第3章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征..
化学反应工程第3章
9
径向流分布
平推流与层流的区别
平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，
径向剧烈混合；
层流：同一截面上各微元具有不同的速率，
径向没有混合。
10
（2）全混流流动
•物料加入反应器瞬间完全混合（最大混合）； •反应器中物料的温度、浓度均匀，且等于出 口物料的温度、浓度； •停留时间不同，形成确定的停留时间分布。
4.动力学方程--描述反应速率随温度、 浓度的变化情况
4
二、几个时间概念
• 1.反应持续时间tr－－在间歇反应器中反 应达到一定转化率所需时间（不包括辅 助时间）。
• 2.停留时间t－－连续流动反应器中流体 微元从入口到出口所经历的时间。
• 3.平均停留时间tc－－各物料微元从反应
器入口至出口所经历的平均时间。
• 如要等温，就要求dT/dt=0。
• cA亦不是常数－－由物料衡算式3.2-1
rA
V
'R
nA0
dxA dt
姑且认为是恒容
而cA cA0 1 xA ,
dcA cA0dxA
上式变成：
rA
－
dcA dt
E
k0e RT
44
• 二式联立：
d d T tC 1 K p V RT A W T k0eR Ec T A H r
物流携出 热量
Gc p T dT
微元与环 ＋境的热交换
KdT TW T
dl
微元内反应 热效应
rA Hr
dVR
积累量 0
整理得：
Gc pdT KdT TW T dl rA Hr AT dl 0
dT dl
1 Gc p
{教育管理}化学反应工程三理想间歇反应器 精品 精品
{教育管理}化学反应工程三理想间歇反应器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3.1 理想反应器类型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、压力和最终转化率计算所需反应器体积规定任务+反应器结构和尺寸的优化3.2.2 基本方程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+某组分累积量反应消耗累积流入流出反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√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器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√反应热累积带入带出反应单元传给环境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。
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。
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，产品质量不稳定对整个反应器进行物料衡算：00流入量= 流出量+ 反应量+ 累积量实际操作时间（t T )=反应时间(t) + 辅助时间(t C )反应体积V 是指反应物料在反应器中所占的体积1/r A —x At/C A01/r A —C tTt V ⋅=0νsm /30物料量，单位生产时间所处理的--νt 的计算（直接计算和图解法）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级反应反应速率r A=kC A r A=kC A2AACCkt0ln=⎰=Af xAAA rdxCtAxkt-=11ln11AACCkt-=AAA xxktC-=1⎰-=AACCAArdCt反应后期的速度很小；反应机理的变化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。
3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
kt 1 lnCB0CA CA0CB0 CA0CB
以CB0 kt～xA作图，看过量比对反应结果的影响
25
由图可见：
x低时，M影响不明显 ；
4
3.2 理想间歇反应器
3.2.1 理想间歇反应器的特征
结构及优点
操作灵活
缺点
辅助时间长 产品质量不稳定
5
Batch Reactor
Batch Reactor Stirring Apparatus
6
搅拌器设计、安装
搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性 质和工艺要求来选择
目的都是为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到 反应器内物料的充分混合
装料系数
11
3.2.3 理想间歇反应器中的简单 反应
1.一级反应 AP
反应动力学方程 ( r A ) kA C kA C 0 (1 x A ) 等温条件下反应时间
t C A 00 x A( fd r A A )x C A 00 x Ak f A C 0 d (1 A x x A ) k 1 ln 1 1 x Af
9
基本方程的图解积分
t xAf dxA
CA0 xA0 (rA)
t CAf dCA
CA0 (rA)
10
BR体积计算 VR v0tT
VR—反应物料在反应器中所占的体积 0 —单位生产时间所处理的物料量
tT —每批物料的操作时间
tT ttc
反应时间
辅助时间（装料、升温、降 温、卸料、清洗）
BR体积＝VR/0.75
(rA)
1 V
dnA dt
nAnA0(1xA)
d
tnA0
dxA V(rA)
8
理想间歇釜反应器计算基本方程
3-间歇与理想反应器
3.2 间歇反应器
变温间歇操作的热量衡算
A B T C H 1 H 3 Tr A B C
dH2
根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：
q U
q H
即：与环境交换的热=内能的变化
基本设计方程：
进入量 排出量 反应量 积累量 ＋ ＋ rAf Vr 0 FA0 1 x A0 FA0 1 x Af 整理得： x Af x A0 Vr FA0 rAf
FA0 xA0 Q0cA0
用焓变代替内能的变化
dq dH
间歇釜式反应器 Tr＝298K为计算的基准温度
3.2 间歇反应器
H1 mt c pt dt mt c pt (Tr T )
T Tr
H 3 mt
Tr dT
T
c pt dt mt c pt (T dt Tr )
dH2 H r rAVr dt （单一反应）
（3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换， 例如采用列管式换热器
（4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作
此原则也适用于其它类型反应器
3.2 间歇反应器
3.2 间歇反应器
3.3 理想流动下的釜式反应器
理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器， 有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor， 简称CSTR），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流 反应器（Mixed Flow Reactor，简称MFR），MFR是从反应器 内物料的混合程度上命名的。
第三章 间歇反应器
净的得益为： 净的得益为：
W (θ R ) WT
最佳的θ 值可由下式求得： 最佳的 R值可由下式求得：
d [W (θ R ) WT ] = 0 dθ R
或
dW (θ R ) = WR dθ R
从方程(3-23)可得： 可得： 从方程 可得
dW (θ R ) N dx r = (W ) A0 A = (W )V A dθ R | a A | dθ R | aA | θ
qAk T = 613 65 x A + θ mt c p
令 qAk＝52.8kW
qAk (52.8kW) = = 0.0927K/s mi c p (227kg)(2.51kJ/kg K)
物料衡算： 物料衡算：
dx A 1 22450 C A0 (1 x A ) exp(35.2 = ) dθ 60C A0 T
N p NA (1 x A ) 1 xA = p t A0 = p A0 ( t ) Nt N t 0 (1 + ε A x A ) 1 + ε A x A pt 0
p A = pt
级反应为例， 以n级反应为例， 级反应为例
(1 + ε A x A ) θ= n 1 ∫x n A0 (1 x A ) kC A0 1
3.3.a 最优间歇反应操作时间
设化学品A 每公斤分子的价格为w 设化学品 j每公斤分子的价格为 j，则反应前后 反应混合物的净增值为： 反应混合物的净增值为：
W (θ ) = ∑ w j ( N j N j 0 ) = ∑ w j ∑ aijξi = ∑ (W )i ξ i
j =1 j =1 i =1 i =1 N N M M
等温操作 T= 613 K 绝热操作 q=0 5.28 52.8 105.8 158.9
第三章 理想反应器
A2 =
0.92 × 2.3 × (1 − 0.7) × 22.2 × 51047 2 1799.2(110 − 50) =6.65 m
3.1-3 分批式操作的优化分析 用两种目标进行优化: 1.着眼于反应器的平均生产速率 Y R 为最大的优化
YR =
C RV t + t0
kmol h
38
化学反应工程课程讲稿
t opt 。
x A = 1 − exp[− kt ]
微分得
dx A = k exp[− kt ] dt xA = k exp[− kt ] t + t0
或
x A = (t + t 0 )k exp[− kt ] 1 − exp(− kt ) = (t + t 0 )k exp(− kt )
用试差法解满足 Y R 为最大的
d (C AV ) dt
v 为 A 的加料速度，假定恒定，反应流体容积:
dV =v 且 dt
40
化学反应工程课程讲稿
得 VC
A
= Ie − kt +
vC A0 k
t=0，VC A =0 代入上式积分常数 I= − vC A0 /k
vC A0 (1 − e − kt ) VC A = k
CA v[1 − exp(− kt )] 1 − exp(− kt ) = = C A0 k (v0 + vt ) ⎡V ⎤ k ⎢ + t⎥ ⎣v ⎦
(ii)计算 Y R 最大的反应时间 计算所得 x A − t 标绘， t= − 1.0 的 点对 x A −t 曲线作切线， 该切点 x A 和 t 即为
x Aopt 和 t opt 。 t opt =1.6h
【精编】化学反应工程第三章.PPT课件
VR
V0 （ xAf kCA0 1 xAf
）
VR
V0 SkCA0
ln 1SxAf (1S)(1xAf
)
xAf
CA0k 1 CA0k
xAf
(1(1SS)()eeCCAA00kk
1) 1
r kC A
n A
VRk(nV10)CA n 01[1(1( 1xA xfA)fn)n11]
1级反应：CA CA0ekt
C A 随 t 较缓慢下降；
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
C A 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 r0 .0C 1 A 2 m/o l(s)l
平推流反应器
VR/V0 CA0
xAf 0
dxA rA
tmV VR 0
CA0
xAf 0
dxA rA
ห้องสมุดไป่ตู้
式中rAkCAn ; CACA0(1xA)
间歇反应器
t CA0
xAf 0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三. 等温平推流反应器的计算
等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随
1.CA0→(VR1 ,T1 )→ CA1 → (VR2 ,T2 ) → CAf
2. CA0→ (VR2 ,T2 ) → CA2 → (VR1 ,T1 ) → CAf
第三节 连续流动釜式反应器
（全混流反应器）
化学反应工程原理例题与习题-许志美-华东理工大学出版社
-
n2 ) = 3 .200
( 5)
联立解式 (4) 和 (5) , 得到 n1 = 0 .834 , n2 = 0 .46。将此值 代入式 (3 ) 中
求得达到平衡时反应器出口物料组成为 :
组成 nA nB nP nR nS ∑
mol 0 .706 0 .166 0 .374 0 .834 0 .920 3 .000
C6 H6 + 4
1 2
O2
C4 H2 O3 + 2H2 O + 2CO2
在银催化剂上进行乙烯氧化反应生产环氧乙烷 : 即
第1章 绪 论
·7·
1 C2 H4 + 2 O2
C2 H4 O ,
C2 H4 + 3O2
2H2 O + 2CO2
进入催 化 反 应 器 中 的 气 体 组 成 为 : C2 H4 0 .15 , O2 0 .07 , CO2 0 .1 ,
CHCl
由于乙炔价格高于氯化氢, 通常使用的原料混合气中氯化氢是过量 的 , 设其过量 10 % 。若反应器出口气体 中氯乙 烯含 量为 90 % ( mol) , 试分
别计算乙炔的转化率和氯化氢的转化率。
1 - 9 乙苯脱氢反应在一绝热式固定床反应器中进行。生产流程采
用原料分离回收循环操作。某工厂生产中测得如下数据: 原料乙苯的进 料量为 100kg h , 而反应器出口物料经分析得知其中乙苯的流量 为46kg h ,
歇反应器中反应 , 测得 cA = 0 .3mol L, cB = 2 .4mol L, 问组分 P, S 浓度各为
多少 ? 以 B 为基准 , 反应物 B 的选择性、产物 P 的收率为多少 ?
解 : 反应 ( a ) 消耗的 A = ( cB 0 - cB ) = 4 .0 - 2 .4 = 1 .6mol L
化学反应工程复习+公式指导
化学反应工程复习总结一、知识点1.化学反应工程的研究对象与目的，研究内容。
化学反应工程的优化的技术指标。
2.化学反应动力学转化率、收率与选择性的概念。
反应速率的温度效应和活化能的意义。
反应速率的浓度效应和级数的意义。
3.理想反应器与典型反应特征理想反应器的含义。
等温间歇反应器的基本方程。
简单不可逆反应和自催化反应的特征和计算方法。
可逆反应、平行反应和串联反应的动力学特征和计算方法。
4.理想管式反应器管式平推流反应器的基本方程典型反应的计算。
停留时间、空时和空速的概念。
膨胀因子和膨胀率的概念。
5.连续流动釜式反应器全混流模型的意义。
全混流反应器的基本方程全混流反应器的计算。
循环反应器的特征与计算方法。
返混的概念、起因、返混造成的后果。
返混对各种典型反应的利弊及限制返混的措施。
6.停留时间分布与非理想流动停留时间分布的意义，停留时间分布的测定方法。
活塞流和全混流停留时间分布表达式，固相反应的计算方法。
多釜串联模型的基本思想，模型参数微观混合对反应结果的影响。
7.反应器选型与操作方式简单反应、自催化和可逆反应的浓度效应特征与优化。
平行反应、串联反应的浓度效应特征与优化。
反应器的操作方式、加料方式。
8．气固催化反应中的传递现象催化剂外部传递过程分析，极限反应速率与极限传递速率。
Da和外部效率因子的定义及相互关系。
流速对外部传递过程的影响。
催化剂内部传递过程分析，Φ和内部效率因子的定义及相互关系。
扩散对表观反应级数及表观活化能的影响。
一级反应内外效率因子的计算。
内外传递阻力的消除方法。
9.热量传递与反应器热稳定性定态、热稳定性、临界着火温度、临界熄火温度的概念。
催化剂颗粒热稳定性条件和多态特性。
全混流反应器、管式固定床反应器热稳定条件。
最大允许温差。
绝热式反应器中可逆放热反应的最优温度分布。
二、具体内容解析 一、 绪论 1．研究对象是工业反应过程或工业反应器研究目的是实现工业反应过程的优化 2． 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 3．优化指标——技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念 4．工程思维方法二、化学反应动力学1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应基本特征、分析判断2. 化学反应速率的工程表示))((反应区反应时间反应量反应速率＝3. 工业反应动力学规律可表示为：)()(T f C f r T i C i ⋅=a) 浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程度。
间歇式反应器
④为设备的工艺计算及系统的热量衡算提供必要的条件。
编辑ppt
20
3.物料衡算时应注意的问题
⑴计算基准 必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计 算的基础，通常是以单位时间内处理多少物料，或者是在单位 时间内生成多少成品或半成品作为依据。
液相 固相
要尽量扩大相接触面积
对非均相反应物料必须保证质量传递
编辑ppt
15
*对于气—液相反应器要采用能形成液膜或鼓泡的装置；液— 液及液—固相反应器（甚至固相）要有搅拌装置；液—固相 反应常用塔式反应器，将固体物料做成固定床，使液体物料 通过床层，因此要装液体喷淋装置。 如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
Hale Waihona Puke 编辑ppt19第二节 反应锅的物料衡算
一、物料衡算的基本内容
1.物料衡算的依据—质量守恒定律。物料衡算就是依据此定 律定量地对生产工艺的各个间段作物料计算。 2.目的和意义：
①通过物料衡算可以得出原料、中间产物、成品、副产物及 废料的质量、容积和组成，以及每一生产步骤中的损失。
②可以帮助设计者正确选择生产过程的流程，考虑过程中原 料用量的多少以及生产的废料是否可利用等问题。
控制温度的方法：进料的温度、流速。
如：乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。
当反应器内部不能设置传热构件时，或需要 强化传热速率时，常常采用外循环传热方式，外部 热交换器常用列管式或螺旋板式的。
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。
AP(主)S(副)主E 副E P S AP(主)S(副)主E 副E P。
化学反应工程第三章
第二节 理想流动反应器
3－3 间歇反应器
一、间歇反应器的特征 工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器， 如图3－5。
A
xA
CA0－CA CA0
上式适用于等容、变温和等温的各种反应系统。
由式（3－5），只要已知反应力学方程就能计算反
应时间。一般采用数值积分或图解法。如图3－6所示。
已知动力学数据
1 rA
～
xA
曲线，然后求取
x
到
A0
x
Af
之间曲线下的面积即为t/CA0。同样也可作出
1 rA
～
四、流动状况对化学反应的影响
流动状况对化学反应的影响有两方面：物料质点的浓度 和在反应器内的停留时间。 1.物料质点浓度 间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器中物料质点的 浓度变化如图3－2所示。 间歇反应器和平推流反应器的反应推动力ΔCA均大于全混 流反应器的ΔCA。实际上是物料的浓度不同，反应速率不 同。 2.物质质点的停留时间和反应时间 物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留时间， 实际上是物料质点的寿命。
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。
1）模型特点
（1）物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；
化学反应工程原理
1 绪论1.1.3 优化的技术指标（1）反应速率（2）反应选择率（3）能量消耗1.1.4 决策变量（1）结构变量（2）操作方式（3）工艺条件1.4.1化学反应工程理论在反应过程开发中的作用要解决的问题：（1）反应器的合理选型（2）反应器操作的优选条件（3）反应器的工程放大2化学反应动力学2.2.1均相反应的条件（1）反应系统可以成为均相（2）预混合过程的时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对反应温度敏感程度的一种度量反应级数的工程意义是表示反应速率对于反应浓度变化的敏感程度2.3.3化学吸附的速率与平衡化学吸附可以分为活化化学吸附和非活化化学吸附。
活化化学吸附随着温度的变化服从阿伦尼乌斯方程；非活化化学吸附的活化能接近于零，吸附速率极快。
常常可以观察到化学吸附最初是非活化的，吸附进行得非常快，而随后速率变慢，且与温度有关，属于活化化学吸附1.理想吸附型理想吸附模型，基于如下假设（1）催化剂表面各处的吸附能力的均匀的，各吸附位具有相同的能量（2）被吸附物仅形成单分子层吸附（3）吸附的分子间不发生相互作用，也不影响分子的吸附作用（4）所有吸附的机理是相同的2.真实吸附模型不满足理想吸附条件的吸附，都称为真实吸附。
以焦姆金和弗隆德里希为代表提出不均匀表面吸附理论，真实吸附模型认为固体表面是不均匀的，各吸附中心的能量不等，有强有弱。
吸附时吸附分子首先占据强的吸附中心，放出的吸附热大。
随后逐渐减弱，放出的吸附热也愈来愈小。
由于催化剂表面的不均匀性，因此吸附活化能E a随着覆盖率的增加而线性增加，解吸活化能E d则随覆盖率的增加而线性降低，即2.4流固相非催化反应动力学两种反应（1）整体反应模型（2）收缩未反应芯模型3理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征常见的典型化学反应（1）简单反应（包括自催化反应）（2）可逆反应（3）伴有平行副反应的复杂反应（或平行反应）（4）伴有串联副反应的复杂反应（或串联反应）（5）自催化反应3.1.2反应器设计基本方程（1）物料衡算方程组分i 流入量=组分i 流出量+组分i反应消耗量+组分i积累量（2）热量衡算方程式带入的热焓=流出的热焓+ 反应热+ 热量的积累+ 传向环境的热量（3）动量衡算方程式动量守恒物料衡算和反应速率式是描述反应器性能的两个最基本的方程式3.2.1理想间歇反应器的特征从理想间歇反应器操作可以看到有以下特点（1）由于剧烈的搅拌，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问题（2）由于反应器内具有足够的传热条件，反应器内各处温度始终相等，因而无需考虑反应器内的热量传递问题（3）反应器内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。
第三章 理想反应器
操作线方程
rAi
=
− CAi
τi
+
CAi−1
τi
动力学方程
rAi = k f (CAi )
(3.3-29)
(3.3-36)
(3.3-37)
(2)图解法步骤 若各级全混流反应器的温度相等，且各釜体积也相同，则作图法求解的步骤如下：
a.在rA～CA坐标系中标出动力学曲线，如图中曲线 OM;
b.由CA0为起点，以
本章讨论的主要内容: 1. 论述反应器内的流动模型,着重阐述混合与返混的异同
及理想流动模型的特征; 2. 以均相反应为背景,讨论理想反应器设计的基本方法； 3. 讨论理想流动反应器中复合反应的收率和选择率。
§3.1 概述
流动模型 是描述流体流经反应器时物料质点的流动与返混状况的模型，对各
种流动模型进行数学描述，便可得到流动的数学模型。
(3.3-33)
或
τ
=
1 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣
(1
−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-34)
反应系统的总体积
VR
= mVRi
= mV0τ
=
mV0 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣(1−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-35)
3. 多级串联全混流反应器的图解计算
(1) 图解法原理：
( ) VRi
= V0
CAi−1 −CAi rAi
−1 τ1
为斜率做出第一级反应的操作线与OM线交与A1，其横坐
则 Λ 可视为常数，将(3.3-22)积分得
T = T0 + Λx A
反应工程总结
第一章绪论化学工业生产过程，包括三个步骤，原料的预处理，化学反应，产物的分离反应工程的研究对象是以工业规模进行的化学反应，目的是实现工业反应过程的优化，包括设计优化和操作优化优化的技术指标有三个，反应速率，反应选择率，能耗常用反应器：均相管式反应器：轴向混合小，解热冷却较方便，温度易于控制，釜式搅拌器：有间歇，连续两种操作方式，间歇釜式搅拌器设备简单，操作方便，适用于小批量、多品种生产场合。
连续釜式搅拌器通常物料强烈返混，适用于大规模的生产要求固定床反应器是用来进行气固催化反映的设备。
按操作方式及床层温度分布不同可分为绝热式、等温式和非绝热非等温式。
按换热方式可分为换热式和自热式流化床、气液反应器、涓流床反应器、淤浆反应器反应器的操作方式按其连续性可以分为间歇、连续和半连续，按加料方式可以分为一次加料、分批加料和分段加料化学反应过程有容积过程和表面过程物理过程包括：返混和不均匀流动，传质过程，传热过程研究方法：主要采用数学模型法第二章化学反应动力学化学反应工程中包含的物理过程有，返混、传质、传热在包含物理过程影响的条件下测得的反应速率称为表观反应速率在排除物理过程影响的条件下测得的反应速率称为本征反应速率均相反应的前提是参与反应的所有物料达到分子尺度的均匀混合实现预混合：机械搅拌、高速射流造成的射流混合实现均相应该满足的条件：1.反应系统可以成为均相2.预混合时间远小于反应时间活化能的工程意义是反应速率对温度的敏感程度，活化能越大，表示温度对反应速率的影响越大，随温度上升而增加的越快反应级数的意义在于反应速率对浓度变化的敏感程度气固相催化的三个步骤：吸附，表面反应，脱附物理吸附是分子间的引力，化学吸附是吸附分子与固体表面间的化学力造成的第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征典型的化学反应包括五类：简单反应、可逆反应、平行反应、串联反应、自催化反应两种理想反应器：搅拌充分的间歇搅拌器、连续流动的理想管式反应器间歇搅拌器：1.剧烈搅拌可达到分子尺度的混合，且各处浓度相等2.有足够的传热条件，各处温度始终相等3.反应物料同时开始同时停止优点是：操作灵活，小批量、多品种、长时间产品生产，缺点是产品质量不稳定，需要消耗填料装料的辅助时间间歇反应器的体积是反应物料在反应器中所占的体积在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需时间只取决于过程的速率，而与反应器大小无关，反应器的大小只决定于物料的处理量为达到相同转化率或残余浓度，k值的提高都将导致反应时间减少而与反应级数无关达到相同转化率所需反应时间：一级反应，与初始浓度无关；二级反应与初始浓度成反比；零级反应与初始浓度成正比不同级数反应时间比较：零级反应残余浓度与反应时间呈直线下降，一级反应逐渐慢慢下降，二级反应后期变化速率非常小，反应大部分时间消耗在反应后期。
化学反应工程多媒体教程--理想反应器(第三章)
反应器的设计就是上述方程联立求解的过程 Continue
◇反应动力学方程式
○均相间歇反应的反应速率表示式： A为反应物，以A表示的化学反应速率为：
1 dn A kmol.m-3h-1 ( −rA ) = − ⋅ V dt A为产物，以A表示的化学反应速率为：
rA = 1 dn A ⋅ V dt
kmol.m-3h-1
设计间歇反应器的计算： ○反应时间 t 由设计方程与动力学方程联立求解，即可求得达到一定转化率所 需时间t；
○有效容积：VR VR=v(t+t0) v----单位时间所需处理的物料体积（根据产量计算） t0----每批生产的辅助时间 ○实际体积：V V=VR /φ φ----装填系数
Return
◇等温操作间歇釜式反应器设计计算 等温操作间歇釜式反应器设计计算
Return
§3.1 反应器设计的基本方法
◆经验设计法 数学模型法 ◆数学模型法
◆数学模型法
基础--描述化学过程本质的动力学模型和反映传递过程特性的传递模型 基本方法--以实验事实为依据 建立上述模型 结合一定的求解条件求解 边界条件和 初始条件
具体的数学模型包括 ◇反应动力学方程式 ◇物料衡算式 ◇热量衡算式 ◇动量衡算式 ◇参数计算式
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 方程为： 产物，单位时间需处理的物料体积为v，动力学
（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)
求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容积。
t = C A0 ∫
xA xA dx A dx A 1 1 = C A0 ∫ = ln 0 kC ( − r ) ( −rA ) k 1 − xA A0 A
第三章间歇釜式反应器知识讲解
20
3.3.1 单一反应
1.反应时间的计算 设在间歇反应器内进行如下化学反应 A＋B→R
若VR为反应混合物的体积(反应器有效容积)；-rA为t时刻的反 应速率；nA0为反应开始时A的摩尔量；nA为t时刻的A的摩尔 量。并以A为关键组分作微元时间dt内的物料衡算。
单 A的位 流时 入 单 A的 间 量 位 流时 出 单 A的 间 量 位 反时 应 的 反 间 量 积 应 A累 器速 中
所以
t CA0
x
Af
0
dxA (rA)
xA(nA0nA)/nA0(CA0CA)/CA0
dAxdA C /CA0
取 t=0 时 xA= 0、CA＝CA0；t=t 时 xA=xAf、CA= CAf，
积分得
t CAf dC A CA0 (rA )
其中-rA一般具有
-rA=A0exp(-Ea/RT)CAmCBn ···的形式
10
（3）反应体积VR
• 反应体积是指设备中物料所占体积，又称有效体积。
确定反应器的容积V的前提是确定反应器的有效容 积(反应容积)VR。
如果由生产任务确定的单位时间的物料处理量为Q0，
操作时间为t’(包括反应时间t和辅助操作时间t0 )，则
反应器的有效容积：
VR=Q0 t＇
其中 t’ = t + t0
17
• 例3-2 萘磺化反应器体积的计算。萘磺化生 产2-萘磺酸，然后通过碱熔得2-萘酚。已知 2-萘酚的收率按萘计为75%，2-萘酚的纯度 为 99% ， 工 业 萘 纯 度 为 98.4% ， 密 度 为 963kg/m3 。磺化剂为98%硫酸，密度为1.84。 萘与硫酸的摩尔比为1：1.07。每批磺化操 作周期为3.67小时。萘磺化釜的装料系数为 0.7。年产2-萘酚4000t，年工作日330天。
第三章-间歇反应器与理想反应器ppt课件
全混流反应器的特性
①物料在反应器内充分返混； ②反应器内各处物料参数均一； ③反应器的出口组成与器内物料组成相同； ④连续、稳定流动，是一定态过程。
.
3.3.2 等温连续流动釜式反应器的设计计算
• 全混釜中各处物料均一，故选整个反应器 有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物 料衡算。
输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量
tt=t+t’ t’为辅助生产时间
③计算每批投放物料总量F’A；
F’A=FAtt ④计算反应器有效容积V’R；
V rC F A A 0 或 V rQ 0tt
.
⑤计算反应器总体积V。反应器总体积应包括有
效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常 有效容积占总体积分率为40％-85％，该分率 称为反应器装填系数f，由生产实际决定。
.
组分 A
P
Q 反应 时间
浓度
cAcA0e[(k1k2)t]
cpkk11 cA k02 1e[(k1k2)t]
cQkk12 cA k02 1e[(k1k2)t]
AP rP k1cA AQ rQ k2cA
t 1 ncA0 k1 k2 cA
设 t 0 时 c A ， c A 0 ， c P 0 ， c Q 0
.
cA0
A
c
AP AQ
P
Q
0
t
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
c P k1
cQ
k2
即：任意时刻两 个反应产物浓度 之比，等于两个 反应速率常数之 比
.
复合反应－连串反应 A k 1 P k 2 Q (k 1 k 2 )
设 t 0 时 c A ， c A 0 ， c P 0 ， c Q 0 cA0cAcPcQ
第三章 理想间歇反应器与典型化学反应的 基本特征
2.确定最佳工艺条件 操作工艺条件，直接影响反应器反应结果，影 响反应器的生产能力。确定的工艺条件还要 满足反应器的性能要求。 3.计算所需反应器体积 根据操作条件，反应器类型，计算完成规定所 需的反应体积，由此确定优化后的反映其结 构和尺寸。
3.1.2反映器设计基本方程
反映器设计基本方程包括反应动力学方程、
积分结果
一级反应 反应时间 相同
非一级反应
达到一定转化率所需的反应时间与反应器大小无 关，只取决于动力学因素 温度越高，速率常数 k 越大，则达到相同转化率 所需的反应时间 t 越短
区别
t与cA0无关
t与cA0有关
积分结果及反应特性分析 反应级数 反应速率
t c A0
xAf
0
cAf dxA dcA cA0 rA rA
aA bB pP
(rA ) kCACB
反应动力学方程式为 有
当CB≥CA时 ，认为CB不变，把CB并入速率常数k中
(rA ) k CA
反应转化为拟一级反应，从而遵守一级反应的规律，减 少了后期转化时间占总转化时间的分率。
利用公式，解决反应时间、转化率，残余浓度之间的 关系的例题应用例题
0 0
操 作 时 间
tT
‵
反应器的体积
f：装填系数、由经验确定，一般为1.2 – 2.5
反应时间的计算
对反应 A+B→R，以A为关键组分，设开始时的量为nA0，则： nA=nA0(1-XA)
两边微分，得
代入物料恒算式，得 对t 积分，得
dn
A
- n A dxA dt
物料衡算方程、热量衡算方程和动量衡算方 程。其中反应动力学方程是化学反应器设计 的基础。
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kt ln c A, 0 ln c A 1 kt ln 1 xA c A c A, 0 (1 x A ) x A 1 e kt
二级反应不可逆反应的速率方程式为 (rA )
化反应等，其积分为：
kc
2 , A
(rA ) k
间歇反应器中的简单反应
反应速率 （－rA）=k （－rA）=kCA （－rA）=kCA2
dCA t C A0 (rA )
CA
t C A0
x Af
0
dxA (rA )
kt CA0 CA
C A0 kt ln CA
kt C A0 x A
1 kt ln 1 xA
如HI的热分解，氢与碘蒸汽的化合，乙酸乙酯的皂
dn A dc A 2 2 kc kc dn A A A Vdt dt (rA ) Vdt c A dc t 1 cA A k dt c A , 0 kt 2 c A, 0 c 0 cA A (rA ) kc
t n A0
x Af
0
dxA 适用于变温、变容。若 为等容过程则: V (rA )
C A dC dxA A C A 0 (r ) (rA ) A
t C A0
x Af
0
等容过程，液相反应
间歇反应器的数学描述
实际操作时间=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=v0(t+tc)
由V x A
求解
设计型的计算：根据物料处理量及工艺要求，
选择反应器类型，决定反应器体积。已知反应需 达到的转化率，求该反应器应设计多大的体积？
由x A V
求解
反应器设计基本方程
物料平衡方程
热量平衡方程（等温反应可不考虑） 动量平衡方程（一般反应器可不考虑）
化学动力学方程
1 1 kt C A C A0
xA C A0 kt 1 xA
间歇反应器中的简单反应
1. k的影响 2. 反应物初始 浓度的影响
k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关
二级反应：t与初浓度CA0反比
零级反应：残余浓度随t直线下降 3. 残余浓度
1/(-rA )—xA
t/CA0
1/(-rA )—CA
t
例：不可逆的一级反应： A B 如单分子基元反 应，某些分解反应，一些放射元素的蜕变等，求A的 转化率与反应时间关系式？。 解： 为一级不可逆反应
k
(rA ) kcA
dc A dn A dc A kcA dt 且又 (rA ) Vdt dt t c A dc A kdt 0 c A, 0 c A kt ln c A
2 A
xA 1 1 1 1 t kc 1 x k c c A, 0 A0 A A
零级简单反应
零级反应的速率方程式为 如光催化反应，只与光强度有关，其反应速度与 反应物浓度无关。代入上式得：
(rA ) k
dn A dc A k k dn A Vdt dt (rA ) Vdt cA t c A, 0 c A c A, 0 x A dc A k dt t cA, 0 0 k k
反应器设计的基本内容
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
计算所需反应器体积
规定任务+反应器结构和尺寸的优化
反应器设计的基本内容
操作型的计算：根据反应特征及反应器的体积，
决定最优化操作条件，使反应过程达到优化目标。 已知反应器的体积，求反应在该反应器内反应所 能达到的转化率？
理想反应器
间歇反应器
(a)
平推流反应器 全混流反应器
完全没有返混
(b)
连续流动反应器
返混极大 (c)
第3章 理想间歇反应器与典 型化学反应的基本特征
Байду номын сангаас
反应器设计基本方程 理想间歇反应器中的简单反应 理想间歇反应器中的均相可逆反应 理想间歇反应器中的均相平行反应 理想间歇反应器中的均相串联反应 理想间歇反应器的计算
特点：原料成批次加入，每一批反应物料均具有相同的停留时 间，反应器内没有返混(没有不同反应时间物料微元之间的混 合)。反应器内加以适当的搅拌，很容易使空间位置上的混合均 匀。反应主要是由化学动力学控制，反应时间越长，转化率越 高，直至达到反应平衡或反应物完全消耗掉。 优点：简单灵活，适用于小批量、高效益产品的生产。 缺点：1、工作周期中有非生产性时间；2、传热不好控制；3、 不适合大规模生产。
参数方程
对反应器或某一个微元中确定的关键组分，物料衡算基 本方程为：
积累速率=输入速率－输出速率－反应消耗速率+反应生成速率
理想间歇反应器中的简单反应
间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 设备特点 设备数学描述 应用实例
设备简介
反应器的特点
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
反应级数大于1的反应，后期的速度很小，高转化率或低残 余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增长。
例：试对一级和二级反应分别计算转化率 从90％提高到99％时，转化所需的时间是 其转化率为90％时所需时间的倍数。 解:(1)对一级反应
1 1 t ln k 1 x 1 1 ln 100 t 99% ln k 1 99% k 1 1 ln 10 t 90% ln k 1 90% k t 99% t 90% ln 100 ln 10 1 t 90% ln 10
间歇反应器适用于液相均相反应和液固相非均相反应
间歇反应器的数学描述
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
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
(rA )V dn A dx n A0 A ( n A n A0 (1 x A )) dt dt