第二节讲义理想均相反应器计算

dxA dt
体积恒定时：rA
nA,0 V
dxA dt
cA,0
dxA dt
t
cA,0
xA dxA 0 rA
间歇反应器基本设计方程式
讨论：
✓ 达到规定转化率需要的反应时间取决于cA,0
和rA,与反应体积无关。
✓ 在设计时，只要cA,0和rA相同，所需反应时
间相同。
✓ 动力学方程通常在间歇反应器内测定。 ✓ 在间歇反应器放大时，只要保证大、小反应
反应器的校核计算
已有一给定的反应器（已知反应器大小），确定 产品达到一定质量要求的前提下，能否完成产量； 或保持一定产量时，质量是否合格。
反应器设计计算设计的基础方程式 ：动力学方程式、 物料恒算方程式和热量恒算方程式。
1.物料衡算
（1）物料衡算是针对一具体的体系（体积元）。该体 积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统 体积。在体积元内进行物料衡算：
第二节理想均相反应器计算
反应器的开发大致包括:
根据化学反应动力学特性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
和优化操作条件;
根据给定的产量对反应装置进行设计计算,确定反
应器的几何尺寸
一 反应器设计基础
➢ 在工业上发生化学反应过程的装置称反应器; ➢ 反应器的形式和操作操作方式有很大差异; ➢ 本质上,反应器的类型不影响化学反应动力学; ➢ 但是不同类型的反应器物料在其中的流动状况不
标准体积。对于气固相催化反应，空间速度为在单 位时间内通过单位催化剂体积体积（质量）的物料 标准体积流率。通常用于比较设备生产能力的大小。
四 间歇反应器（Batch Reactor,简称BR）
常见的是带有搅拌器的釜式反应器，通常设置有夹套或 盘管以加热或冷却反应，控制反应温度。通常用于产值高、 批量小的产物生产。 1 特点： （1）反应器内有效空间中各位置的物料温度和浓度相同； （2）物料停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合， 无返混现象； （3）出料组成和反应器内物料的最终组成相同； （4）为间歇操作，有辅助时间。一个生产周期包括：反应 时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（冷却）时 间等。
同,物料在反应器中的流动会引起物料之间的混合;
➢ 简单混合不影响化学反应过程的进行; ➢ 存在返混时,反应器内物料的组成将受影响;
若是处于不同进料时间的两股物料之间发生 混合,由于物料在反应器内停留时间不同,反应程度 不同,化学反应速率也将发生变化.
尽管反应动力学方程不发生变化,但组成的变化 将影响反应速率,因而影响整个反应器内的反映情 况.
（3）空间时间
反应器有效容积与流体特征体积流率的比值。 流体特征体积流率是在反应器入口温度和压力下， 转化率为0时的体积流率。
V/qv0
表示在规定条件下，进入反应器的物料通过反 应器所需要的时间。反映了连续流动反应器的生 产强度。
（4）空间速度（空速） 在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料
2.确定反应时间
求取达到规定的转化率物料在反应器中所需的 反应时间。
对整个反应器在微元时间内进行衡算 ： (因反应组分A消失的量) （反应物A的累积量）
（ rA）V dnAห้องสมุดไป่ตู้/ dt
对于间歇操作：xA
nA,0 nA nA,0
nA
nA,0 ( 1
xA
)
dnA
nA,0dxA
（ rA）V
nA,0
化学反应速率和温度密切相关，温度条件取决于反 应放出或吸收的热量和换热条件，必须将物料和 热量衡算方程结合处理。
随物料带 入 随的 物热 料量 带 出 （的 反热 应量 系统的 与热 外
1
2
3
（反应过程（ 的累 热积 效的 应 0热 ）量）
4
5
间歇操作：1、2项为零；连续流动反应器5为0；
根据物料和热量衡算得到反应器的基本设计方程式， 结合动力学方程可计算反应器的体积。
（3）连续操作的充分搅拌反应器（全混流反应器）
该反应器种物料返混达到最大。
（4）非理想流反应器
介于平推流反应器和全混流反应器之间，存在部 分返混。
（1-3）为理想流动反应器
二 反应器设计的基础方程
反应器的设计包括：
在确定的生产任务条件下，即已知原料量、原料
组成和对产品要求，通过设计计算，确定反应器 的工艺尺寸（反应器直径、高度等）。
( 1 )由t cA0
xA dxA 计 算 反 应 时 间 0 ( rA )
( 2 )计 算 一 批 料 所 需 时 间 ：tt t t'
( 3 )计 算 每 批 投 放 物 料 总 量FA' F tt
反 应 A的 物流 入 反 速 应 度 A的 物流 出 速 度 因 反 应A反 消应 失物 的 反 速 应 度 A的 物累 积 0速
（ 流 入 （量 流） 出 （量 反） 应 消 （失 累量 积 0） 量 ）
1
2
3
4
间歇操作中，物料分批加入或输出，所以1、2相为0；
连续操作，4相等于0
2.热量衡算
三 几个时间概念
（1）反应持续时间（反应时间）
指反应物料进行反应达到所要求的转化率所需要 的时间。主要用于间歇反应器，不包括装料、卸料、 升温、降温等非反应的辅助时间。
（2）停留时间（接触时间）和平均停留时间
流体微元从反应器入口到出口经历的时间。主要 用于连续流动反应器。
由于流动状态和化学反应的不同，物料微元体在 反应器中的停留时间是各不相同的，存在一个分布， 称为停留时间分布。各流体微元从反应器入口到出 口所经历的平均时间称为平均停留时间。
器的温度和混合条件相同，可根据小试结果 直接设计和放大反应装置。
xA
cA0 cA cA0
dxA
dcA cA0
t cA dcA
r cA0
A
3.计算反应器体积
对于给定的生产任务，即单位时间处理的原 料量和原料组成，以及达到的产品要求和辅助时 间，动力学等均作为给定的条件，要求计算出间 歇反应器的体积。
➢ 按物料在反应器中返混情况作为反应器分类的依
据将能更好的反映出其本质上的差异。
（1） 间歇反应器 ：反应器内物料被充分混合，由 于物料为同一时间进料，物料间的混合过程为简 单混合，不存在返混 ；
（2）理想置换反应器（平推流或活塞流反应器）： 在反应器内物料允许做径向混合（简单混合）但 不存在轴向混合（无返混）。