收率或各关键反应的反应进度。
然后将 Fi 和 r变j 为反应变量的函数，即可求解方程组。
解时一般用数值法。简单情况可解析求解。
4.2 等温管式反应器的设计（续3）
复合反应
A P, rP k1c A （主） A Q, rQ k2c A （副）
对A的物料衡算： 对P的物料衡算：
Vr (k1 k2 )cA
dnA
d
0
Vr k1cA
dnP
d
0
对Q的物料衡算：
Vr k2cA
dnQ
d
0
系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分
[RA ( X A1)]
[RA ( X A2 )]
Vrp
Q0cA0
X A2
dX A
0 [RA ( X A )]
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
4.3.3 有极大值情况
1 (RA )
若: XAf > XAm ，则 Vrp > Vrm 若： XAf < XAm ，则 Vrp < Vrm
0
X
流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的描述， 这一状况对反应结果有非常重要的影响。
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子 之间的混合称为返混，也称为逆向混合。
4.1 理想流动模型—基本概 念（续1）
活塞流模型（平推流）： 基本假定： (1) 径向流速分布均匀，所有粒子以 相同的速度从进口向出口运动。 (2) 轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进
分三种情况 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况
4.3.1 正常动力学
A
B
D
VrM
Q0cA0 X A2 [RA ( X A )]
1 (RA )
F
0
E
H
K
X A1 X A
X A2
VrM
Q0cA0 X A1 Q0cA0 ( X A2 X A1)
[RA ( X A1)]
[RA ( X A2 )]
X Af
Vr Qo
cA0
X Af 0
dX A [RA ( X A )]
VPrFRQ0cA等0 容0X，Af [等RXdAAX(XA At)B] R
Q0 c A0
dX A dVr
RA ( X A )
4.2 等温管式反应器的设计（续2）
复合反应
对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微
分方程组
dFi
层流 湍流 活塞流
4.1 理想流动模型—基本概念（续2）
全混流模型：
基本假定：
径向混合和轴向返混都达到最大
符合此假设的反应器，物料的停留 时间参差不齐
❖ 特点
反应物系的所有参数在径向上均一， 轴向上也均一，即：各处物料均一， 均为出口值
' Af
X Am
X Af
XA
此时，可以： 釜式与管式的串联
4.4 循环反应器
对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率， 将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口， 与新鲜原料一起进行反应。
Q0
X A0
cA0
M
Vr
Qr Q0
Reactor
X Af
N
Vr
? cA0
X Af ?
dX A ( A )
Vr (1
)Q0cA0
X Af
X Af 1
dX A (A )
4.4 循环反应器（续1）
设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： Qr
Q0
故,反应器的物料处理量为： Q0 Qr (1 )Q0
管径较小，流 速较大的管式 反应器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反应器 －－可按全混 流处理
4.2 等温管式反应器的设计
Fi 0
单一反应
进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量
Fi
Fi (dFi Fi ) (Ri )dVr 0
dz
dVr
dFi dVr
Ri
dFA dVr
RA
数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。
4.2 等温管式反应器的设计（续4）
复合反应
(k1
k2 )cA
dcA
d
0
k1cA
dcP
d
0
cA cA0 exp[(k1 k2 ) ]
cp
k1cA0 k1 k2
{1 exp[(k1
k2 ) ]}
k2cA
dcQ
d
0
cQ
k2cA0 k1 k2
{1 exp[(k1
4.2 等温管式反应器的设计（续6）
根据空时的定义 对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停
留时间
问题？
对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均 停留时间？
自测题
自测题
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。
第四章 管式反应器
第四章 管式反应器
本章内容
理想流动模型 ❖ 等温管式反应器的计算 管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器 变温管式反应器的计算
本章内容
活塞流模型的基本假定 等温管式反应器设计与分析 管式反应器与釜式反应器的性能比较 循环管式反应器的分析计算 管式反应器的变温操作
4.1 理想流动模型—基本概念
Fi dFi
X Af
FA FA0 (1 X A )
FA0
dX A dVr
RA ( X A )
FA0 Q0cA0
Q0 c A0
dX A dVr
RA ( X A )
4.2 等温管式反应器的设计（续1）
Fi 0
t间歇
cA0
X Af 0
dX A [RA ( X A )]
Fi
dz
dVr
Fi dFi
k2 )
]}
t 0时，cA cA0 , cP 0, cQ 0
4.2 等温管式反应器的设计（续5）
复合反应
A k1 P k2 Q
对A的物料衡算：
k1c A
dc A
d
0
cA cA0ek1
对P的物料衡算：
(k 1c A
k2cP
)
Байду номын сангаас
dcP
d
0
cP
k1cA0 k1 k2
(ek2
ek1
)
k1 k2
Vrp
Q0cA0
X A2
dX A
0 [RA ( X A )]
达到相同的转化率， 管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器
4.3.2 反常动力学
M
G
VrM
Q0cA0 X A2 [RA ( X A )]
1
(RA ) L
0
N
P
X X A1
X A2
A
VrM
Q0cA0 X A1 Q0cA0 ( X A2 X A1)
dVr
Ri
M
ij rj
j 1
i 1,2,..., k
该方程组初值为：Vr 0 , Fi Fi0 ,i 1,2,...,k
解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的 转化率或收率或各关键反应的反应进度。
然后将 Fi 和 r变j 为反应变量的函数，即可求解方程组。
解时一般用数值法。简单情况可解析求解。
4.2 等温管式反应器的设计（续3）
复合反应
A P, rP k1c A （主） A Q, rQ k2c A （副）
对A的物料衡算： 对P的物料衡算：
Vr (k1 k2 )cA
dnA
d
0
Vr k1cA
dnP
d
0
对Q的物料衡算：
Vr k2cA
dnQ
d
0
系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分
[RA ( X A1)]
[RA ( X A2 )]
Vrp
Q0cA0
X A2
dX A
0 [RA ( X A )]
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
4.3.3 有极大值情况
1 (RA )
若: XAf > XAm ，则 Vrp > Vrm 若： XAf < XAm ，则 Vrp < Vrm
0
X
流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的描述， 这一状况对反应结果有非常重要的影响。
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子 之间的混合称为返混，也称为逆向混合。
4.1 理想流动模型—基本概 念（续1）
活塞流模型（平推流）： 基本假定： (1) 径向流速分布均匀，所有粒子以 相同的速度从进口向出口运动。 (2) 轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进
分三种情况 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况
4.3.1 正常动力学
A
B
D
VrM
Q0cA0 X A2 [RA ( X A )]
1 (RA )
F
0
E
H
K
X A1 X A
X A2
VrM
Q0cA0 X A1 Q0cA0 ( X A2 X A1)
[RA ( X A1)]
[RA ( X A2 )]
X Af
Vr Qo
cA0
X Af 0
dX A [RA ( X A )]
VPrFRQ0cA等0 容0X，Af [等RXdAAX(XA At)B] R
Q0 c A0
dX A dVr
RA ( X A )
4.2 等温管式反应器的设计（续2）
复合反应
对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微
分方程组
dFi