化学反应工程--第2章-理想反应器全解
第二章 聚合反应工程基础(2-3五)要点
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
随着级数N的增加，容积效率逐渐增加，当级 数无限多时，容积效率趋于1。（理想混合反 应器？）
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
2．复合反应
• 对复合反应除了要考虑反应器的容积效率外，更 重要的是考虑不同型式反应器对产物分布的影响， 因为产物分布直接影t晌到顾料的消耗定额，成本 及分离，精制等后处理过程。
第三节 理想反应器设计
2．图解法 当各级反应器的体积相等时，可将式(2—59)改写为
上式表示第i级反应器进口浓度CAi-1一定时， 出口浓度CAi 与反应速度rAi间的关系。 在CAi-1及τ一定时，在rAi- CAi 图上是直线。
第三节 理想反应器设计
Y=kx+b K= -1/τ b= CAi-1 (1/τ) 当 rAi =0时，CAi＝ CAi-1 ，即 CAi-1为与横轴的截距
第三节 理想反应器设计
对二级反应 若CA0＝CB0 且各级反应器的体积及温度均相同，则
代入式(2—59)则有
第三节 理想反应器设计
对第一级反应器 于是由上式可得
对第二釜可得
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
第三节 理想反应器设计
反应器的总体积为
聚合反应工程基础第二章
图2-2 反应器操作方式和浓度变化 CA0，CBO为反应物起始浓度；CA，CB为反应物在某一时间的浓度，t为 反应时间
4）两种连续流动形态的理想反应器
平推流反应器：
当反应物在长径比很大的反应器中（如管式）流动时，反应器内每一 微元体积中的流体均一相同的速度向前移动，此时在流体的流动方向 不存在返混。 稳态操作时，反应器的各个截面上，物料浓度不随t而变； 物料浓度沿其流动方向即反应器的轴向有变化，故ri随空间位置而改变。 返混=0 停留时间=l/v
A和B的消失量是相等的，故：
C A 0 x A C B 0 xB
令： M CB 0
C A0 ( M 1)
rA
d C A 0 x AC A 0 dt
C A0
2 kC A0 1 x A M x A
dx A dt
CB 0C A M xA 1 1 kt ln ln C A0 M 1 M 1 x A C A0 CB 0 C A0CB
5）多级串联全混流反应器
（1）代数法
等温一级不可逆反应
rAi
C A1
A S
1
V1 C A0 C A1 C A0 C A1 v0 rA1 C A1
dC Ai kC Ai dt
C A0 1 1
C A2
化学反应工程第二版习题解答
目 录
第一章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第二章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第三章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第四章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第五章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第六章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第七章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第八章习题 ............................................................... 错误!未定义书签。
第一章习题
1 化学反应式与化学计量方程有何异同?化学反应式中计量系数与化学计量
化学反应工程课件
=0, 当xA0=0,T0为进口温度
T T0 = ∧x A → T = T0 + ∧x A
(3 27)
式3-27关联了绝热反应条件下,每一瞬间的反应 27关联了绝热反应条件下, 关联了绝热反应条件下 温度T与转化率x 之间的关系. 温度T与转化率xA之间的关系.
例:在直径为0.6m,长16m的管式反应器内,以溴化 在直径为0.6m, 16m的管式反应器内, 0.6m 的管式反应器内 四乙胺为催化剂,由环氧丙烷(PO) CO2合成碳酸 四乙胺为催化剂,由环氧丙烷(PO)和CO2合成碳酸 丙烯酯(PC).新鲜的环氧丙烷(PO),CO2进入 ).新鲜的环氧丙烷 ),CO2 丙烯酯(PC).新鲜的环氧丙烷(PO),CO2进入 管式反应器,碳酸丙烯酯(PC)则部分循环, 管式反应器,碳酸丙烯酯(PC)则部分循环,反应压 7MPa,进口温度411K CO2全部溶于PC-PO混合物 411K. 全部溶于PC 混合物, 力7MPa,进口温度411K.CO2全部溶于PC-PO混合物, 过程为均相平推流绝热反应 过程为均相平推流绝热反应
XA 0
dX A rA
再引入空时的定义
V R = V0 C A 0 ∫
XA
0
dX A rA
τ = C A0 ∫
XA
0
dX A rA
与理想间歇式反应器 作比较
等温等容平推流反应器计算式
化学反应工程第二讲(化学反应动力学)
SO2催化氧化反应 速率与温度的关系
国家精品课程
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最佳温度线与平衡温度线
国家精品课程
存在最优温度序列是可逆放热反应的一个重要 特征，对反应过程的优化具有重要的意义。为使达 到预定转化率的反应器体积最小，反应温度应随着 转化率增加沿最优温度曲线逐步下降。但在工业反 应器中，要使反应温度严格按最优温度曲线变化， 具体实施上有一定困难，只能采取接近最优条件的 各种实施方案。如多段绝热反应器可通过段间换热 使反应温度的变化接近最优温度曲线。
0.1377
0.2510
注：反应物系初始组成 H2：N2=3：1，无惰性组分。
国家精品课程
（3） 组成 通过改变反应物系组成使平衡向有利方向移动
有两种途径：一是改变原料配比；另一是分离或脱 除( 反应产物或使发生逆反应的两种产物脱离接触。 在由两种或两种以上反应物参与的可逆反应过程 中，为提高价格比较昂贵或回收比较困难的反应物 的转化率，在反应器进料中往往使价格低廉或容易 回收的反应物过量。
520 34.2 92.2 91.5 90.7 90.3 87.7
560 17.6 85.7 84.7 83.4 82.8 79.0
600 9.4 76.6 75.1 73.4 72.6 68.1
二氧化硫催化氧化：不同二氧化硫浓度的 炉气在不同温度下的平衡转化率
国家精品课程
《化学反应工程》复习题及答案全解
单选题
1. 对于反应级数n ＞0的不可逆气相等温反应,为降低反应器体积,应选用_______。（A ）
（A ）平推流反应器 （B ）全混流反应器
（C)平推流串接全混流反应器 （D ）全混流串接平推流反应器
2. 分批式操作的完全混合反应器非生产性时间不包括下列哪一项_______.（P22）
(A ）加料时间 (B)反应时间 （C ）物料冷却时间 （D)清洗釜所用时间
3. 下列单位不属于反应速率的是_______。（P13）
（A)mol/(g ﹒s) (B ）m 3/s （C ）mol/（m 2﹒s) (D)mol/（m 3﹒s)
4．反应 A B C →+,12.50 k s -=，则反应级数为_______。（P 13）
A ． 0 (B)1 （C ）2 （D ）3
5。 反应NaOH + HCl
NaCl + H 2O ，已知mol s l k /1.0⋅=，则反应级数
n=_______。(P 13）
（A ）0 (B ）1 （C)2 （D ）3
6. 气相基元反应 B A →2，进料时反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，则膨胀率为_______。(P58）
(A ）-1 （B ）-0。25 (C ）0。25 (D)0.5
7。 下面反应器中不属于理想反应器的是_______。（P21）
(A ）间歇反应器 (B ）全混流反应器 （C ）平推流反应器 (D ）膜反应器
8。 下面哪种反应器组合形式可以最大程度降低反应器体积_______。（B ）
（A ）平推流反应器串联 （B ）全混流反应器串联
（C)平推流反应器并联 （D ）全混流反应器并联
化学反应工程第二章
2.1 反应宏观过程（3）
二 反应组分的浓度催化剂孔道的分布
无死区时浓度分布
存在死区时浓度分布
2.1 本征动力学与表观动力学（2）
三 本征动力学方程与宏观动力学方程 (Intrinsic kinetics and global kinetics)
反应速率由实际进行场所的浓度和温度决定的，采用幂函 数动力学方程时：
催化剂
• • • • • • • •
颗粒
2.1 反应宏观过程（2)
2.1 反应宏观过程（2)
一 催化剂表面反应过程 (Surface reaction)
在多孔催化剂上进行的气固相催化反应，由反应物在位于催化剂内表 面的活性位上的化学吸附、活化吸附态组分进行化学反应和产物的脱 附三个连串步骤组成，因此，气固相催化反应本征动力学的基础是化 学吸附。
5.1 过程为单组分反应物的化学吸附控制
n rA raA rdA ka p A 1 i kd A i 1
其中
i 1
n
i
是反应物和产物的表面覆盖度之和
2.2 气固催化本征动力学（12）
n 1 1 i 1 b p* b p* b p* b p* i 1 A A B B L L M M * b p A A A * * * * 1 b p b p b p b p A A B B L L M M
化学反应工程习题及答案二
1. 化学反应过程按操作方法分为_______、______、_______操作。（分批式操作、连续式操作、半
间歇式）
2. 反应器的型式主要为（釜）式、（管）式、（塔）式、（固定）床和（流化）床。
3. 理想流动模型是指（平推流）模型和（全混流）模型。
5.间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。
6. 对于平行反应，提高反应物浓度，有利于（级数高）的反应，降低反应物浓度有利于（级数低）的反应。化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。
7. 平行反应
A
P(主)
S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！
8. 如果平行反应)()
(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应____
_。(提高温度)
9.理想反应器是指_______、_______。[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]
8.全混流反应器的返混_______。（最大） 平推流反应器的返混为_______。（零）
9.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。（脉冲法、阶跃法、周期示踪法）
11.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。（∞）
化学反应工程习题答案
4.8 4.6 4.4 4.2
w.
4.0 -2.1 -2.0 -1.9 -1.8
kh
-1.7 -1.6 -1.5 -1.4 -1.3 -1.2
ln t1/2
ww
Y=A+ B* X Parameter Value Error A 1.60217 0.01399 B -1.9946 0.00834 斜率 1.9946 1.9946 1 n
反应 2H 2 2NO N 2 2H 2 O ，在恒容下用等摩尔H 2 ，NO进行实验，测得 以下数据 0.0272 0.0326 0.0381 0.0435 0.0543 总压/MPa 265 186 135 104 67 半衰期/s
求此反应的级数。
kh
由已知条件，cA与cB均为常数
da
pA
3 pA0 2 pA
答
w.
25℃下测得下列数据，试确定该反应反 913.8 70.6 28.2 1188 65.3 22.9 ∞ 42.4 0 490.2 913.8 1188
5
ww
w.
以
解 由c A -c B =42.4 可知反应应按下列方式A+B→产物进行 设为二级反应
1 c c dcA ln A B0 kcA cB 积分得： kt cA0 cB0 cA0cB dt 1 c ln A 对 t 作图若为直线，则假设正确。 cA0 cB0 cB
化学反应工程习题及答案二
1. 化学反应过程按操作方法分为_______、______、_______操作。（分批式操作、连续式操作、半
间歇式）
2. 反应器的型式主要为（釜）式、（管）式、（塔）式、（固定）床和（流化）床。
3. 理想流动模型是指（平推流）模型和（全混流）模型。
5.间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。
6. 对于平行反应，提高反应物浓度，有利于（级数高）的反应，降低反应物浓度有利于（级数低）的反应。化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。
7. 平行反应
A
P(主)
S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！
8. 如果平行反应)()
(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应____
_。(提高温度)
9.理想反应器是指_______、_______。[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]
8.全混流反应器的返混_______。（最大） 平推流反应器的返混为_______。（零）
9.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。（脉冲法、阶跃法、周期示踪法）
11.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。（∞）
化学反应工程__第2章_理想反应器全解
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2018年10月24日星期三
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化 的操作设计； 3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸并进行某些经济评价。
1 k1c A0 b 4ac
2
ln
2ax A b b 4ac 2ax A b b 4ac
2
2
2018年10月24日星期三
b 2 4ac
5.15 4 2.61 0.6575 4.434
2
1 5.15 4.434 0.35 2 2.62 t ln 4 4.76 10 3.908 4.434 5.15 4.434 0.35 2 2.61
d VR c A rA VR dt
nA0 1 x A VR c A nA
d VR c A dx A n A0 rAVR dt dt n A0 dx A rA VR dt
积分得：
t n A0
xA
0
c A dc x A dx dx A A A c A0 cA0 r 0 r VR rA A A
第二章 化学反应工程基础(1)
(2.2(2.2-10)
目的产物P的瞬时选择性： 目的产物 的瞬时选择性： 的瞬时选择性
ϕP =
rP dCP k1CA = = rA − dCA k1CA + k2
积分
∫
CP
0
dCP =
∫
CA
CA0
k1CA − dCA = (k1CA + k2 )
∫
k2 [ −1]dCA CA0 k C + k 1 A 2
dCA = (k + k′ )CA − k′CA0 ⇒− dt
动力学方程： dCA rA = − = kCA − k′CP dt
∫
t
0
(k + k′ )dt = −
∫
1 [ ]d[(k + k′ )CA − k′CA0 ] CA0 (k + k′ )C − k′ CA0 A
CA
(k + k′)t = ln
图2.1.4 内部热交换型反应操作
高温惰性气体
原料
反应器
产物
图2.1.5 混合反应操作
冷却水
图2.1.6 蒸发式反应操作
气体
固体载 热体
反 应 燃料 原料
图2.1.7 蓄热式反应操作
蓄 热
鼓 泡 塔
气 气
气
气
图2.1.8 半连续流动系统
反应工程答案
第二章 均向反应动力学
1.在473K 等温及常压下进行气相反应：
（1）3→A R 1.5R A r C = （2）2→A S
0.5S A
r C =
（3）→A T 2.1T
A r C
= 式中C A 为反应物A 的浓度（kmol/l ），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？
解：先求出总摩尔变化数δA ，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：
10.53AR R A r r C ==1
0.252
AS S A r r C == 2.1AT T A r r C
== 总反应速率为： 2.85A AR AS AT A
R r r r C =++= 以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变化数为：
0.50.25 2.13210.439
2.85 2.85 2.85A δ=⨯+⨯+-=
初始浓度为：2
0003
0.10130.5 1.28810/8.31410473A A P y C kmol l RT --⨯===⨯⨯⨯
则有：2300(1) 1.288100.15
1.62810/110.50.4390.85A A A A A A C X C kmol l
y X δ---⨯⨯===⨯++⨯⨯
332.85 2.85 1.62810 4.64010/(.min)
A A R C kmol l --==⨯⨯=⨯
2.可逆一级液相反应P
A −−←−→−，已知0,m kmol 5.0P030=⋅=-c c A ；当此反应在间歇反应器
中进行，经过8min 后，A 的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力学
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案
第二章均相反应动力学基础
2－4
三级气相反应2NO+O2
2NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数
2
kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？
解：原速率方程
rA=
dcA2
cB=2.65×104cA
dt
由气体状态方程有
cA=
代入式（1）
2－5
考虑反应A
课
所以
kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564
后
当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。
答
p p 2
rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApB
RT RT
p表示的动力学方程。
解：
.因，
w
w
nAp
=A，微分得RTV
daw
案
2
4
网
pAp
，cB=B
RTRT
3P，其动力学方程为( rA)=
dnAn
=kA。试推导：在恒容下以总压VdtV
δA=
3 1
=21
dnA1dpA
=
VdtRTdt
代入原动力学方程整理得
w
dpA
=kpAdt
设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。反应过程中总摩
尔数根据膨胀因子定义
δA=
n n0nA0 nA
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（1）
mol/[L s (kgf/cm2) 3]
m
（1）
则
nA=nA0
1
(n n0)δA
1
(P P0)δA
（2）
恒容下上式可转换为
pA=P0
所以
将式（2）和式（3）代入式（1）整理得
2－6
在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：
C4H10
发生变化，试求下列各项的变化速率。（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。
《反应工程》第二章课后答案
2 反应动力学基础
2.1在一体积为4L 的恒容反应器中进行A 的水解反应，反应前 A 的含量为12.23%（重量），混合物的密度为1g/mL ，反应物A 的分子量为88。在等温常压
解：利用反应时间与组分A 的浓度变化数据，作出C A ～t 的关系曲线，用镜面法求得t=3.5h 时该点的切线，即为水解速率。
切线的斜率为
0.760.125/.6.1
α-==-mol l h
由（2.6）式可知反应物的水解速率为 0.125/.-==dC A r mol l h A dt
2.2在一管式反应器中常压300℃等温下进行甲烷化反应：
2423+→+CO H CH H O
催化剂体积为10ml ，原料气中CO 的含量为3%，其余为N 2,H 2气体，改变进口原料气流量Q 0解：是一个流动反应器，其反应速率式可用（2.7）式来表示
00000(1)(1)-==-=-=-A A R
A A A A A A A A
dF r dV F F X Q C X dF Q C dX 故反应速率可表示为：
0000(/)==A A A A A R R dX dX r
Q C C dV d V Q
用X A ～V R /Q 0作图，过V R /Q 0=0.20min 的点作切线，即得该条件下的dX A /d(V R /Q 0)值α。
0.650.04 1.790.34
α-==
故CO 的转化速率为 40030.10130.03 6.3810/8.31410573--⨯===⨯⨯⨯A A P C mol l RT
430
0 6.3810 1.79 1.1410/.min (/)--==⨯⨯=⨯A A A R dX r C mol l d V Q
化学反应工程-复习(二三四章)
这时，相应的得率、收率和转化率分别为： 这时，相应的得率、收率和转化率分别为：
Χ P , max ＝ Φ P , max =
C P , max C A0 Χ P , max x A , max
k1 = k 2
k2 k 2 − k1
x P , max
k1 = 1− k 2
2.2 等温恒容过程 瞬时收率： 瞬时收率：
第二章 均相反应动力学基础
ϕP
目的产物的生成速率 = 关键反应物的消耗速率
rP dC P ＝ ＝− rA dC A
瞬时选择性： 瞬时选择性：
目的产物的生成速率 sP = 某一副产物的生成速率 rP dC P ＝ ＝ rS dC S
2.2 等温恒容过程 ⑵ 平行反应 ①动力学方程的建立 平行反应： 平行反应：
第二章 均相反应动力学基础 得率和收率为: 得率和收率为: Χ
Φ
P
= =
k k
1
k1 − k k1 − k
[e
2
− k
2
t
− e
− k1t
]
e
2
− k
P
1
− e − k1t 1 − e − k1t
2
t
对这种反应，中间物P存在一最高浓度，对应时间为 对这种反应，中间物P存在一最高浓度，对应时间为topt。以CP对topt 求导： 求导：
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下等温操作，其反应速率方程如下：
2019年10月30日星期三
rA k1cAcB cRcS K
100℃时：
k1 4.76104l /mol min
平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应 体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数为 0.75，则反应器的实际体积是多少？
118.8min
所需的反应体积为：
VR
Q0 t
t0
4.15511680.8
1
12.38m3
反应器的实际体积为：V 12.38 16.51m3
0.75
2019年10月30日星期三
例题 2-2：
工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二 醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂， 实验测得该反应的速率方程式为：
求解过程：
用式（1）给定xA后求T，用参数计算式求k，然后将（2） （3）式联立即得：
t
xAf 0
dxA k(1 xA
)
wk.baidu.com
xAf 0
Z
dxA
其中：
Z
1 k( 1
xA
)
利用数值法求解（梯形公式）：
xA dxA 0 (rA )
CA dCA CA0 (rA )
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
(rA ) k(T) f (C)
一般采用图解法或数 值法求解。
特例：
绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0
则：(-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
dt
dt
2019年10月30日星期三
rA VR
d VRcA
dt
VRcA nA nA0 1 xA
d VRcA
dt
nA0
dxA dt
rAVR
rA
nA0 VR
dxA dt
积分得：
t
nA0
xA dxA 0 VR rA
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
2019年10月30日星期三
实际反应器的体积
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
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平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2019年10月30日星期三
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2019年10月30日星期三
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。
由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T)
解：
绝热操作时有:
T=T0+β(xA-xA0)
xA0=0
所以，
T=T0+β xA= T0+
Hr CA0
cv
xA =
T0
H r cv
C A0
xA
= (273+163) - 347.5 C A0 VR xA cv VR
T= 436+166xA
(-△Hr)(-rA)V
d (Cv TV )
dt
UA(Tm-T) + (-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
dt
符号说明：
U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）；
A----传热面积(m2)；
Cv、ρ----分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.℃、
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
由于原料液中A:B:S=1:2:1.35
1 2 1.35 4.35kg 原料液中含1kg乙酸
原料液量为： 16.23 60 4.35 4.155m3 / h
1020
2019年10月30日星期三
原料液的起始组成：
cA0
16.23 4.155
3.908mol / l
cB0
（-rA）=kCACB
式中：
（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1
CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004 kmol.L-1
求：
●已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的反应 时间分别为多少？
求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容 积。
t
CA0
xA 0
dxA (rA )
CA0
xA 0
dxA kCA0 (1 xA )
1 ln 1 k 1 xA
VR
v(t
t0)
v( 1 k
ln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
第二章 理想反应器 Ideal Flow Reactor
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2019年10月30日星期三
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
2019年10月30日星期三
1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA)VR
积累 dnA d VR cA
热操作下，日产150kg（B）所需反应器的体积。已知数据 如下：163℃下, k=0.8h-1，反应的活化能E=121.25kJ/mol，
反 应 热 ： △ Hr=-347.5kJ/kg ， A 与 B 的 定 容 比 热 均 为
2.093J/kg.K，A与B的密度均为900kg/m3，A的最终转化率 xAf=0.97，非生产性操作时间为1h。
●若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，每批操 作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器的体积大 小，装填系数φ=0.75，单釜生产。
解：
●求达到一定的转化率所需时间：
计量方程式中， A 1 B
A、B的初始浓度相同，则反应
动力学方程可写为：
( rA ) kCA2
由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知
dt
即： dT dxA
dt
dt
初始条件：t=0 T=T0 xA=xA0
将上式积分得：T=T0 + β(xA-xA0)
数）
（使对t的积分变为单参
将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法 或数值法求解。
Return
3 反应容积的计算
VR Q0 t t0
t ：反应时间
t0 ：辅助时间
的操作设计； 3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器
的几何尺寸并进行某些经济评价。
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间歇式完全混合 （无返混） Batch Reactor(BR)
理想反应器
全混流反应器（理想混合） （返混程度最大） Continuous Stirred Tank（完全混合） Reactor(CSTR) 连续式完全混合
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分析：
求V
V VR
t f
求 VR
VR Q0 t t0
t0 已知
求 Q0和
已知
Q0
2019年10月30日星期三
设计方程
t
解：首先计算原料处理量 Q0
每小时的乙酸用量为：
12000 12000
M R 88 16.23kmol / h
24 xA 24 0.35
T= 436+166xA
（操作方程）
t C A0
dx xAf
A
0 ( rA )
（设计方程）
-rA=kCA0(1-xA)
（动力学方程）
（1） （2） （3）
式中k是温度的函数，与温度的关系式可用下式表示：
k
k0
exp
Ea RT
联立（1）-（4）式可得反应时间t。
（4）
cR cA0xA
cS cS0 cA0 xA
代入速率方程，整理后得：
rA k1 ax2 bxA c cA02
式中：
c cB0 10.2 2.61 cA0 3.908
2019年10月30日星期三
b
1
cB0 cA0
cs0 cA0 K
3.908 60 2 46
10.2mol
/
l
cS 0
3.908 601.35 18
17.59mol
/l
由
t cA0
xA dxA 0 rA
求反应时间
2019年10月30日星期三
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
cA cA0 1 xA cB cB0 cA0xA
1
10.2 3.908
17.59 3.908 2.92
5.15
a 1 1 K
1 1 0.6575 2.92
t
1 k1cA0
xA
0 axA2
dxA bxA
c
k1cA0
2019年10月30日星期三
1
ln 2axA b
b2 4ac 2axA b
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
即：
t CA0
数据代入设计方程求解：
t
1 k CA0
1
x
A
x
A
计算结果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.18h xA=0.8 t=8.47h
●反应器体积的计算
VR=v(t+t0)
v FA0 C A0
FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/h v=0.685/0.004=171L/h 生产周期=反应时间+辅助时间=t + t0 =8.47+1=9.47h 反应有效体积：
VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L 考虑装填系数，则反应器的实际体积：
V=VR /φ=1619/0.75=2160L=2.16m3
[练习题] 试计算转化率达到90%时，所需间歇反应器的有效容积是 多少?
例题2-3
在间歇反应釜中进行下列液相一级不可逆反应：AB，其
反应速率方程为（-rA）=kCA，反应初始温度为163℃, 求绝
例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
b2 4ac b2 4ac
b2 4ac 5.152 4 2.61 0.6575 4.434
t
4.76
104
1 3.908
4.434
ln
5.15 5.15
4.434 4.434
0.35 0.35
2 2
2.62 2.61
2019年10月30日星期三
间歇式完全混合反应器
2019年10月30日星期三
特点： 反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热
量传递问题 所有物料具有相同的反应时间
优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，
适用于小批量， 多品种，反应时间较长的产品生产 缺点：
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
2019年10月30日星期三
等温操作
等温操作（动力学k为常数） 可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。
例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为 v，动力学方程为：
（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)