《反应工程》第三章 理想反应器
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的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器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
第三章-理想反应器PFR-1
UAT Tm dl 0
H r T FA0 T T0 x A x A0 Fi p C pi p
0
C C F F
pi p i p p
0
又 : y A0
FA 0 F0
T T0 若令 :
y A0 H r T0 Cp
S2 S1
例15 有 如 下 自 催 化 反 应 ， A+PP+P ， 已 知 ： CA0=1mol/L, CP0=0, k=1L/mol.s, FA0=1mol/s，今欲在一循环反应器中进行 此反应，要求达到的转化率为98%。 求：当循环比分别为β=0、3时，所需反应器的体积为多少？
解： 对于自催化反应，其反应动力学方程可表示为：
由pv=nRT求 出体积流量v 后代入的
1 V pdV t t R 0 T F0 A FA0 x A
若过程恒T、P，则：
1 t t RT0
V
0
V pdV dV F0 A FA0 x A 0 v0 1 y A0 A x A
或根据定义式：
t
，且等于反应时间t。
v0
t t
L
0
V dV dl 0 u v
VR
L v,u
恒容及变容过程的形式
PFR
◆恒容过程 若ρ恒定，即：v=v0，则上式可写成：
V t t v0
液相反应：可以近似看作恒容过程； 气相反应：恒T、P下的等分子反应或恒容过程； ◆变容过程 非等分子的气相反应, 则： A为关键组分，其膨胀因子为δA，
1 3、在 ~xA坐标系中绘出动力学曲线； rA
VR 4、计算曲线下面所围成的面积S， S FA0 C A0
第三章理想反应器
第三章理想反应器第三章理想反应器1.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，⽽管径⼩，管⼦较长和流速较⼤的管式反应器按_______反应器处理。
（理想混合反应器、平推流）3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为⽬标进⾏优化的。
（平均⽣产速率R Y 最⼤、⽣产经费最低）4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之⽐。
（反应器的有效容积、进料流体的容积流速）5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之⽐。
（反应时间t 、空时τ）6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。
（p r A C v H r V ρ0))((?--）7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。
（)()1(000P m P c v U A T T c v UA T ρρ+-+）8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。
（r G Q Q =）9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。
（r G Q Q =、dT dQ dT dQ G r ?） 10.全混流反应器的返混_______。
（最⼤）11.平推流反应器的返混为_______。
（零）12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______⼀致。
（平均停留时间、反应时间、空时）13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时⼀致。
（平推流）14.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_______的平推流反应器。
（循环操作）15.对于循环操作的平推流反应器，当循环⽐β→0时为_______反应器，⽽当β→∞时则相当于_______反应器。
化学反应工程12
［小
结］
全混流串接平推流反应器最优；循环操作的平推流反应器次之；平推 流反应器；全混流反应器最差。
作者：傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
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《化学反应工程》 教案
第 3 章 理想反应器
3.6 反应器的型式与操作方法的评选
τ =τ1+τ2 τ1 /CA0
0
面积A =面积B
全混流
B
τ2 /CA0
教学方法
讲授法
学时分配
2 学时
授课时间
200 年 月 日
教学过程
作者：傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
第 1 页 共 11 页
《化学反应工程》 教案
第 3 章 理想反应器
3.6 反应器的型式与操作方法的评选
［复习旧课］
１．循环操作的平推流反应器的特点； ２．循环操作的平推流反应器的设计方程； ３．循环操作的平推流反应器的最优循环比及其计算。 化学反应工程研究的目的是实现工业反应过程的优化。而所谓工业反 应过程的优化，就是在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，使“系 统”对于确定的评价标准达到最佳状态。化学反应过程的优化包括设计优 化和操作优化： 设计优化 基础 工业反应过程的优化 操作优化 １）设计优化：就是根据给定的生产能力，确定反应器的型式、结构 和适宜的尺寸及操作条件； ２）操作优化：就是指反应器的操作，必须根据各种因素的变化对操 作条件做出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转，以达到优化的目 标。 设计优化是工业反应过程优化的基础。 优化目标是过程优劣的评价标准（一般表达为决策变量的函数关系， 构成目标函数） ，而工业反应过程的经济收益是评价生产过程最主要的优化 目标。在建立工业反应过程优化目标和定量关系，即优化目标函数时，要 把过程的经济目标和技术目标联系起来，再进行过程的优化计算以确定最 优的反应设备和操作条件。 工业反应过程的技术目标： ①反应速率：涉及反应器的尺寸，亦即设备的设资费用； ②反应选择性（选择率） ：涉及生产过程的原料消耗费用； ③能量消耗：生产过程操作费用的重要组成部份。 由于能量消耗是从整个车间基至整个工厂作为一个系统而加以考虑 的，所以下面以反应速率和选择性两个目标加以讨论。
第三章 理想反应器
(3.3-6)
Vt = VR / f
(3.3-7)
式中f为填充系数或装料系数,是一个根据经验确定的参数,一般为0.4～0.85， 对不起泡不沸腾物料取0.7～0.85，对易起泡沸腾物料取0.4～0.6。
二、平推流反应器(PFR)反应体积的计算
单位时间A流入微元体的量为： V0CA0 (1 － x A ) 单位时间A流出微元体的量为： V0CA0(1 － xA － dxA ) 单位时间A在微元体内的反应量为： rA d V R 则定态下A的物料衡算式为：
∫ V R
= －V0
dC CAf
A
r CA0
A
dx A
=
－
dC A CA0
(3.3-12)
∫ ∫ τ
= CA0
dx xAf
A
0 rA
=－
dC CAf
A
r CA0
A
(3.3-13)
将式（3.3 -13)与间歇反应器反应时间的积分式 (3.3-5)比较，可以看出：
对恒容过程，为达到相同转化率，在间歇反应器中所需的反应时 间与在PFR中所需的接触时间相同。
第三章 理想反应器
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
2. 全混流模型
特征：
1）反应器内所有空间位置的温度、浓度、反应 速率等参数都相同，且等于出口处相应的值；
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
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
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
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
化学反应工程第三章理想流动反应器1
rA kCA
t
CA dCA CA0 kCA
CA CA0ekt
kt ln CA0 CA
kt ln(1 xA )
xA 1 ekt
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’) 据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算
Tubular reactor and stirred tank
purge
1500-3000bar
LP-compressor HP-compressor
Wax separation
150-300at
HP-stripper LP-stripper
compression
polymerisation
deposition
3－1反应器中流体的流动模型 一、理想流动模型
Outlet = f(inlet, kinetics, contacting pattern)
Stirred tank cascade
流动模型：简化，抽象 平推流模型（Plug-Flow Reactor ，PFR) 全混流模型 (Continuous stirred tank reactor， CSTR)
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 反应器设计的基本方程
the kinetic equation the mass balance equation the energy balance equation
化学反应工程第三章习题答案
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0t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 ，s l mol C r A A ?=-/01.02，当l mol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__D_____秒。
A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进⾏等温⼀级反应 A → B ，s l mol C r A A ?=-/01.0，当lmol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__B_____秒。
A. 400B. 460C. 500D. 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__。
A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间t 14.⼀级不可逆液相反/30.2mkmol CA =，出⼝转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的⽣产能⼒为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为__C__3m 。
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
化学反应工程第三章均相理想反应器
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。
化学反应工程备课-第三章
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)；
——填料或催化刑装填不均 匀引起的沟流或短路(c)；
——存在死角。
偏离全混流的几种情况 ——搅拌不均匀造成死角(a)； ——进、出门管线设置不好引起短路(b)； ——搅拌造成再循环。
（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。
设计和优化的基础。
反应器就流体的返混情况而言，抽象出两种极限的情况： （1）完全没有返混的活塞流反应器——实际生产中的多数管 式反应器及固定床催化反应器。 （2）返混达到极大值的全混流反应器——多数槽式反应器。
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
——对复合反混中的平行反应，若主反应级数低于副反应级 数，对复合反应中的连串反应选择率下降。若主反应级数高 于副反应级数，返混使主产物选择率下降，返混使主产物选 择率提高。
——对复合反应中的连串反应，返混使反应物浓度降低，产 物浓度提高，因而使主产物的选择率下降。 （2）逗留时间分布 ——逗留时间分布密度
全混流反应器中由于返混，整个反应器的推动力等于出口处反 应推动力。
——如果在相同温度、相同进、出口浓度， CA0、CAf 、 CA*相
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
解：分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前，PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此，出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即：
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而， xA2
1
xA2
x A1
–由此，可得：
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者，
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解：
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而
第三章 间歇反应器与理想反应器
元中化学反应 的元中积累的热 量
热效应QrkJs1 QbkJs1
Q in Q ou Q t uQ rQ b
动量衡算方程（动量平衡）
对于稳态流动，上述累积量为0.
3.2 间歇反应器 Batch Reactor（BR)
反应物料一次投入反应器内，在 反应过程中不再向反应器内投料， 也不向外排出，待反应达到要求 的转化率后，再全部放出反应物 料。反应器内的物料在搅拌的作 用下其参数（温度及浓度）各处 均一。
第三章 间歇反应器及理想流动反应器
3.1 概述
反应器的操作
间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。
连续操作： 存在流动问题 稳态流动：
稳态流动 非稳态流动
物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和 温度等不随时间而变。
反应器的数学模型： 宏观模型：反应器内的浓度、温度等不随空间位置而变。 微观模型：反应器内的浓度、温度等随空间位置而变。
一定转化率时所经历的时间。计算关键
作 时
t’ 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 间
经验给定
2.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。 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6
A B Tr C
dH 2
T d T
H 3 m tT r c pd t T m tcp(T t d T T r)
dH2 HrrAVrdt（单一反应）
dHH1dH 2H3
mt为反应物系的质量
mtcpdt THrrAVrdt c pt为反应物系的比热容
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。
（2）返混的原因a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。
造成返混的各种因素统称为工程因素。
在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。
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。
理想化学反应器
温度效应
1 k e C 20
( E1 E 2) RT
P
k10
CA
• E1 E2 E1 E2 0 T
• E1 E2 E1 E2 0 T
E1 E2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E2
T
Chemical Reaction Engineering
工业操作：
k2
CAe
1 xAe
平衡温度和平衡转化率
xAe
1
K K
Teq
E2 R ln[ k20
E1 xA
]
k10 (1 xA )
xAe
1
k20
1 e( E1 E2 ) / RT
k10
Chemical Reaction Engineering
•工业过程受平衡的限制（热力学） •破坏平衡的措施：
①改变K—吸热，T , xAe 受材质限制； —放热，T , xAe 受动力学限制。
100 t 2=10 t 1 高级数时，反应时间消耗在反应后期 —二级重要特征
Chemical Reaction Engineering
4、CA0, x,（-rA）, t 的关系 n=120
Chemical Reaction Engineering
5、反应器体积计算
v0 单位生产时间所处理的物料量 tT 每批物料的操作时间=反应时间+辅助时间
或C A
C A0 1 CA0kt
转化率式
kt CA0 xA
或x A
kt C A0
kt ln 1 1 xA
或x A 1 ekt
C
A0
k
t
1
x
A
化学反应工程多媒体教程--理想反应器(第三章)
d (C v ρTV ) dt
符号说明： U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）； A----传热面积(m2)； Cv、ρ----分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.℃、Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dx UA =β A + (Tm − T ) dt dt ρC v V
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◇物料、热量衡算式 物料、
○取反应器中一个代表的单元体积 ○列出单位时间内物料或热量的输入量 输出量 累积量。 ○按“累积量 = 输入量-输出量”列衡算式
●对于反应系统中的物料衡算 以体积单元作A的物料衡算：
遵循物质 守恒定律
反应物A 反应物A 反应物A 反应物A 的流入 + 的流出 + 由于反应的 + 的累积 = 0 速度 速度 消耗速度 速度
物料衡算式(设计方程 ) 反应器的计算 热量衡算式(操作方程 )联立求解的过程 反应动力学方程
分批式操作的完全混合反应器（间歇釜式反应器） 完全混合反应器 §3.2 分批式操作的完全混合反应器（间歇釜式反应器）
◆间歇釜式反应器特点 ◆设计间歇釜式反应器的有关计算
◇间歇釜式反应器的物料衡算 ◇间歇釜式反应器基本方程式的算法 ◇间歇釜式反应器设计方程及反应器的设计计算 ◇间歇釜式反应器设计计算的两种情形 ○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 ○变温操作间歇釜式反应器设计计算 变温操作间歇釜式反应器设计计算 ◇间歇釜式反应器设计计算例题
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第三章理想反应器1.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。
（理想混合反应器、平推流）3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。
（平均生产速率R Y 最大、生产经费最低）4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之比。
（反应器的有效容积、进料流体的容积流速）5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之比。
（反应时间t、空时τ）6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。
（pr A C v H r V ρ0))((∆--）7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。
（)()1(000P m P c v UAT T c v UAT ρρ+-+）8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。
（r G Q Q =）9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。
（r G Q Q =、dT dQ dT dQ Gr 〉）10.全混流反应器的返混_______。
（最大）11.平推流反应器的返混为_______。
（零）12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。
（平均停留时间、反应时间、空时）13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。
（平推流）14.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_______的平推流反应器。
（循环操作）15.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
（平推流、全混流）16.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_______，而当β→∞时则反应器内返混为_______。
（零、最大）17.对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器类型为_______。
（全混流串平推流）18.对于反应级数n＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。
（全混流）19.对于反应级数n＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。
（平推流）20.对于自催化反应，最合适的反应器为_______。
（全混流串平推流）21.对于可逆的放热反应，使反应速率最大的反应温度=opt T _______。
（)()1(ln )(002'001012A A R A A C C E k C E k R E E χχ+---）22.对于可逆的放热反应，达到化学反应平衡时的温度=e T _______。
（)()1(ln )(00'00012A A R A A C C k C k R E E χχ+---）23.分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 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24.在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，s l mol C r A A ⋅=-/01.02，当l mol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=_______秒。
（D）A.8500B.8900C.9000D.990025.在间歇反应器中进行等温一级反应A →B，s l mol C r A A ⋅=-/01.0，当lmol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=_______秒。
（B）A.400B.460C.500D.56026.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）A.空时τB.反应时间tC.停留时间tD.平均停留时间t27.全混流反应器的容积效率η大于1.0时，且随着A χ的增大而增大，此时该反应的反应级数n_______。
（A）A.＜0 B.=0C.≥0D.＞028.全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着A χ的增大而减小，此时该反应的反应级数n_______。
（D）A.＜0 B.=0 C.≥0 D.＞029.全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n_______。
（B）A.＜0 B.=0 C.≥0 D.＞030.全混流釜式反应器最多可能有_______个定常态操作点。
（C）A.1 B.2 C.3 D.431.全混流反应器中有_______个稳定的定常态操作点。
（B）A.1 B.2 C.3 D.432.对于_______的反应器在恒容反应过程的平均停留时间、反应时间、空时是一致的。
（D）A.间歇式反应器 B.全混流反应器 C.搅拌釜式反应器 D.平推流管式反应器33.一级不可逆液相反应A2R ，30/30.2m kmol C A =，出口转化率7.0=Ax ，每批操作时间h t t 06.20=+，装置的生产能力为50000kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_______3m 。
（C）A.19.6B.20.2C.22.2D.23.434.对于自催化反应，最合适的反应器为_______。
（D）A.全混流反应器 B.平推流反应器C.循环操作的平推流反应器 D.全混流串接平推流反应器35.对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器为_______。
（D）A.平推流反应器 B.全混流反应器C.循环操作的平推流反应器 D.全混流串接平推流反应器36.对于反应级数n＜0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_______。
（B）A.平推流反应器 B.全混流反应器C.循环操作的平推流反应器 D.全混流串接平推流反应器37.对于反应级数n＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_______。
（A）A.平推流反应器 B.全混流反应器C.循环操作的平推流反应器 D.全混流串接平推流反应器38.对于可逆放热反应，为提高反应速率应_______。
（C）A.提高压力 B.降低压力 C.提高温度 D.降低温度39.对于单一反应组分的平行反应AP(主)S(副)，其瞬间收率P ϕ随A C 增大而单调增大，则最适合的反应器为_______。
（A）A.平推流反应器B.全混流反应器C.多釜串联全混流反应器D.全混流串接平推流反应器40.对于单一反应组分的平行反应AP(主)S(副)，其瞬间收率P ϕ随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为_______。
（B）A.平推流反应器 B.全混流反应器C.多釜串联全混流反应器 D.全混流串接平推流反应器41.简述理想反应器的种类？答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。
所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。
所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。
42.简述分批式操作的完全混合反应器？答：反应物料一次性投入反应器内，在反应过程中，不再向器内投料，也不出料，待达到反应要求的转化率后，一次性出料，每批操作所需生产时间为反应时间与非生产性时间之和，非生产性时间包括加料、排料和物料加热、冷却等用于非反应的一切辅助时间。
43.简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系？答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。
反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。
停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。
由于平推流反应器内物料不发生返混，具有相同的停留时间且等于反应时间，恒容时的空时等于体积流速之比，所以三者相等。
44.对于可逆放热反应如何选择操作温度？答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。
45.对于反应，21A R C k r =，1E ；A S C k r 2=，2E ，当1E ＞2E 时如何选择操作温度可以提高产物的收率？答：对于平行反应ARTE E A RTE RTE S R R C e k k C e k e k r r S 12212010/20/10---===，所以，当1E ＞2E 时应尽可能提高反应温度，方可提高R 的选择性，提高R 的收率。
46.在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应A →2R，A A kC r =-kmol/m 3·h，k=9.52×109exp[-7448.4/T]h -1，=0A C 2.3kmol/m 3，=R M 60，=0R C 0，若转化率=A x 0.7，装置的生产能力为50000kg 产物R/天。
求50℃等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间t 0=0.75h）解：反应终了时R 的浓度为)/(22.3230m kmol x C C A A R ==Ax A A x A A A x k x dx k kC dx C t A A-=-==⎰⎰11ln11100092.0502734.7448exp 1052.99=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⨯=k )(31.17.011ln 92.01h t =-=24500000=+t t M VC R R )(2.226022.32406.2500003m V =⨯⨯⨯=47.CH 2 = CHCH = CH 2(A) + CH 2 = CHCOOCH 3(B)COOCH 3(C)该反应在全混流反应器中进行，以AlCl 3为催化剂，反应温度20℃，液料的体积流速为0.5m 3/h，丁二烯和丙烯酸甲酯的初始浓度分别为=0A C 96.5mol/m 3，=0B C 184mol/m 3，催化剂的浓度为=D C 6.63mol/m 3。
速率方程D A A C kC r =-，式中k=1.15×10-3m 3/mol·ks，若要求丁二烯转化率为40%。
求：1）反应器的体积V；2）容积效率η。
解：1）A +B →CD A A D A AA C x kC C kC dtdC r )1(0-==-=-对于全混流反应器∵DA AD A A A A A A A C x k x C x kC x C r x C )1()1(000-=-=-=τ∴)(28.24)(4.8763.6)4.01(1015.14.03h ks ==⨯-⨯⨯=-τ∵v V =τhm v /5.030=∴3014.125.028.24mv V =⨯==τ2）在分批式反应器内的反应时间为)(67114.000ks x dx kC r dx C t A x AADA A A =-=-=⎰⎰766.04.8767===τηt48.在全混流反应器中一级不可逆反应，液相反应A →2R，A A kC r =-kmol/m 3·h，k=9.52×109exp[-7448.4/T]h -1，=0A C 2.3kmol/m 3，=R M 60，=0R C 0，若转化率=A x 0.7，装置的生产能力为50000kg 产物R/天。