第二章 理想流动反应器01
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第二章 理想流动反应器01
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 24
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 25
ECRE
热量衡算
第 二 • 对微元体积的反应体系做热量衡算，以单 章 位时间、单位体积为衡算基准，有 理 • 物料带入热量（I） — 物料带出热量（II） 想 + 反应放出热量（III）—给环境热量（V） 流 =积累的热量（IV） 动 反 应 器
第 二 • ———完成化学反应的特殊容器或设备。 章 • 实验室反应器与工业反应器之间的最大区别——
反应体系的均匀性问题。 理 想 • 工业反应器中不可避免会出现流速、温度和浓度 流 的不均匀空间分布，工程因素对化学反应结果的 动 影响是反应器产生放大效应的根本原因。 反 • 反应器内流体流动状况对反应速率和反应选择性 应 有很大影响，因此反应器中流体流动模型的研究 器 是反应器选型、设计和优化的基础。
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
第二章 理想流动反应器
———2009年3月
化学反应工程
太原理工大学化工学院
郝晓刚
Prof. Ph.D
Taiyuan University of Technology
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 1
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 19
ECRE
1.5 反应器设计的基本方程
第 二 • 工业反应器设计，首先要确定生产能力及 章 产品质量要求，确定反应器进出口物料量 理 和状态；然后再根据反应过程特性及化学 想 动力学特征，选择合适的反应器形式和操 流 作方式；最后求出满足工艺要求的反应器 动 体积。 反 应 器
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 25
ECRE
热量衡算
第 二 • 对微元体积的反应体系做热量衡算，以单 章 位时间、单位体积为衡算基准，有 理 • 物料带入热量（I） — 物料带出热量（II） 想 + 反应放出热量（III）—给环境热量（V） 流 =积累的热量（IV） 动 反 应 器
第 二 • ———完成化学反应的特殊容器或设备。 章 • 实验室反应器与工业反应器之间的最大区别——
反应体系的均匀性问题。 理 想 • 工业反应器中不可避免会出现流速、温度和浓度 流 的不均匀空间分布，工程因素对化学反应结果的 动 影响是反应器产生放大效应的根本原因。 反 • 反应器内流体流动状况对反应速率和反应选择性 应 有很大影响，因此反应器中流体流动模型的研究 器 是反应器选型、设计和优化的基础。
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
第二章 理想流动反应器
———2009年3月
化学反应工程
太原理工大学化工学院
郝晓刚
Prof. Ph.D
Taiyuan University of Technology
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 1
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 19
ECRE
1.5 反应器设计的基本方程
第 二 • 工业反应器设计，首先要确定生产能力及 章 产品质量要求，确定反应器进出口物料量 理 和状态；然后再根据反应过程特性及化学 想 动力学特征，选择合适的反应器形式和操 流 作方式；最后求出满足工艺要求的反应器 动 体积。 反 应 器
《理想流动式反应器》课件
进一步研究方向
可以进一步研究反应器内部的流动模式和反应物分布，以优化反应器设计
实际应用
1
石化工业中的应用
理想流动式反应器广泛应用于石化工
制药工业中的应用
2
业，用于生产各种化学物质
理想流动式反应器可用于制药过程中
的合成反应，提高产品质量和产率
3
合成气工业中的应用
理想流动式反应器被用于合成气工业 中的气体转化和合成过程
结语
优点和缺点
理想流动式反应器具有高反应速率和温度控制能力，但对反应物质和反应条件要求较高
理想流动式反应器由反应物进口、反
反应物的行为
2
应器壁和反应物出口组成
反应物在流动反应器中会发生混合、
反应和分离过程
3
速率方程
反应物的反应速率可以通过速率方程 来描述
设计要点
几何形状
选择合适的反应器几何形状以 提高反应效率
尺寸和体积
根据反应物性质和反应速率确 定反应器的尺寸和体积
进出口设计
合理设计反应器的进出口以实 现稳定的反应流动
《理想流动式反应器》 PPT课件
这是一个关于理想流动式反应器的PPT课件，介绍了该反应器的定义、优势、 工作原理、设计要点以及实际应用。
简介
1 定义
2 优势
理想流动式反应器是指反应物在流动状态 下进行反应的装置
与其他反应器相比，理想流动式反应器具 有更高的反应速率和更好的温度控制能
可以进一步研究反应器内部的流动模式和反应物分布，以优化反应器设计
实际应用
1
石化工业中的应用
理想流动式反应器广泛应用于石化工
制药工业中的应用
2
业，用于生产各种化学物质
理想流动式反应器可用于制药过程中
的合成反应，提高产品质量和产率
3
合成气工业中的应用
理想流动式反应器被用于合成气工业 中的气体转化和合成过程
结语
优点和缺点
理想流动式反应器具有高反应速率和温度控制能力，但对反应物质和反应条件要求较高
理想流动式反应器由反应物进口、反
反应物的行为
2
应器壁和反应物出口组成
反应物在流动反应器中会发生混合、
反应和分离过程
3
速率方程
反应物的反应速率可以通过速率方程 来描述
设计要点
几何形状
选择合适的反应器几何形状以 提高反应效率
尺寸和体积
根据反应物性质和反应速率确 定反应器的尺寸和体积
进出口设计
合理设计反应器的进出口以实 现稳定的反应流动
《理想流动式反应器》 PPT课件
这是一个关于理想流动式反应器的PPT课件，介绍了该反应器的定义、优势、 工作原理、设计要点以及实际应用。
简介
1 定义
2 优势
理想流动式反应器是指反应物在流动状态 下进行反应的装置
与其他反应器相比，理想流动式反应器具 有更高的反应速率和更好的温度控制能
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.反应器设计的基本内容
(1) 选择合适的反应器形式
(2) 确定最佳的工艺条件
(3) 计算所需反应器体积
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
第二章理想流动反应器
c A0 c A0 = ； VR 1 + 2kτ 1+ k V0 2
（b）两全混流反应器串联： c Af .b =
c A0 c A1 = ； VR (1 + kτ )2 1+ k V0
−k
VR V0
（c）平推流反应器与全混流反应器串联或（d）全混流反应器与平推流反应器串联：
c Af .c =
c e c e c A1 或 c Af .d = c A1e = A0 = A0 VR ( 1 + kτ ) 1 + kτ 1+ k V0
s=
rL rL α 1 = = = rA rL + rM α + 1 1 + 1
=
α
dc L − dc A c Lf
对平推流反应器，总选择率
S=
c A0 − c Af
∫ =
c Af
c A0
− sdc A
c A0 − c Af
c Lf c A0 − c Af
对全混流反应器，其出口组成与反应器内的组成一致，总选择率： S = s =
11. 等温自催化反应 A→R，反应速率 rA = kc A c R ，则平推流反应器所需体积小于全混流反应器，全混流 串联平推流反应器总体积最小。 采用多级串联全混流反应器可提高反应过程的推动力。 0 级等温不可逆单反应，全混流反应器、平推流反应器、间歇反应器的停留时间相同。 即： （1）tMFR>tPFR （2）tMFR=tPFR （3）tMFR<tPFR 多级串联连全混流反应器，当级数趋于无穷时反应器的总体积等于平推流反应器的总体积。 对于一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联后，为保证总反应体积最小各釜反应体积应相等。 等温恒容一级不可逆反应，相同体积的 PFR 与 MFR，各种组合的转化率：
化学反应工程-9-第二章-均相理想流动反应器
表1 几种桨叶在不同要求下的不同适用情况
过程 桨叶形状 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 特征参数 容积/mL 0~3.785ⅹ105 0~2.08ⅹ105 0~7.57ⅹ105 固体含量/% 0~50 0~100 65~90 物料流量/ （cm3/s） 0~1.90 0~63 0~0.19 容积/mL 0~39.7ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~189ⅹ103 容积/L 0~3.97ⅹ103 0~37.85ⅹ103 0~37.85ⅹ103 要求 D/d H/D 没有 限制 补充说明
螺旋桨叶：NV=0.5；
NV=0.93D/d，D为釜直径。
六叶涡轮桨叶，叶片宽度和直径之比W/d=1/5 ，当Red>104，
功率数NP、NV和Red之间的关系如下图：
二、釜式反应器内混合概念
对于CSTR，存在两种混合。 1、返混 不同停留时间物料间的混合，即返混。CSTR是返混达到最大 的一种反应器。 问题：完全混合如何判断？ 经验标准是：
a b
rS k 2C A2 CB2
a
b
瞬时选择率： 则：
rP SP rP rS
1 1 SP rS k 2 a2 a1 b2 b1 1 C A CB 1 k1 rP
问题：如何提高选择率？
⑴连续操作 ① a1 a2，b1 b 2 对 C A、C B 的控制应使都高，操作方式如下：
螺旋桨 式，平 直叶， 三叶 41.0 0.32
桨叶型 式 KL KT
螺距式， 涡轮式， 三叶 六平叶 43.5 1.00 71.0 6.30
六叶后 掠弯式 70.0 4.80
风扇涡 轮式， 六叶 70.0 1.65
平桨式， 二叶 36.5 1.70
化学反应工程-第二章 复合反应与反应器选型
VR 4 0.537 2.15m3
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
➢气液鼓泡反应器 因为气泡搅动所造成旳液体反向流动，形成很大旳液相循环
流量。所以，其液相流动十分接近于理想混合。 ①放置填料 ②设置多孔多层横向挡板，把床层提成若干级 ③设置垂直管
理想流动反应器旳分类和应用
分类 ➢ 理想混合流反应器 ➢ 理想平推流反应器 应用
实际生产中，连续操作釜式反应器能够近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应器能够近似看作是理想平 推流。
降低返混程度旳措施
返混对反应器旳意义 ➢ 对反应过程产生不同程度旳影响 在返混对反应不利旳情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应该考虑返混可能造成旳危害。选择反应器旳 型式时，应尽量防止选用可能造成返混旳反应器，尤其应该注 意有些反应器内旳返混程度会随其几何尺寸旳变化而明显增强。
➢ 在工程放大中产生旳问题
➢ 连续操作旳搅拌釜式反应器 为降低返混，工业上常采用多釜串联旳操作。当串联釜 数足够多时，连续多釜串联旳操作性能就很接近理想置 换反应器旳性能。(横向纵向？)
➢ 流化床 因为气泡运动造成气相和固相都存在严重旳返混。为了 限制返混，对高径比较大旳，常在其内部装置横向挡板 以降低返混；而对高径比较小旳流化床反应器，则可设 置垂直管作为内部构件（横向纵向？）
➢ 间歇反应器中不存在返混 ➢ 理想置换反应器不存在返混 ➢ 理想混合反应器返混到达极限状态 ➢ 非理想流动反应器存在不同程度旳返混
返混对反应过程旳影响
➢ 返混带来旳最大影响是反应器进口处反应物高浓度区旳消 失或减低。 ➢ 返混变化了反应器内旳浓度分布，使器内反应物旳浓度下 降，反应产物旳浓度上升。但是，这种浓度分布旳变化对反 应旳利弊取决于反应过程旳浓度效应。 ➢ 返混是连续反应器中旳一种主要工程原因，任何过程在连 续化时，必须充分考虑这个原因旳影响，不然不但不能强化 生产，反而有可能造成生产能力旳下降或反应选择率旳降低。
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
➢滞留区的存在 ➢存在沟流与短路 ➢循环流 ➢流体流速分布不均匀 ➢扩散
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流 动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有 其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合， 是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
理想流动 非理想流动 理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流 速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓 度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流 动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳 定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中 的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
种，其中重要的是__________。 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想置换流动模型
含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。 与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同， 即物料是齐头并肩向前运动的。
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流 动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有 其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合， 是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
理想流动 非理想流动 理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流 速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓 度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流 动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳 定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中 的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
种，其中重要的是__________。 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想置换流动模型
含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。 与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同， 即物料是齐头并肩向前运动的。
第二章 理想流动与非理想流动1
（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。 当气相流动反应器的压降大时，需要考虑压力对反应速率的影响， 此时需进行动量衡算。
第二节 理想流动反应器
2-3
间歇反应器
图2-5 是一种常见的间歇反应器。反应物料按一定配料比一次 加入反应器。顶部一般有可拆卸的盖，以供清洗和维修之用。间 歇反应器内设置搅拌装置，使器内浓度 均匀。顶盖还开有各种工艺接管用以测 量温度、压力和添加各种物料。反应器 筒一般都装有夹套或在器内设置盘管用 来加热或冷却物料。搅拌器的型号、尺 寸和安装位置要根据物料的性质及工艺 要求优化选择，以使反应在达到充分混 和的前提下功率最省。经过一定的反应 时间，达到规定的转化率后，将物料排 出。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
间歇反应器所需的实际操作时间包括两部分：反应时间t与辅助 时间t’, t’包括加料、调温、卸料、清洗等时间，按生产实际确定。 当单位时间处理的物料量为V时，反应器有效体积为
VR = V (t + t )..................2 8
,
2-4 活塞流反应器
活塞流反应器是化工生产中常用的反应器，工 业中长径比大于30的管式反应器可视为活塞流 反应器。物料在反应器中像活塞一样向前流动， 无轴向扩散。定态条件下，器内物料的各种参 数如温度、浓度、反应速率等只随物料流动方 向变化，不随时间变化，且同一平面上参数相 同。
理想流动反应器
A
C
A0
A
C i0
y A 0
A
3-4 平推流反应器 PFR
n V 1 x
A
Piston Flow Reactor
V V 0 (1 A y AO x A ) V O (1 A x A )
C
A
A
C (
AO
A
1 x
)
A
• 代入式（3-13）积分： V 当 n 1时， V [ (1 ) ln( 1 x ) x ] k
• ⑵全混流模型
刚进入反应器的新鲜物料与留存在器内的物料瞬间
达到完全混合（返混最大），器内物料温度、浓度均匀 且与出口处相等。物料质点在器内逗留时间参差不齐，
有的很长，有的很短，形成一个逗留时间分布。
• 搅拌良好的釜式反应器中的流动可视为全混流。
3－1
反应器中流体的流动模型
3－1
反应器中流体的流动模型
第三章
理想流动反应器
第一节 流动模型概述
流动模型分类 理想流动模型 平推流（理想臵换、活塞流）模型 全混流（理想混合、连续搅拌槽式反 应器）模型 非理热流动模型 (考虑轴向返混的）返混模型 （中间流模型） （考虑流速分布的）层流模型 多级串联全混流模型
第一节 流动模型概述
3－1
反应器中流体的流动模型
3－1
反应器中流体的流动模型
• 一、理想流动模型
• ⑴平推流模型 • 沿流动方向上物料质点无返混（所有质点逗留时间相 的物料质点参数相同。 • • 长径比大，流速较高的管式反应器，固定床 催化反应器中的流体流动可视为平推流。
同），物料的温度，浓度不断变化；垂直于流动方向上
理想流动反应器的分类和应用
返混对反应过程的影响
返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消
失或减低。 返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下
降，反应产物的浓度上升。但是，这种浓度分布的改变对反
应的利弊取决于反应过程的浓度效应。 返混是连续反应器中的一个重要工程因素，任何过程在连
续化时，必须充分考虑这个因素的影响，否则不但不能强化
这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响
反应结果。所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选 型、计算和优化的基础。流动模型是对反应器中流体流动与
返混状态的描述。
一般将流动模型分为两大类型，即理想流动模型和非理想
流动模型。非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流 动状况对理想流动偏离的描述。
反应器内浓度变化
搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为 理想混合流动。
非理想流动
理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工 业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。对于所有 偏离理想臵换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因 滞留区的存在 存在沟流与短路 循环流
气液鼓泡反应器 由于气泡搅动所造成的液体反向流动，形成很大的液相循环
流量。因此，其液相流动十分接近于理想混合。
①放臵填料 ②设臵多孔多层横向挡板，把床层分成若干级 ③设臵垂直管
理想流动反应器的分类和应用
分类 理想混合流反应器 理想平推流反应器
应用
实际生产中，连续操作釜式反应器可以近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应器可以近似看作是理想平
流体流速分布不均匀
扩散 上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流
理想流动反应器
第二章理想流动反应器研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。
根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型非理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。
§2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程而言的。
间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间而变，无空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图示）停留时间不同：全混反应器（图示）一、理想流动模型1、平推流模型活塞流或理想置换模型特点：沿物流方向，反应混合物T、C不断变化，而垂直于物流方向的任一截面（称径向平面）上物料的所有参数，如：C、T、P、U等均相同。
总而言之，在定态情况下，沿流动方向上物料质点不存在返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。
实例：长径比很大，流速较高的管式反应器。
2、全混流模型理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，而且等于物料在反应器出口处的性质。
实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。
关于物料质点停留时间的描述：①年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间。
②寿命：指反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。
寿命可看作时反应器出口物料质点的年龄。
关于返混：返混：又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，而非一般的搅拌混合。
如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，而只是统一时间进入反应器的物料之间的混合。
平推流反应器不产生返混，而全混流反应器中为完全返混，返混程度最大。
关于实际反应器的返混。
介于平推流和全混流反应器之间。
关于各种反应器的推动力：△C A等温下：C A、C Af、C A *(a)间歇反应器△C A随时间变化↘(b)平推流反应器△C A随时间变化↘(c)全混流反应器△C A随时间变化↘非理想流动反应器，其反应推动力介于平推流和全混流之间。
化学反应工程__第2章_理想反应器讲解
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
即：
t CA0
2020年3月1日星期日
间歇式完全混合反应器
2020年3月1日星期日
特点： 反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热
量传递问题 所有物料具有相同的反应时间
优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，
适用于小批量， 多品种，反应时间较长的产品生产 缺点：
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
2020年3月1日星期日
实际反应器的体积
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
2020年3月1日星期日
第二章 理想反应器 Ideal Flow Reactor
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2020年3月1日星期日
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
的操作设计； 3）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。
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
即：
t CA0
2020年3月1日星期日
间歇式完全混合反应器
2020年3月1日星期日
特点： 反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热
量传递问题 所有物料具有相同的反应时间
优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，
适用于小批量， 多品种，反应时间较长的产品生产 缺点：
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
2020年3月1日星期日
实际反应器的体积
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
2020年3月1日星期日
第二章 理想反应器 Ideal Flow Reactor
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
2020年3月1日星期日
反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化
的操作设计； 3）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。
化学反应工程-6-第二章-均相理想流动反应器
求：
C A、 CB 、 CP、 CR ?
CB
nB nB 0 1 x B C B 0 1 x B 0.2(mol/ l ) v0 v0 2
A B P R
t 0 t t
n A0 n B 0 n A nB
0
0
nP nR
nA0 nA nB0 nB nB0 xB
rA kCA 设反应为一级不可逆反应：
首先讨论 QG ：
QG
rA VR rA kCA VR H rA
0Cp v0Cp
CA 0 CA k 1
CA 0 Η rA k QG Cp 1 k
VR v0
空时
1、停留时间分布的形成：
取两个微团，设同时进入反应器，由于搅拌作用，一个 微团（如上图）可能很快流出反应器，而另一个微团可 能经过更长的时间才流出来。 结论：CSTR出口处，物料是由不同停留时间的微团组 合而成，即形成停留时间分布。
平均停留时间 t ： t VR
v
v—流体在反应器中的体积流率，即出口流率。 问题： t和 之间有什么不同？
代入（1’） v0B 2 2v0B 0.2 8 0.7 0.2 1.7 0.82 100
v0 B 2(l / min)
二、CSTR的操作方程——热量衡算
热量衡算式中各项为：
第一项Qin：
Qin GCPT0
G——质量流量，kg/s； CP——定压热容，J/(kg.k)； T0——物料入口处温度。 第二项Qr：单位时间内整个反应器的反应放热量：
设开始时移热速率线是A，此时反应器定常态1，反应速 率极慢，没有实际意义；
理想流动模型
【摘要】研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。
根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型非理想流动模型本文主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。
一、理想流动模型1.1 平推流模型特点：沿物流方向，反应混合物T 、C 不断变化，而垂直于物流方向的任一截面（称径向平面）上物料的所有参数，如：C 、T 、P 、U 等均相同。
总而言之，在定态情况下，沿流动方向上物料质点不存在返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。
实例：长径比很大，流速较高的管式反应器。
1.2 全混流模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C 、T 、P ）都是均匀的，而且等于物料在反应器出口处的性质。
实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。
关于返混：返混：又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，而非一般的搅拌混合。
如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，而只是统一时间进入反应器的物料之间的混合。
平推流反应器不产生返混，而全混流反应器中为完全返混，返混程度最大。
实际反应器的返混介于平推流和全混流反应器之间。
关于各种反应器的推动力：△C A 等温下：C A 、C Af 、C A *(a) 间歇反应器 △C A 随时间变化 ↓ (b) 平推流反应器 △C A 随时间变化 ↓ (c) 全混流反应器 △C A 随时间变化 ↓C AC Af△C A 反应时间C A o C A*C AfC Af轴向长度C A o C A*C Af 轴向长度C A o C A*C A△C A △C A非理想流动反应器，其反应推动力介于平推流和全混流之间。
二、非理想流动模型1、偏离平推流反应器的几种情况：漩涡运动，径向流速分布不均匀，沟流或短路，死角。
2、偏离全混流反应器的几种情况： 死角、短路、再循环 3、返混情况对化学反应影响主要是由于物料质点的停留时间不同所造成。
2.1 间歇反应器2.1.1 间歇反应器的特征生产周期：反应时间＋清洗、拆卸、安装等辅助时间。
理想反应器
量
反应单元
流入
反应消耗
流出
累积
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
0
0
√
√
平推流(稳态) 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器
非稳态
√
√
√
0
√
√
√
0
√
√
√
√
一、PFR型反应器
也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。
PFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作情
况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时
流入量 - 流出量 = 反 应 量 ＋ 积累量
FS 0
( rs ) V
FS t
F ( S0 St ) (rs ) V
上式变为一般化的关系式为：
即
S St
V
0
F
rs
0
( S0 St )
rs
S为底物浓度 mol／m3；
F为以体积计的物料进料流率 m3／s；
r为反应速度
Pr
t
t
t
式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。
连续式操作中，
Pr
Pout
S in
式中Pout为单位体积流出液中的产物量。
选择性Sp
选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反应
中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际上转变为
目的产物的比率。由底物S生成目的产物P的选择性Sp为：
随时间而变。稳定状态下，以一级反应为例，取
反应单元
流入
反应消耗
流出
累积
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
0
0
√
√
平推流(稳态) 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器
非稳态
√
√
√
0
√
√
√
0
√
√
√
√
一、PFR型反应器
也称为活塞流式反应器或平推流式反应器。
PFR具备以下特点：在正常的连续稳态操作情
况下，在反应器的各个截面上，物料浓度不随时
流入量 - 流出量 = 反 应 量 ＋ 积累量
FS 0
( rs ) V
FS t
F ( S0 St ) (rs ) V
上式变为一般化的关系式为：
即
S St
V
0
F
rs
0
( S0 St )
rs
S为底物浓度 mol／m3；
F为以体积计的物料进料流率 m3／s；
r为反应速度
Pr
t
t
t
式中Pt为时间t时单位反应液体积中产物的生成量。
连续式操作中，
Pr
Pout
S in
式中Pout为单位体积流出液中的产物量。
选择性Sp
选择性Sp（selectivity）是在有副反应发生的复合反应
中，能够转变为目的产物的底物变化总量中，实际上转变为
目的产物的比率。由底物S生成目的产物P的选择性Sp为：
随时间而变。稳定状态下，以一级反应为例，取
理想流动反应器
tnA0
V
xAf 0
drAA xCA0
xAf 0
dA x rA
tCA0
xAf 0
dA x CAdC A
r r A
CA0
A
等容过程，液相反应
.
1
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 (t’) 反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t’)
1/rA —xA
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
.√
√
反应量
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √1
反应器设计的基本方程
热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量入
反应热 带出
累积
传给环境
反应器
反应单元 带入量 带出量
间歇式 整个反应器 0
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
.
1
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
BSTR结构特点——釜式结构
固体进料 测温管 档版 搅拌轴
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
.
理想流动式反应器
例
该反应为一级反应，在163℃时k=0.8h-1，活化能为12kJ/mol，反应热(-ΔHT0)为 83 kJ/mol。A的分子量为250，A和B的热容为
考虑A的不可逆异构化反应： A
B
c p A c p B 2 J / g 0C 500 J / mol o C ，比重为 A B 0.9g / cm3
0.97
0
0.97 0.97 dxA dxA dxA 1 1 C A0 ln 4.38h 0 0 rA kCA0 (1 xA ) k (1 xA ) 0.8 1 x
每天完成：24/4.38＝5.48（批）； 每批处理量：3000/5.48＝547.4（kg／批）=2.18kgmol／批； 反应器体积为：VR＝547.4/0.9＝608（L）；装载系数设为0.7， 釜体积为868(L) 此为放热反应，要维持恒温，要移出热量Q：
流入项
+ 反应项 +
(源项)
换热项
+ 积累项 +流出项 = 0 (J/s)
(dT/dt)
定态(积累项=0) steady state 非定态(有积累项) transient state 间歇反应器 (无流入,流出项) 定态下的流动式反应器（无积累项）
第一节 间歇釜反应器计算
(-rA)
A
P
恒容反应取一小 滴液即代表全釜
t
空时是物料在反应器内表观停留时间,不是真实停留时间
空间速度（Space Velocity）
一般简称为空速。可用反应物体积流速(标准状况下)除 以催化剂体积来定义。 1 -1 SV 秒 催化反应动力学中，空速通常用小时-1来表示。
空速反映了单位时间 ( 每小时 ) 处理反应物料量 ( 体积 ) 和催 化剂体积的比值。一定程度上反映了生产强度。
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2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 6
ECRE
流动模型
第 • 反应器流体流动模型分为理想流动模型和 二 非理想流动模型，用来描述反应器中流体 章 的流动与返混。 已反应流体 与未反应流 其返混为 理 体的混合 极大值 想 流 动 • 通常所指的理想流动模型或理想流动反应 反 器有两类：理想混合（完全混合或全混流） 应 反应器和平推流（活塞流）反应器。 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 26
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 15
ECRE
1.2 理想流动模型
第 二 • 反应器中流体流动的两种理想状况。 章 • （1）平推流模型 理• 想 流• 动 反 应 器
（2）全混流模型 年龄——反应物料质点从进入反应器算起已停留 的时间，是对仍留在反应器中的物料质点而言。 寿命——质点在反应器中总共停留的时间，即从 进入反应器到离开反应器的时间，是对已离开反 应器的质点而言。
Chemical Reaction Engineering of Hao 17
2013-8-3
ECRE
1.4 非理想流动模型
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 18
ECRE
1.4 非理想流动模型
第 二 • 实际反应器介于上述典型反应器之间，流 章 动和反应状况更为复杂，可能存在死区、 理 短路或沟流、速度分布不均等，与理想反 想 应器有不同程度的偏移。为了便于分析反 流 应器的基本特性，将着重分析两种极端情 动 况下的反应器。 反 应 器
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
第二章 理想流动反应器
———2009年3月
化学反应工程
太原理工大学化工学院
郝晓刚
Prof. Ph.D
Taiyuan University of Technology
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 1
完全没有返混
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 7
ECRE
流动模型
第 二 • 所谓全混流反应器是指反应器内的流体处于完全 章 混合状态，反应流体在器内的混合是瞬间完成的，
反应流体之间进行混合所需的时间是可忽略的， 理 所以反应器内的物料具有完全相同的温度和浓度 想 且等于反应器出口物料的温度和浓度。此时反应 流 器内的返混为无限大。 动 • 所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流 反 速和一致的方向移动，完全不存在不同停留时间 应 的物料的混合（即返混为零），所以所有的物料 器 在反应器内具有相同的停留时间。本章主要讨论 理想流动反应器。
Chemical Reaction Engineering of Hao 16
2013-8-3
ECRE
1.3 三种反应器的推动力
第 • 化学反应的推动力是化学反应的化学势，一般等 二 温反应条件下化学反应进行的推动力主要是浓度 章 推动力，即反应物浓度与其平衡浓度之差。等温 理 想 流 动• 反 应 器
器
2013-8-3
Chemical Reaction Engineering of Hao
10
ECRE
三种典型反应器
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 11
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 8
ECRE
• 第 二• 章• 理• 想 流• 动• 反 应• 器•
流动模型 间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 多级串联全混流反应器 理想流动反应器的组合与反应体积比较 多重反应的选择性 全混流反应器的热稳定性
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 2
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 3
ECRE
化学反应器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 24
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 25
ECRE
热量衡算
第 二 • 对微元体积的反应体系做热量衡算，以单 章 位时间、单位体积为衡算基准，有 理 • 物料带入热量（I） — 物料带出热量（II） 想 + 反应放出热量（III）—给环境热量（V） 流 =积累的热量（IV） 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 22
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
第 二 • ———完成化学反应的特殊容器或设备。 章 • 实验室反应器与工业反应器之间的最大区别——
反应体系的均匀性问题。 理 想 • 工业反应器中不可避免会出现流速、温度和浓度 流 的不均匀空间分布，工程因素对化学反应结果的 动 影响是反应器产生放大效应的根本原因。 反 • 反应器内流体流动状况对反应速率和反应选择性 应 有很大影响，因此反应器中流体流动模型的研究 器 是反应器选型、设计和优化的基础。
2013-8-3 Chemical Reaction Enginee计的基本方程
第 二 • 工业反应器设计，首先要确定生产能力及 章 产品质量要求，确定反应器进出口物料量 理 和状态；然后再根据反应过程特性及化学 想 动力学特征，选择合适的反应器形式和操 流 作方式；最后求出满足工艺要求的反应器 动 体积。 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 21
ECRE
第 二 章 • 对反应器或某一个确定的关键组分，衡算 基本方程为： 理 想 • 积累速率=输入速率-输出速率-反应消耗速 流 率(+反应生成速率) 动 反 应 • 根据此原理方程，可以对任何复杂的反应 器 器进行分析。
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 4
ECRE
反应器开发的任务
第 二 • （1）根据化学反应的动力学特性选择合适 章 的反应器类型； 理 • （2）结合动力学和反应器特性确定操作方 想 式和优化的操作设计； 流 动 • （3）根据给定的产量对反应装臵进行设计 反 计算，确定反应器的几何尺寸。 应 器
条件下间歇反应器反应推动力随反应时间逐步降 低，平推流反应器反应推动力随反应器轴向长度 逐步降低，全混流反应器的推动力等于出口处反 应推动力。 在相同的温度和进出口浓度条件下间歇反应器与 平推流反应器的反应推动力相同，且均大于全混 流反应器的推动力，即全混流反应器总是在浓度 推动力最小的状态下操作，物料返混降低了反应 的浓度推动力。
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 5
ECRE
均相和非均相反应器
•反应器按反应物存在形态可分均相和非均相反应器。 第 二 •均相反应指气相反应、互溶液相的反应，如甲烷氯化、 章 醇酸脂化反应等，反应物、产物和催化剂均处于同一 相，反应不受相间物质传递的影响，只受浓度分布的 理 影响。 想 •而气固催化反应、气液鼓泡反应以及气液固三相反应 流 是典型的非均相反应，反应发生在相界面处或反应物 动 穿过相界面进入另一相进行反应，反应过程要复杂的 反 多，非均相反应器的设计也比均相反应器困难得多。 应 •在很多情况下常采用拟均相模型,用处理均相反应器的 器 方法处理非均相反应器。因此本章将重点讨论等温情 况下的均相反应器。
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 23
ECRE
物料衡算
第 •如取反应器内微元体积对A组分做物料衡算， 二 以单位时间、单位体积为衡算基准，有 章 •进入A量（I） — 流出A量（II） — 反应掉A 理 （III）=积累A（IV） 想 流 •III=rA∆V∆t 动 •简化： 反 应 （1）间歇反应器：I=II=0； 器 （2）定态操作：IV=0
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 13
ECRE
连续流动管式反应器（continuous 第 flow tubular reactor）
二 • 也 称 活 塞 流 或 平 推 流 反 应 器 （ plug-flow 章 reactor，PFR）。当管式反应器的长径比 理 很大时，反应器径向的浓度、温度差异很 想 小，轴向的返混与其流动速率相比可忽略， 流 此时反应器内物料流动像活塞一样从反应 动 器的进口推向出口，反应器内没有返混存 反 在。在稳定操作条件下平推流反应器各点 应 器 的浓度、温度等反应参数不随时间变化， 但存在明显的轴向浓度、温度分布。
Chemical Reaction Engineering of Hao 9
2013-8-3
ECRE
第一节 流动模型概述
第 二 章
ECRE
流动模型
第 • 反应器流体流动模型分为理想流动模型和 二 非理想流动模型，用来描述反应器中流体 章 的流动与返混。 已反应流体 与未反应流 其返混为 理 体的混合 极大值 想 流 动 • 通常所指的理想流动模型或理想流动反应 反 器有两类：理想混合（完全混合或全混流） 应 反应器和平推流（活塞流）反应器。 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 26
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 15
ECRE
1.2 理想流动模型
第 二 • 反应器中流体流动的两种理想状况。 章 • （1）平推流模型 理• 想 流• 动 反 应 器
（2）全混流模型 年龄——反应物料质点从进入反应器算起已停留 的时间，是对仍留在反应器中的物料质点而言。 寿命——质点在反应器中总共停留的时间，即从 进入反应器到离开反应器的时间，是对已离开反 应器的质点而言。
Chemical Reaction Engineering of Hao 17
2013-8-3
ECRE
1.4 非理想流动模型
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 18
ECRE
1.4 非理想流动模型
第 二 • 实际反应器介于上述典型反应器之间，流 章 动和反应状况更为复杂，可能存在死区、 理 短路或沟流、速度分布不均等，与理想反 想 应器有不同程度的偏移。为了便于分析反 流 应器的基本特性，将着重分析两种极端情 动 况下的反应器。 反 应 器
ECRE
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
第二章 理想流动反应器
———2009年3月
化学反应工程
太原理工大学化工学院
郝晓刚
Prof. Ph.D
Taiyuan University of Technology
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 1
完全没有返混
2013-8-3 Chemical Reaction Engineering of Hao 7
ECRE
流动模型
第 二 • 所谓全混流反应器是指反应器内的流体处于完全 章 混合状态，反应流体在器内的混合是瞬间完成的，
反应流体之间进行混合所需的时间是可忽略的， 理 所以反应器内的物料具有完全相同的温度和浓度 想 且等于反应器出口物料的温度和浓度。此时反应 流 器内的返混为无限大。 动 • 所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流 反 速和一致的方向移动，完全不存在不同停留时间 应 的物料的混合（即返混为零），所以所有的物料 器 在反应器内具有相同的停留时间。本章主要讨论 理想流动反应器。
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1.3 三种反应器的推动力
第 • 化学反应的推动力是化学反应的化学势，一般等 二 温反应条件下化学反应进行的推动力主要是浓度 章 推动力，即反应物浓度与其平衡浓度之差。等温 理 想 流 动• 反 应 器
器
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三种典型反应器
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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• 第 二• 章• 理• 想 流• 动• 反 应• 器•
流动模型 间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 多级串联全混流反应器 理想流动反应器的组合与反应体积比较 多重反应的选择性 全混流反应器的热稳定性
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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化学反应器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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热量衡算
第 二 • 对微元体积的反应体系做热量衡算，以单 章 位时间、单位体积为衡算基准，有 理 • 物料带入热量（I） — 物料带出热量（II） 想 + 反应放出热量（III）—给环境热量（V） 流 =积累的热量（IV） 动 反 应 器
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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
第 二 • ———完成化学反应的特殊容器或设备。 章 • 实验室反应器与工业反应器之间的最大区别——
反应体系的均匀性问题。 理 想 • 工业反应器中不可避免会出现流速、温度和浓度 流 的不均匀空间分布，工程因素对化学反应结果的 动 影响是反应器产生放大效应的根本原因。 反 • 反应器内流体流动状况对反应速率和反应选择性 应 有很大影响，因此反应器中流体流动模型的研究 器 是反应器选型、设计和优化的基础。
2013-8-3 Chemical Reaction Enginee计的基本方程
第 二 • 工业反应器设计，首先要确定生产能力及 章 产品质量要求，确定反应器进出口物料量 理 和状态；然后再根据反应过程特性及化学 想 动力学特征，选择合适的反应器形式和操 流 作方式；最后求出满足工艺要求的反应器 动 体积。 反 应 器
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第 二 章 • 对反应器或某一个确定的关键组分，衡算 基本方程为： 理 想 • 积累速率=输入速率-输出速率-反应消耗速 流 率(+反应生成速率) 动 反 应 • 根据此原理方程，可以对任何复杂的反应 器 器进行分析。
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反应器开发的任务
第 二 • （1）根据化学反应的动力学特性选择合适 章 的反应器类型； 理 • （2）结合动力学和反应器特性确定操作方 想 式和优化的操作设计； 流 动 • （3）根据给定的产量对反应装臵进行设计 反 计算，确定反应器的几何尺寸。 应 器
条件下间歇反应器反应推动力随反应时间逐步降 低，平推流反应器反应推动力随反应器轴向长度 逐步降低，全混流反应器的推动力等于出口处反 应推动力。 在相同的温度和进出口浓度条件下间歇反应器与 平推流反应器的反应推动力相同，且均大于全混 流反应器的推动力，即全混流反应器总是在浓度 推动力最小的状态下操作，物料返混降低了反应 的浓度推动力。
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均相和非均相反应器
•反应器按反应物存在形态可分均相和非均相反应器。 第 二 •均相反应指气相反应、互溶液相的反应，如甲烷氯化、 章 醇酸脂化反应等，反应物、产物和催化剂均处于同一 相，反应不受相间物质传递的影响，只受浓度分布的 理 影响。 想 •而气固催化反应、气液鼓泡反应以及气液固三相反应 流 是典型的非均相反应，反应发生在相界面处或反应物 动 穿过相界面进入另一相进行反应，反应过程要复杂的 反 多，非均相反应器的设计也比均相反应器困难得多。 应 •在很多情况下常采用拟均相模型,用处理均相反应器的 器 方法处理非均相反应器。因此本章将重点讨论等温情 况下的均相反应器。
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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物料衡算
第 •如取反应器内微元体积对A组分做物料衡算， 二 以单位时间、单位体积为衡算基准，有 章 •进入A量（I） — 流出A量（II） — 反应掉A 理 （III）=积累A（IV） 想 流 •III=rA∆V∆t 动 •简化： 反 应 （1）间歇反应器：I=II=0； 器 （2）定态操作：IV=0
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连续流动管式反应器（continuous 第 flow tubular reactor）
二 • 也 称 活 塞 流 或 平 推 流 反 应 器 （ plug-flow 章 reactor，PFR）。当管式反应器的长径比 理 很大时，反应器径向的浓度、温度差异很 想 小，轴向的返混与其流动速率相比可忽略， 流 此时反应器内物料流动像活塞一样从反应 动 器的进口推向出口，反应器内没有返混存 反 在。在稳定操作条件下平推流反应器各点 应 器 的浓度、温度等反应参数不随时间变化， 但存在明显的轴向浓度、温度分布。
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第一节 流动模型概述
第 二 章