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
理想反应器特点
理想反应器特点
理想的反应器应具备以下特点：
1.高效性：理想反应器具有高效的转化率和选择性，能够最大限度地转化反应物为所需的产物，并尽量减少或避免副产物的生成。
2.安全性：理想反应器应具备良好的安全性能，能够有效地控制和处理反应过程中可能产生的高温高压、易燃易爆等危险情况，并确保操作人员和设备的安全。
3.可控性：理想反应器应具备良好的可控性，能够根据反应条件的需要精确控制温度、压力和反应速率等参数，以实现对反应过程的精确控制。
4.可扩展性：理想反应器应具备良好的可扩展性，能够根据需要进行反应规模的放大或缩小，以满足不同产量要求，并实现经济效益的最大化。
5.操作方便：理想反应器的操作应简便易行，能够方便地进行装填和催化剂的更换，以及反应产物的收取和分离。
6.环保性：理想反应器应具备良好的环保性能，能够最大限度地减少或避免对环境的污染，以及产生有害副产物的生成。
7.经济性：理想反应器应具备良好的经济性能，能够以较低的成本实现高效的反应转化，并在长期运行中具备稳定的性能和寿命。
综上所述，理想的反应器应在高效、安全、可控、可扩展、操作方便、环保和经济性等方面具备优秀的特点。
第三章 理想反应器
二、反应器设计的基本方程
1. 反应动力学方程式
均相反应：可直接采用本征动力学方程
非均相反应：必须考虑相间传递对反应速率的影响，即应采用宏观动力学方程
2. 物料衡算方程式
以质量守恒定律为基础
（A的流入量）－（A的流出量）－（A的反应量）＝（A的累积量） （3.2-1)
1. 单釜生产时，求反应器体积。 2. 若将该反应在PFR中进行, 保持与BR相同的条件, 计算PFR的体积。 若将己二酸的转化率提高到90％, 所需的反应器体积又是多少？ 3. 其它条件与(2)相同，反应器为CSTR。
四、多级全混流反应器的串联及优化
假设有m个PFR串联操作，以取代原来的单个PFR操作 前提条件：两种情况下的 V0 、cA0 、cAf 相同，操作温度T也相同。
(3.3-33)
或
τ
=
1 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣
(1
−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-34)
反应系统的总体积
VR
= mVRi
= mV0τ
=
mV0 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣(1−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-35)
3. 多级串联全混流反应器的图解计算
(1) 图解法原理：
( ) VRi
= V0
CAi−1 −CAi rAi
dx A
(3.3-14)
(3.3-15)
(3.3-16)
2. 变温 PFR 变温操作有两种类型：一种是绝热操作；另一种是非等温换热操作
1理想反应器的概念
1理想反应器的概念，理想流动的概念；理想反应器是指流体的流动混合处于理想状况的反应器。
流动混合的两种理想极限情况：理想混合和理想置换。
2连续、间歇、半连续三种操作方式及各自的特点，不同操作方式对浓度分布的影响；3各种混合的概念，以及关于时间的几个概念；混合：不同物料之间的混合。
理想混合：反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温度完全均一。
(2) 理想置换：是指在与流动方向垂直的截面上流体各点的流动和流向完全相同，就像活塞平推一样，故又称“活塞流”。
：具有的物料粒子之间的混合返混不同停留时间（年龄）叫返混。
4工业反应器的放大方法；5反应温度、活化能、反应物浓度、反应级数以及反应速度之间的关系；6复杂反应的选择性及反应器的选择；7工业传热装置和传热剂及其适用场合；夹套式水、低温制冷剂氯化钙水溶液、液氨、液氮、有机载冷剂蛇管式和插入式列管式外部循环式8混合的尺度问题；9流型及特点；轴向流——流体从轴向流入叶轮，又从轴向流出叶轮。
该流型有利于宏观混和。
径向流——流体从轴向流入叶轮，从径向流出叶轮。
该流型的剪切作用大，有利于分散过程。
切线流——流体作圆周循环流动。
该流型产生打漩，对过程不利。
10搅拌器类型及特点；螺旋桨式（推进式）、涡轮式、框式和锚式11宏观动力学的概念；宏观动力学概念：宏观动力学就是包括扩散或传质过程在内的化学反应动力学。
12气液非均相反应历程；13气液相反应的类型及各自的特点；14如何通过气液动力学实验来判断属于哪种类型；15气固非均相反应历程；16外扩散控制、内扩散控制、动力学控制的特点，如何判断哪一步是控制步骤，工业上如何消除内扩散和外扩散的影响；17固体工业催化剂的组成；18工业催化的意义；19结晶的概念，溶解度、超溶解度曲线，结晶区域的特点，溶解度与温度的关系，结晶方法的选择等等。
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。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
理想反应器的设计
图解法原理
C Ai 1 C Ai C Ai 1 C Ai i (rAi ) f (C Ai )
-rA
rAi f (C Ai )
C Ai 1
i
C Ai
i
x
f(CA)
y f ( x)
C Ai 1
CA1
CA0
CA
多级串联反应器体积设计
求： 已二酸的转化率分别为xA=0.5、 0.6、0.8所需的反应时间分别为 多少？ 若每天处理已二酸2400kg，转 化率为80%，每批操作的辅助 时间为1小时，试计算确定反应 器的体积大小。
苯乙烯集合设备设计参数
项目要求
年产量/吨 9000 生产时间 7200
甲苯/% 聚合率
12 79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
项目要求
年产量/ 9000 吨 生产时间 7200
甲苯/%
聚合率
12
79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
1
140 0.25
装料系数 80%
70
密度（查 880 表） kg/m3
计算过程
假设是四级串联釜：第一级转化率是：30%
第二级是50%，第三级是60%，第四级是
计算过程
生产时间=XA/k*(1-XA)=0.795/0.051=15.6h
有效体积=15.6*1572.3=24509=24.5m3 实际体积=24.5/0.8=30.7m3
平推流反应器
物料衡算式：
空时：是空间时间的简称。它是指在
规定的条件下，反应器有效容积和进料 体积流量的比值，
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
理想反应器特点
理想反应器特点理想反应器特点是指在化学反应过程中，能够达到高效、高选择性、高稳定性等多方面要求的反应器。
下面将就理想反应器的特点进行具体解释，并符合标题中心扩展下的描述。
1. 高效性：理想反应器的一个重要特点是高效性。
高效反应器能够在相同反应时间内，实现更高的物质转化率。
为了提高反应效率，一种常见的方法是选择合适的催化剂。
催化剂能够提高反应速率，降低反应活化能，从而提高反应效率。
2. 高选择性：理想反应器还应具备高选择性。
在化学反应中，通常会产生多种副产物，而理想反应器应尽可能降低副产物的生成，提高目标产物的选择性。
实现高选择性的方法包括选择合适的催化剂、优化反应条件、控制反应速率等。
3. 高稳定性：理想反应器的另一个重要特点是高稳定性。
稳定性是指反应器在长时间运行过程中能够保持良好的性能和活性。
对于催化反应来说，催化剂的稳定性尤为重要。
稳定的催化剂能够在长时间内保持高的催化活性，从而提高反应器的稳定性。
4. 可控性：理想反应器还应具备良好的可控性。
可控性是指反应器能够根据需要调节反应条件，实现对反应过程的控制。
例如，可以通过调节反应温度、压力、催化剂的浓度等因素来控制反应速率和产物分布。
良好的可控性能够提高反应器的灵活性和适用性。
5. 高安全性：理想反应器应具备高安全性。
在化学反应过程中，可能会产生有毒、易燃、易爆等危险物质。
理想反应器应采取相应的安全措施，防止事故的发生，并确保操作人员和环境的安全。
6. 可持续性：理想反应器还应具备可持续性。
可持续性是指反应器在长期运行过程中，能够保持高效、高选择性和高稳定性。
为了实现可持续性，应考虑反应器的材料选择、能源利用方式、废物处理方法等因素。
7. 良好的传质和传热性能：理想反应器应具备良好的传质和传热性能。
传质和传热是化学反应中不可忽视的因素，对于提高反应效率和选择性非常重要。
良好的传质性能可以提供充足的反应物供应，而良好的传热性能可以有效控制反应温度，避免副反应的发生。
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。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
化学反应工程__第2章_理想反应器PPT课件
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T) (-△Hr)(-rA)V
d (Cv TV )
dt
UA(Tm-T) + (-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
dt
符号说明：
U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）；
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
2021年3月18日星期四
间歇式完全混合反应器
2021年3月18日星期四
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：
2021年3月18日星期四
பைடு நூலகம்A VR
d VRcA
dt
VRcA nA nA0 1 xA
d VRcA
dt
nA0
dxA dt
rAVR
rA
nA0 VR
dxA dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 VR rA
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
下等温操作，其反应速率方程如下：
2021年3月18日星期四
rA k1 cAcB cRcS K
100℃时：
k1 4.76104 l /mol min
理想管式反应器
01
02
03
04
反应物进入
原料按一定比例通过进口进入 反应器内。
混合与传质
在反应器内，反应物在混合装 置的作用下充分混合，确保反
应物之间充分接触。
反应进行
在设定的温度和压力条件下， 反应物在反应器内发生化学反
应，转化为目标产物。
产物收集
反应完成后，产物从出口流出 ，进入后续处理工序。
关键参数与性能指标
维护保养策略及周期建议
特殊维护 根据反应器运行情况和原料性质，制定针对性的维护计划。 对于特殊故障或问题，及时联系专业人员进行维修和处理。
06
理想管式反应器的
发展趋势与挑战
技术创新方向预测
高效传热与传质技术
通过改进反应器结构、优化操作条件，提高传热传质效率，实现 反应过程的强化。
智能化控制技术
降较大的问题。
03
与流化床反应器的比较
流化床反应器具有良好的传热、传质性能和较宽的操作范围，但返混程
度较大。与之相比，管式反应器具有较小的返混和较窄的停留时间分布，
但操作弹性相对较小。
04
理想管式反应器的
设计与优化
设计原则与方法
流动特性
确保反应器内流体流动均匀、稳定，避免死 区和短路现象。
传热效率
环保挑战
化工行业对环境的影响不容忽视，反应器技术需要不断向绿色化方向发展。应对策略包括 加强环保法规建设、推广清洁生产技术、开展环保技术研发等。
THANKS
感谢您的观看
均匀混合
反应物在管道内充分混合，确保反应在均匀的环 境中进行。
连续流动
反应物在管道内连续流动，使得反应过程可以持 续进行。
恒定的温度和压力
理想反应器CSTR-1
VR VR xA FA0 v0 C A0 C A0 rA VR C A0 x A C A0 C A rA rA v0
CSTR设计方程式（xA0=0的情况） xA0≠0呢？
xA0≠0, 可认为原料中的A已转化了xA1 推导出的设计方程具有通用性
对第一个釜有
V1 C A,0 C A1 1 v0 k1C A1
V1 C A,0 C A1 1 v0 k1C A1
则i釜：
C A0 C A1 1 k1 1
C A ,i C A,i 1
1 1 k i i
该A0 C A1 1 k2 2 1 k1 1 1 k2 2
C A3
C A0 C A2 1 k3 3 1 k1 1 1 k2 2 1 k3 3
以此类推：
C A, N
C A0 1 k1 1 1 k2 2 1 ki i 1 k N N
各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应：
x A,i x A,i 1 Vi C A,i 1 C A,i i n n n 1 v0 k i C A,i k i C A0 1 x A,i
若n=1，则：
Vi C A,i 1 C A,i i v0 k i C A,i
★一级反应 AP (-rA)=kCA 对于任意εA值 C A0 (C A0 C A ) VR C A0 x A x A (1 A x A ) v0 (rA ) k (1 x A ) kC A (C A0 A C A )
对于液相反应 , 可以认为是恒容过程 , 这时 A 0 C A0 C A VR xA v0 k (1 x A ) kC A k 或 : xA 1 k C A0 CA 1 k CA 1 C A0 1 k
理想反应器(连续釜)
3.7
反应器计算与操作的优化
优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。 化学因素包括反应类型及动力学特性
随串联釜数增多，操作的复杂程度增大， 附属设备费用增大。故串联釜数一般不大于 4。
3.4.2 多个串联连续操作釜式反应器 （N－CSTR）
二、nCSTR的基础设计式
CA0
CA1
CA2
V0
CA1 VR1
V0
CA
2
V0
CAi-1 VRi1
CAi-1
CAi
V0
CAi
CAm
V0
CAm V0
VR2
VRi
3.4
理想混合连续搅拌釜式反应器（CSTR）
CA
time
反应器内，物 料的浓度和温度处 处相等，且等于反 应器流出物料的浓 度和温度。
CA,in
CA, out
0
tresidence time
t
CA CA,O
position
CA, out
t
x
0
3.4
理想混合连续搅拌釜式反应器（CSTR）
优点：容易自动控制，操作简单，节 省人力。稳定性好，操作安全。 缺点：在低浓度下进行反应。
VRm
3.4.2 多个串联连续操作釜式反应器 （N－CSTR）
V0CAi 1 V0CAi (rAi )VRi
V0 (C Ai 1 C Ai ) VRi (rAi )
CAi-1
CAi CAi
V0C A0 ( xAi xAi 1 ) VRi (rAi )
VRi
VRi C Ai-1 - C Ai x Ai - x Ai-1 τ≡ = = C A0 i V0 (-rAi ) (-rAi )
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
理想反应器
2019/1/13
反应产物 反应物
反应时间
连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2019/1/13
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 • 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） • 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 • 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
2019/1/13
理想反应器：流体的流动处于理想状况的 反应器。
特征：物料达到完全 混合，浓度、温度和 反应速度处处相等 特征:在与流动方向垂直的 截面上，各点的流速和流 向完全相同，就象活塞平推 一样，故又称“活塞流”或 “平推流” 注：工业生产中，搅拌良好 的釜式反应器可近似看成全 混流模型；长径比很大，流 速较高的管式反应器可看成 平推流模型
全混流模型——返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，
新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的 浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，
有的很短；举例——强烈搅拌的连续釜式反应器。
非理想流动模型——偏离上述两种理想流动模型，偏 离程度可通过测定停留时间分布来确定。
2019/1/13
有关反应器操作的几个工程概念 由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成 不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停 留时间分布（RTD）。 年龄分布—仍然留在反应器中的质点的RTD 寿命分布—反应器出口处质点的RTD 返混
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
理想反应器(间歇釜)
3.2.5 高温热源的选择
一般的传热问题，要移走热量，可以采用 很大的温差，也可以采取增大传热系数或传热 比表面积的措施。 但化学反应器中的传热条件不能任意选择， 因为反应器内的化学反应和传热过程相互交联。 这种交互作用具体表现在对传热温差的限制。 对一个在高温条件下进行的强放热反应， 必须采用高温介质作为冷却剂。否则将影响稳 定操作。
练习
1、适用于粘稠物料的搅拌器是 ________。 A、框式 B、推进式 C、涡轮式 D、桨式
2、对低粘度均相液体混合，应优先选择____________搅拌器。 A、螺带式 B、涡轮式 C、桨式 D、推进式
3、对于气-液分散过程，应优先选择____________搅拌器。
A、锚式 B、涡轮式 C、桨式 D、推进式
3.2.4 换热装置
3、列管式 对于大型反应釜，需高速传热时，可在 釜内安装列管式换热器。
3.2.4 换热装置
4、外部循环式
当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足工艺要 求，或无法在反应器内安装蛇管而夹套的传热面积又不 能满足工艺要求时，可以采用外部循环式。
3.2.4 换热装置
5、回流冷凝式 反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合。
轴封装臵主要有填料密封和机 械密封两种。
3.2.3 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ封
1、填料密封：结构简单，填料装缷方便， 但使用寿命较短，难免微量泄漏。 2、机械密封：结构较复杂，但密封效果甚 佳。
3.2.4 换热装置
换热装臵是用来加热或冷却反应物料， 使之符合工艺要求的温度条件的设备。 其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列 管式、外部循环式等，也可用直接火焰或电 感加热。
3.2.4 换热装置
2、蛇管式 当工艺需要的传热面积大，单靠夹套 传热不能满足要求时，或者是反应器内壁 衬有橡胶、瓷砖等非金属材料时，可采用 蛇管、插入套管、插入D形管等传热。
理想反应器(第三讲)
③.作CR～t图
④.作
⑤.自A(-t0，0)做CR～t曲线的切线切点为M ， 斜率MD/AD=dCR/dt
⑥.M点的横座标为最 优反应时间
A 0 D t
CR M
(2).目标函数为单位生产量的总费用T.C. 若以α 表示在反应操作时的操作费用(元／小时)， α 0为非生产性操作时的费用(元／时)；α F表示固定消 费(元／时)。则单位生产量的总费用T.C．应为：
操作是唯一可采用的操作方式。
连续操作的反应器多属于定态操作，此时反应器内任何部位的 物系参数，如浓度及反应温度等均不随时间而改变，但却随位置而
改变。
大规模工业生产的反应器绝大部分都是采用连续操作，因为它
具有产品质量稳定、劳动生产率高、便于实现机械化和自动化等优 点。这些都是间歇操作无法与之相比的。然而连续操作系统一旦建 立，想要改变产品品种是十分困难的，有时甚至要较大幅度地改变 产品产量也不易办到，但间歇操作系统则较为灵活。
二、全混流反应器的设计方程
以反应物A为关键组分，A的反应速率记作-rA，根据全混流反 应器的特点，在单位时间内对整个反应器作物料衡算：
连续操作的完 全混合流反应器的 基本设计方程
四、反应器操作中的几个时间术语 1.反应时间：是指反应物料进入反应器后，从实际发生 反应的时刻起，到反应达某个转化率时所需的时间。 (主要用于间歇反应器)
二、间歇反应器恒温操作计算
即要使反应在等温下进行，反应放出(或吸收)的热 量必须等于体系与换热介质交换的热量。
三、间歇反应器绝热操作
计算绝热操作时U=0，对于恒容过程式
中右端第二项为零。故有:
§3.3全混流反应器(连续操作的釜式反应器)
连续操作是指反应物料连续不断地以恒定的流速流入反应器内，