3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
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理想间歇反应器的特征
反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀 反应器内各处温度始终相等 反应器内物料同时加入并同时停止反应
反应结果将唯一地由化学动力学所确定
7
3.2.2 间歇反应过程的数学描述
物料衡算（对象：整个反应器） （某组分）ΣG入－ΣG出 －ΣG反应消耗 =ΣG积累
00(rA)VddnAt
(rA)
1 V
dnA dt
nAnA0(1xA)
d
tnA0
dxA V(rA)
8
理想间歇釜反应器计算基本方程
t nA0
dx xAf
A
xA0 V(rA)
等容过程（液相系统）
CA
nA V
tCA0
xAf
dA x
CAf
dC A
xA0(rA)
CA0(rA)
在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需的反应时 间，只取决于过程的速率，而与反应器的大小无关。反应 器的大小只决定于物料的处理量。因此，在放大过程中只 要保证化学反应速率的影响因素相同即可。
n＝1：t∝CA0
无关
xAf 1ekt
n＝2：t∝CA0 n＝0：t∝CA0
反比
xA
CA0k t 1CA0k
t
正比
kt
xA C A0
定性判别大致的反应级数
20
（3） CA0与x关系
n=1：CA0，X不变 n=2：CA0，x n=0：CA0 ，X
CA0， CA
21
（4）比较反应级数n与CA和t的关系
t
CA
f
dC A CA
fdC A
CA0(rA)
kC CA0
2
A
14
残余浓度表示
1 1 kt CA CA0
CA
CA0 1CA0k t
转化率表示
CA0k
t
xA 1 xA
xA
CA0k t 1CA0k
t
tC A 00 xA(fd rA A )xC A 00 xAk f A C 02 d (1A x xA )2
15
二级反应的速率、浓度、转化率 相互关系
(-rA)
(-rA)
xA
CA
(-rA)=kCA2
xA
(-rA)=kCA02 (1-xA)2
xA
CA0k t 1CA0k
t
பைடு நூலகம்
CA
CA0kt
CA
CA0 1 CA0k
t
16
3.零级反应
动力学方程式 (rA )k CA 0
(rA )0 CA 0
反应结果
ktCA0CA
装料系数
11
3.2.3 理想间歇反应器中的简单 反应
1.一级反应 AP
反应动力学方程 ( r A ) kA C kA C 0 (1 x A ) 等温条件下反应时间
t C A 00 x A( fd r A A )x C A 00 x Ak f A C 0 d (1 A x x A ) k 1 ln 1 1 x Af
23
B过量
过量浓度比：M CB0 CA0 CA0
CB与CA的关系：
C B C B 0 (C A 0 C A ) C A M A 0C
动力学方程式：
(rA)kC A(CAMA0C )
24
在BR中
tCAfdA CCAf
dA C
CA0(rA) CA0kC A(CAMA)C
CB0k tM M 1ln(1(1M M ))1(xxA A)
CA
n=0
n=1
n=2
t 二级反应大部分反应时间是消耗在反应的末期
22
5.双组分反应 A＋BP
动力学方程：（－rA）=kCACB
当CA0＝CB0时 方程式为： （－rA）=kCA2
当CA0《 CB0时， CB视作常数 方程式为： （－ rA）= kCACB0= k'CA
当CA0 /CB0≠1时 方程式为： （－rA）=kCACB
第三章 理想间歇反应器 与典型化学反应的基本 特征
1
3.1 反应器设计基本方程
3.1.1反应器设计的基本内容和方法
选择合适的反应器型式(依据)
反应的动力学特性（反应过程的浓度效应、温 度效应及热效应）
反应器的流动特征和传递特性（热量传递对反 应过程的影响、质量传递对反应过程的影响）
两者结合
2
kt 1 lnCB0CA CA0CB0 CA0CB
以CB0 kt～xA作图，看过量比对反应结果的影响
25
由图可见：
x低时，M影响不明显 ；
9
基本方程的图解积分
t xAf dxA
CA0 xA0 (rA)
t CAf dCA
CA0 (rA)
10
BR体积计算 VR v0tT
VR—反应物料在反应器中所占的体积 0 —单位生产时间所处理的物料量
tT —每批物料的操作时间
tT ttc
反应时间
辅助时间（装料、升温、降 温、卸料、清洗）
BR体积＝VR/0.75
确定适合的工艺条件
确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定 性
通过试验，通过大型的工艺模拟软件（PROII、 ASPEN Plus等等）
计算所需反应器体积
确定反应器结构和尺寸 由规定的生产能力及操作条件来确定
3
3.1.2 反应器设计基本方程
动力学方程式—化学反应器设计基础 物料衡算方程式（摩尔衡算）—计算反应器体积 某组分） ΣG入－ ΣG出 － ΣG反应消耗 =ΣG积累 热量衡算方程式—计算反应器温度变化 ΣQ入－ ΣQ出 ＋ ΣQ反应放热 － ΣQ 传出=ΣQ积累 动量衡算方程式—计算反应器压力变化
kt ln CAf CA0
CAf CA0ekt
12
一级反应的r、C、x间的关系
(rA)kCA
CAf CA0ekt
xAf 1ekt
(rA)kA C 0(1xA)
13
2.二级反应
动力学方程式
单组分：AP： (-rA)=kCA2 双组分：A＋BP：(-rA)=kCACB
单组分反应在BR中的反应结果：
xA
kt C A0
(-rA)
(-rA)
CA
xA
CA
xA
kt
17
4.反应特性分析
18
分析讨论
（1） 等式左边 乘积kt项 等式右边 由CA0、CA、xA组成
当时间t一定， xA和CA唯一地确定
反应转化率由时间决定
在体积和时间一定时，T，k， xA
19
（2）CA0对反应结果的影响与反应级数有关 达到相同的转化率所需的反应时间t：
4
3.2 理想间歇反应器
3.2.1 理想间歇反应器的特征
结构及优点
操作灵活
缺点
辅助时间长 产品质量不稳定
5
Batch Reactor
Batch Reactor Stirring Apparatus
6
搅拌器设计、安装
搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性 质和工艺要求来选择
目的都是为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到 反应器内物料的充分混合
反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀 反应器内各处温度始终相等 反应器内物料同时加入并同时停止反应
反应结果将唯一地由化学动力学所确定
7
3.2.2 间歇反应过程的数学描述
物料衡算（对象：整个反应器） （某组分）ΣG入－ΣG出 －ΣG反应消耗 =ΣG积累
00(rA)VddnAt
(rA)
1 V
dnA dt
nAnA0(1xA)
d
tnA0
dxA V(rA)
8
理想间歇釜反应器计算基本方程
t nA0
dx xAf
A
xA0 V(rA)
等容过程（液相系统）
CA
nA V
tCA0
xAf
dA x
CAf
dC A
xA0(rA)
CA0(rA)
在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需的反应时 间，只取决于过程的速率，而与反应器的大小无关。反应 器的大小只决定于物料的处理量。因此，在放大过程中只 要保证化学反应速率的影响因素相同即可。
n＝1：t∝CA0
无关
xAf 1ekt
n＝2：t∝CA0 n＝0：t∝CA0
反比
xA
CA0k t 1CA0k
t
正比
kt
xA C A0
定性判别大致的反应级数
20
（3） CA0与x关系
n=1：CA0，X不变 n=2：CA0，x n=0：CA0 ，X
CA0， CA
21
（4）比较反应级数n与CA和t的关系
t
CA
f
dC A CA
fdC A
CA0(rA)
kC CA0
2
A
14
残余浓度表示
1 1 kt CA CA0
CA
CA0 1CA0k t
转化率表示
CA0k
t
xA 1 xA
xA
CA0k t 1CA0k
t
tC A 00 xA(fd rA A )xC A 00 xAk f A C 02 d (1A x xA )2
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二级反应的速率、浓度、转化率 相互关系
(-rA)
(-rA)
xA
CA
(-rA)=kCA2
xA
(-rA)=kCA02 (1-xA)2
xA
CA0k t 1CA0k
t
பைடு நூலகம்
CA
CA0kt
CA
CA0 1 CA0k
t
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3.零级反应
动力学方程式 (rA )k CA 0
(rA )0 CA 0
反应结果
ktCA0CA
装料系数
11
3.2.3 理想间歇反应器中的简单 反应
1.一级反应 AP
反应动力学方程 ( r A ) kA C kA C 0 (1 x A ) 等温条件下反应时间
t C A 00 x A( fd r A A )x C A 00 x Ak f A C 0 d (1 A x x A ) k 1 ln 1 1 x Af
23
B过量
过量浓度比：M CB0 CA0 CA0
CB与CA的关系：
C B C B 0 (C A 0 C A ) C A M A 0C
动力学方程式：
(rA)kC A(CAMA0C )
24
在BR中
tCAfdA CCAf
dA C
CA0(rA) CA0kC A(CAMA)C
CB0k tM M 1ln(1(1M M ))1(xxA A)
CA
n=0
n=1
n=2
t 二级反应大部分反应时间是消耗在反应的末期
22
5.双组分反应 A＋BP
动力学方程：（－rA）=kCACB
当CA0＝CB0时 方程式为： （－rA）=kCA2
当CA0《 CB0时， CB视作常数 方程式为： （－ rA）= kCACB0= k'CA
当CA0 /CB0≠1时 方程式为： （－rA）=kCACB
第三章 理想间歇反应器 与典型化学反应的基本 特征
1
3.1 反应器设计基本方程
3.1.1反应器设计的基本内容和方法
选择合适的反应器型式(依据)
反应的动力学特性（反应过程的浓度效应、温 度效应及热效应）
反应器的流动特征和传递特性（热量传递对反 应过程的影响、质量传递对反应过程的影响）
两者结合
2
kt 1 lnCB0CA CA0CB0 CA0CB
以CB0 kt～xA作图，看过量比对反应结果的影响
25
由图可见：
x低时，M影响不明显 ；
9
基本方程的图解积分
t xAf dxA
CA0 xA0 (rA)
t CAf dCA
CA0 (rA)
10
BR体积计算 VR v0tT
VR—反应物料在反应器中所占的体积 0 —单位生产时间所处理的物料量
tT —每批物料的操作时间
tT ttc
反应时间
辅助时间（装料、升温、降 温、卸料、清洗）
BR体积＝VR/0.75
确定适合的工艺条件
确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定 性
通过试验，通过大型的工艺模拟软件（PROII、 ASPEN Plus等等）
计算所需反应器体积
确定反应器结构和尺寸 由规定的生产能力及操作条件来确定
3
3.1.2 反应器设计基本方程
动力学方程式—化学反应器设计基础 物料衡算方程式（摩尔衡算）—计算反应器体积 某组分） ΣG入－ ΣG出 － ΣG反应消耗 =ΣG积累 热量衡算方程式—计算反应器温度变化 ΣQ入－ ΣQ出 ＋ ΣQ反应放热 － ΣQ 传出=ΣQ积累 动量衡算方程式—计算反应器压力变化
kt ln CAf CA0
CAf CA0ekt
12
一级反应的r、C、x间的关系
(rA)kCA
CAf CA0ekt
xAf 1ekt
(rA)kA C 0(1xA)
13
2.二级反应
动力学方程式
单组分：AP： (-rA)=kCA2 双组分：A＋BP：(-rA)=kCACB
单组分反应在BR中的反应结果：
xA
kt C A0
(-rA)
(-rA)
CA
xA
CA
xA
kt
17
4.反应特性分析
18
分析讨论
（1） 等式左边 乘积kt项 等式右边 由CA0、CA、xA组成
当时间t一定， xA和CA唯一地确定
反应转化率由时间决定
在体积和时间一定时，T，k， xA
19
（2）CA0对反应结果的影响与反应级数有关 达到相同的转化率所需的反应时间t：
4
3.2 理想间歇反应器
3.2.1 理想间歇反应器的特征
结构及优点
操作灵活
缺点
辅助时间长 产品质量不稳定
5
Batch Reactor
Batch Reactor Stirring Apparatus
6
搅拌器设计、安装
搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性 质和工艺要求来选择
目的都是为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到 反应器内物料的充分混合