反应器型式和操作方式的评选
反应器型式和操作方式的选择
03
各类反应器适用场景及特点
釜式反应器
适用场景
适用于液-液、液-固相反应及反应过 程中有固体生成的场合，如酯化、硝 化、磺化等反应。
特点
结构简单，操作方便，传热面积大， 传热效果好，适用于间歇操作。
反应器分类
根据反应的特点和需求，反应器可分为釜式反应器、管式反应器 、塔式反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
Байду номын сангаас
常见反应器型式介绍
釜式反应器
管式反应器
塔式反应器
固定床反应器
流化床反应器
适用于液相或气液相反应 ，具有结构简单、操作方 便、传热效果好等优点。
适用于气固相或气液相连 续反应，具有结构紧凑、 传热效率高、反应时间短 等特点。
适用于气固相或气液相逆 流接触反应，具有处理能 力大、传质效率高、操作 弹性大等优势。
适用于气固相或液固相反 应，具有催化剂不易磨损 、反应温度均匀、易于控 制等优点。
适用于气固相或液固相反 应，具有传热传质效果好 、催化剂活性高、操作灵 活等特点。
选型原则及影响因素
选型原则
在选择反应器型式时，应遵循满足工艺要求、保证产品质量、提高经济效益等 原则。
影响因素
反应器选型受到反应物性质、反应条件、催化剂性质、传热传质要求等多种因 素的影响。因此，在选型时需综合考虑这些因素，选择最适合的反应器型式。
02
操作方式选择依据
连续操作与间歇操作比较
连续操作
物料连续进入和离开反应器，反 应过程中各参数保持恒定，生产 效率高，产品质量稳定。
间歇操作
6.2.2理想反应器的评比与选择
n 1 1 x 1 ( 1 x ) Af Af x n 1 Af
容积效率
容积效率与转化率的关系
1.0
容积效率与反应级数的关系
零级反应
? ?
1.0 xA 容积效率与反应级数的关系 0
容积效率
1.0 2 3
1
一级反应 0
பைடு நூலகம்xA
2、容积效率（volumetric effectiveness）
容积效率：同一反应，在相同条件和完成同样任务的活塞 流反应器与全混流反应器的有效容积之比，。
(V R ) P (V R ) C
xAf
P C
dx A cA0 0 ( r ( r A) f A) cA0xAf xAf ( r A) f
一、理想反应器评比
理想反应器中反应物浓度（反应推动力）的变化
c A0 c A0
c
c A0
c
c
c A0
c Af
c
c Af 1
c Af
2
c Ae
c Af
c Ae
c Af
t
间歇釜式反应器
c Ae
c Ae
活塞流反应器
全混流反应器
两釜串联反应器
反应推动力 随反应时间 逐渐降低
反应推动力 随反应器轴 向长度逐渐 降低
化学反应工程
6.2 理想反应器的评比与选择
教学目的： 在对各种理想反应器评比的基础上，能够根据化 学反应的特点和反应器的性能正确选择化学反应 器的形式和操作方式。
重点难点： 1、理想反应器的评比 2、平行反应和连串反应反应器的形式、操作条 件和操作方式的选择
反应器选型与操作方式
xA
1
k
e
1
opt
max
CP,max CA0
[( k2
1 )1 2
1]2
k1
xA
k 1
1k1
opt
opt
转化率较高时
转化率中等时
0
xAf xA
CSTR PFR
∴ PFR 比CSTR优
0
xAf xA
CSTR PFR
∴ PFR 与CSTR相当
Chemical Reaction Engineering 自催化反应的操作优化：
7.4平行反应的优化
Chemical Reaction Engineering
•平行反应的浓度效应 浓度升高有利于级数高的反应
•优化目标：CPf 或Φ
C CAf
Pf PFR
CA0
dCA
CPf CSTR f (CA0 CAf )
Chemical Reaction Engineering
β
β
n1 n2
f
n1 n2
f
CAf
CA0
CSTR比PFR优
CAf
CA0
PFR比CSTR优
Chemical Reaction Engineering
β 如图：问产物浓度最大 时的反应器组合形式？ 答：PFR+CSTR+PFR
组合示意图： CA0
CAf
CA0
CAf
平行反应的加料方式 间歇操作:
Chemical Reaction Engineering
•连续操作
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
反应器的操作与选型
五、任务实施和检查
♪ 授课演示和点评
各小组随机抽一名代表进行授课演示汇报 本组内其他成员可在演示结束后做补充
六、任务评价及讨论
• 现场提问（学生、指导教师） 现场提问（学生、指导教师） • 现场解答（本组成员） 现场解答（本组成员） • 同学点评 • 指导教师点评 • 指导教师做内容补充
附：授课课件实例
三、制定任务完成计划和步骤
目的
提示学生完成该设计任务制定工作计划所应 包括的大致范围，学生独立完成工作计划的制定。 包括的大致范围，学生独立完成工作计划的制定。
• 讨论授课大纲 • 搜集相关知识点的信息 • 讨论知识点内容 • 授课材料整理
四、任务实施前准备工作 搜集相关信息 讨论有疑问知识点 形成授课大纲 制定授课材料（ppt or word） word） 制定授课材料（ 准备授课语言
排污
原料的预处理
化学反应过程
产品的提纯和精制
过程！ 过程！
产品生产 工艺流程 若干单元操作和单元设备 组成的整体
东营亚通的过程
1、过程开发步骤： ①实验室的试验研究： 实验室的试验研究： ②预设计及评价： 预设计及评价： ③中间厂试验： 中间厂试验： ④工业装置的设计及评价： 工业装置的设计及评价： ⑤工业化生产与大型化： 工业化生产与大型化：
不同物料加料方式的特点
（1）间歇 非定态过程；基本特征：物系参数随时间变化；反 非定态过程；基本特征：物系参数随时间变化；
应过程中无物料进出；多用于釜式反应器；可视为恒容过程； 应过程中无物料进出；多用于釜式反应器；可视为恒容过程； 适合小批量生产
（2）连续
定态过程；物系参数一般不随时间变化， 定态过程；物系参数一般不随时间变化，但随位置
第七章反应器选型与操作方式
代入，可求得VR1＝5.390m3 VR2＝5.487m3 故反应总体积为VR＝10.88m3
例题中五种反应器体积比较
• BSTR：
• PFR：
VR＝12.68m3
VR＝8.227m3
• CSTR：
VR＝14.68m3
• CSTR+CSTR（相等体积）: VR＝12.07m3 • CSTR+CSTR（最优体积）: VR＝10.88m3
0.8 min 0.8 min
VR 96 L VR 96 L
[5-5]在CSTR中进行液相反应
A 2R ,反应器体积 V 5L
,
进口浓度 C Ao 1mol l , C Bo 0 ,实验数据如下表：
No 1 2 3
vo /( cm3 s 1 )
2 15 15
T，(oC) 13 13 84
因此，A为限制性反应物
8 10 5 C Ao 0.016 kmol / m 3 0.004 0.001 C Bo 1 10 3 0.2k mol / m 3 0.004 0.001
C Ao C A1 x A1 1 26.67 s kCA1C B1 k (1 x A1 )(C Bo C Ao x A1 )
6. 理想流动反应器的体积比较
不同的动力学结论不同，甚至截然相反。
1/rA
1/rA
1/rA
FPR
xA
CSTR
xA
CSTR CASCADE
xA
影响反应体积大小的若干重要因素：
（a）转化率：转化率越高，体积差别越大
（b）反应级数：级数越高，体积差别越大 （c）串联级数：级数越多，体积差别越小 （d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积 差别也就越大。
生物反应器的选择与使用方法
生物反应器的选择与使用方法生物反应器是一种用于进行生物反应或生物转化的设备。
它在生物技术、制药工业、食品工业等领域起着重要作用。
选择合适的生物反应器并正确使用，对于实现高效的生物转化过程至关重要。
本文将介绍如何选择合适的生物反应器以及正确的使用方法。
首先，选择合适的生物反应器需要考虑以下几个因素：反应器类型、反应器体积、操作方式和反应条件。
1. 反应器类型：根据反应的需求和特性选择合适的反应器类型。
常见的生物反应器包括批量反应器、连续流动反应器和气液循环反应器。
批量反应器适用于小规模实验和研究；连续流动反应器适用于长时间、连续运行的反应；气液循环反应器适用于气液反应和吸附过程。
2. 反应器体积：反应器体积应根据所需的生物反应规模进行选择。
小规模实验可选用容量较小的实验装置，大规模工业应该选择相应的工业级别生物反应器。
体积的选择与反应器的尺寸、物料的投加和排出速度相关。
3. 操作方式：根据反应过程的要求选择适当的操作方式。
常见的操作方式包括手动操作和自动化程度较高的计算机控制。
计算机控制反应器可以实现更精确和稳定的控制，但也需要相应的计算机控制设备和专业技术人员。
4. 反应条件：确定所需的反应温度、压力、溶液浓度等反应条件，并根据这些条件选择适当的生物反应器。
不同的反应器对温度和压力的要求可能不同，因此需要根据具体的反应条件进行选择。
选择合适的生物反应器后，正确的使用方法也是确保反应顺利进行的关键。
1. 反应器的预处理：在使用新的生物反应器之前，需要对反应器进行预处理。
预处理的目的是去除反应器内壁的杂质、清洁反应器以及准备反应需要的溶液和媒体。
2. 反应物的投加：根据反应的需要，将反应物投加到生物反应器中。
投加的方法可以根据具体的反应物和反应器类型进行选择，可以是连续投加或者一次性投加。
3. 控制反应条件：在反应过程中，需要通过控制反应温度、搅拌速度、营养物质的供应等多个因素来保持反应条件的恒定。
反应器介绍(操作方式、操作条件)
反应器介绍简介用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。
器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。
在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。
在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。
反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。
近代工业中的反应器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。
类型常用反应器的类型（见表）有：①管式反应器。
由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。
②釜式反应器。
由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。
用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。
③有固体颗粒床层的反应器。
气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。
④塔式反应器。
用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。
⑤喷射反应器。
利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。
⑥其他多种非典型反应器。
如回转窑、曝气池等。
操作方式反应器按操作方式可分为：①间歇釜式反应器,或称间歇釜。
操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。
间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。
但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。
间歇操作反应器系将原料按一定配比一次加入反应器，待反应达到一定要求后，一次卸出物料。
连续操作反应器系连续加入原料，连续排出反应产物。
当操作达到定态时，反应器内任何位置上物料的组成、温度等状态参数不随时间而变化。
化学工程中的反应器选择
化学工程中的反应器选择一、引言化学反应器是化学工程的重要组成部分，在工业生产中起到了至关重要的作用。
反应器的选择对于反应过程的控制、产品质量的保证等方面都具有巨大的影响。
由于反应器的形式、结构、工艺等因素的不同，反应器的选择也需要根据实际情况进行合理的考虑和选择。
本文将从不同角度分析反应器的选择问题。
二、反应器按结构划分1、罐式反应器罐式反应器是化工工业中使用最为广泛的反应器类型之一。
它的结构简单，操作容易，适用于一些比较简单、规模较小的工艺。
在不同应用中，罐式反应器的优缺点不同，因此具体应用时需根据具体情况进行选择。
2、管式反应器管式反应器是一种构造简单、操作方便的反应器。
由于其具有大面积暴露的优点，使此种反应器在很多情况下具有优越性。
例如，在密封与流体化领域应用广泛。
3、搅拌式反应器搅拌式反应器是一种常见的反应器形式。
有时需要对反应系统进行搅拌，使反应体系中物料充分混合和均匀，这时搅拌式反应器就可以派上用场。
搅拌式反应器按类型分可分为机械搅拌反应器和动态搅拌反应器。
三、反应器按反应类型划分1、氧化反应器氧化反应器是指在有氧条件下进行的化学反应。
这种反应一般需要高速搅拌或高压氧气通入催化剂床，使氧气与其他反应物充分混合，从而实现反应。
2、还原反应器还原反应器是指在无氧或低氧条件下进行的化学反应。
这种反应通常需要使用还原剂，使氧化物被还原为元素或其它物质。
3、酸碱反应器酸碱反应器是指在酸碱中间和pH值为7左右的条件下进行的反应。
这类反应器常用于制备化学药品、涂料、化妆品等。
四、反应器按反应物特性划分1、氧化物反应器这类反应器使用氧化物作为反应物。
氧化物反应器通常具有非常高的反应速度和反应效率。
2、还原物反应器这类反应器使用还原物作为反应物，清洁能量高、化学反应规律严谨。
3、酸碱物反应器这类反应器的反应物为酸碱物，局限性不大，但需要考虑反应存在腐蚀性。
五、结论通过以上分析，不难看出，反应器的选择需要考虑很多因素。
第七章反应器选型与操作方式
适用范围广
可用于液-液、液-固、气-液等 多种反应体系，且能适应不同 温度和压力条件。
传热效果好
通过夹套或内置换热器，可实 现良好的传热效果，有利于控 制反应温度。
搅拌效果好
搅拌装置可促进物料混合和传 质，提高反应速率和效率。
管式反应器
结构紧凑
管式反应器通常由一根或多根细长管 组成，结构紧凑，占地面积小。
04
反应器结构设计与优化
结构类型及特点分析
釜式反应器
结构简单，操作方便，适用于小规模、间歇式生产过程。传热效率 较低，搅拌器易磨损。
管式反应器
结构紧凑，传热效率高，适用于连续生产过程。但清洗和维修较为 困难。
塔式反应器
垂直安装，占地面积小，适用于气体或液体连续反应过程。但操作 压力较高，对设备材质和密封性能要求高。
利用电场、磁场等外场作用，改 变传质分子运动状态，降低传质 阻力，提高传质效率。
传热传质综合优化策略
传热传质协同优化
综合考虑传热和传质过程的影响因素，通过优化反应器结构、强化传热介质和传质界面 等措施，实现传热传质的协同优化。
多场耦合强化传热传质
利用电场、磁场、超声波等多场耦合作用，同时强化传热和传质过程，提高反应器性能 。
选型结果评价
性能指标对比
将选定的反应器与其他类型反应器进 行性能指标对比，如转化率、选择性
、收率等。
经济性分析
对选定反应器的投资成本、运行费用 等进行经济性分析，评估其经济效益
。
环保和可持续性考量
从环保和可持续性角度出发，评价选 定反应器的环保性能和可持续性。
THANKS。
说明生产规模、操作温度、压力等条件，为反应器选型提供实际约束。
反应器的操作与选型
化学过程 分解 物理过程 化学反应本身的特性 简化 浓度对反应速率的影响 温度对反应速率的影响 动力学方程 建立数学模型 物料衡算方程 热量衡算方程
动力学方程
定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为 定量描述反应速率与影响反应速率之间的关系式称为 反应速率与影响反应速率之间的关系式 化学动力学方程。影响反应速率的因素有反应温度、组成、 化学动力学方程。影响反应速率的因素有反应温度、组成、 压力、溶剂的性质、催化剂的性质等。 压力、溶剂的性质、催化剂的性质等。
（二）理想流动
• 不能完全满足理想流动模型时，即为非理 不能完全满足理想流动模型时， 想流动过程 （实际反应器） 实际反应器）
THANK YOU！
适合大规模生产33半间歇半连续半间歇半连续二工业反应器的分类二工业反应器的分类型式适用反应优缺点间歇釜式适用性大操作弹性大温度浓度易控制产品质量均一连续釜式结构简单返混小压降小有温差填料装卸麻烦板式塔逆流接触气液返混均小流速有限制如需传热常另加传热面喷雾塔气液相快速反结构简单液体表面积大停留时间受塔高限制气流速度有限制固定床返混小催化剂用量少不易磨损装卸麻烦传热控温不易流化床气固相特别是催化剂失活很快的反应传热好温度均匀易控制催化剂有效系数大磨损大返混大对转化率不利操作条件限制大滴流床催化剂带出少分离易气液分不要均匀温度调节困难移动床固体返混小固气比可变性大床内温差大调节困难釜式反应器釜式反应器管式反应器管式反应器固定床反应器固定床反应器气液相反应器气液相反应器四物料流动形式四物料流动形式理想流动理想流动简单混合简单混合非理想流动非理想流动一理想流动模型一理想流动模型全混流模型理想混合模型平推流模型平推流模型特点
全混流模型 • 定义：假定进入反应器物料瞬间混合均匀。 定义：假定进入反应器物料瞬间混合均匀。 • 特点：反应器内温度、浓度、反应速率等参数处 特点：反应器内温度、浓度、 处均匀一致，且等于物料出口处的温度、浓度。 处均匀一致，且等于物料出口处的温度、浓度。 • 注意：在间歇反应器中物料粒子的停留时间相同； 注意：在间歇反应器中物料粒子的停留时间相同； 在连续反应器中物料粒子的停留时间可能不同， 在连续反应器中物料粒子的停留时间可能不同， 即存在反混（又称逆向混合）。 即存在反混（又称逆向混合）。
第七章反应器选型与操作方式
设第一釜转化率为xA1，根据题设：τ1＝ τ2
1
CA0 xA1 xA0 k(a bxA1 cxA21)CA20
2
CA0 xA2 xA1
k(a
bxA2
cxA2 2
)C
2 A0
CA0 xA1 xA0
k(a bxA1 cxA21)CA20
CA0 xA2 xA1
k(a
bxA2
C C
A1
A2
kCA22
1 kCAo
x A2
x A1
(1 xA2 )2
由式（2）得：xA1 xA2 kCAo (1 xA2 )2
物密度为0.75(kg/L)，每天生产2400kg醋酸丁酯，当醋酸转
化率为 x 0.5 时，求（1）用单个全混釜反应器的体积； A
（2）用解析法计算两个等体积串连全混釜反应器的体积。
解：
CH3COOH C4H9OH CH3COOC4H9 H2O
（A）60 （B）74 （P）116 （S）18
CA0 xA2 xA1
V0 k(a bxA1 cxA21)CA20 k (a bxA2 cxA22 )CA20
VR xA1
V0 kCA0
(a
bxA2 cxA22 ) xA1 b
(a bxA1 cxA21)2
2cxA1
a
1 b 0.35 c 0.352
令 VR 0
cxA2 2
)C
2 A0
xA1
0.35 xA1
(a bxA1 cxA21) (a b 0.35 c 0.352 )
可解得：xA1 =0.2264（已经舍去了不合理值）
代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3
第七章 反应器选型与操作方式
o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 Pe o p l e s R e p u b l i c of C h i n a 第七章 反应器选型与操作方式本章以均相反应为例，阐述反应过程的浓度效应，讨论反应器选型、操作浓度与操作方式等对反应结果的影响。
7.1 概述化学反应工程研究的目的是实现工业化学反应过程的优化。
所谓优化，就是在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，使过程系统对于确定的目标达到最优状态。
因此，工业反应过程的优化涉及优化目标、约束条件和决策变量等内容。
化学反应过程的优化包括设计优化和操作优化两种类型。
设计优化是根据给定的生产能力，确定反应器型式、结构和适宜的尺寸及操作条件。
操作优化是指反应器的操作，必须根据各种因素的变化对操作条件作出相应的调整，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。
工业反应过程的经济收益是评价生产过程的主要优化目标。
在建立工业反应过程优化目标的定量关系，即优化的目标函数时，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有：反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。
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
反应器的类型和操作方式
（3）如果在递降分解的连串反应系统中，反应 级数彼此不同，高浓度将有利于较高级数的反 应。
3．适用于R的最大产率的理想化反应器型式
（1）平行反应
一个间歇式或活塞流反应器将比搅拌—槽式连 续反应器有较高的平均浓度。采用活塞流或间 歇反应器有利于较高级数的反应；采用搅拌— 槽式连续反应器则有利于较低级数的反应。如 果需要用活塞流反应器．但由于别的一些理由 又不能应用时，则可把几个搅拌—槽式连续反 应器串联应用。
对于极快的反应，例如冷焰(Cool-flame)烃氧化，设计人 员除了采用绝热系统外别无它法。
(4) 其它
在某些反应系统中，等温操作是极有利于取得最高产率 的。搅拌—槽式连续反应器将能做到这一点。对于处理中等 吸热系统的管式反应器，有可能采用多管式反应器以达到等 温操作。
1．对于敏感放热反应的一些建议
第二章 反应器的类型和操作方式 的选择
化学反应器的设计步骤
1．考虑反应系统的特点。设计者必须掌握 有关反应系统性质的速率方程式或模型反 应数据 、全部反应物和生成物的物理性质 、 催化剂的特性. 2．根据第一步中的各因素，选择理想的操 作条件使反应器的体积最小和(或)目的产 物的产率最大。
3．根据第一项的各因素，选择理想的反应器类型和 加料方案，使反应器费用最小，和(或)目的产物的产 率最大。
2.4 反应器类型及传热方式
（1）对热不敏感的反应(低反应热及低活化能)：
采用带预热器的绝热反应器。产物可以用来提供预热用 的部分热量。
（2）对热中等敏感的反应(中等反应热及活化能)：
应该首先考虑绝热反应器。
（3）对热高度敏感的反应(高反应热及活化能)：
反应器型式和操作方式的选择
1.0
1.0(1 0.9)
（3）：τ′=10 min时，
Vb 2.3 10.0 1.367
Vc
9
当τ′= 6.67 min 时，VB = VC。 即：当τ′大时，采用CSTR较合适。
第5页/共33页
例1-6： 在例1-5中，如果 k = 10 min-1，按同样条件，
计算VB/VC？
解： • (1)：τ′= 0 min 时， Vb/Vc = ln10/9 = 0.256 • (2)：τ′= 5.0 min 时，Vb/Vc = 5.81 • (3)：τ′= 10.0 min 时，Vb/Vc = 11.36 • 当 τ′= 0.67 min 时，Vb=Vc • 即对于快速反应，采用CSTR较为合适。
• 虽然达到要求的VR相同，但间歇釜存在辅助时间 τ′和装料系数φ，所以总反应器体积VT较大。
• 对于τ小、而τ′相对较长的反应，以 PFR 为宜。
第2页/共33页
1.3.1.2 间歇釜（VB）~ CSTR（VC）
对于一级反应，有： Vb ( 1 ln 1 ') / xA
Vc k 1 xA
k(1 xA )
6.08m3
第24页/共33页
例1•7(4)、 求二种反应器串联需要的容积 VR
• 全混釜容积：
VR1
v(CA0 CAmax ) kCAmax (1 CAmax )
1 (0.99 0.5) 1.512 0.5 (1 0.5)
1.30m3
管式反应器容积：
VR 2
1 k
ln( CA0 1 CA0
• 产物 R 起到催化作用，因此反应速度如图所示。
从开始 ↗ 结束， (-rA) ↗，→(-rA) max ，→ (-rA) ↘ 在CA0 ~ CA max 采用 CSTR， 在 CA max ~ CAf 采用 PFR，则 Vt 最小。
(8)反应器选型与操作方式
平行反应的浓度效应
平行反应优化目标不仅是反应过程速率， 还必需考虑反应的选择率。 瞬时选择率或局部选择率
n rP k1C A1 β= = = n1 n2 rP + rS k1C A + k 2 C A
1 k 2 n2 − n1 1+ CA k1
平均选择率 收率
β=
ϕ=
C Pf C A0 − C Af
反应器选型与操作方式
化学反应过程的优化
设计优化 根据给定的生产能力，确定 反应器型式、结构和适宜的尺寸及操作 条件。 操作优化 反应器的操作必须根据各种 因素的变化对操作条件作出相应的调整， 使反应器处于最优条件下运转，以达到 优化的目标。
在建立工业反应过程优化目标的定量关系，即 优化的目标函数时，要把过程的经济目标 技 经济目标和技 经济目标 术目标(反应速率、选择率、能量消耗等)联系 术目标 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。 化学反应工程优化的核心是化学因素 工程因 化学因素和工程因 化学因素 素的最优结合。化学因素包括反应类型及动力 学特性。工程因素包括反应器类型、操作方式 和操作条件。
循环反应器的最适 宜循环比可由 dVR = 0
dR
求得。
可逆反应过程的浓度效应
( − rA ) = ( k1 + k 2 )C A0 ( x Ae − x A )
可逆反应速率的浓度效应和简单反应相同，随 反应物的浓度增加，反应速率单调增加。因此 在设计和操作中，任何使反应器中反应物浓度 任何使反应器中反应物浓度 降低的工程因素都是不利的，应予避免。 降低的工程因素都是不利的 为提高反应速率，可通过改变可逆反应的平衡 状态得到，即从反应混合物中不断移去产物， 有利于反应向生成产物方向进行。
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(b) 1.0
p
Cp CA0 CA
k1 1 k2
k1 10 k2
PFR CSTR
k1 0.1 k2
0
xA
当 k1 k2
很小时，xAf越大，付反应越厉害，Фp很小，为避免付
产物S取代产物P，可以设计为通过反应器的反应物料A的转化
率很小（此时Фp较大），然后分离产物P，将未转化的A循环
到反应器进一步反应。 假如工艺条件许可，可以改变操作温度使 k1 比值提高，以
k
2C
a2 A
C b2 B
P的瞬间选择性：
Sp
rp rs
k1 k2
C C a1a2 b1b2
A
B
分下面三种情况讨论
①当a1>a2、b1>b2，则SP随CA、CB单调上升，应选取无返混的 反应器，选PFR为最优；
②当a1<a2、b1 <b2，则SP随CA、CB单调下降，要提高目的产物 P的选择性，就必须使CA、CB浓度维持较低水平，选返混最 大（即稀释效应最大的反应器）CSTR。
3.9 反应器型式和操作方式的评选
选择何种型式的反应器，工业上主要从下面两方面进行考察： ◆达到给定的生产能力所需的反应器体积最小，所谓生 产能力即单位反应时间、单元反应体积的反应器所能得 到的产物量； ◆用同样的原料所得的目的产物最多，即收率要大，选 择性要好；
◆对简单的单一反应，不存在副反应，故不存在产品分布的问 题，所以在对反应器进行选型时，只需要考虑如何有利于 反应速率的提高；
③当a1>a2、b1 <b2，则SP随CA单调上升，SP随CB单调下降，意 味着较高的CA和较低的CB有利于提高产物P的选择性，则应 选择合适的进料方式（如下图），来调节A、B的浓度。
总结： 高的反应物浓度有利于反应级数高的反应； 低的反应物浓度有利于反应级数低的反应； 主付反应级数相同的反应，浓度的高低不影响产物的分布。
动力学特性 控制浓度要求
a1>a2、b1>b2 应使CA、CB都高
A B
操作示意图
A B
a1>a2、b1<b2 应使CA高、CB低
A
B
AB
B
B
a1<a2、b1<b2 应使CA、CB都低
AB
CA0 CB0
浓度分布图
CA0
CA
CB0
CB
CA0 CB0
CA
CA
CB
CB
例题17
一级不可逆串联反应：C6H5Cl为目的产物，反应恒温恒容， 反应式如下：
对于PFR或分批釜式有：
C p,max
C A0
k1 k2
k
k1 2
k1
(1)
t opt
ln
k2 k1
k2 k1
(2)
对于CSTR有：
C p,max m
C A0
(3)
2
k1 k2
1
opt
1 (4) k1 k 2
总收率：
p
CP C A0 CA
瞬时收率： p
rp rA
dCP dCA
不同反应器型式，总收率与瞬时收率的关系形式不同
I）对于分批釜式或PFR反应器：
dCP p dCA
p
dC CA0
CA
p
A
CA0 CA
II）对于CSTR反应器： C A C Af
p p
为了区分CSTR和PFR，以 则：
◆对于复杂反应，由于在反应器内同时进行几个反应，影响过 程经济性的往往是产物的收率，它直接影响到生产的操作 费用和生产的成本，因此反应器的型式与操作方式的优化 选择以产物的收率为主要目标。
1、单一反应的评选
分三种情况评论：
（1）
1 rA
与xA呈单调上升（一切n>0的不可逆等温反应）：
（2）
1 rA
与xA呈单调下降（一切n<0的不可逆等温反应）：
1
（3） rA 与xA的曲线上存在极小值（自催化反应或绝热操作 的放热反应具有为一特性）
设
xAM
为对应
1 rA
最小的转化率，则xA<xAM时，具有上
述（2）的特性，反之，则具有（1）的特性。
试比较：若选择如下三种方式操作，请问哪一种为最 佳组合？
（C） φp对CA曲线存在最大值的情况：在φp，max之前，即反 应 前 期 采 用 CSTR ， 在 φp ， max 之 后 ， 即 反 应 后 期 采 用 PFR，串联反应器。
以等温进行的平行反应为例：
k1 A+B
k2
P
（P为目的产物）
S
其反应动力学方程式为：
rp
k1C
a1 A
C b1 B
rS
k2 使xAf变大成为可能许可的操作条件，这是最有利的办法。
（2）平行反应：
对于单一组分的平行反应：
P
P
A
A
R
S S
其φp与CA可能有如下三种变化形状：
（A）φp随CA单调增大：若有返混，则CA变小，不利于收率
的提高，故采用无返混的反应器即PFR；
（B） φp随CA单调下降：返混使收率提高，选择返混为无穷 大的CSTR；
C6 H 6 ( A) k1 C6 H 5Cl(P) k 2 C6 H 4Cl2 (S )
已知：k1=1.0h-1, k2=0.5h-1, V/v=τ=1h, CA0=1mol/L, Cp0=CS0=0 反应速率式为：
dC A dt
k1C A
dCP dt
k1C A k2CP
求：（1）PFR；（2）CSTR；（3）等体积CSTR串xAM
PFR
xAf
CSTR
②
C A1
C A0
x A1
x A0
FA1
VR
FA0
v2
x A1
C A2
xA2
FA2
③
最优顺序为：①②③
例题16 见陈甘棠教材P79例3-6-1 最优操作温度自学。
2、复合反应的评选
反应器型式与操作方式的优化选择常以产物的收率为目标 函数。
对于恒容过程，总收率与瞬间收率一般用下式表示：
m和m 表示CSTR的收率，
m
m
CP CA0 CA
对于多釜串联的CSTR反应器，第I釜：
mi
mi
CP,i CP,i1 C A,i1 C A,i
CP,i C A,i
下面针对串联反应和平行反应进行讨论几种不同反应器型式的收
率问题：
（1）串联反应（可参考《化学反应工程分析》相关章节）
A k1 P k2 S 为一级不可逆反应
将（3）/（1），并以
C p,max m
C p,max
~ lg kk12作 图，得下图a，或以总收率
Фp~xA作图（以
k为2 参数），得下图b： k1
(a)
1.0
C p,max m
C p,max
-4
-3
-2
-1
0
1
lg
k2 k1
2
3
4
对于n=1的串联反应，PFR总是优于CSTR（对产物P），k1=k2时，偏差最 大，k1和k2相差愈大，两者的偏差愈小。