第三章 均相等温反应器
第三章 釜式及均相管式反应器综述
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程，液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 1250 630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300 1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550 2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060 4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙 醇和水的起始浓度为
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
（1）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；
第三章 均相反应过程
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。
例3-3
均相气相反应A→3R，其动力学方程为-rA=kcA，该过
程在185℃，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中 k=10-2s-1，进料量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性气， 为使反应器出口转化率达80％，该反应器体积应为多 大?
进入速率-排出速率-反应消耗速率=累积速率
故
FA-(FA+dFA)-(-rA)dVR=0 -dFA=(-rA)dVR FA=FA0(1-xA)
dFA=-FA0dxA
由于 微分 所以
FA0dxA=(-rA)dVR
为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应
器而言，应将上式积分。
在恒容条件下，
cA cA 0 1 xA
xA cA dc dxA A rA cA0 rA
上式可简化为：
t r cA0
0
间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr，只 是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投 入量无关。
3.2.4 设计计算过程
料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等 辅助生产时间。
3.2.3 间歇反应器设计方程
反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有
效容积V’R作为衡算体系。
在单位时间内，对组分A作物料衡算：
单位时间进入VR 单位时间排出VR 单位时间VR内反应 单位时间内VR中 的物料A的量 的物料A的量 消失的物料A的量 物料A的积累量
第三章 均相等温反应器
（3-1-6）
式中
c A0 (H r ) cV
（3-1-7）
式（3-1-4）与（3-1-6）联立，采用数值法求解，可确定反应所需时间t。
3-2-2 绝热操作
操作方程
d (VcV T ) V (rA )( H r ) dt
dn A dt
（3-1-2）
图3-1-1 间歇反应器示意图
(rA )V
dn A dx n A0 A dt dt
积分
t n A0 t c A0
xA
0
dxA (rA )V
c A dc dxA A c A 0 (r ) (rA ) A
（3-1-3）
恒容时
xA
3-1-3 BR操作的优化分析
（1）以最大平均生产率为优化目标 cV Max YR R 目标函数 t t0 上式求极值得 若一级不可逆反应
dcR c R dt t t0
（3-1-12） （3-1-13）
A + B
R
xA xA,opt
cR cA0 xA
式（3-1-13）可用转化率表示为
0.6 3.18
0.8 8.50
0.9 19.0
讨论：为何反应后期反应时间随转化率增大而急剧增加？
（2）计算反应器体积 V 辅助操作时间 t0 操作周期 t + t0 生产能力 V0 进料、出料、清洗等操作需要的时间。 处理一批物料所需总时间。
单位时间处理反应物料的体积。
V0
WA 2400 171L / h 24M Ac A0 24146 0.004
2. 热量衡算通式（操作方程） 依据：能量守恒定律。 基准：单位时间。 方程： Ⅰ = Ⅱ＋Ⅲ ＋ Ⅳ ＋ Ⅴ (B)
第三章 均相反应器
反应器的压力降、传热面 积、产品质量等是否合格
动力学方程式
反应器设计的 基础方程式 物料衡算式
热量衡算式
动量衡算式
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
反应器设计计算时，必须建立物料浓度、 温度均匀的单元体积△V和单元时间△τ。
（1）物料衡算式
石油化学工程系
SV
V0 N
VR
化学工程与工艺教研室
（3.1-3）
weigang
3.2 等温条件下理想反应器的设计分析
等温条件下反应器的设计计算就是动 力学方程式、物料衡算式的结合
3.2.1 间歇操作的充分搅拌釜式反应器Batch Reactor
1、间歇反应器特点 （1）由于良好的搅拌、混合，反应器各 位置物料温度、浓度处处均一。
所以，热量衡算式为：
Gc p dT (rA )( H r ) AT dl KdT (Tw T )dl 0
dl Gc p
（3.3-11）
dT 1 整理得： [( rA )( H r ) AT KdT (Tw T )] （3.3-12）
物料衡算式为：
石油化学工程系
weigang
对于恒容过程： VR
或，
石油化学工程系
V0 (c A0 c Af ) (rA )
c A0 x Af c A0 c Af VR V0 (rA ) ( rA )
化学工程与工艺教研室
式（3.2-22）的几何意义如图3-8：
1 ( rA )
面积
设计计算、确定反应器 尺 寸 、 评 价 。
间歇操作充分搅拌釜式反应器
化学反应工程(中山大学)第3章 均相反应过程
⑵.反应器设计与分析 不同反应器能提供不同的三传环境
反应器特性
（1）流动状态 （2）混合状态 （3）传热特性
这些特性因反应器的结构和几何尺寸而异
3.1 概述
第三章 均相反应过程
3.1.1 停留时间和返混
停留时间是指从物料进入反应器起至离开反应器为止所经历的 时间。
返混是指停留时间不同的流体粒子之间的混合。 在反应器中，由于返混会导致反应器内各处物料停留时间不 一，引起反应程度差异，使各处物料浓度分布不均、反应结果 变化。
若空速为4h-1,就意味着在规定条件下，每小时进入反应器的物 料相当于4个反应器的体积；若空时为2h,指的是在规定条件下， 每2h就有相当于一个反应器体积的物料通过反应器
3.2 简单反应器
第三章 均相反应过程
3.2 简单反应器
第三章 均相反应过程
3.2 简单反应器
第三章 均相反应过程
3.2 简单反应器
恒容条件下，
t CA dCA (间歇釜) CA0 (rA )
CA dCA (平推流) CA0 (rA )
3.2.2 平推流反应器
第三章 均相反应过程
3.2.2 平推流反应器
实例
例3-2，3-3
课后习题2
第三章 均相反应过程
3.2.3 全混流反应器
第三章 均相反应过程
CH3COOH(A)+C2H6OH(B) = CH3COOC2H5(R)+H2O(S)
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。反应在100℃下 等温操作，其反应速率方程为
rA k(CACB CRCS / K )
第3章均相反应过程
FA
F
A
(1
0
xA)
v
0
c
A
(1
0
xA)
dF
A
d
[
v
0
c
A
(1
0
x A )]
v 0 c A 0 dx A
v 0 c A 0 dx A ( r A )dV
dV dx A v0c A0 rA
V dV x A dx A 0 v0c A0 0 rA
V/v0
式反应器或全混流釜式反应器中进行，为达到相同的转化
第 三
率，所需的空时和空速各是多少？
章 2、用物料衡算式推导间歇式反应器的性能方程。
均 相
2、在555K及3kgf/cm2下，在平推流管式反应器中进行A→P，
反 已知进料中含30%A(摩尔数)，其余为惰性物料，加料流量为
应 过
6.3mol/s，动力学方程为(-rA)=0.27nA[mol/(m3·s)]，为达到
三
章
平推流反应器的设计方程
均
相 反 应 过
V cA dcA
v0
cA0(rA)
程
2019/10/19
24
反 应 工
cA0xxAA0(drA Ax),ccAA0(drA Ac)
程
第
三
章
均
相
反
应
过
程
0 CA
CA0
图3－5平推流反应器图解计算示意图
2019/10/19
章 均
的降低。
相 在流动反应器中物料的流动过程不相同，造成物料浓度
反 应
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
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。
第三章-理想流动均相反应器设计题解
解:VR 1 lnTP = V0=k 山番=1 Innr~X A = 027 In 1 0.95 =11.1 SV R=11.1S X6.3mol /s19.8mol /m3=3.53m31.51 n2 0.250.4 =1.974h第三章理想流动均相反应器设计题解1、［间歇反应器与全混釜恒容一级］有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应，13分钟后，反应物转化了70%.今拟将此反应转至全混流反应器，按达到相同的转化率应保持多大的空速？解：In CCA0=kt, CA0A0CA =0.7 , C A=0.3C A0间歇釜中「.In-10.3= —13k, k=0.0926 min在全混釜中TVR CA0 XA 0.7-1== = =25・2讪•••空速5=2 = ^ =0.0397min-12、［平推流恒容一级］有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa压力下进行P气相反应，已知进料中含30%A(mol)，其余70%^惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为J=0.27C Amol/m3• s,要求达到95%专化.试求⑴所需的空时？⑵反应器容积？• V R =T P-V0= T PC A0C A0而C A0= R°= 0舄红=0.0198mol/L=19.8mol/m3、［平推流变容过程一级］有一纯丙烷裂解反应方程式为Gn QH+CH.该反应在772 C等温条件下进行，其动力学方程式为-dPMdt=kP A,忽略存在的副反应，并已知k=0.4h-1反应过程保持恒压0.1MPa. 772C和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积•解：Tg A= 221=0.5••• k T F=- (1 +e A) In (1- X A)- £A X Af0.4 T P=—(1+0.5) In (1-0.5)-0.5 X 0.5V R= T P V0=1.974X 800=1579L=1.579 m34、［间歇釜变容一级］一级气相反应22R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进行，原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性气体,经8分钟后，其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率？速率常数多大？解：膨胀因子S A=^=2膨胀率£ A=y A0 S A=0.75 X 2=1.5解:解:T 沁-C A0C A1 -T 2=V R2=C^-^= C A0(X A2 X A1)V0 r A2 kC A02 (1X)2所以,整理有试差解得T 1= T 2 两釜相同x A2 x A 1(1X A1)2(1X A2)2 '2(1-0.875) X A1=(0.875- xX A1=0.7251而X A2 =0.8752A1)(1- X A1)所以，V R=」S冷二遊霊需山=4・16m3对应转化率沦的反应体积V=V 0(1 + s A X A)所以，V 1X A=w =黄=66.7%A 「5K=? ln一=8h ^^7 =0.0735 min -15、［全混流恒容二级反应］在全混流反应器中进行液相均相二级反应:A+B T C,在298K下的动力学方程式为「A=0.6C A C B mol/(L.min), 该反应的进料速率为v 0 =0.018m /min.A,B 的初始浓度相同，均为0.1mol/L,要求出口的转化率为90%,求需多大的全混釜？V R _ C A0X Af _ C A0X Af _ C A0X Af _ C A0 X Af _= = = 厂=2 2 = T mV r A k C A C B kC A2kC A02 (1 x Af )2T m =0.6 0.：(9 0.9)2 =150 min•••V R=VO T n=0.018 m3/mi nx 150min=2.7 m36、［多釜串联液相二级］3 3某一液相反应A+4R+S，其速率常数k=9.92m/(Kmol • KS),初始浓度为0.08Kmol/m , 在两个等体积的全混釜中进行反应，最终出口转化率0.875.进料体积流量为0.278m3/KS .求全混釜的总体积？总反应器体积V R=2V R1=2 x 4.16=8.33 m37. 【自催化反应优化】自催化反应A+R T R+R,速度方程为-r=kC A C R,体系总浓度为C0= C A+C R 若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？( 5分)解：A+R T R+R -r A =kC A C R C0 =C A + C R.串联连接，管式反应器加釜式反应器速度较快，同样转化时所用的体积较小。
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。
第三章 均相反应器的设计PPT课件
作，起反应速率方程如下：
r A k 1 c A c B c R c S/K
100 0C时，k1=4 .76×10-4L/(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。
25
3.3 连续釜式反应器 CSTR
r A k 1 c A c B c R c S/K
8
3.2 间歇反应器
二、物料衡算和能量衡算方程
控制体 整个反应器体积 非定态操作 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 可忽略压力变化（常用于液相反应） 描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。
9
3.2 间歇反应器
三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
A+B→C+D
单 位 时 间 流 入 单 位 时 间 内 单 位 时 间 内 A 在 反 应 器 内 的 物 料 A 的 量 - 流 出 的 A 的 量 - 反 应 掉 A 的 量 = 的 积 累 速 度
间歇反应器的设计步骤：
1 列与反应相同个数的设计方程， 且方程中至少包括每步反应的一 个组分；
2 根据反应条件，确定定解条件；
3 解方程（组），求出反应时间；
4 Vr = Q0 (t+t0 )
5 V = Vr / f
装料系数，常在 0.4~0.85，对于沸 腾或易发泡液体 反应物料取 0.4~0.6；对一般 液体物料，取 0.7~0.85
代入速率方程，整理后 得
rAk1a bAx cA 2 xcA 02cA 0d dAx t
其 a c B 0 / c A 0 ， b 中 [ 1 c B 0 / c A 0 c S 0 / c ， A 0 K ] ， c 1 1 / K
第3章 均相反应过程(理想反应器)
单位时间反应消失的A的量 单位时间反应器A的累积量
单位时间反应消失的A的量＝（-rA）V
13
一、间歇反应器
物料平衡：流入＝流出＋反应＋累积
0 ＝0+（-rA）V+d(VcA)/dt
dVc A dnA (rA ) V dt dt (rA ) V
dnA t n 0 dt (rA ) V
4
一、流动模型
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
流动模型是专指流动反应器而言的。 对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流反应器 简称间歇式反应器
理想反应器
理想平推流反应器 简称平推流反应器
理想全混流反应器 简称全混流反应器
平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中 的流动状况，介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反 应器是为把问题简化，把接近于理想流动的过程当作该种理 想流动来处理。
10
第三章 均相反应过程
3.1 概述 3.2 简单反应器的性能方程 一、间歇反应器 二、平推流反应器 三、全混流反应器
11
一、间歇反应器
间歇式反应器中的物料平衡： 反应单元 流入
反应消耗
累积
流出
12
一、间歇反应器
间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡： 单位时间流出反应器A的量 单位时间 进入反应 器A的量 =
图3-3
从而得出反应时间和转化率关系的间歇式反应器性能方程。
15
一、间歇反应器
例题：计算间歇反应器中的反应时间 一级不可逆反应在一间歇式反应器中进行，求在50℃ 反 应转化率达70%所需的时间。 已知： A R
rA kcA , kmol /(m3 h)
第3章均相反应过程-精选文档
味着反应器中的温度和浓度处处相等。出口的温度、浓
度同反应器内。温度和浓度不随时间变化，反应速率处 处相等并保持恒定。
2019/2/21
7
反 应 工 程 第 三 章 均 相 反 应 过 程
平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中
的流动状况，介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反 应器是为把问题简化，把接近于理想流动的过程当作该种理 想流动来处理。 平均停留时间：进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时
4
反 应 工 程 第 三 章 均 相 反 应 过 程
平推流反应器：其特点是反应器无返混
平推流反应器
全混流反应器：其特点返混无穷大
全混流反应器
2019/2/21
5
反 应 工 程 第 三 章 均 相 反 应 过 程
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
平推流模型 全混流模型
流动模型是专指流动反应器而言的。 对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况。
单位时间反应消失的A的量 单位时间反应器A的累积量
2019/2/21
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反 应 工 程 第 三 章 均 相 反 应 过 程
单位时间反应消失的A的量＝（-rA）V 物料平衡：流入＝流出＋反应＋累积
0 ＝0+（-rA）V+d(VcA)/dt
dV c dn A A ( r ) V , dt A dt ( r ) V A
dxA t nA0 0 V(rA )
xA
若反应为恒容
x x n A dx A 0 A dx A A t c A 0 0 0( V ( r ) r ) A A
2019/2/21
化学反应工程-第3章 均相反应器 课件-259页精选文档
第3章均相反应过程第一讲雷泽zelei@home.ipe.ac本章要求：• 掌握均相反应器设计计算的基本原理和方法；• 熟悉各种均相反应器的性能特征，并能结合反应的特点选择反应器形式和操作方式。
几种典型简单反应器V, C A0 •分批操作釜式（完全混合）反应器（BR）VBatch Reactor------间歇反应器•半分批操作釜式反应器（SBR）Semibatch Reactor成分A •连续操作平推流反应器（PFR）成分B Plug Flow Reactor•连续操作釜式反应器（CSTR）Continuous Stirred Tank reactorC A V, C A 生成物R第 3 页反应器开发的任务：•根据反应动力学特性来选择合适的反应器型式；•结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作设计；•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。
3.1 物料在反应器内的流动模型•流动模型为研究反应器内流体的实际流动型态，在不改变其实际性质的前提下，对流体流经反应器时的实际流动和混合状况的本质规律加以适当的理想化的描述。
这种适当理想化的流动形态称为流动模型。
第 5 页理想置换理想流动模型理想混合（本节讨论）流动模型非理想流动模型轴向分散模型多级串联模型3.1.1 平推流模型（或活塞流、或理想置换）•反应物料按一定的流率定态操作条件下进入反应器，并且以一致的方向向前移动，在整个截面上各处的流速完全相等。
T、c、p、u相等•特征：流体所有粒子在反应器中的停留时间相同，并且等于流体通过该反应器所需的时间。
管式反应器中流体的流动型式基本上是理想置换。
第 7 页3.1.2 全混流模型（理想混合、完全混合）•流体以定态流率进入反应器后，刚进入反应器的新鲜物料粒子与存留在反应器中的粒子能在瞬间发生完全混合（新旧混合时间t=0）。
•基本特征：T,CT,C 整个反应器中1.釜内各点的T、C都相同；2.釜内各点的T、C= 出口处的物料的T、C。
化学反应工程 第三章 均相反应过程
化学反应工程
3.2 简单反应器
1 2
间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器
3
化学反应工程
3.2.1 间歇反应器
可以写出微元时间 内的物料衡算式。
整理并积分得：
化学反应工程
3.2.1 间歇反应器
在恒容条件下，式（3-5）可简化为：
化学反应工程
3.2.2 平推流反应器
如图3-4所示，这时可有：
故
对恒容系统，
化学反应工程
上式简化为：
3.5.1 单一反应
若初始进料与初始浓度相同，还可简化为：
式（3-75），式（3-76）可以图解形式表示在图3-22上， 它直接表示了为达到一定转化率时所需的平推流和全混流的体
积比。
化学反应工程
3.5.1 单一反应
化学反应工程
3.5.1 单一反应
化学反应工程
浓度，故瞬时收率等于总收率，
或为：
全混釜的总收率 与平推流反应器总收率
之间的关系为：
化学反应工程
3.5.2 复合反应
对任一型式反应器，产物Ｐ的出口浓度直接从下式得：
这样，利用式（3-81），可以用图3-29所示的图解方法求得 不同型式反应器的 。
化学反应工程
3.5.2 复合反应
如图3-30所示的三种不同的 曲线，为获得最大的 ，应分别采用平推流反应器、全混流釜式反应器以及全混釜
第三章-均相理想反应器(1)PPT课件
5
•4.空间时间（空时）τ－－反应器有效体积
VR和反应流体入口条件下体积流率V0之比。
VR
V0
•5.空间速度（空速）Sv[时间－1]－－单位时 间内投入到反应器中的物料的体积流量与反
应器有效容积之比。
Sv
VO VR
标准空速
Sv
V ON VR
6
•6 空时与反应时间和平均停留时间的区别 •（1）空时与反应时间： •空时用于连续流动反应器，反映生产强 度的大小； •反应时间用于间歇反应器，反映化学反 应进行快慢的量度，并不反映反应器的生 产强度。
14
• 按物料在反应器内返混情况作为反应器 分类的依据将能更好的反映出其本质上 的差异。
• 按返混情况不同反应器被分为以下四种 类型
15
间歇反应器
• 间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称 间歇反应器）。在反应器中物料被充分 混合，但由于所有物料均为同一时间进 入的，物料之间的混合过程属于简单混 合，不存在返混。
16
平推流反应器
• 理想置换反应器（又称平推流反应器或 活塞流反应器）。在连续流动的反应器 内物料允许作径向混合（属于简单混合 ）但不存在轴向混合（即无返混）。典 型例子是物料在管内流速较快的管式反 应器。
17
全混流反应器
• 连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称 全混流反应器）。在这类反应器中物料 返混达最大值。
• 例1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己 二 醇 以 等 摩 尔 比 在 70℃ 用 间 歇 釜 并 以 H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的， 实验测得反应动力学方程为：
(rA )
kc
2 A
k 1.97 103
kmol m 3min1
化学反应工程课件 第三章3
CA
生产氯丁橡胶的单体2-氯-1，3-丁二烯在乙醇中用碱脱氯 化氢而得，反应方程式为 A + B → R + E CB 0 / C A0 = β ≠ 1 β − xA ln = C A0 ( β − 1)kt 其动力学方程式的积分式为 β (1 − x )
A
例14
已知
T/K k/[mol/L·min]
303 0.03
313 0.07
323 0.19
据此，进行如下计算：
1. 间歇反应釜。工艺条件：反应前期，等温40℃，反应时间30min; 反应后期，温度50℃，反应时间30min；CA0=2.2mol/L， β=1.25，求总转化率为多少？ 2. 保持上述题条件，等温40℃，全混釜，求达到98%和99%转化 率所需要的时间。 3. 两只大小相同的全混釜串联，前者40℃，后者50℃，求达到98% 和99%转化率所需要的时间。 4. 三只大小相同的全混釜串联，前两者40℃，后者50℃，求达到 98%和99%转化率所需要的时间。 5. 比较上述结果。
C A 2 = C A0 (1 − x A 2 ) υ1 = υ 0 + υ 3 υ3 = βυ2 υ0 = υ2
β xA2 ∴ x A1 = 1+ β
FA0 CA0 v0 xA0
新鲜料
FA0’ CA1 v1 xA1
xA2
FA2= FA0(1-xA2) CA2 v2 xA2 出料
循环物料v 3 = β υ 2
e − kτ 2 = C A0 1 + kτ 1
C Af = C A1e
− kτ 2
零级反应，无论体积是否相等，也等效。
C Af = C A1 − kτ 2 = C A0 − k (τ 1 + τ 2 ) C Af = C A1 − kτ 1 = C A0 − k (τ 1 + τ 2 )
等温反应器名词解释
等温反应器名词解释
等温反应器是一种在恒定温度下进行化学反应的装置，通常被用于研究反应的动力学和热力学特性。
等温反应器可以采用多种不同的形式，包括连续流动反应器、间歇式反应器、均相反应器和异相反应器等。
在等温反应器中，反应物会在恒定温度下发生化学反应，而反应物的浓度和反应速率随时间的变化将被记录。
这些数据可以用于确定反应动力学参数，如反应速率常数和反应级数等。
同时，等温反应器也可以用于研究热力学特性，如反应的热效应、反应焓和反应熵等。
这些数据对于理解反应机理和指导工业生产都具有重要意义。
为了确保等温反应器的稳定性和精度，其通常配备了精密的温度控制和测量装置，如热电偶和温度计等。
此外，等温反应器还需要具备良好的搅拌和气体控制功能，以确保反应物混合均匀和反应条件恒定。
总之，等温反应器是一种重要的实验装置，广泛应用于化学研究和工业生产领域。
它可以为我们提供有关反应动力学和热力学特性的重要信息，有助于优化反应过程和改进工业产品的质量和效率。
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所以
5 65 . 65
0 .5
1 . 34 54 s
3.2.3 全混流反应器 （Continuous Stirred Tank Reactor 简称 CSTR ） 特点： （1）连续进料，连续出料； （2）反应器内各点浓度和温度均匀一致，且与出口处相等； （3）反应器内浓度和温度不随时间变化，是定常态操作过程。
与BR设计方程的比较
t c A0
xA
dx
A
0
( rA )
cA
dc
A
cA0
( rA )
（3.2-3）
注意：非恒容反应计算时动力学方程中反应物浓度必须考虑膨胀因子， 即采用式（2.6-7）或（2.6-8）表示。表3.2-1列出几种整数级数反应的 PFR的设计方程的解析式。其中，一级反应的设计式要熟练掌握。
1 0 .2 0 . 04
20 min
v0
V
100 20
5 L min
1
所以，每股进料流量应为2.5 L/min。
3.3 组合反应器
3.3.1 多个全混釜串联 多釜串联反应器的操作流程见图3.3-1。定常态操作时，对任意第 i 釜进行物料衡算：
F A 0 (1 x A , i 1 ) F A 0 (1 x A , i ) ( r A ) i V i
，不存在空时概念。
（3）连续操作的反应器出口处，每个微元内反应物的转化率不同。实 际测量的转化率只是所有微元转化率的平均值。 （4）流体微元内部反应仅取决于反应的动力学特性，而整个流体的反
应结果不仅与动力学特性有关，还与流动特性有关。
3.2 简单反应器
反应工程计算主要有两种类型 设计型计算：已知 v0、cA0、T0、xA，计算 t 或τ，再求 V。 操作型计算：已知 V、 v0、cA0、T0、 t ，求 xA 或 T。 基本方程式： 物料衡算式、热量衡算式、动力学方程式 等温恒容过程只需进行物料衡算。 物料衡算通式：
0 . 004 0 . 024
11970 s
( rA )1 1 ( c A ,1 c A , 0 )
1
①
交点坐标为 [ c A ,1 , ( r A ) 1 ] （3）过 c A ,1 作斜率为 1 / 2 的直线，由 交点b可得 c A , 2 b cA,N a ②
（4）依次下去，直至 c A 小于 c A , N 。 斜线数即为串联反应釜的个数N。
间变化，是定常态操作过程。 应用：
气相反应
V0，cA0 V0，cA VF，cAF
L
物料衡算 对管内任一微元体积dV，衡算式如下：
输入量
FA
输出量 反应量 累积量
F A dF A ( r A ) dV
0
即
或 ∵ ∴ 则得
F A F A dF A ( r A ) dV dF A ( r A ) dV
3
c B , 2 c B , 0 ( c A , 0 c A , 2 ) 0 . 024 kmol / m
3
因τ1=τ2，将两式联立，并代入已知数据得：
0 . 08 c A ,1 c A ,1 ( 0 . 02 c A ,1 ) c A ,1 0 . 004 0 . 004 0 . 024
F A F A 0 (1 x A )
dF A F A 0 dx
A
F A 0 dx
A
( r A ) dV
（3.2-4） 式（3.2-4）积分得PFR设计方程
利用设计方程计算τ 再根据定义求反应器体积 V 或管长 L。
V
4
D L v 0
2
（3.2-5）
（3.2-7）
cA0Βιβλιοθήκη (1 x A )
1
kc A 0 1 x A
xA
将转化率数据代入上式求得对应的反应时间如下：
xA t
0.5 2.10
0.6 3.18
0.8 8.50
0.9 19.0
讨论：为何反应后期反应时间随转化率增大而急剧增加？
（2）计算反应器体积 V 辅助操作时间 t0 操作周期 t + t0 生产能力 V0 进料、出料、清洗等操作需要的时间。 处理一批物料所需总时间。
c A0
xA
dx 0 .2 c A 0
1/ 2
A
0
1 xA 1 x A
1/ 2
5 65 . 65
0 .5
0 .8
0
1 xA 1 x A
1/ 2
dx
A
用 Simpson 法则求积分 Simpson 公式 对函数 y = f（x），积分
dn dt
A
0
0
( r A )V
dn dt
A
n A0
dx dt
A
积分
t n A0
xA
dx
A
0
( r A )V dx
cA
（3.2-2）
恒容时
t c A0
xA
A
0
( rA )
dc
A
cA0
( rA )
（3.2-3）
上式称为反应器的设计方程，代入动力学方程积分就可算出 t。 若动力学方程复杂，可采用数值积分或图解积分。
（3.3-4）
假设
c A,N c A ,0 (1 k i )
1 (1 k i )
N
则式（3.3-4）可写为
N
（3.3-5）
或
x A,N 1
注意：运用式（3.3-5）计算的条件： （1）一级不可逆反应； （2）等温、恒容；
（3）各反应器有效体积相等。
当动力学方程比较复杂，难以得到解析解时，可采用图解法计算 图解法步骤： （1）作 ( r A ) kf ( c A ) 曲线①； （2）过 c A , 0 作斜率为 1 / 1 的直线② ，交曲线①于a点；此直线的方程 为
3.2.1 间歇反应器（Batch Reactor 简称BR） 特点：
（1）一次性进料，一次性出料；
（2）反应器内各点物料浓度、温度相同； （3）反应器内物料浓度、温度随时间变化， 是非定常态过程。 应用： 小批量、多品种的精细化工生产。 物料衡算式
输入量 输出量 反应量 累积量
( r A )V
若
( x A0 0)
则有
式（3.3-8）是CSTR 设计方程，它是代数方程，不需积分。 表3.2-2 列出不同反应的CSTR设计方程。
解：依题意B是着眼组分。反应前后各组分浓度计算如下：
A xB=0 xB=0.8 3.0/2 1.5 － 1.0× 0.8 + B 2.0/2 1.0×(1－0.8) P 0 1.0× 0.8 + R 0 1.0× 0.8
( r A )V
dn dt
A
n A0
dx dt
A
t c A0
xA
dx
A
0
( rA )
cA
dc
A
cA0
( rA )
解：（1）求 t ，由式（3.2-3）
t c A0
xA 2
dx
A 2
0
kc A 0 (1 x A )
1 kc A 0
cA
dx
A 2
装料系数 γ 有效体积与实际体积之比。
V VR 1 . 63 0 . 75 2 . 17 m
3
3.2.2 平推流反应器 （ Plug Flow Reactor 简称 PFR ）
特点：
（1）连续进料，连续出料； （2）反应物料的浓度和温度沿流动方向位置连续变化；
（3）与流动方向垂直截面上的反应物料的浓度和温度相等，且不随时
c A ,i c A ,i 1 1 k i i
c A ,1
c A ,0 1 k 1 1 c A ,1 1 k 2 2
c A,2
。 。 。
c A,N c A , N 1 1 k N
N
i=N
从 i = 1 至 N 将以上各式连乘得
c A,N c A ,0 (1 k 1 1 )( 1 k 2 2 )( 1 k 3 3 ) (1 k N N )
解：本题中反应是二级，故不能用式（3.3-5）计算。分别写出两个单个
CSTR的设计方程
1
c A , 0 c A ,1 kc A ,1 c B ,1
2
c A ,1 c A , 2 kc A , 2 c B , 2
因为着眼组分苯醌（A）的最终转化率已知，则cA2、cB2可以算出
c A , 2 c A , 0 (1 x A , 2 ) 0 . 004 kmol / m
停留时间分布 返混
短不一而形成的分布。 停留时间不同的流体微元之间的混合。
理想流动
非理想流动
指流体微元返混程度达到两种极端状况的流动。
流体微元存在部分返混的流动。
平推流——不存在返混； 全混流——完全混合。
3.1.2 反应器操作中的几个常用名词 （1）反应时间与停留时间 停留时间 反应时间 反应物料进入反应器至离开反应器所经历的时间。 反应物进入反应器开始反应至反应到某一时刻的时间。
整理得：
c A ,1 0 . 016 c A ,1 1 . 6 10
3 2 5
c A ,1 0 . 768 10