第三章理想流动反应器习题精讲教材
第三章 理想流动均相反应器设计
W
（4）计算反应体积
VR v0 (t t) 0.2673 (7.649 0.5) 2.178(m3 )
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（5） 根据物料特性确定装料系数 ，计算反应器体积
Vt
VR f 2.178 0.75 2.904(m3 )
对于沸腾或鼓泡的物料：
※ 相关问题讨论
3. 何谓物料粒子或流体微团？ 假定反应器内的物料是以粒子或微团构成的，这种粒子或微团是 大量分子的集合体，具有宏观线度，与宏观粒子相比，其大小可以说 是微不足道，但与单个原子或分子相比，又是一个很大的分子集团， 能反映出物料特性参量的统计规律。如： 单个分子 转化率
0 100%
；物料粒子
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
（1）问题分析
操作时间 t t0
不变； 单 位 时 间 产 量
t0
t
延长；
cAห้องสมุดไป่ตู้
减小；
rA
降低
最优操作时间
topt
tc
第3章 理想流动均相反应器设计
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
（2）建立目标函数 单时产量
最终总产量 总操作时间
PR VRCR t t0
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（2） 查阅辅助时间计算每批次的操作时间，即
操作时间 (t t ) 7.649 0.5
（3）根据物料处理量计算单位时间内处理物料的体积量，即
272.684 v0 (m / h) 267.3( L / h) 0.2673 ( m 3 / h) 1.02
0
dxA rAV R
8 第3章 理想流动均相反应器
3.2 稳态全混流反应器
解：
VR 20 40min v0 0.5
cA0 xA xA k1cA0 1 xA 0.11 xA xA 0.8 cA cA0 1 xA 0.02kmol/m3
3.2 稳态全混流反应器
对中间产物R： cR 40 2 k1cA 2k 2 cR
第3章 理想流动均相反应器设计
河北科技大学 化学与制药工程学院 张向京
例 3-3 ：液相一级不可逆分解反应 A → B+C 于常温下在一个 2m3全混流反应器中等温进行。进口反应物浓度为1 kmol· m-3 ，体积流量为 1m3h-1，出口转化率为 80% 。因后续工段设备 故障，出口物流中断。操作人员为此紧急停止反应器进料。 半小时后故障排除，生产恢复。试计算生产恢复时反应器内 物料的转化率为多少？
rA k1cA
rR k1cA k2cR
对反应物A：
cA0 cAf cA0 cAf k1cAf k1 1
3.2 稳态全混流反应器
0
对主产物R： 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
FR0 FRf -rRf VR
0 v0cRf -rRf VR
v0 cRf VR rAf
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.2 稳态全混流反应器 多级全混流反应器的串联的计算
cA0
v0
cA1 cA1
VR1
v0
cA2
v0
cAi-1 cAi-1
VRi-1
v0
cAi cAi
VRi
v0
cAm
v0
cA2
VR2
cAm
VRm
3.2 稳态全混流反应器 解析计算 假设：稳定状态，等温，等容。 对第i级作A的物料衡算，则有：
《理想流动式反应器》课件
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
第三章_理想流动反应器 ppt课件
• 返混：若处于不同进料时间的两股物料之间发生混 合，两者的组成不同，混合后形成的新物料其组成 与原物料的组成不同，化学反应的速率亦随之变化 ，这种混合称为返混。
理想化条件 反应物料在反应器内搅拌均匀； 反应物料各参量只随时间改变。
如果是非理想工业规模反应器，则
cA f (x, y, z,t)；T f (x, y, z,t)
经理想化后的浓度、温度函数则为
cA f (t)； T f (t)
ppt课件
1
间歇反应器的数学描述
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
CA CA0ekt
xA 1 ekt
kt 1 1
CA
CA0
CA 1
CA0 CA0
kt
kt 1 xA
CA0
1
xA
xA
CA0kt 1 CA0kt
rA
kC
n A
kt
n 1pp1t课(C件1An
C1n A0
)
（1－x
）1－n
A
1 (n 1)CAn01k1t
间歇反应器中的单反应
1. k的影响 k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
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
ppt课件
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
第三章理想流动反应器
2. 反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递。 3. 反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。
二、间歇反应器性能的数学描述
1.反应时间～xA的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间 变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算： [A流入量] = [A流出量] +[ A反应量] + [A累积量]
（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。
三、非理想流动模型
1. 实际反应器存在着程度不一的工程因素，流动状况不 同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。
2. 非理想流动模型 在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型， 称为理想流动模型。常用的非理想流动模型有：
1）轴向混合模型 2）多级串联全混流模型
目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础 发展而成的。
（4）质点的奉命相同，任一截面上的质点的年龄相同；
（5）返混＝0,不同年龄的质点不相混合（参见（3））。
2）适用范围 管式反应器：L/D较大，流速比较大。
2.全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模 型）
全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反 应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合。 1）模型特点： （1）反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同， 且等于出口处的参数； （2）同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合， （3）反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应 器的物料中，质点的寿命也不相同。 （4）返混＝∞ 2）适用范围： 搅拌反应器，强烈搅拌。
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》第三章课后习题答案详解
t2 4 0 .61 1 0 .3 5l0n 5 7 5 (1 0 .0 9 .9)9 9 5 .8(h 1 )
分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长； 若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。
习题3-2解答
已：知 A B CD ; C A0C B00.0m 2 /o Ll
k5.6L/(m m in )o;lrAkC AC B5.6CA 2
根据 ：t xAf
kCA0(1xAf)
当VR 1m3和23时： (反应时间与反应体积无关）
t
0.95
16.964(min)
5.60.02(10.95)
习题3-3解答
解： （1）PFR k ln 1
(1 xAfp)
（2）CSTR k xAfc
1 14.35; (1xA1)
xA1
1 1 0.81 5.35
(xA2 0.81) (1xA2)2
4.35;
5 .1 6 9 .7 x A 2 4 .3x A 2 5 2 0
xA2 0.88
（4）两个0.25m3的PFR 串联
VR V0
CA0
dx xA1
A
0 kCA21
CA0
xA2 xA1
dxA kCA22
3
5k CA0
3 51 7.41 067.1 41 03 4.3 5
4 .3 5 9 .7 x A 1 4 .3x A 2 5 1 0 ; xA1 0.62
x(1A2x0A2.6)224.35 4 .9 7 9 .7 x A 2 4 .3x A 2 5 2 0
xA2 0.80
（2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFR
反应工程第三章习题答案
第三章 理想流动反应器 1.10=A B C C 时：()[]⎰-=A fx A A AA x C k dx C t 02001积分得到：01110AfA A xx kC t -⋅=即：AfAf A x x kC t -⋅=11k=0.615L/(mol h), C A0=0.307mol/L ： x Af =0.5 ,t=5.30 h x Af =0.9 ,t=47.67 h x Af =0.99 ,t=524.35 h50=A B C C 时：()()⎰--=A fx AA A A A AA x C C x kC dx C t 0000051积分：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=5ln 15ln 41Af Af A x x kC t k=0.615L/(mol h), C A0=0.307mol/L ： x Af =0.5 ,t=0.78 h x Af =0.9 ,t=2.79 h x Af =0.99 ,t=5.81h 2.由于B A C C =，所以2A B A A kC C kC r ==；()[]⎰⎰-==A f A f x A A AA x A A A x C k dx C r dx C t 0200001积分：AfAf A x kC t -⋅=10k=5.6 L/(mol min), C A0=0.02 mol/L ，x Af =0.95,t=169.64 min 3．对于平推流(等温一级反应):⎰-=A f x A A AA R x kC dx C V V 0000)1(对于全混流(等温一级反应):)1(000Afc A Afc A R x kC x C V V -=由题设两类型的反应器体积相等,所以:⎰-=-A f x A A AA Afc A Afc A x kC dx C V x kC x C V 0000000)1()1(化简:()()⎰-=-A fx A AAfcAfcx dx x x 011 即:()AfAfcAfcx x x -=-11ln1代入9.0=Af x ,得:6972.0=Afc x4.对于平推流(等温一级反应):⎰-=A f x A A AA R x C k dx C V V 00100)1(对于全混流(等温一级反应):)1(0200Afc A Afc A R x C k V -=两反应器体积相等:)1()1(020000100Afc A Afc A x A A AA x C k x C V x C k dx C V A f -=-⎰由于流率，初始浓度均相同，所以可化简为：()Afc Afc Af x k x x k -=-111ln 121 6.0=Af x ，7.0=Afc x ，代入，得到： 3927.021=k k 由阿累尼乌斯方程：3927.0exp exp 2010=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-RTE A RTE A aa15.42315015.2731=+=T K ，83680=a E J/mol ，314.8=R J/(mol K)，代入，解得：46.4402=T K5．设每股料液流量为V 0，则总流量为2V 0，所以A 的初始浓度为3.0/2=1.5mol/L ，B 的初始浓度为2.0/2=1.0mol/L ；由公式：()()20000007.1))1(82Bf B Bf B A Bf B BfB R xC x C C x C x C V V ---=1.0=R V L ，%80=Bf x ，解得：002.00=V L/min6.（1）：因为是二级反应，逐釜计算：对于第一个全混流反应器（料液密度恒定，因此可按等容处理）：()2101001)1(Af A Af A R x C k x C V V -=代入已知数据，化简：()0135.421=--x x Af解得：%2.621=Af x70.21=A C mol/L对于第二个全混流反应器：()2212102)1(Af A Af A R x C k x C V V -=代入已知数据，化简得：()01645.122=--x x Af%71.462=Af x 44.12=A C mol/L所以总转化率为：%8.79020=-=A A A C C C X （2）对于第一个全混流反应器（料液密度恒定，因此可按等容处理）：()2101001)1(Af A Af A R x C k x C V V -=代入已知数据，化简：()0135.421=--x x Af解得：%2.621=Af x70.21=A C mol/L对于后接的平推流反应器：()⎰-=221102)1(A fx A A AA R x C k dx C V V化简：221021Af Af A R x x kC V V -⋅=代入已知数据，解得：%2.622=Af x 02.12=A C mol/L总转化率：%7.85020=-=A A A C C C X （3）对于第一个平推流反应器：()⎰-=120001)1(A f x A A AA R x C k dx C V V化简：110011Af Af A R x x kC V V -⋅=代入已知数据，解得：%3.811=Af x 33.11=A C mol/L对于后接的全混流反应器：()2212102)1(Af A Af A R x C k x C V V -=代入已知数据，化简得：()018130.022=--x x Af 解得：%68.342=Af x 872.02=A C mol/L总转化率：%8.87020=-=A A A C C C X (4)平推流反应器串联相当于一个大平推流反应器，5.021=+=R R R V V V m3由平推流反应器公式：()⎰-=A fx A A AA R x C k dx C V V 02000)1(化简得：AfAf A R x x kC V V -⋅=100代入已知数据，得：%7.89=Af x7.（1）对于单个平推流反应器：⎰-=A f x AA A A AA R x C x kC dx C V V 00000)1(化简得：()()01ln ln 0AfA A A R x x x kC V V --=由于ln （0）为无穷大，因此V R 为无穷大，单个平推流反应器无法完成题设任务。
第三章 理想流动反应器
作业
50000 23 .674 kmol h 24 88
乙酸的投入量为：
N B 0 67.64 3 乙酸的体积流量： V0 17.3 m h CB 0 3.91
反应器的体积：
23.674 67.64 kmol h 0.35
VR V0 t t 17.3 1 1.97 51.4m
用CSTR表示。
二、非理想流动模型 非理想流动：凡是流体流动状态偏离PFR和CSTR
两种理想情况的流动，称为非理想流动。
非理想流动模型介于PFR和CSTR之间；
非理想流动停留时间介于PFR和CSTR之间。
6
作业
图3-2 反应器的推动力
7
作业
图3-3 偏离平推流的几种情况
8
作业
图3-4 偏离全混流的几种情况
进入量＝出去量+反应量+累积量 (1) 连续系统：累积量＝0。
(2) 间歇系统：进入量＝0；出去量＝0
2、热量衡算 进入热量＝出去热量+反应热+累积热量+热损失 反应热：放热为负；吸热为正。
11
作业
3、动量衡算 以动量守恒定律为基础。
实际计算时应联立三个方程求解。
第二节 理想流动反应器
3-3 间歇反应器
CB CB0 1 xB 3.911 xB CP CP0 CB0 xB 3.91xB
CS CS 0 CB0 xB 17.56 3.91xB
23
作业
rB 2.2 109 10.2 3.91xB 3.911 xB 3.91xB 17.56 3.91xB / 2.93
一、等温平推流反应器 动力学方程：rA
第三章-理想流动均相反应器设计题解
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:㏑CA 0CA =kt, CA0CACA0- =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min-1在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926⨯=25.2 min -1∴空速S=1τ=125.2=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A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C Amol/m 3·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积?解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1k ㏑PA0PA =1k ㏑A0Ay y =1k ㏑11Ax -=10.27㏑110.95-=11.1 S∴V R =τP ·v 0=τP 00A A FC而C A0=A P RT=30.30.082555⨯⨯=0.0198mol/L=19.8mol/m 3V R =11.1s ×36.3/19.8/mol s mol m =3.53m 33、[平推流变容过程一级]有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学方程式为-dP A /dt=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.772℃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: ∵εA =212-=0.5∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5∴τP =1.5ln 20.250.4-=1.974hV R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 34、[间歇釜变容一级]一级气相反应A →2R+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 δA =3-11=2膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5对应转化率X A 的反应体积 V=V 0(1＋εA ΧA ) 所以，ΧA =V V 0A1ε-=2-11.5=66.7%K=1t ㏑11Ax -=18㏑110.667-=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 →C,在298K 下的动力学方程式为r A =0.6C A C B mol/(L.min),该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3/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? 解:R 0V v =A0Af AC x r =A0Af A BC x kC C =A02Af A C x kC =A0220(1)AfA Af C x kCx -=τmτm =20.90.60.1(10.9)⨯-=150 min∴V R =v 0τm =0.018 m 3/mi n ×150min=2.7 m 36、[多釜串联液相二级]某一液相反应A+B →R+S,其速率常数k=9.92m 3/(Kmol ·KS),初始浓度为0.08Kmol/m 3，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0.278m 3/KS .求全混釜的总体积? 解： τ1=10R V v =011A A C C r -=012201(1)A A A A C x kCx -τ2=20R V v =122A A A C C r -=021222()(1)A A A A A C xx kC x--∵ τ1=τ2 两釜相同所以， 121(1)A A x x -=2122(1)AA A xx x--, 而x A2 =0.875整理有 (1-0.875)2x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2试差解得 x A1=0.7251所以，V R1=0012201(1)A A A A v C xkC x ⨯-=20.2780.75219.920.08(10.7521)⨯⨯⨯-=4.16 m 3总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 37.【自催化反应优化】自催化反应 A+R →R+R ，速度方程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。
第三章-理想反应器PFR-1
◆对于等温过程，只需将反应的速率方程代入设计方 程积分求解； ◆对于速率方程较为复杂的场合，可能要用到数值积 分或图解积分求解； ◆对于非等温过程，则要结合热量衡算式（操作方程） 联立求解，下面要讲到。
例题13 在PFR反应器中，用已二酸和已二醇生产醇酸树脂， 操作条件和产量与例2相同，试计算PFR反应器的有效容积。 速率方程式：（-rA）=kCACB 式中：
（-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1
k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L-1 若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，
解： 该反应为恒容液相二级反应，故：
x A 2 dx xA2 VR dxA xA A C A0 C A0 kC A0 2 2 x A1 r x A1 v0 1 xA kC A0 1 x A A
Plus Flow Reactor, PFR----平推流反应器，也称活塞流
反应器，如长径比（L/D）较大，流体粘度较小，流速较快 的场合。 1、平推流反应器的特点
◆定常态下，在与流动方向垂直的截面上没有流速分布；
◆在反应器的各个截面上，物料的浓度不随时间变化；
◆流体流动方向上不存在流体质点的混合，无返混现象； ◆所有流体质点具有相同的停留时间
当β=3时，
1.06 V R 4 ln 11.4 L 0.06
当β=0时，即为活塞流的情况：
VR FA0 x A 2
1 xA2
F0 dxA A2 2 kCA0 x A 1 x A kCA0
rA kCA C A0 C A kC x A 1 x A
第三章 理想流动均相反应器设计题解
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:㏑CA 0CA =kt, CA0CACA0- =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min-1在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926⨯=25.2 min -1∴空速S=1τ=125.2=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A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C Amol/m 3·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积?解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1k ㏑PA0PA =1k ㏑A0Ay y =1k ㏑11Ax -=10.27㏑110.95-=11.1 S∴V R =τP ·v 0=τP 00A A FC而C A0=A P RT=30.30.082555⨯⨯=0.0198mol/L=19.8mol/m 3V R =11.1s ×36.3/19.8/mol s mol m =3.53m 33、[平推流变容过程一级]有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学方程式为-dP A /dt=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.772℃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: ∵εA =212-=0.5∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5∴τP =1.5ln 20.250.4-=1.974hV R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 34、[间歇釜变容一级]一级气相反应A →2R+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 δA =3-11=2膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5对应转化率X A 的反应体积 V=V 0(1＋εA ΧA ) 所以，ΧA =V V 0A1ε-=2-11.5=66.7%K=1t ㏑11Ax -=18㏑110.667-=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 →C,在298K 下的动力学方程式为r A =0.6C A C B mol/(L.min),该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3/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? 解:R 0V v =A0Af AC x r =A0Af A BC x kC C =A02Af A C x kC =A0220(1)AfA Af C x kCx -=τmτm =20.90.60.1(10.9)⨯-=150 min∴V R =v 0τm =0.018 m 3/min ×150min=2.7 m 36、[多釜串联液相二级]某一液相反应A+B →R+S,其速率常数k=9.92m 3/(Kmol ·KS),初始浓度为0.08Kmol/m 3，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0.278m 3/KS .求全混釜的总体积? 解： τ1=10R V v =011A A C C r -=012201(1)A A A A C x kCx -τ2=20R V v =122A A A C C r -=021222()(1)A A A A A C xx kC x--∵ τ1=τ2 两釜相同所以， 121(1)A A x x -=2122(1)AA A xx x--, 而x A2 =0.875整理有 (1-0.875)2x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2试差解得 x A1=0.7251所以，V R1=0012201(1)A A A A v C xkC x ⨯-=20.2780.75219.920.08(10.7521)⨯⨯⨯-=4.16 m 3总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 37.【自催化反应优化】自催化反应 A+R →R+R ，速度方程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。
第三章 理想流动反应器
CA0
xAf 1 exp(k )
xAf CA0 k 1 CA0 k
n = 2,
xAf V0 VR , kCA0 (1 xAf )
2.PFR的热量衡算
在dVR内作热量衡算
T0，CA0 V0，ΣNi
T
dF T + dT Ta
一级反应时间只与转化率有关，与初始浓度CA0 无关。
(3) 二级反应：rA =
用转化率表示
kCA2；积分得
kt
xAf CA0 (1 xAf )
1 1 kt CAf CA 0
二级反应时间不仅与转化率有关，还与初始浓度CA0有关。
固定CA0 = 1.0 kmol/m3 时，反应时间与转化率、浓度的关系图
2.反应时间的优化 间歇釜式反应器操作需要辅助时间，对于特定的反应和反 应器，辅助时间t0是一定值。产物生成速率随反应物浓度降低 而降低，即随反应时间增长，单位时间内生成产物的量随之降 低，如果无原则地延长反应时间来追求产物的量会得不偿失。 因此，需要对反应时间t 进行优化确定。
（1）以单位操作时间的产品产量为目标函数 优化反应时间，使产品产量目标函数最大化。
（1）等温 PFR 计算
(H r )(rA )dVR K (T Ta )dF
①当为放热反应，ΔHr < 0, 此时，T > Ta , 反应器向外传热。
②当为吸热反应，ΔHr > 0, 此时，T < Ta , 向反应器内传热。
③沿反应器轴向，反应放（吸）热量，刚好由反应器与环 境热交换作用抵消掉，使得反应器轴向温度处处相同。
反应级数越高时，随反应物浓度降低（或转化率升高）， 反应时间增大幅度越大。这充分说明了反应级数大小是浓度影 响反应速率的敏感程度。 举例： A + B
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
化学反应工程第三讲(理想流动反应器)
PFR
k P CA0 CAf CA0 xAf CAf CA0 k P
PFR
k P
ln CA0 CAf
1 ln
1 xAf
CAf CA0ekP
CSTR
k m CA0 xAf CA0 CAf CAf CA0 k m
CSTR
k m
CA0 CAf CAf
CA0 xAf CA0 (1 xAf )
加料时，同时加入 加料处，同处加入
CSTR
不同年龄分子返混 剧烈 C=Cf 加料处，同处加入
某时刻，年龄相同 出料时，寿命一样
任截面，年龄相同 出料处，寿命一样
反应器内，返混均 匀，年龄不同
出料处，寿命不同
2. 等温PFR与CSTR的反应速率方程
Batch
PFR
rA
dCA dt
kCAn
rA
dCA d P
(1
xAf
)n
循环流动反应器
例1：求R＝0，∞，5时，出口xAf。
CAi
CAf
CA0
x=0.8
R=1 n=2
解：R＝1时， Vi 2V0 , CAi (CA0 0.2CA0 ) / 2 0.6CA0
k VR 1 1 2V0 0.2CA0 0.6CA0
k VR 20 V0 3CA0
① R=0，PFR： k VR 1 x V0 CA0 1 x
x=0.87
②
R=∞，CSTR： k VR V0
1 CA0
x (1 x)2
80 12CA0
x=0.68
③ R=5， k VR 1 1 1 40
6V0 CAf CAi (1 x)CA0 12CA0
X=0.77
例2：液相自催化反应A+P P+P的速率方程表达式为：
第三章理想流动1
19
这是一通用的物料衡算方程，对连续 流动系统、间歇系统均适用。 • 物料衡算方程意义？ 给出了CA(xA)随反应器位置或 t 变化 的定量关系。
5
第三部分 ： 单一反应、平行反应、串联反应的特点 平行反应、串联反应的选择率、收率、瞬 时选择率、平均选择率 反应选择性的浓度效应与温度效应 一级平行、串联反应在PFR和CSTR的选择 率和收率计算 反应器类型与操作方式的选择对平行反应 选择性的影响
6
化学反应器的类型很多，由于反应物 料的性质、反应条件及生产规模不同，反 应器的型式、形状、大小也各异。
34
平推流的特点？
• 流动方向上，物料T、C不断变化； • 沿半径方向（垂直于流体流动方向）的任 何截面上，物料的所有参数，如T、C、P、 流速都相同； • 所有物料质点在反应器中的停留时间完全 相同； • 反应器中没有返混，即返混为零。
35
平推流属于理想流动模型的一种，符合 平推流特点的反应器称为平推流反应器。 实际生产中，长度与直径之比较大， 管内流体处于湍流流动，即管径较小，流 速较高的管式反应器，可近似视为平推流 反应器。
为了逐步掌握典型反应器的设计方法， 我们从简单、理想状况入手，然后推广到 比较复杂的情况。
7
首先讨论等温、均相、理想流动情况 下间歇反应器、平推流反应器和全混流反 应器三种理想反应器（典型均相反应装置） 的性能特征及计算方法。
涉及内容不仅是均相反应过程开发及 均相反应器设计计算的理论基础，也是处 理更为复杂的多相化学反应工程问题的基 本方法和理论基础。
第三章理想流动反应器(201203)
0i
C A0 (
xA
0
d xA )i ( rA )
xA d xA V0 i C A 0 ( )i 0 ( rA ) i 1 N
VR 0 V0 i
所有物料质点在反应器中具有相同的停留 时间，反应器中不存在返混。
▲全混流反应器
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 连 续 搅 拌 槽 式 反 应 器 或 理 想 混 合 反 应 器
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中， 刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间 达到完全混合。 特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而 且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应 器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短， 形成一个停留时间分布。 时间概念： 返混:又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合。 1 年龄和寿命
n m a1 A b1 B k1 pP(目的产物） rA! a1 k1C A1 CB 1 n m a2 A b2 B k2 sS (副产物） rA2 a2 k2C A2 CB 2
间歇反应器 平推流反应器
返混最大 完全没有返混
(a) (b)
连续流动反应器
全混流反应器
返混最大
(c)
▲间歇搅拌反应器
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 反应物料间歇加 入与取出，反应物料 的温度和浓度等操作 参数随时间而变，不 随空间位置而变，所 有物料质点在反应器 内经历相同的反应时 间。
死角
短路
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
10
AB
r2
k e167368/( 20
RT
)CRCB
选取最佳的操作方式。
B
解：对于A, A n12 R n 2 1 S
A
应选用高CA0, PFR反应器。
m11 R 对于B, B m22 S
CB与生成R无关，尽管B可以任意方式加入,为 维持高CA,考虑B分段加入为佳
习题-1请考虑化学反应：
A B 催化剂DC
该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20℃， 液料的体积流量为0.5m3/h, CA0=96.5mol/m3, CB0=184mol/m3,催化剂的浓度CD=6.63mol/m3。实 验测得该反应的速度方程为：
rA=kCACD
式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求A的转化率 为40%，试求反应器的体积。
490.2
913.8
1188 ∞
-0.55591
-0.6311
-0.7151
-0.9177
-1.0479
99
90.6
83
70.6
65.3
42.4
-0.55591
-0.6311
-0.7151
-0.9177
-1.0479
0 0
-0.2
500
1000
1500
-0.4
-0.6
-0.8
-1 y = -0.0005x - 0.4912 R2 = 0.9987
V0
(2) 两个CSTR串联
CSTR-1: CSTR-2:
V0CA0 xA1 kCA20 (1 xA1)2VR1
1
VR1 V0
x A1 kCAo (1
x A1 ) 2
(3)
V0CA0 (xA2 xA1) kCA20 (1 xA2 )2VR2
2
VR 2 V0
xA2 xA1 kCAo (1 xA2 )2
3
线性 (系列
2
1)
1
0 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11
课本2-14题解答:
时间/min
0
2
4
6
8
10
12
14
∞
PA,*105,Pa
1
0.8 0.625 0.51 0.42 0.36 0.32 0.28
0.2
CA,kmol/ m3
0.044 0
0.0352 0.0275 0.0224 0.0185 0.0158 0.0140 0.0123 0.0088
dCA/dt
0.004 0.00385 0.0025 0.0019 0.0013 0.0008 0.0008
4
5
33
83
22
81
81
0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005
0
0
y = 0.1275x - 0.001 R2 = 0.9823
(4)
VR1
VR2
VR即1
2
2
,
xA1
0.9507
x A1
xA2
VR V0
kCA0 (1
xA2 )2
代入(3)
VR 39.6 V0
2 VR 2 39.6 79.2 min
V0
例题
对平行-串联反应
A B R
RBS
r1
k e C C 125526/(RT ) 2
1
s
1
tanh(3
s
)
1
3 s
1 7..864
tan(3
1 7.864)
1 3 7.864
（3分）
0.120
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
系列1 线性 (系列1)
(rA )
dCA dt
0.1275CA
0.001(kmol/ m3
min)
0.102CA 0.0102Cp
课本2-13题解答(新书第二版)
时间
CA,mol/L ln(CA-42.4)/CA
116.8
319.8
对于温度，E1<E2, 应选用低温
课本P49习题11讲解(新二版１－９题）
10.21097 10.39207
5.57973 5.225747
1-m-n=-2,m+n=3
6 5 4
y = -1.9931x + 25.933 R2 = 1
系列1
10.54797 10.68052 10.90228
4.905275 4.644391 4.204693
P
D
Vg P
De
0.35 P
2.5
1.7 102
0.238 102 P
Vs L 0.4cm Ss 2
（2分）
s
Vs Ss
kf (C As ) 0.4
0.92 P
19.66 7.864
De
0.238 102 P
（3分）
k x
0.99
9.9
CA0 (1 x) 10CA0 (1 0.99) CA0
(1)
kCA0 9.9
（１）在单个CSTR中：
x kCA0 (1
x)2
k
x
CA0 (1 x)2
0.99
CA0 (1 0.99)2
9900
C A0
(2)
则
VR 1000 min
-1.2
系列1 线性 (系列1)
k 1.18105 m3 /(mol.s) (rA) 1.18105CACB mol /(m3.s)
课本第二版1-17
(27.5min)
25
20
15 系列1
10
5
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1 1.3 2
25
习题-02
某二级液相反应A+B→C，已知CAo=CBO ，在间歇反 应器中达到x=0.99，需反应的时间为10min,问在 同一温度下，达到相同转化率时：
(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(反应体积相等)中
进行时， 又是多少？
解：在间歇反应器中，对二级反应
20
15 系列1
10
5
0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1 1.3
例题
在铬铝催化剂上进行丁烷脱氢反应，其反应速率方程为 (rA ) kwCA mol/(g.s) 在 0.1013Mpa 及 773K 时，kw=0.92cm3/g.s。若在该温度下采用厚度为 8mm 的薄片催化剂进
行反应，催化剂的平均孔半径为 48×10-10m，孔容为 0.35cm3/g，曲折因子等于 2.5。试 计算内扩散有效因子。
M A 58
1.0133103 1.0133103 105 cm
p
101.33
（2分）
(rA ) k w PC Amol /(m3 .s)
解：设A的转化率为x，则有：
rA kCA0 (1 x)CD
对于全混流反应器，应有：
CA0 (x x0 )
C A0 x
x
rA
kCA0 (1 x)CD k(1 x)CD
0.40 (1.15 103)(1 0.4)(6.63)
87.4ks
24.28h
VR V0 0.5 24.28 12.14m3
k k w P 0.92 P
（2分）
kn
Hale Waihona Puke d0105 2 48 108
10.42 10, 努特森扩散, D DK
（1分）
DK 4850d 0
T 4850 2 48 108 M
773 1.7 102 cm 2 / s 58
（2分）
De