理想流动反应器
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
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。
第二章 理想流动与非理想流动1
理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率， 直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混 的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同 年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后 者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型， 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算，基本式为 （带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的 累积）十（传向环境的热量） （2-2） 式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。
第二章理想流动反应器
c A0 c A0 = ； VR 1 + 2kτ 1+ k V0 2
（b）两全混流反应器串联： c Af .b =
c A0 c A1 = ； VR (1 + kτ )2 1+ k V0
−k
VR V0
（c）平推流反应器与全混流反应器串联或（d）全混流反应器与平推流反应器串联：
c Af .c =
c e c e c A1 或 c Af .d = c A1e = A0 = A0 VR ( 1 + kτ ) 1 + kτ 1+ k V0
s=
rL rL α 1 = = = rA rL + rM α + 1 1 + 1
=
α
dc L − dc A c Lf
对平推流反应器，总选择率
S=
c A0 − c Af
∫ =
c Af
c A0
− sdc A
c A0 − c Af
c Lf c A0 − c Af
对全混流反应器，其出口组成与反应器内的组成一致，总选择率： S = s =
11. 等温自催化反应 A→R，反应速率 rA = kc A c R ，则平推流反应器所需体积小于全混流反应器，全混流 串联平推流反应器总体积最小。 采用多级串联全混流反应器可提高反应过程的推动力。 0 级等温不可逆单反应，全混流反应器、平推流反应器、间歇反应器的停留时间相同。 即： （1）tMFR>tPFR （2）tMFR=tPFR （3）tMFR<tPFR 多级串联连全混流反应器，当级数趋于无穷时反应器的总体积等于平推流反应器的总体积。 对于一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联后，为保证总反应体积最小各釜反应体积应相等。 等温恒容一级不可逆反应，相同体积的 PFR 与 MFR，各种组合的转化率：
化学反应工程-9-第二章-均相理想流动反应器
表1 几种桨叶在不同要求下的不同适用情况
过程 桨叶形状 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 特征参数 容积/mL 0~3.785ⅹ105 0~2.08ⅹ105 0~7.57ⅹ105 固体含量/% 0~50 0~100 65~90 物料流量/ （cm3/s） 0~1.90 0~63 0~0.19 容积/mL 0~39.7ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~189ⅹ103 容积/L 0~3.97ⅹ103 0~37.85ⅹ103 0~37.85ⅹ103 要求 D/d H/D 没有 限制 补充说明
螺旋桨叶：NV=0.5；
NV=0.93D/d，D为釜直径。
六叶涡轮桨叶，叶片宽度和直径之比W/d=1/5 ，当Red>104，
功率数NP、NV和Red之间的关系如下图：
二、釜式反应器内混合概念
对于CSTR，存在两种混合。 1、返混 不同停留时间物料间的混合，即返混。CSTR是返混达到最大 的一种反应器。 问题：完全混合如何判断？ 经验标准是：
a b
rS k 2C A2 CB2
a
b
瞬时选择率： 则：
rP SP rP rS
1 1 SP rS k 2 a2 a1 b2 b1 1 C A CB 1 k1 rP
问题：如何提高选择率？
⑴连续操作 ① a1 a2，b1 b 2 对 C A、C B 的控制应使都高，操作方式如下：
螺旋桨 式，平 直叶， 三叶 41.0 0.32
桨叶型 式 KL KT
螺距式， 涡轮式， 三叶 六平叶 43.5 1.00 71.0 6.30
六叶后 掠弯式 70.0 4.80
风扇涡 轮式， 六叶 70.0 1.65
平桨式， 二叶 36.5 1.70
第六章理想流动反应器习题精讲.
t
1 在一反应器中进行2A→D+C恒温恒容反应。已知 CA0=25mol/m3，分解动力学方程为r =0.025CA mol /(m3.min)。该反应器有效容积VR=1m3，送 入液体的流量为1.8m3/h，进行脉冲示踪法测得 =33.33min，δt2=272.22min2。请分别用： (1)多级混合槽模型；（2）平推流模型；（3）全混 流模型；(4)轴向扩散模型。 计算出口物料中A组分的浓度(轴向扩散模型只用开开式条件)。
ห้องสมุดไป่ตู้
例2 反应A+B→R+S，已知 V 1L，物料进料速率 C C 0.005mol/L动力学方程式 V0 0.5L/min， 为 (rA ) kCACB ，其中k 100L/(mol.min)。试 求： （1）反应在平推流反应器中进行时出口转化率为多 少？ （2）欲用全混流反应器得到相同的出口转化率，反 应体积应多大？ （3）若全混流反应器=1L，可达到的转化率为多少？
1 1 1 1 1 1 tanh( 3 ) 3 4.38 tanh( 3 4 . 38 ) 3 4 . 38 0.2109
习题-2 铬铝催化剂上进行丁烷脱氢反应
常压773 K
1 rA kW c A mol.s .g1
0
（4分）
C A C A0 exp(k ) 25 exp(0.05 33.33) 4.723m ol/ m3
（5分）
(3)全混流模型
C A0 C A ( rA ) f C A0
C A0 C A kC A （5分）
CA
25 9.3756 m ol/ m 3 1 k 1 0.05 33.33 ( 4)轴向扩散模型 2 2 ) 2( ) 2 0.245 Pe Pe
转化率和反应时间的关系
由表中所列结果，可以得出以下几点结论。 1. 对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值： 当k↗，t↘；当k↘，t↗。对于任一级反应都是如此。 2. 当转化率xAf确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应 级数有关。
0级反应： kt CA0 xA ， t与CA0 成正比 1级反应： 2级反应：
所以：
积分：
V0CA0dxA rA dVR
VR V0CA0
X Af 0
dxA rA
上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等 温、非等温、等容和非等容等过程。
对于等容过程，反应器进口与出口流量均为V0,故：
xAf dx VR A CA0 0 V0 rA
对比间歇反应器：
t C A0
表3－1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
n=0
rA k
CA CA0 kt
C kt ln A0 CA
kt ln 1 1 xA
n=1
rA kCA
2 rA kCA
3－2 反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容 1. 选择合适的反应器形式 2. 确定最佳的工艺条件 3. 计算所需反应器体积 反应器设计的基本方程 1. 物料衡算方程 某组分累积量= 某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量 2. 热量衡算方程 带入的热焓＝ ＝带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量 3. 动量衡算方程 上述为反应器设计的基本方程，在列出这些方程时，需要 动力学方程和流动模型。
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流 动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有 其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合， 是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
理想流动 非理想流动 理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流 速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓 度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流 动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳 定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中 的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
种，其中重要的是__________。 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想置换流动模型
含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。 与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同， 即物料是齐头并肩向前运动的。
理想流动反应器
理想流动反应器第⼆章理想流动反应器研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。
根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型⾮理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。
§2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程⽽⾔的。
间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间⽽变，⽆空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图⽰）停留时间不同：全混反应器（图⽰）⼀、理想流动模型1、平推流模型活塞流或理想置换模型特点：沿物流⽅向，反应混合物T、C不断变化，⽽垂直于物流⽅向的任⼀截⾯（称径向平⾯）上物料的所有参数，如：C、T、P、U等均相同。
总⽽⾔之，在定态情况下，沿流动⽅向上物料质点不存在返混，垂直于流动⽅向上的物料质点参数相同。
实例：长径⽐很⼤，流速较⾼的管式反应器。
2、全混流模型理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，⽽且等于物料在反应器出⼝处的性质。
实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。
关于物料质点停留时间的描述：①年龄：指反应物料质点从进⼊反应器时算起已经停留的时间。
②寿命：指反应物料质点从进⼊反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。
寿命可看作时反应器出⼝物料质点的年龄。
关于返混：返混：⼜称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，⽽⾮⼀般的搅拌混合。
如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，⽽只是统⼀时间进⼊反应器的物料之间的混合。
平推流反应器不产⽣返混，⽽全混流反应器中为完全返混，返混程度最⼤。
关于实际反应器的返混。
介于平推流和全混流反应器之间。
关于各种反应器的推动⼒：△C A(a)间歇反应器△C A随时间变化↘(b)平推流反应器△C A随时间变化↘(c)全混流反应器△C A随时间变化↘⾮理想流动反应器，其反应推动⼒介于平推流和全混流之间。
理想流动反应器反应器内的流体流动
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流
动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳
定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中
的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
在工程放大中产生的问题 由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想流动
非理想流动
理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。 反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流
速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓
度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义
对反应过程产生不同程度的影响 在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的 型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注
意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
推流。
练 习
理想流动模型分为两种类型，即________和_________ 返混专指________进入反应器的物料之间的混合 说明下列反应器中的返混情况： 间歇反应器中返混为_____, 理想置换反应器返混为_______
第三章-理想流动均相反应器设计题解
解:VR 1 lnTP = V0=k 山番=1 Innr~X A = 027 In 1 0.95 =11.1 SV R=11.1S X6.3mol /s19.8mol /m3=3.53m31.51 n2 0.250.4 =1.974h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：In CCA0=kt, CA0A0CA =0.7 , C A=0.3C A0间歇釜中「.In-10.3= —13k, k=0.0926 min在全混釜中TVR CA0 XA 0.7-1== = =25・2讪•••空速5=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P气相反应，已知进料中含30%A(mol)，其余70%^惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为J=0.27C Amol/m3• s,要求达到95%专化.试求⑴所需的空时？⑵反应器容积？• V R =T P-V0= T PC A0C A0而C A0= R°= 0舄红=0.0198mol/L=19.8mol/m3、［平推流变容过程一级］有一纯丙烷裂解反应方程式为Gn QH+CH.该反应在772 C等温条件下进行，其动力学方程式为-dPMdt=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. 772C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：Tg A= 221=0.5••• k T F=- (1 +e A) In (1- X A)- £A X Af0.4 T P=—(1+0.5) In (1-0.5)-0.5 X 0.5V R= T P V0=1.974X 800=1579L=1.579 m34、［间歇釜变容一级］一级气相反应22R+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S A=^=2膨胀率£ A=y A0 S A=0.75 X 2=1.5解:解:T 沁-C A0C A1 -T 2=V R2=C^-^= C A0(X A2 X A1)V0 r A2 kC A02 (1X)2所以,整理有试差解得T 1= T 2 两釜相同x A2 x A 1(1X A1)2(1X A2)2 '2(1-0.875) X A1=(0.875- xX A1=0.7251而X A2 =0.8752A1)(1- X A1)所以，V R=」S冷二遊霊需山=4・16m3对应转化率沦的反应体积V=V 0(1 + s A X A)所以，V 1X A=w =黄=66.7%A 「5K=? ln一=8h ^^7 =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 T C,在298K下的动力学方程式为「A=0.6C A C B mol/(L.min), 该反应的进料速率为v 0 =0.018m /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？V R _ C A0X Af _ C A0X Af _ C A0X Af _ C A0 X Af _= = = 厂=2 2 = T mV r A k C A C B kC A2kC A02 (1 x Af )2T m =0.6 0.：(9 0.9)2 =150 min•••V R=VO T n=0.018 m3/mi nx 150min=2.7 m36、［多釜串联液相二级］3 3某一液相反应A+4R+S，其速率常数k=9.92m/(Kmol • KS),初始浓度为0.08Kmol/m , 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0.278m3/KS .求全混釜的总体积？总反应器体积V R=2V R1=2 x 4.16=8.33 m37. 【自催化反应优化】自催化反应A+R T R+R,速度方程为-r=kC A C R,体系总浓度为C0= C A+C R 若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？( 5分)解：A+R T R+R -r A =kC A C R C0 =C A + C R.串联连接，管式反应器加釜式反应器速度较快，同样转化时所用的体积较小。
化学反应工程-6-第二章-均相理想流动反应器
求：
C A、 CB 、 CP、 CR ?
CB
nB nB 0 1 x B C B 0 1 x B 0.2(mol/ l ) v0 v0 2
A B P R
t 0 t t
n A0 n B 0 n A nB
0
0
nP nR
nA0 nA nB0 nB nB0 xB
rA kCA 设反应为一级不可逆反应：
首先讨论 QG ：
QG
rA VR rA kCA VR H rA
0Cp v0Cp
CA 0 CA k 1
CA 0 Η rA k QG Cp 1 k
VR v0
空时
1、停留时间分布的形成：
取两个微团，设同时进入反应器，由于搅拌作用，一个 微团（如上图）可能很快流出反应器，而另一个微团可 能经过更长的时间才流出来。 结论：CSTR出口处，物料是由不同停留时间的微团组 合而成，即形成停留时间分布。
平均停留时间 t ： t VR
v
v—流体在反应器中的体积流率，即出口流率。 问题： t和 之间有什么不同？
代入（1’） v0B 2 2v0B 0.2 8 0.7 0.2 1.7 0.82 100
v0 B 2(l / min)
二、CSTR的操作方程——热量衡算
热量衡算式中各项为：
第一项Qin：
Qin GCPT0
G——质量流量，kg/s； CP——定压热容，J/(kg.k)； T0——物料入口处温度。 第二项Qr：单位时间内整个反应器的反应放热量：
设开始时移热速率线是A，此时反应器定常态1，反应速 率极慢，没有实际意义；
理想流动反应器的分类和应用
授课班级
授课形式
讲授
授课日期
年月日第周
课时数
2
授课章节/实训项目
名称
1.2理想流动1.3非理想流动1.4理想流动反应器的分类和应用
教学目标
(知识/能力/素质目标)
知识目标
1．掌握两种理想流动模型的定义、特征、应用；
2.了解非理想流动与理想流动之间的偏差。
3.掌握返混的定义，理解返混对反应过程的影响及降低返混的措施
1．实际反应器中流动状Байду номын сангаас偏离理想流动状况的原因
三、返混及其对反应过程的影响
1、返混：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
2、返混对反应过程的影响：
（1）返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。
（2）返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。但是，这种浓度分布的改变对反应的利弊取决于反应过程的浓度效应。
四、降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割
1.4理想反应器的分类和应用
1．分类
2．应用注：
授课形式可以是讲授、讲练结合、情景教学、现场教学、实验、实训等。
能力目标
通过对于理想流动模型、返混及其影响等内容的学习，培养学生运用知识解决实际问题的能力
素质拓展
目标
善于学习科学知识；具有科学的思维方法；具有开拓创新的精神。
教学重点
1.两种理想流动模型、返混。
2.非理想流动与理想流动之间的偏差。
教学难点
1.返混对反应过程的影响及降低返混的措施
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。
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缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
❖第一节 间歇釜式反应器 ❖ 一、 釜式反应器的特征
精细化工产品的生产中的液相反应、液液非均相反应； 有色冶金及化学矿加工中的液固反应； 生物反应中的微生物发酵反应； 聚合物生产中的乳液聚合及悬浮液聚合；
反应后期的速度很小；反应机理的变化
由表中所列结果，可以得出以下几点结论。 1. 对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值： 当k↗，t↘；当k↘，t↗。对于任一级反应都是如此。 2. 当转化率xAf确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应 级数有关。
第九章 气-液-固三相反应工程 270
第三章 釜式及均相管式反应器
❖第一节 间歇釜式反应器 ❖第二节 连续流动均相管式反应器 ❖第三节 连续流动釜式反应器 ❖第四节 理想流动反应器的组合和比较 ❖第五节 多重反应的选择率 ❖第六节 半间歇釜式反应器 ❖第七节 釜式反应器中进行的多相反应 ❖第八节 讨论与分析 ❖参考文献 ❖习题
d2
120 2.5 800 1000 900
h2
1250
630 847 152 3.1 1000 1000 1100 1300
1000 1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550
2500 3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060
4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500
第三章 釜式及均相管式反应器
❖第一节 间歇釜式反应器
❖ 一、 釜式反应器的特征
❖ 二、 间歇釜式反应器的数学模型
❖ 1. 等温等容液相单一反应
❖ 2. 等温等容液相多重反应
❖ 三、 间歇釜式反应器的工程放大及操作优化
❖
1. 工程放大
❖ 2. 反应时间的优化
❖ 3. 配料比
❖
4. 反应温度
❖
二、 间歇釜式反应器的数学模型
n A
kt CA0 CA
kt CA0xA
CA CA0 kt
xA
kt C A0
kt ln C A0 CA
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1ekt
kt 1 1
kt 1 xA
CA
CA0
CA
1
CA0 CA0
kt
CA0
1
xA
xA
C A0 kt 1 CA0kt
kt n11(C1AnC1A0n) （ 1 － xA ） 1 － n 1 (n 1 )C A n 0 1 kt
Standardised stirred tank reactor sizes
❖Deutschland , Germany ❖Deutsche industry norm
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格
400
总容积
L
533
夹套容积 L
换热面积 m2
d1
h1 主要尺寸
(mm)
用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
rA V d d n tA n A 0d d x tA(n A n A 0(1 x A ))
tnA0
V
0xAfdrAA xCA0
dx xAf A 0 rA
6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 400 630 1000 2500
总容积 L 533
夹套容 积
L
120
换热面 积
m2
2.5
d1 800
主要尺 h1 1000
寸 (mm) d2 900
h2 1250
❖第一节 间歇釜式反应器 ❖ 一、 釜式反应器的特征
特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上 的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了 物质传递对反应的影响；
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。
讨论：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. 反应浓度的影响
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 二级反应：t与初浓度CA0反比
3. 残余浓度
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
tCA0
xAfdA x CAdC A
0 rA
r CA0
A
等容过程，液相反应
[rA]-1
图解积分示意图
tCA0
xAfdA x CAdC A
0 rA
r CA0
A
[rA]-1
t/cA0
xA0
xAf x
t CA0
CAf CA
二、间歇反应器的数学描述 1. 等温等容液相单一反应
❖ 一级不可逆反应1st. Order Reaction（irreversible）
❖理想流动反应器
绪论 1
第一章 应用化学反应动力学及反应器设计基础
6
第二章 气-固相催化反应本征及宏观动力学 34
第三章 釜式及均相管式反应器 70
第四章 反应器中的混合及对反应的影响 106
第五章 固定床气-固相催化反应工程 126
第六章 气-液反应工程 176
第七章 流-固相非催化反应
212
第八章 流化床反应工程 236
第三章 釜式及均相管式反应器
❖第一节 间歇釜式反应器
❖ 一、 釜式反应器的特征
❖ 二、 间歇釜式反应器的数学模型
❖ 1. 等温等容液相单一反应
❖ 2. 等温等容液相多重反应
❖ 三、 间歇釜式反应器的工程放大及操作优化
❖
1. 工程放大
❖ 2. 反应时间的优化
❖ 3. 配料比
❖
4. 反应温度
❖
第一节 间歇釜式反应器 一、 釜式反应器的特征
rA kCA
t CA dCA CA0 kCA
kt ln C A0 CA
CA CA0ekt
ktln(1xA)
xA 1ekt
表3－1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
转化率式
n=0
n=1
n=2 n级 n≠1
rA k
rA kCA
rA
kC
2 A
rA
kC
847 152 3.1 1000 1000 1100 1300
1447 216 4.6 1200 1200 1300 1550
3460 368 8.3 1600 1600 1700 2060
4000 5374 499 11.7 1800 2000 1900 2500
6300 8230 67