均相反应器0
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不起泡、不沸腾物料取0.7～0.85，
起泡、沸腾物料取0.4～0.6。
化
学
工
程
系
理想间歇反应器中简单反应的结果
反应速率式
反应级数
转化率式 kt=cA0xA
零级
rA=k rA=kcA rA=kcA
2
一级
1 kt ln 或xA＝ 1 －e kt 1 xA
二级
cA0 kt xA cA0 kt 或xA＝ 1 xA 1+cA0 kt
反应速率方程，反应在6atm和1100K的条件下等温操 作。已知1000K时，k=0.072s-1，活化能为 82kcal/mol。 1磅=0.4536kg。 C2H6=C2H4+H2
化
学
工
程
系
1.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器 一、特点
1. 反应器内各空间位置温
CA0 F A0 v0 T0 CA F A v Tout
FA0 (1 y A0 xA )2 dxA L 2 kCA0 A (1 xA )2
FA0 (1 y A0 xA )2 dxA V 2 kCA0 (1 xA )2
对某二级反应，k=5.0L/mols，A=1.0dm2
CA0=0.2mol/L，v0=1L/s
转化率和反应器长度关系如下。
化
学
工
程
系
平推流和全混流反应器比较
1 rA
C A0 - C A τ= rA
t = -
CA CA0
C Af
C A0
dC A rA
C
化
CSTR和PFR的选择：
学
工
程
系
有一液相均相反应： ，可选择350K的CSTR和 300K的PFR两种反应器进行反应，已知
300 K时 k = 0.07 dm3/（mol· min），E = 85000 J/(mol· K) CA0B = CB0B = 2 mol/dm 3 ,vA0 = vB0 = 0.5v0 = 5 dm3/min
dx kC A 0 (1- x) 2 dt
积分
x t kC A0 (1- x)
有效反应体积VR如何计算？
化
学
工
程
系
例1.1 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应： ClCH2CH2OH＋NaHCO3→OHCH2CH2OH ＋NaCl＋CO2 乙二醇产量为20kg／h。使用15％的NaHCO3水溶液及 30 ％ ( 均为质量 ) 的氯乙醇水溶液作原料，摩尔比为 1∶1，混合液密度为 1.02kg/L。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)。要求氯乙醇转化率达到95％。 (1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。 (2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
选择哪种反应器？
化
学
工
程
系
1.4 填充床反应器设计
摩尔衡算 动力学方程 计量关系
CA CA0
2
压降P和催化剂质 量W关系？
1 x p T0 1 yA0 A x p0 T
2 2
kC A0 p T0 dx (1 x) dW FA0 (1 y A0 A x) 2 p 0 T
度、浓度均一。
2. 返混无穷大 3. 反应器内浓度、温度与 出口处浓度、温度相同。
T m，out G
VR T=Tout Ci=Ci，out
T m， in G
化
学
工
程
系
全混流反应器浓度-时间图
CA0
CA
t0
t
t
化
学
工
程
系
二、全混流反应器的设计方程
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
化
学
工
程
系
例3. 乙烯氧化生产环氧乙烷。乙烯和氧气按化学计 量比进入260℃等温操作填充床反应器中，10atm下 乙烯进料流率为 136.2mol/s 假定用 10 个管束式反应 器，每个反应器中有 100 根直径为 1.5in 装有催化剂 的管子。反应流体的性质与该温度压力下空气性质 相 同，催 化剂颗 粒直径 为 0.635cm ， 颗 粒 密度 为 1.923g/cm3 ，空隙率为 0.45 。若使转化率达到 60% ， 计算所需催化剂的质量。（等温反应）
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
C2H6 C2H4
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
化
学
工
程
系
例1.4 确定由纯乙烷裂解年产3亿磅乙烯，转化率为80%时
所需活塞流反应器体积。反应为不可逆且遵循基元
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
化
学
工
程
系
稳态等温反应器设计
化
学
工
程
系
1.1 间歇操作的完全混合反应器
特点 釜式反应器结构： 加热方式 搅拌器形式 温度测量
化
学
工
程
系
一、间歇反应器特点 1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需 要一定非生产性时间； 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化，产品质量不易稳定； 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。
x Af
xA 0
dxA rA
xA0
xAf xA
若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反 应，则平均停留时间是否与空时相等？
化
学
工
程
系
管式反应器设计步骤
设计方程 速率方程 （二级反应）
rAdV = -dFA
dFA dx A V = FA0 rA rA
rA kC
2 A
C A C A 0 1 x A 1 y A 0 x A
反 应 器 的 尺 寸、设 计 ——理想反应器
化
学
工
程
系
反应器内流体的流动与混合状态 返混：不同停留时间的流体微团之间的混 合称之为返混。
停留时间： 空时和空速：
化
学
工
程
系
返混无穷大： 理想混合，是指反应流体在反应器内的 混合瞬间完成，混合所需的时间可以忽略。 反应器内各点的物料具有相同的温度和浓度 且等于反应器出口物料的温度和浓度。 返混为零： 反应物料在反应器内以同一流速和沿同 一方向流动，所有的物料质点在反应器内的 停留时间都相同，不存在返混。
C2H6 C2H4
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
化
学
工
程
系
例1.3
乙二醇可用作抗冻剂和生产聚酯、瓶子及胶片。
希望年产2亿磅乙二醇，反应器等温操作。浓度为 16mol/l的环氧乙烷水溶液A与等体积含有0.9％（质量） 的硫酸催化剂水溶液一起加入反应器中。如果达到80 ％转化率，确定反应器体积。反应速率常数为 0.311min-1 ,1磅=0.4536kg
化
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6
L
学
A→B/2 A→B A→3B
工
程
系
N N0 (1 yA0 A X A )
T p0 V =V（ 0 1+yA0 A X A ) T0 p （理想气体）
12
转化率
8
10
反应速率参数相同时，在反应器长度一定时，总摩尔数减 少的反应具有最高的转化率。 原因是在温度和压力一定的条件下，因为总摩尔数减少， 体积流率随转化率的增加而减少，反应物在反应器中的停 留时间比总摩尔数没有变化的反应物停留时间长，因此转 化率相应要高。
VR=v0 (t＋t0)
式中：
t0－ 辅助生产时间，包括加料、排料、 洗反应器和 物料的升温、冷却。 v0 －平均每小时反应物料的体积处理量。
化
学
工
程
系
3.反应器实际体积V的计算 反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实际 体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
V
VR
φ是装料系数，一般为0.4～0.85，
化
学
工
程
系
液相间歇反应器设计步骤
反应时间t 有效反应体积VR
间歇聚合过程典型循环时间
循环时间: t=t反+t辅助
化
学
工
程
系
设计过程：
摩尔衡算 速率方程 化学计量学 结合
dx rAV dt nA0
rA kC A
C A C A0 (1 x A )
2 rA kC A
dx k (1- x) dt 1 1 t ln k 1- x
若反应为恒温恒压
dxA V = FA0 2 kC A (1 y A0 xA ) 2 dxA FA0 2 2 kC A (1 x ) 0 A FA0 (1 y A0 xA )2 dxA 2 2 kC A (1 x ) 0 A
化
学
工
程
系
求反应器长度 设反应器面积为A，则
FA0
FA
rAVR
0
FA0 －FA = rAVR
VR FA0 FA C A0 x A rA v0 v0 rA
恒容时
※全混流反应器设 计方程※
C A0 C A rA
化
学
工
程
系
全混流反应器图解计算
1 rA
C A0 - C A τ= rA
CA
CA0
C
化
学
工
程
系
CSTR反应器的设计步骤
化
学
工
程
系
压降方程——ergun方程
压降沿管长变化：
β0
压降随催化剂质量变化：
αp0/2
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
C2H6 C2H4
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
留时间都相同。
பைடு நூலகம்
CAout
化
学
工
程
系
二、平推流反应器时间的计算
流入量＝流出量＋反应量＋累积量
FA
FA dFA
rAdVR
0
dFA rAdVR
dFA FA0dxA
xA2 dx VR A cA0 xA1 r v0 A
化
学
工
程
系
平推流反应器图解计算
1 rA
/ C A0
化
学
工
程
系
1.2 平推流反应器（丙烷、乙烷分解） 一、平推流反应器的特征 1.通过反应器的物料质点，
CA CA0
轴向上以同一流速流动，
在流动方向上没有返混。 2.径向上物料浓度、温度相 同。 3.所有质点在反应器中 的停
CAout 管长 Z/2 CA CA0 0 Z/2 Z 时间 图 3.4-1 平推流反应器图示 Z
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
夹套式蒸汽加热反应釜
内外盘管式加热不锈 钢反应釜
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
装配式热电偶
化
学
工
程
系
二、间歇反应器计算
1.反应时间的计算 根据物料衡算
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
rA =kp p
1 2 3 3 A B
mol/(g h)
260℃时k=0.0141mol/(atm· g· h)，A为乙烯。
化
学
工
程
系
组建年产2亿磅乙二醇的工厂。 由乙烷裂解生产乙烯，然后催化氧化生成环氧乙 烷，水解生成乙二醇。
化
学
工
程
系
根据操作方式和流动模型，理想反应器分为：
理想反应器
间歇反应器
连续反应器 平推流反应器
全混流反应器
化
学
工
程
系
组建生产乙二醇工厂？
乙二醇
水解
环氧乙烷
氧化
乙烷
裂解
乙烯
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
C2H6 C2H4
化
学
工
程
系
1 rA
间歇釜反应器图解
dCA t C A0 r A
C Af
CAf
CA0
CA
化
学
工
程
系
1 rA
t / C A0
dxA x A0 r A
x Af
xA0
xAf
xA
化
学
工
程
系
2. 反应器有效体积VR的计算 一个操作周期时间：(t＋t0) 物料处理量为v0(m3/h)
∴反应器的有效体积
设计方程
FA0 FA FA0 x VR rA rA
VR C A0 x A v0 rA
恒容时 速率方程 （一级反应）
C A0 C A rA
rA kC A
计算V
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
0
0
rAV R
dn A dt
dn 即： rAV R A dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：
t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时：
t C A0
x Af
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于反应速 率，而与反应器体积大小无关；反应器的大小由处理 量决定。
起泡、沸腾物料取0.4～0.6。
化
学
工
程
系
理想间歇反应器中简单反应的结果
反应速率式
反应级数
转化率式 kt=cA0xA
零级
rA=k rA=kcA rA=kcA
2
一级
1 kt ln 或xA＝ 1 －e kt 1 xA
二级
cA0 kt xA cA0 kt 或xA＝ 1 xA 1+cA0 kt
反应速率方程，反应在6atm和1100K的条件下等温操 作。已知1000K时，k=0.072s-1，活化能为 82kcal/mol。 1磅=0.4536kg。 C2H6=C2H4+H2
化
学
工
程
系
1.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器 一、特点
1. 反应器内各空间位置温
CA0 F A0 v0 T0 CA F A v Tout
FA0 (1 y A0 xA )2 dxA L 2 kCA0 A (1 xA )2
FA0 (1 y A0 xA )2 dxA V 2 kCA0 (1 xA )2
对某二级反应，k=5.0L/mols，A=1.0dm2
CA0=0.2mol/L，v0=1L/s
转化率和反应器长度关系如下。
化
学
工
程
系
平推流和全混流反应器比较
1 rA
C A0 - C A τ= rA
t = -
CA CA0
C Af
C A0
dC A rA
C
化
CSTR和PFR的选择：
学
工
程
系
有一液相均相反应： ，可选择350K的CSTR和 300K的PFR两种反应器进行反应，已知
300 K时 k = 0.07 dm3/（mol· min），E = 85000 J/(mol· K) CA0B = CB0B = 2 mol/dm 3 ,vA0 = vB0 = 0.5v0 = 5 dm3/min
dx kC A 0 (1- x) 2 dt
积分
x t kC A0 (1- x)
有效反应体积VR如何计算？
化
学
工
程
系
例1.1 拟在等温间歇反应器进行氯乙醇的皂化反应： ClCH2CH2OH＋NaHCO3→OHCH2CH2OH ＋NaCl＋CO2 乙二醇产量为20kg／h。使用15％的NaHCO3水溶液及 30 ％ ( 均为质量 ) 的氯乙醇水溶液作原料，摩尔比为 1∶1，混合液密度为 1.02kg/L。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)。要求氯乙醇转化率达到95％。 (1)若辅助时间为0.5h，试计算反应器的有效体积。 (2)若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
选择哪种反应器？
化
学
工
程
系
1.4 填充床反应器设计
摩尔衡算 动力学方程 计量关系
CA CA0
2
压降P和催化剂质 量W关系？
1 x p T0 1 yA0 A x p0 T
2 2
kC A0 p T0 dx (1 x) dW FA0 (1 y A0 A x) 2 p 0 T
度、浓度均一。
2. 返混无穷大 3. 反应器内浓度、温度与 出口处浓度、温度相同。
T m，out G
VR T=Tout Ci=Ci，out
T m， in G
化
学
工
程
系
全混流反应器浓度-时间图
CA0
CA
t0
t
t
化
学
工
程
系
二、全混流反应器的设计方程
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
化
学
工
程
系
例3. 乙烯氧化生产环氧乙烷。乙烯和氧气按化学计 量比进入260℃等温操作填充床反应器中，10atm下 乙烯进料流率为 136.2mol/s 假定用 10 个管束式反应 器，每个反应器中有 100 根直径为 1.5in 装有催化剂 的管子。反应流体的性质与该温度压力下空气性质 相 同，催 化剂颗 粒直径 为 0.635cm ， 颗 粒 密度 为 1.923g/cm3 ，空隙率为 0.45 。若使转化率达到 60% ， 计算所需催化剂的质量。（等温反应）
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
C2H6 C2H4
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
化
学
工
程
系
例1.4 确定由纯乙烷裂解年产3亿磅乙烯，转化率为80%时
所需活塞流反应器体积。反应为不可逆且遵循基元
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
化
学
工
程
系
稳态等温反应器设计
化
学
工
程
系
1.1 间歇操作的完全混合反应器
特点 釜式反应器结构： 加热方式 搅拌器形式 温度测量
化
学
工
程
系
一、间歇反应器特点 1. 反应物料一次加入，产物一次取出。需 要一定非生产性时间； 2.非稳态操作，反应器内浓度、温度随反应 时间连续变化，产品质量不易稳定； 3.同一瞬时，反应器内各点温度相同、浓度 相同。
x Af
xA 0
dxA rA
xA0
xAf xA
若在平推流反应器中进行摩尔数增加的气相反 应，则平均停留时间是否与空时相等？
化
学
工
程
系
管式反应器设计步骤
设计方程 速率方程 （二级反应）
rAdV = -dFA
dFA dx A V = FA0 rA rA
rA kC
2 A
C A C A 0 1 x A 1 y A 0 x A
反 应 器 的 尺 寸、设 计 ——理想反应器
化
学
工
程
系
反应器内流体的流动与混合状态 返混：不同停留时间的流体微团之间的混 合称之为返混。
停留时间： 空时和空速：
化
学
工
程
系
返混无穷大： 理想混合，是指反应流体在反应器内的 混合瞬间完成，混合所需的时间可以忽略。 反应器内各点的物料具有相同的温度和浓度 且等于反应器出口物料的温度和浓度。 返混为零： 反应物料在反应器内以同一流速和沿同 一方向流动，所有的物料质点在反应器内的 停留时间都相同，不存在返混。
C2H6 C2H4
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
化
学
工
程
系
例1.3
乙二醇可用作抗冻剂和生产聚酯、瓶子及胶片。
希望年产2亿磅乙二醇，反应器等温操作。浓度为 16mol/l的环氧乙烷水溶液A与等体积含有0.9％（质量） 的硫酸催化剂水溶液一起加入反应器中。如果达到80 ％转化率，确定反应器体积。反应速率常数为 0.311min-1 ,1磅=0.4536kg
化
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 2 4 6
L
学
A→B/2 A→B A→3B
工
程
系
N N0 (1 yA0 A X A )
T p0 V =V（ 0 1+yA0 A X A ) T0 p （理想气体）
12
转化率
8
10
反应速率参数相同时，在反应器长度一定时，总摩尔数减 少的反应具有最高的转化率。 原因是在温度和压力一定的条件下，因为总摩尔数减少， 体积流率随转化率的增加而减少，反应物在反应器中的停 留时间比总摩尔数没有变化的反应物停留时间长，因此转 化率相应要高。
VR=v0 (t＋t0)
式中：
t0－ 辅助生产时间，包括加料、排料、 洗反应器和 物料的升温、冷却。 v0 －平均每小时反应物料的体积处理量。
化
学
工
程
系
3.反应器实际体积V的计算 反应器的实际体积是考虑了装料系数后的实际 体积(不包括换热器搅拌器的体积)。
V
VR
φ是装料系数，一般为0.4～0.85，
化
学
工
程
系
液相间歇反应器设计步骤
反应时间t 有效反应体积VR
间歇聚合过程典型循环时间
循环时间: t=t反+t辅助
化
学
工
程
系
设计过程：
摩尔衡算 速率方程 化学计量学 结合
dx rAV dt nA0
rA kC A
C A C A0 (1 x A )
2 rA kC A
dx k (1- x) dt 1 1 t ln k 1- x
若反应为恒温恒压
dxA V = FA0 2 kC A (1 y A0 xA ) 2 dxA FA0 2 2 kC A (1 x ) 0 A FA0 (1 y A0 xA )2 dxA 2 2 kC A (1 x ) 0 A
化
学
工
程
系
求反应器长度 设反应器面积为A，则
FA0
FA
rAVR
0
FA0 －FA = rAVR
VR FA0 FA C A0 x A rA v0 v0 rA
恒容时
※全混流反应器设 计方程※
C A0 C A rA
化
学
工
程
系
全混流反应器图解计算
1 rA
C A0 - C A τ= rA
CA
CA0
C
化
学
工
程
系
CSTR反应器的设计步骤
化
学
工
程
系
压降方程——ergun方程
压降沿管长变化：
β0
压降随催化剂质量变化：
αp0/2
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
C2H6 C2H4
3
分离器
H2O
C 2H 4O
7
8
4
0.9%H2SO4 EG
C2H4O(aq)
吸收器
留时间都相同。
பைடு நூலகம்
CAout
化
学
工
程
系
二、平推流反应器时间的计算
流入量＝流出量＋反应量＋累积量
FA
FA dFA
rAdVR
0
dFA rAdVR
dFA FA0dxA
xA2 dx VR A cA0 xA1 r v0 A
化
学
工
程
系
平推流反应器图解计算
1 rA
/ C A0
化
学
工
程
系
1.2 平推流反应器（丙烷、乙烷分解） 一、平推流反应器的特征 1.通过反应器的物料质点，
CA CA0
轴向上以同一流速流动，
在流动方向上没有返混。 2.径向上物料浓度、温度相 同。 3.所有质点在反应器中 的停
CAout 管长 Z/2 CA CA0 0 Z/2 Z 时间 图 3.4-1 平推流反应器图示 Z
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
夹套式蒸汽加热反应釜
内外盘管式加热不锈 钢反应釜
化
学
工
程
系
化
学
工
程
系
装配式热电偶
化
学
工
程
系
二、间歇反应器计算
1.反应时间的计算 根据物料衡算
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
rA =kp p
1 2 3 3 A B
mol/(g h)
260℃时k=0.0141mol/(atm· g· h)，A为乙烯。
化
学
工
程
系
组建年产2亿磅乙二醇的工厂。 由乙烷裂解生产乙烯，然后催化氧化生成环氧乙 烷，水解生成乙二醇。
化
学
工
程
系
根据操作方式和流动模型，理想反应器分为：
理想反应器
间歇反应器
连续反应器 平推流反应器
全混流反应器
化
学
工
程
系
组建生产乙二醇工厂？
乙二醇
水解
环氧乙烷
氧化
乙烷
裂解
乙烯
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
C2H6 C2H4
化
学
工
程
系
1 rA
间歇釜反应器图解
dCA t C A0 r A
C Af
CAf
CA0
CA
化
学
工
程
系
1 rA
t / C A0
dxA x A0 r A
x Af
xA0
xAf
xA
化
学
工
程
系
2. 反应器有效体积VR的计算 一个操作周期时间：(t＋t0) 物料处理量为v0(m3/h)
∴反应器的有效体积
设计方程
FA0 FA FA0 x VR rA rA
VR C A0 x A v0 rA
恒容时 速率方程 （一级反应）
C A0 C A rA
rA kC A
计算V
化
学
工
程
系
C2H4,H2
C2H6
1
C2H6
C2H4+H2
分离器
Ag
C2H4+0.5O2
6 5
O CH2-CH2
0
0
rAV R
dn A dt
dn 即： rAV R A dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：
t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时：
t C A0
x Af
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于反应速 率，而与反应器体积大小无关；反应器的大小由处理 量决定。