化学反应工程第三章理想间歇反应器
化学反应工程许志美课后习
2ln 1 2 / 2 1 0.0184 /
2
cP
/
2
0.684
3-26* 有一平行反应——串联液相反应：
A B 1 P r1 k1cAcB
B P 2 R r2 k2cBcp
在间歇反应器中，开始时溶液中含有A的浓度cA0 0.1kmol / m3
及过量的B，得到如下数据：
时间T
cA
cP
t1
1 kt ln
1 x A
E
k k exp( a )
0
RT
等温时，k 一定
t 2
ln 1
1 x A2
ln
1
1 99.9%
10
t 1
ln 1
ln 1
1 x
1 50%
A1
3-3 n=1/2，10 min后xA=0.75, 30 min后转化率xA=?
CAn01kt
1 n 1
(1
x )n1 A
(nA0 nA) / a (10% 1.6) / (2* M HCHO )
xA 0.534 循环操作 0.635
n m w* mtotal MM
第2章 化学反应动力学
2-4 间歇反应器：CA0和xA相同（T1=20℃时，反应时间t1=8d；
T2=120 ℃时，反应时间t2=10min），试估算 Ea
A0
1 x
k 0.5 L / (mol min)
A
3-8 在间歇反应器中进行二级反应 A P ，反应速率为 (-rA )=0.01c2Amol / s
当 c A0 分别为1，5，10 mol/L时，求反应到 cA=0.01 mol/L时，
所需反应时间。并对计算结果进行讨论。
化学反应工程第三章答案
3 釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为l ，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到95%。
试问： （1） （1）当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间 （2） （2）若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰AfAf X X A A AA A A A A AA A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于，要求转化率达到95%。
（1） （1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积； （2） （2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2）反应器的实际体积：956.512750.75===r V V lf丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
化学反应工程第三章均相理想反应器
第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。
全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。
3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q
dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
化学反应工程第三章包括答案.docx
3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为 l ，反应速率常数等于。
要求最终转化率达到 95%。
试问：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，所需的反应时间又是多少？解：（ 1）(2)因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。
拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ㎏/h ，使用 15%（重量）的 NaHCO3水溶液及 30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为 1：1，混合液的比重为。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于，要求转化率达到 95%。
（1）（ 1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（ 2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。
62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（ 2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于 50℃等温下进行该反应的实验。
反应开始时两反应物的摩尔比为 1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。
不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的 90%。
试计算反应器的反应体积。
假定（ 1）原料装入以及加热至反应温度（ 50℃）所需的时间为 20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为 10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。
反应工程-答案-第三章
3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰AfAf X X A A AA A A A A A A A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。
3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。
（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
化学反应工程第三章习题答案
化学反应⼯程第三章习题答案1.理想反应器包括___平推流反应器、__全混流反应器_ 。
2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_全混流__反应器处理，⽽管径⼩，管⼦较长和流速较⼤的管式反应按 _平推流 _反应器处理。
3.全混流反应器的空时τ是_反应器的有效容积____与___进料流体的容积流速 _之⽐。
4.全混流反应器的返混__∞__，平推流反应器的返混为_零__。
5.如果将平推流反应器出⼝的产物部分的返回到⼊⼝处与原始物料混合，这类反应器为_循环操作_的平推流反应器6.对于循环操作的平推流反应器，当循环⽐β→0时为___平推流__反应器，⽽当β→∞时则相当于_全混流___反应器。
7. 对于循环操作的平推流反应器，当循环⽐β→0时反应器内返混为_零_，⽽当β→∞时则反应器内返混为_∞_。
8.对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选⽤_全混流__反应器为宜。
9.对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选⽤_平推流__反应器为宜。
10.分批式操作的完全混合反应器⾮⽣产性时间0t不包括下列哪⼀项___B____。
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11.在间歇反应器中进⾏等温⼆级反应 A → B ，s l mol C r A A ?=-/01.02，当l mol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__D_____秒。
A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进⾏等温⼀级反应 A → B ，s l mol C r A A ?=-/01.0，当lmol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__B_____秒。
A. 400B. 460C. 500D. 560 13.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之⽐为__A__。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间t 14.⼀级不可逆液相反/30.2mkmol CA =，出⼝转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的⽣产能⼒为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为__C__3m 。
化学反应工程备课-第三章
②示踪剂浓度很低时也能够检测，这样可控示踪剂量减少而不 影响主流体流动；
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
不存在物料返混与逗留时间分布问题。 （2）连续反应器 在定态下，反应物料的温度、浓度等操作参数随空间位置 而异，而任一空间位置处的物料操作参数不随时间而变，所 有物料质点在反应器中的逗留时间可能相同也可能不同。 存在物料返混与逗留时间分布问题。
（3）平行反应加料方式的选择
2、连串反应 (1)连串反应的选择率
对于一级连串反应
（2）连串反应的温度、浓度效应 温度效应与平行反应相同
浓度效应： ——提高连串反应选择率可以通过适当选择反应物的初始浓 度和转化率来实现。
——初始浓度对连串反应选择率的影响，取决于主、副反应 级数的相对大小，主反应级数高时，增加初始浓度有利于提 高选择率；反之，主反应级数低时，降低初始浓度才能提高 选择率。
等温进行时，
4、多级全混流反应器的串联及优化
反应级数越多，最终转化率越高，在处理量—定时，各级 反应体积越大，最终转比率也越高。
若各级全混流反应器的温度相等，体积相同．作图法求解的 步骤如下：
多级全混流反应器串联的优化
一级不可逆反应，m个全混流反应器，各级温度相同，所 需的总反应体积
——间歇反应器，反应过程中带入与流出的热焓为零； ——流动反应器，在定态下，上式中热量的累积为零；对等温 流动反应器，在定态下，带人热焓与流出热焓相等；对绝热反 应器，传向环境的热焓为零。
(3)动量衡算 动量衡算以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的
压力变化。
化学反应工程陈甘棠第三章课件
2020/3/30
间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
2020/3/30
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。
2020/3/30
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 dn A dVR cA
dt
dt
2020/3/30
t 0 ,c A c A 0 ,x A 0 ,T T 0
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U0
积分：
2020/3/30
ddT tcH vrcA0ddA xt
t 0 ,T T 0 ,xAxA 0
TT 0 c H vrcA 0xAxA 0
3 反应容积的计算
V RQ 0tt0
t ：反应时间 t 0 ：辅助时间
求反应时间
2020/3/30
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
c A c A 0 1 x A cBcB 0cA 0cA
cRcA0xA
cScS0cA 0xA
代入速率方程，整理后得：
式中：
2020/3/30
r A k 1 a 2 b x A c x c A 0 2
化学反应工程第三章
反应级数 反应速率
残余浓度式
转化率式
n=0
n=1
n=2 n级 n≠1
rA k
rA kCA
rA
kC
2 A
kt CA0 CA
kt CA0 xA
CA CA0 kt
xA
kt CA0
kt ln CA0 CA
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1 ekt
kt 1 1
kt 1 xA
VR
V0CA0 xAf (rA ) f
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
N A,CAf X Af
, 若 xA0 0 则物料衡算方程为:
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝累积量
NA '
NA
(rA ) f VR
0
N A ' N A0 (1 xA0 ) N A N A0 (1 xAf )
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
CA 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应
A→B
反应速率
r
0.01C
应器中达到x=0.99，需要反应时间为10min，问：
（1）在全混流反应器中进行时， 应为多少？
（2）在两个串联全混流反应器中进行时， 又为多少？
第四节 多级全混流反应器的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为 CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器 的浓度推动力。
化学反应工程第三章
5
• 对于平推流反应器，在恒温下进行，其 n 设计式为： x 1 x 1
P
n 1 kcA0 A A dxA * 0 1 xA
A
• 对于全混流反应器，在恒温下进行，其 n 设计式为： xA 1 A xA m n 1 • kcA0 1 xA • 二式相除，当初始条件和反应温度相同 n 时： 1 A xA
12
• 对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。 • 对恒容、定常态流动系统，V0不变， V • V ，故有：
Ri 0 i
cA 0 xAi xAi 1 cAi 1 cAi i rA i rA i
• 对于N釜串联操作的系统，总空间时间：
1 2 N
0 VR FA
A2
xA 1
rA
• 式中，F’A0是一个虚拟的值，它由两部分 组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3 中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流 率。即： 0 V1cA 0 V0 V3 cA 0 FA
26
• 由此得到循环反应器体积：
dxA VR 1 FA 0 xA 2 r 1 A
35
36
反应器组合
• 为了使得反应器组的总体积最小，设计 这样一组反应器，在这组反应器中，反 应大部分控制在最高速率点或接近最高 速率点处进行。为此，可使用一个全混 釜式反应器，它可以不必经过较低反应 速率的中间组成，而直接控制在最高速 率组成下操作。然后再由平推流反应器 完成最终反应
cA 0 cP 0 cA cP c0
cP cA 0 cP 0 cA
30
• A组分的消耗速率为：
化学反应工程 第三章 理想反应器(3)
a( )
d
d
其中，
f (, x) 1 rA
(1 )
f ( , x) rA 1
rA
f [ , b( )] 1
rA2
db( ) dxA2 0 d d
d[ ,a( )] 1
rA1
da( ) d
d
d
[ 1
xA2]
xA2
(1 )2
dx xA2
A
r xA1
解：分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前，PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此，出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即：
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而， xA2
1
xA2
x A1
–由此，可得：
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者，
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解：
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而
化学反应工程 第三章
第三章 理想流动反应器概述按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。
对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。
物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。
对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。
考察物料在反应器内的流动状况。
有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。
在流动反应器中物料的流动状况不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。
物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。
人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。
流动模型分类如下：理想流动模型 流动模型非理想流动模型特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。
第一节 流动模型概述3－1 反应器中流体的流动模型平推流模型全混流模型一、物料质点、年龄、奉命及其返混1.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。
2.物料质点的年龄和寿命年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，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。
3.返混（1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。
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，不同年具的质点混合在一起，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。
二、理想流动模型1.平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。
理想化学反应器
温度效应
1 k e C 20
( E1 E 2) RT
P
k10
CA
• E1 E2 E1 E2 0 T
• E1 E2 E1 E2 0 T
E1 E2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E2
T
Chemical Reaction Engineering
工业操作：
k2
CAe
1 xAe
平衡温度和平衡转化率
xAe
1
K K
Teq
E2 R ln[ k20
E1 xA
]
k10 (1 xA )
xAe
1
k20
1 e( E1 E2 ) / RT
k10
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•工业过程受平衡的限制（热力学） •破坏平衡的措施：
①改变K—吸热，T , xAe 受材质限制； —放热，T , xAe 受动力学限制。
100 t 2=10 t 1 高级数时，反应时间消耗在反应后期 —二级重要特征
Chemical Reaction Engineering
4、CA0, x,（-rA）, t 的关系 n=120
Chemical Reaction Engineering
5、反应器体积计算
v0 单位生产时间所处理的物料量 tT 每批物料的操作时间=反应时间+辅助时间
或C A
C A0 1 CA0kt
转化率式
kt CA0 xA
或x A
kt C A0
kt ln 1 1 xA
或x A 1 ekt
C
A0
k
t
1
x
A
化学反应工程 第三章
t xAf
x cA cAf 图3－3 等温间歇液相反应 过程反应时间t的图解积分4 cA0
图3－2 等温间歇液相反应 过程t/cA0的图解积分
1. 等温等溶液相单一反应 在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆 反应，则关键反应物A的反应速率式为：
dc A (rA )V k c f (c A ) dt c Af dcA 所需反应时间为：t c k f (c ) A0 c A
2. 增加组分B的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。
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4. 反应温度 对于间歇釜式反应器，可以在反应时间的不同 阶段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度。 一般说来，高转化率时，反应物的浓度减少，反应 速率也随之减少，可以通过提高反应温度，促进反 应速率常数增大而增加反应速率。 如间歇釜式反应器中的硝化反应，在反应前期， 温度为40～45℃；反应中期，温度为60℃；而反应 后期，温度提高到70℃。
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解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量， 12000 可算出每小时乙酸需用量为 16.23kmol / h
88 24 0.35
由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg 时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg 由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为：
rA 1.045c kmol /(m h)
2 A 3
对1kmol A而言，投料情况是：
醋 酸 A 1kmol 60kg 0.062m3
正丁醇 B
4.96kmol
368kg
0.496m3
可求出，投料总体积VR=0.559m3
c A0 nA0 1.79kmol / m3 VR
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第三章 理想间歇反应器
上海工程技术大学 化学化工学院 化学工程与工艺系
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
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2020/5/2
3.1 理想反应器类型 3.2 反应器设计基本方程 3.3 理想间歇反应器 3.4 动力学方程的实验测定
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化学反应工程/理想间歇反应器
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的
产品生产
精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
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化学反应工程/理想间歇反应器
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对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
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化学反应工程/理想间歇反应器
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t的计算（直接计算和图解法）
，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe) ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe)
引出最优温度
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化学反应工程/理想间歇反应器
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最优反应温度和最优温度序列
(rA ) T
C A , x A一定
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3.1 理想反应器类型
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化学反应工程/理想间歇反应器
2020/5/2 3.2 反应器设计基本方程
3.2.1 基本内容
选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
对放热反应：H 0 0 ，T ，K
温度升高对反应平衡不利，向逆方向移动。
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可逆反应的速率特征
设：CP0 0 (rA ) (k1 k2 )(C A C Ae )
对吸热反应：T ，K ，（k1+k2) 温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。
对放热反应：T T
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反应速率 rA=kCA rA=kCA2
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t CA dCA
CA0
rA
kt ln CA0 CA
t
CA0
x Af 0
dxA rA
1 kt ln
1 xA
kt 1 1 CA CA0
C A0 kt
xA 1 xA
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实际操作时间（tT)=反应时间(t) + 辅助时间 (tC) 反应体积V是指反应物料在反应器中所占的体积
V 0 tT 0 单位生产时间所处理的物料量，m3 / s
1/rA —xA
11ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t/CA0
1/rA —CA
t
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3.3.2 简单反应
简单一级反应 简单二级反应 简单零级反应 简单n级反应
计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化
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3.2.2 基本方程
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物料衡算方程
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积
量
反应单元
流入
反应消耗 流出
累积
反应器 间歇式
反应单元 整个反应器
CT 0kt
(C A0
CP0 )kt
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3.3.3 均相可逆反应
可逆反应的平衡特性（设均为一级）
（酯化反应）
(rA ) (rA )1 (rA )2 k1C A k2CP
（1）若k2>k1 ，则须保持足够低的Cp ，才能向右进行； （2）反应达到平衡时， 平衡常数：K = k1/k2
间歇式
整个反应器
0
0
√
√
平推流(稳态)
微元长度
√
√
√
0
全混釜(稳态)
整个反应器
√
√
√
0
非稳态
√
√
√
√
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动量衡算方程
气相流动反应器的压降大时，需要考 虑压降对反应的影响，需进行动量衡 算。但有时为了简化计算，常采用估 算法。
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反应后期的速度很小；反应机理的变化
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末期动力学
反应后期转化程度（从弱到强）二级>一级>零级
采用非关键组分过量，可提高转化程度。
AB P
1.0 5
设过量化： M CB0 C A0
C A0
xA
C A0kt
流入量 流出量
0
0
反应量 √
累积量 √
平推流(稳态)
微元长度
√
√
√
0
全混釜(稳态)
整个反应器
√
√
√
0
非稳态
√
√
√
√
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热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
反应单元
带入 反应热累 带出 积
传给环境
反应器
反应单元
带入量 带出量 反应热 累积量
kC AC P
反应初期：CA大，CP很小
反应进行：CA ,CP ,(-rA)
反应后期：CA 小，CP 较高 ，(-rA)
存在(-rA) max
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dC A C A (CT 0 C A )
1 CT 0
dC A CA
dC A CT 0 C A
kt
ln
C A0 (CT 0 C A ) C A (CT 0 C A )
平衡浓度：C Ae , CPe
K CP0
C Ae
CA0 CP0 1 K
, xAe
C A0 1 K
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（3）Van’t Hoff 方程 d (ln K ) H 0
dT
RT 2
H 0
K K 0e RT
对吸热反应：H 0 0，T ，K
温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。
1 M
ln (MC A0 C A ) C A (1 M )
2 M=1
C A0kt
1 M
ln (M 1 xA ) (1 xA )(1 M )
0
CAOkt
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自催化反应
特点：反应产物本身具有催化作用，如发酵过程。
A P P P
(rA )
dCA dt
3.3 理想间歇反应器
3.3.1 特征和数学描述
特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上 的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了 物质传递对反应的影响；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑 器内的热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同 的反应时间。