化学反应工程第三章理想间歇反应器
化学反应工程陈甘棠第三章课件
产物P的浓度随时间如何变化？
2019/9/23
操作中的反应放热速率：
Q V R H r r A kcA V R H r
v 0 c A 0 1 e k t H r
v0cA0 xA rA
VR cA0 xA v0 rA
定义空时
—— 全混流反应器的设计方程
反应器的有效容积
进料的体积流量
vR v0
c A0 x A rA
2019/9/23
代表反应器处理物料的能力 变小，处理能力变大
对于均相反应：
空速
1 空时
（体积空速）
空速:单位反应体积，单位时间内所处理的物料量
所需的反应体积为：
V R Q 0t t04.1551610.8811.23m 83
反应器的实际体积为：V 12.38 1.65m 13
0.75
2019/9/23
4 间歇反应器的最优操作时间
t t0t t 0 一定 t增大 rA 减小
rR 减小
目标函数
t最优
2019/9/23
cR2
aFddcRt
0
dcR dt
t
cR a0t0
aF
a
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）002220
00001()(1)110.95
169.6min(2.83)
5.60.0210.95
===⨯---=⨯=⨯-⎰
⎰Af
Af X X A A A
A 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。
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
第三章 理想间歇反应器
引出最优温度
化学反应工程/理想间歇反应器
21
Chemical Reaction Engineering
2020/3/4
最优反应温度和最优温度序列
(rA ) T
0 C A , xA一定
Topt
E2 E1 R ln[ E2 k20
xA
]
E1 k10 1 x A
x Ae
1
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
计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化
化学反应工程/理想间歇反应器
4
Chemical Reaction Engineering
2020/3/4
3.2.2 基本方程
化学反应工程/理想间歇反应器
化学反应工程/理想间歇反应器
8
Chemical Reaction Engineering
2020/3/4
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；
√
√
√
0
化学反应工程复习题
《化学反应工程原理》复习思考题
第一章绪论
1、了解化学反应工程的研究内容和研究方法。
2、几个常用指标的定义及计算：转化率、选择性、收率。
第二章化学反应动力学
1、化学反应速率的工程表示，气固相催化反应及气液相非均相反应反应区的取法。
2、反应速率常数的单位及其换算。
3、复杂反应的反应速率表达式（可逆、平行、连串、自催化）。
4、气固相催化反应的步骤及基本特征。
5、物理吸附与化学吸附的特点。
6、理想吸附等温方程的导出及应用（单组分吸附、解离吸附、混合吸附）。
7、气固相催化反应动力学方程的推导步骤。
8、不同控制步骤的理想吸附模型的动力学方程的推导。
9、由已知的动力学方程推测反应机理。
第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
1、反应器设计的基本方程式。
2、理想间歇反应器的特点。
3、理想间歇反应器等温、等容一级、二级反应反应时间的计算及反应器体积的计算。
4、自催化反应的特点及最佳工艺条件的确定及最佳反应器形式的选择。
5、理想间歇反应器最优反应时间的计算.
7、可逆反应的反应速率，分析其浓度效应及温度效应。
8、平行反应选择率的浓度效应及温度效应分析。
9、平行反应反应器形式和操作方式的选择。
10、串连反应反应物及产物的浓度分布，t opt C p.max的计算。
11、串连反应的温度效应及浓度效应分析。
第四章理想管式反应器
1、理想管式反应器的特点。
2、理想管式反应器内进行一级、二级等容、变容反应的计算。
3、空时、空速、停留时间的概念及计算。
4、膨胀率、膨胀因子的定义，变分子数反应过程反应器的计算。
第五章理想连续流动釜式反应器
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，，当时，求反应至所需时间t=__D_____秒。
A. 8500
B. 8900
C. 9000
D. 9900
12.在间歇反应器中进行等温一级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__B_____秒。
A. 400
B. 460
C. 500
D. 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__。
间歇与理想反应器
3.3 理想流动下的釜式反应器
全混流反应器特征
基本假定： 反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即完 全均匀地混合，即混合程度达到最大。
特点： 1、反应器有效容积中任意点处的组成、温度等状态 完全相同； 2、出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同。
3.3 理想流动下的釜式反应器
3.3.2 等温连续釜式反应器的设计计算
工业上一般采用二级或三级串联。上述结论虽然是对 一级反应导出的，但原则上同样适用于其它反应体系。
3.3 理想流动下的釜式反应器
串联釜式反应器体积最优化 对单一反应，总反应体积为：
Vr Vr1 Vr2 ... VrN
Q c [ ] X A1X A0
0 A0
rA1
X A2 X A1 rA 2
对第P釜作组分A的物料衡算：
Vrp
Q0 (cAp1 cAp ) rAp
Q0cA0 ( X Ap X Ap1) rAp ( X Ap )
3.3 理想流动下的釜式反应器
对一级不可逆反应： r kcA0 (1 X A )
Vrp
Q0 ( X Ap X Ap1) , k(1 X Ap )
,
r
和反应器的生产强度等,
很多时候变温的效果更好。
1、温度对反应热（△Hr）的影响
Hr2 Hr1
化学反应工程第三章
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
当反应器进口物料中已含产物：
VR
V0 c A0 x Af
rA f
VR
V0 c A0 ( x Af x A0 )
rA f
对于等温平推流反应器，有：
n 0, n 1,
k c A0 x Af k x Af 1 x Af
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。
2.2 特点：
反应器内物料的浓度温度处处相同，且与出口处的浓度与温度相同。
2.3 全混流反应器的计算：
基本方程： 在定态下，反应器内反应物料的累积为零
反应工程第三章
例3.4 go
例3.5
go
作业：3.8
第五节连续釜式反应器的 串联与并联
问题的提出：反应器的组合操作 一、概述——正常动力学与反常动力学
1 以 xA ~ ( A）
作图3.5
曲线呈单调增，称为正常动力学 曲线呈单调减，称为反常动力学
①正常动力学,一个釜式反应器，釜中A的转化 1 率达到xA2 Vr Q0c A0 x A0 Vr sOADK
（由于两个反应均是一级）
推广：若反应为M个一级反应同时进行， 此时反应物A的浓度为 M c A c A0 exp(t ki ) 反应产物ci的浓度为
ci ki c A0
i 1
ki
i 1
M
[1 exp(t ki )]
i 1
M
i=1,2ຫໍສະໝຸດ Baidu…,M
反应体积的确定同单一反应。 go 例3.2
3.反应器内c,T恒定，不随时间、空间位臵变 化，所以 A 或 r j 均为常数在各空间点处相 同，不随时间变化；均可按反应器出口物料 组成计算 。
二、两个物理量——空时、空速
1.空时——衡量生产能力（针对连续反应器）
Vr Q0
Vr Q0 (ci 0 ci ) ij rj
（ A2）
②正常动力学,两个釜式反应器串联操作，第一 个釜中转化率达到xA1，第二个釜中转化率达到 xA2 ,相同的进料Q0
化学反应工程第三章答案
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）002220
00001()(1)110.95
169.6min(2.83)
5.60.0210.95
===⨯---=⨯=⨯-⎰
⎰Af
Af X X A A A
A 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。
化学反应工程备课-第三章
同的情况下，间歇反应器与活塞流反应器推动力相同，只不过 前者是推动力随时间的变化，后者是随空间的变化。这两种反 应器的推动力均大于全混流反应器。对于中间型反应器，其反 应推动力介于话塞流与全混流之间。
非理想流动模型
偏离活塞流的产生的原因： ——涡流、湍动或流体碰撞 反应器中的填料或催化剂引 起旋涡运动(a) ； ——垂直于流体流动方向截 面上的流速不均匀(b)；
（2）浓度效应 ——主反应级数大于副反应级数，即需要cA高时，可以采用 活塞流反应器(或间歇反应器)；或使用浓度高的原料，或采用 较低的单程转化率等
——主反应级数小于副反应级数，即需要cA 低时，可以采用全 混流反应器；或使用浓度低的原料(也可加人情性稀释剂，也 可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度)；或 采用较高的转化率等。
——逗留时间分布函数，
逗留时间分布的实验测定
应答技术 即用一定的方法将示踪物加到反应器进口，然后在反应据
出口物料中检验示踪物信号．以获得示踪物在反应器中逗 留时间分布规律的实验数据。
示踪物——利用其光学的（如有色颜料）、电学的、化 学的或放射性的特点，以相应的测试仪器进行检测。
示踪剂的选择原则： ①示踪剂应当易于和主流体溶为一体，除了显著区别于主流体 的共一对检测性质外，两者应具有尽可能相向的物理件质；
——(b)、(c)为活塞流与全混流反应器推动力， CA0、CAf分别 代表反应组分A的近、出口浓度， CA*为该温度下的平衡浓度。 活塞流反应器中的推动力是随反应器轴向长度逐步降低的，而
化学反应工程陈甘棠第三章课件
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
原料液量为：
16.23604.354.15 m 35 /h
1020
2020/3/30
原料液的起始组成：
cA0
16.23 4.155
3 .9m 08 /lol
cB0
3.9086021.2 0 m/o l l 46
cS03.90186801.35 1.5 7m 9/lol
由
t cA0
xA dxA 0 rA
b
1
cB0 c A0
cs0 cA0k
131.9.0 208 3.910. 7 52 8.9 925.15
a 1 1 1 1 0.6575
k
2.92
t
1 k1cA0
xA
dxA
0axA2bxAc
1
ln2aA xbb24ac
k1cA0 b24ac2aA xbb24ac
2020/3/30
化学反应工程第三章答案
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NaHC3O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%。
式中CA0为常数。由题意，欲使CB2最大，则需对上述二元函数求极值:
联立上述两个方程可以求出τ1及τ2。题中已给出Q0,故由可求出CB2最大时反应 器系统的总体积。将τ1,τ2代入（5）式即可求出B的最高浓度，从而可进一步求出YBmaX.将τ1,τ2代入CA2，则由XA2=（CA0-CA2）/CA0可求出最终转化率。
在间歇反应器中等温进行下列液相反应：
rD及rR分别为产物D及R的生成速率。反应用的原料为A及B的混合液，其中A的浓度等于2kmol/m3。
（1）计算A的转化率达95%时所需的反应时间；
（2）A的转化率为95%时，R的收率是多少？
（3）若反应温度不变，要求D的收率达70%，能否办到？
（4）改用全混反应器操作， 反应温度与原料组成均不改变， 保持空时与（1）
（4） （4） 若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍，其他条件不变，结果怎样？ 解：（1）
苯酚浓度
苯酚产量
化学反应工程原理-副本第三章 理想间歇反应器
第三章 理想间歇反应器
1 理想间歇反应器的特征： ，因此理想间歇反应器的反应结果将 。
2 在BR 反应器中，反应物料达到一定转化率所需要的反应时间，只取决于 ，而与 无关。反应器的大小只取决于 。
3 在BR 反应器中的简单反应的反应特性：（1）达到相同的转化率或残余浓度，k 值提高，都将减少 ，与 无关；（2）达到一定的转化率， 反应时间与初始浓度无关， 反应时间与初始浓度成反比， 反应时间与初始浓度成正比。因此，对于一级反应和二级反应， 反应物初始浓度将 生产能力。（3）反应级数越高，要求的残余浓度越低，反应时间 ；对于二级反应，提高转化率将大幅增加 。
4 自催化反应是 。自催化反应的反应速率最大的C A 值为( 。
5 BR 反应器中的最优反应时间的条件是： ，单位时间产物生成量 。
6 简述反应器设计的步骤？
7 简述可逆反应的重要特点、反应的浓度效应和温度效应？
11.如果平行反应均为一级不可逆反应，若＞，提高选择性应_______。
A. 提高浓度
B. 提高温度
C. 降低浓度
D. 降低温度
12. 如果平行反应均为一级不可逆反应，若＞，提高收率应_______。
A. 提高浓度
B. 降低浓度
C. 提高温度
D. 降低温度
13 BR 反应器中的简单反应计算题：
13.1 反应
A B 为n 级不可逆反应。已知在300K 时要使A 的转化率达到20%需要12.6分钟，而在304K 时达到同样的转化率仅需要3.20分钟，求该反应的活化能。
A
P(主)
S(副)主E 副E P S A
P(主)
S(副)主E 副E P
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。
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
在流体流动方向上不存在流体质点间的 混合，即：返混=0。
PFR中反应时间、停留时间与 空时之间的关系
在平推流反应器中，流体质点具有相同
的停留时间，且与反应时间相等：t t
若反应器长度为l，截面积A，流速u，体 积V，则：
l dl V dV
t t 0 u 0 v
若流体反应过程（或流动过程）中，密
xA2 )
xA2 rA
这一结果与CSTR设计式完全相同，即相当于全混流
V v0
C A0 (1 )
xA2
1
xA2
dx A rA
循环比的最优问题
–随着循环比β的变化，反应器体积也随之变化
可能存在一个最优的循环比βopt，使所用反应器体积
最小 根据循环平推流反应器的设计方程
例如：管径为D的平推流反应器(PFR)来进 行一级不可逆的气体A的分解反应，其计 量方程为A→R+S；速率方程为-rA = kCA； 原料为纯气体A，进料速率为FA0，反应压 力为P，反应温度为T(等温等压)。要求A 的转化率为xA，试求所需PFR反应管的管
化学反应工程 第三章
（3－17）
16
或写成
m xA m cB 0 kt ln m 1 m(1 xA )
（3－17）
以量纲为1 的反应时间cB0kt为纵坐标，转化率xA为横坐 标，配料比m为参变量，画成图3－5。由图可见，当要求A 的转化率较高时，配料比的影响更加明显，提高配料比可缩 短反应时间，需付出的代价是： 1. 降低反应器的溶积利用率；
讨论：间歇反应器中的单一反应 零级反应：t与初浓度cA0正比 1. 反应浓度的影响
C
C0 n=2
一级反应：t与初浓度cA0无关
二级反应：t与初浓度cA0反比
n=1 n=0 0
t
7
零级反应：残余浓度随t直线下降
2. 残余浓度 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降 反应后期的速度很小；所需反 应时间大大加大。
一、均相管式反应器(PFR)的特征
平推流： 它是人们设想的一种理想流动，即认为物料在反应 器内具有严格均匀的径向速度分布，物料像活塞一样向 前流动，反应器内没有返混。亦称为活塞流。 平推流反应器，习惯用PFR表示，即Plug Flow Reactor
(3-3)
(3-4)
3
t c A0
x Af
0
c Af dc dxA A cA 0 (r ) (rA )V A V
图解积分示意图
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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
1
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
2
化学反应工程/理想间歇反应器
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。
平衡浓度：C Ae , CPe
K CP0
C Ae
CA0 CP0 1 K
, xAe
C A0 1 K
19
化学反应工程/理想间歇反应器
2020/5/2
（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。
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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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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
Байду номын сангаас
反应消耗 流出
累积
反应器 间歇式
反应单元 整个反应器
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
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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
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
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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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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t的计算（直接计算和图解法）
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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
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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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 )
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
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3.1 理想反应器类型
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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
，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe) ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe)
引出最优温度
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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
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
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