化学反应工程第三章PPT课件
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化学反应工程陈甘棠第三章课件
cp
v0cA0t VR0 v0t
cA
v0cA0t v0cA0 1 ekt VR0 v0t k VR0 v0t
v0cA0
kVR0 v0t
kt
1 ekt
产物P的浓度随时间如何变化？
2019年9月20日星期五
操作中的反应放热速率：
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2019年9月20日星期五
第一节 间歇式完全混合反应器
2019年9月20日星期五
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：
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
2019年9月20日星期五
例 3-1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
dt
cv
dt
t 0,T T0, xA xA0
T
T0
Hr cA0
cv
xA
xA0
2019年9月20日星期五
3 反应容积的计算
VR Q0t t0
t ：反应时间
t0 ：辅助时间
Q0 ：辅助时间单位时间内处理的反应物料的体积
2019年9月20日星期五
实际反应器的体积
反应工程课件第三章PPT演示课件
（1）全混流反应器的定态基本方程 条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变 A、放热速率
QR VR (rA) f (HR ) VRkCAf (HR )
V0CA0 V0CAf VRkCAf
CAf
V0CA0 V0 VRk
CA0
1 km
QRCA0ຫໍສະໝຸດ Rk(HR )1 kmCA0VR
(HR
)k10
态温度也随之而变。图3.15为
进料温度T0与定态温度T的关系 示意图。 当进料温度从T1慢慢 地增加至T5时，定态温度的变 化如图中曲线12489所示。注
意的是曲线在点4处是不连续
的，定态温度突然增高，这一
点称为着火点；再继续提高进
料温度，定态温度的升高再不
出现突跳现象；若将进料温度
逐渐降低，比如从9降至6，定
即使反应器满足热稳定性条件，仍然还有一个垂数灵敏 性问题。参数灵敏性指的是各有关参数(流量、进口温度、冷 却温度等)作做小的调整时，反应器内的温度(或反应结果)将 会有多大变化。
稳定性问题，系统所受到的短暂的扰动消失后，如果原定 态点是稳定的，将逐步恢复到原操作状态。参数灵敏性问题 ，如果某操作参数的微小变化会引起操作状态的很大变化， 则为反应器操作状态对该参数灵敏，反之为不灵敏。
3.3.3 全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。
对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升 高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然 而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温 度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环
化学反应工程第三章PPT课件
— 常称为活塞流式(或理想排挤式)反应器，多指假 想反应器内径向不存在浓度梯度与温度梯度，轴向没 有任何混合的管式反应器
平推流流体
反应物料以稳定的流率进 入反应器，在流动方向上 象活塞一样有序向前移动， 任一径向截面上各处的流 速完全相等
当
dF P dt
0 时，FP将取最大值；
故单位时间 反应量最大条件为：
dcP cP dt t t0
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图 间歇反应器最优反应时间的图解法
2021
27
《化学反应工程》
【例3】欲用一间歇反应器在为100℃、催化剂硫酸的质量分数 为0.032%的条件下，由乙酸和丁醇生产乙酸丁酯
C 3 C H O C 4 H O 9 O H H C 3 C H O 4 H 9 H O 2 OC
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2021
6
《化学反应工程》
2.空时、空速、停留时间与反应时间
1) 空时，又称为空间时间，定义为反应器体积VR与流
体进反应器的体积流量v0的比值
VR
0
反应器体积 进料体积流率
空时的单位是时间，是度量连续流动反应器生产强 度的一个参数。如空时为1min，表明每分钟可以处理 与反应器体积相等的物料量。空时越大，反应器生产 强度越小
• 缺点：
装料、卸料等辅助操作 要耗费一定的时间； 产品质量不易稳定
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12
《化学反应工程》
§3.2.1.1 间歇反应器性能的数学描述
在间歇反应器中，剧烈搅拌，器内物料的浓度和 温度达到均一，对整个反应器中关键组分A进行物料 衡算，则有：
单 输A 位 入 的时 量 单 输 间 A 位 出 的 内时 量 反 单 间应 位 A 内 的 掉 时 量 间 器 单A 内 位 中 的时 积间 累
平推流流体
反应物料以稳定的流率进 入反应器，在流动方向上 象活塞一样有序向前移动， 任一径向截面上各处的流 速完全相等
当
dF P dt
0 时，FP将取最大值；
故单位时间 反应量最大条件为：
dcP cP dt t t0
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图 间歇反应器最优反应时间的图解法
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27
《化学反应工程》
【例3】欲用一间歇反应器在为100℃、催化剂硫酸的质量分数 为0.032%的条件下，由乙酸和丁醇生产乙酸丁酯
C 3 C H O C 4 H O 9 O H H C 3 C H O 4 H 9 H O 2 OC
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6
《化学反应工程》
2.空时、空速、停留时间与反应时间
1) 空时，又称为空间时间，定义为反应器体积VR与流
体进反应器的体积流量v0的比值
VR
0
反应器体积 进料体积流率
空时的单位是时间，是度量连续流动反应器生产强 度的一个参数。如空时为1min，表明每分钟可以处理 与反应器体积相等的物料量。空时越大，反应器生产 强度越小
• 缺点：
装料、卸料等辅助操作 要耗费一定的时间； 产品质量不易稳定
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《化学反应工程》
§3.2.1.1 间歇反应器性能的数学描述
在间歇反应器中，剧烈搅拌，器内物料的浓度和 温度达到均一，对整个反应器中关键组分A进行物料 衡算，则有：
单 输A 位 入 的时 量 单 输 间 A 位 出 的 内时 量 反 单 间应 位 A 内 的 掉 时 量 间 器 单A 内 位 中 的时 积间 累
化学反应工程第三章反应器内的流体流动
物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型， 则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当 为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示 意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 ，则上 c F ( t ) 式可以改写成： （3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输 入法，输入的示踪剂浓度 ，在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系： 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ，关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
反应工程课件第三章[可修改版ppt]
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P
于放热速率，体系温度
继续下降，直至到M点。
M
TM
TP
Qr QG
N
T TN
N点：
当有扰动使T略大于TN 时(dT＞0)，移热速率大于
Q
放热速率，体系温度下降
，自动恢复到N点。
当有扰动使T略小于TN
P
(dT＜0)时，，移热速率小
于放热速率，体系温度 M
上升，自动恢复到N点。
TM
TP
QC
N
QR
T TN
反应工程课件第三 章
1）热稳定性和参数灵敏性的概念 如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的， 就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应 该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温 度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数 不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰 动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数 的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的 变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡 状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一 种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反 应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的， 但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定 是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的 平衡和不稳定的平衡。
如果反应器的参数灵敏性过高，那么对参数的调节就会有 过高的精度要求，使反应器的操作变得十分困难。因此，在 反应器的设计中，确定设备尺寸和工艺条件时必须设法避免 过高的参数灵敏性。无论是热稳定性还是参数灵敏牲，两者 都给反应器的设计增加了限制因素。如果不予重视，往往会 使设计的反应器无法操作。
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q
dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程课件 第三章3
CA
生产氯丁橡胶的单体2-氯-1，3-丁二烯在乙醇中用碱脱氯 化氢而得，反应方程式为 A + B → R + E CB 0 / C A0 = β ≠ 1 β − xA ln = C A0 ( β − 1)kt 其动力学方程式的积分式为 β (1 − x )
A
例14
已知
T/K k/[mol/L·min]
303 0.03
313 0.07
323 0.19
据此，进行如下计算：
1. 间歇反应釜。工艺条件：反应前期，等温40℃，反应时间30min; 反应后期，温度50℃，反应时间30min；CA0=2.2mol/L， β=1.25，求总转化率为多少？ 2. 保持上述题条件，等温40℃，全混釜，求达到98%和99%转化 率所需要的时间。 3. 两只大小相同的全混釜串联，前者40℃，后者50℃，求达到98% 和99%转化率所需要的时间。 4. 三只大小相同的全混釜串联，前两者40℃，后者50℃，求达到 98%和99%转化率所需要的时间。 5. 比较上述结果。
C A 2 = C A0 (1 − x A 2 ) υ1 = υ 0 + υ 3 υ3 = βυ2 υ0 = υ2
β xA2 ∴ x A1 = 1+ β
FA0 CA0 v0 xA0
新鲜料
FA0’ CA1 v1 xA1
xA2
FA2= FA0(1-xA2) CA2 v2 xA2 出料
循环物料v 3 = β υ 2
e − kτ 2 = C A0 1 + kτ 1
C Af = C A1e
− kτ 2
零级反应，无论体积是否相等，也等效。
C Af = C A1 − kτ 2 = C A0 − k (τ 1 + τ 2 ) C Af = C A1 − kτ 1 = C A0 − k (τ 1 + τ 2 )
化学反应工程知识点复习ppt课件
可见，
A 0
等分子反应
A 0
缩体反应 膨体反应
A 0
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45
2.3 等温变容过程
速率表示式为：
(rA )
CA0
1 A yA0xA
dxA dt
2.3.2 膨胀率 膨胀率是指反应物A全部转化后系统体积的变化分率：
A
V V xA 1
xA 0
VxA 0
它既与反应的化学计量关系有关，也与系统的惰性物量有关
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15
2、速率常数k
• 化学反应速率方程体现了浓度和温度两方面 的影响，浓度的影响体现在浓度项上，反应 级数表明了反应速率对浓度变化的敏感程度。
• 温度的影响则是由速率常数k体现的。
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16
2.1反应速率常数
在一般情况下，反应速率常数 kc与绝对温度T之间的关系可以用 Arrhenius 经验方程表示，即：
rS
dC S dt
k2C P
对-rA分离变量积分得：
C A C A 0 ex k 1 p t
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42
对A作物料衡算，则有：
CA0CAC PC S
以各组分浓度对时间作图得到各组分的分布曲线，见图。
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43
从而得到对应此最高浓度的反应时间为：
topt
ln( k2 k2
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18
lnk与1/T是直线关系 －E/R为斜率 lnk0为截距
通过实验测出不同温度下的 速率常数k，作图根据截距 就可以求出指前因子k0，再 根据直线的斜率求出活化能
E
对给定的反应，反应速率与
温度的关系在低温时比高温
化学反应工程第三章
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
kt CA0 CA
kt CA0 xA
CA CA0 kt
xA
kt CA0
kt ln CA0 CA
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1 ekt
kt 1 1
kt 1 xA
VR
V0CA0 xAf (rA ) f
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
N A,CAf X Af
, 若 xA0 0 则物料衡算方程为:
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝累积量
NA '
NA
(rA ) f VR
0
N A ' N A0 (1 xA0 ) N A N A0 (1 xAf )
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
CA 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应
A→B
反应速率
r
0.01C
应器中达到x=0.99，需要反应时间为10min，问：
（1）在全混流反应器中进行时， 应为多少？
（2）在两个串联全混流反应器中进行时， 又为多少？
第四节 多级全混流反应器的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为 CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器 的浓度推动力。
化学反应工程备课-第三章
非理想流动模型
偏离活塞流的产生的原因： ——涡流、湍动或流体碰撞 反应器中的填料或催化剂引 起旋涡运动(a) ； ——垂直于流体流动方向截 面上的流速不均匀(b)；
——填料或催化刑装填不均 匀引起的沟流或短路(c)；
——存在死角。
偏离全混流的几种情况 ——搅拌不均匀造成死角(a)； ——进、出门管线设置不好引起短路(b)； ——搅拌造成再循环。
（2）浓度效应 ——主反应级数大于副反应级数，即需要cA高时，可以采用 活塞流反应器(或间歇反应器)；或使用浓度高的原料，或采用 较低的单程转化率等
——主反应级数小于副反应级数，即需要cA 低时，可以采用全 混流反应器；或使用浓度低的原料(也可加人情性稀释剂，也 可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度)；或 采用较高的转化率等。
设计和优化的基础。
反应器就流体的返混情况而言，抽象出两种极限的情况： （1）完全没有返混的活塞流反应器——实际生产中的多数管 式反应器及固定床催化反应器。 （2）返混达到极大值的全混流反应器——多数槽式反应器。
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
——对复合反混中的平行反应，若主反应级数低于副反应级 数，对复合反应中的连串反应选择率下降。若主反应级数高 于副反应级数，返混使主产物选择率下降，返混使主产物选 择率提高。
——对复合反应中的连串反应，返混使反应物浓度降低，产 物浓度提高，因而使主产物的选择率下降。 （2）逗留时间分布 ——逗留时间分布密度
全混流反应器中由于返混，整个反应器的推动力等于出口处反 应推动力。
——如果在相同温度、相同进、出口浓度， CA0、CAf 、 CA*相
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
CRE 化学反应工程 第三章课件2
n An
所以可得
1 1 [( ) 1] k 1 X
1 n An
或
1 X 1 (1 k )
An
n
CSTR反应器串联计算
• Case 2:非一级不可逆反应 (单一反应的 情形） 采用作图法逐釜计算步骤 设计方程：
VRn C A0 ( X An X A,n1 ) v0 rAn
F (X X V r
A0 An Rn An
A , n 1
)
• 由于 • 所以
F C v
A0 A0
A0 0 Rn
0
C v (X X V r
An An
A , n 1
)
CSTR反应器串联计算
• Case 1:一级不可逆反应 求转化率与串联 反应釜的个数-空时之间的关系。知道空时 ，不难求出反应器的体积。 τ假设各釜体积相等，则各釜空时相等，设都 为
1 ( X A 0.8) rA
0.2 0.4 0.6 0.8
X
A
Levenspiel 图
CSTR反应器串联
• 考虑两个串联的CSTR FA0， FA1， CA0, CA1,
FA2， CA2,
v0
XA0=0
v1
v2
XA1
XA2
• 第一个反应釜设计方程
F F F X V r r
A0 A A0 R1 A1 A1
Part 3
• 考虑反应
半间歇釜式反应器
A+B→C， rA=k’CACB 当B浓度高，大大过量，A浓度较低时，宜采 用半间歇操作。
A
B
• 由于CB>>CA,该反应可视为一级反应，即： rA=k’CACB=kCA，
所以可得
1 1 [( ) 1] k 1 X
1 n An
或
1 X 1 (1 k )
An
n
CSTR反应器串联计算
• Case 2:非一级不可逆反应 (单一反应的 情形） 采用作图法逐釜计算步骤 设计方程：
VRn C A0 ( X An X A,n1 ) v0 rAn
F (X X V r
A0 An Rn An
A , n 1
)
• 由于 • 所以
F C v
A0 A0
A0 0 Rn
0
C v (X X V r
An An
A , n 1
)
CSTR反应器串联计算
• Case 1:一级不可逆反应 求转化率与串联 反应釜的个数-空时之间的关系。知道空时 ，不难求出反应器的体积。 τ假设各釜体积相等，则各釜空时相等，设都 为
1 ( X A 0.8) rA
0.2 0.4 0.6 0.8
X
A
Levenspiel 图
CSTR反应器串联
• 考虑两个串联的CSTR FA0， FA1， CA0, CA1,
FA2， CA2,
v0
XA0=0
v1
v2
XA1
XA2
• 第一个反应釜设计方程
F F F X V r r
A0 A A0 R1 A1 A1
Part 3
• 考虑反应
半间歇釜式反应器
A+B→C， rA=k’CACB 当B浓度高，大大过量，A浓度较低时，宜采 用半间歇操作。
A
B
• 由于CB>>CA,该反应可视为一级反应，即： rA=k’CACB=kCA，
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图 间歇反应过程t的图解积分
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《化学反应工程》
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《化学反应工程》
▪ 间歇反应器的反应体积是指反应物料在反应器中所 占的体积，取决于单位生产时间所处理的物料量和每 批生产所需的操作时间；
V Rv0tTv0(tt0)
式中，v0 —体积流率， 单位时间所处理的物料量，m3/h； tT — 每批物料的操作时间，等于反应时间t与辅助时间t0之和。
离开反应器时为止所经历的时间，定义为：
t
V VR R
0
反应器体积 反应器中物料的体率积流
对于恒容过程，系统物料的密度不随反应转化率而变，即
v器=v内0，物所料以的空体时积和流停率留v 时随间反两应者转相化等率。而对变于化非，恒因容此过空程时，和反停留应 时间两者就有差异。
4) 反应时间，指的是从反应物料加入反应器后实际进行 反应时算起至反应到某一时刻所需的时间。
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《化学反应工程》
§3.2 简单反应器
【前景知识回顾】 ▪ 反应器的分类（绪论）
▪ 操作方式的分类（绪论）
▪ 反应器设计的基本内容和基本方程（绪论）
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《化学反应工程》
§3.2.1 间歇(搅拌)反应器 (Batch Reactor)
ห้องสมุดไป่ตู้
1)反应物料按一定配比同时投入 反应器，经过一定时间达到额定 转化率后，停止反应并排出物料， 完成一个生产周期，——所有物 料具有相同的反应时间；
2)剧烈搅拌，器内物料浓度达到 分子尺度上的均匀，浓度处处相 等，排除物质传递对反应的影响；
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3)足够的传热条件，器内各处温
度始终相等，无需考虑反应器内
的热量传递；
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《化学反应工程》
❖ 间歇（搅拌）反应器的优点与缺点
• 优点：
操作灵活，易于适应不 同操作条件和不同产 品品种，适用于小批 量、多品种、反应时 间较长的产品生产， 特别是精细化工、生 物化工产品的生产
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2.空时、空速、停留时间与反应时间
1) 空时，又称为空间时间，定义为反应器体积VR与流
体进反应器的体积流量v0的比值
VR
0
反应器体积 进料体积流率
空时的单位是时间，是度量连续流动反应器生产强 度的一个参数。如空时为1min，表明每分钟可以处理 与反应器体积相等的物料量。空时越大，反应器生产 强度越小
1）任一径向截面上各处的流速完全相等； 2）所有物料颗粒在反应器中的停留时间均相同
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反应原料以稳定流率v0流入反应
v0
器，刚进入的新鲜物料与存留在
cA
反应器中的物料瞬间达到完全混
V
合，反应器出口处反应物料以同
样的稳定v0流量流出
v0 cA0
d) 理想混合流
1)釜内物料的浓度和温度处处相等，且等于出口处的 物料的浓度与温度； 2)返混达到最大限度，物料在釜内停留时间有长有短。
均相反应工业化过程中要解决的问题大致有三： 1)反应动力学方程的建立与应用； 2)反应器型式与操作方式的选择； 3)反应器大小及其生产能力的计算
1.流动与混合
（一）层流与湍流
a)层流
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b)湍流
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（二）理想排挤流与理想混合流
c) 理想排挤流
反应物料以一致的方向与流 速向前运动，在流动方向上 象活塞一样有序向前移动。
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《化学反应工程》
2) 空速，为空时的倒数，定义为
SV 1 v0
VR
空速的单位是[时间]-1，其物量意义是单位时间通 过单位反应器容积的物料体积。如空速为10 min-1，表 示每分钟能处理进口物料的体积为反应器体积的10倍。
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3) 停留时间，指的是从反应物料进入反应器时算起到
教学重点
❖等温间歇反应器反应时间、反应 体积的计算； ❖流动反应器空时的概念； ❖连续釜式反应器（全混流反应器） 反应体积及产物分布的计算； ❖连续釜式反应器串联或并联操作 的计算； ❖釜式反应器的加料方式、连接方 式、原料配比及操作温度的选择
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§3.1 概 述
• 缺点：
装料、卸料等辅助操作 要耗费一定的时间； 产品质量不易稳定
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§3.2.1.1 间歇反应器性能的数学描述
在间歇反应器中，剧烈搅拌，器内物料的浓度和 温度达到均一，对整个反应器中关键组分A进行物料 衡算，则有：
单 输A 位 入 的时 量 单 输 间 A 位 出 的 内时 量 反 单 间应 位 A 内 的 掉 时 量 间 器 单A 内 位 中 的时 积间 累
化学反应工程
(Chemical Reaction Engineering)
授课人: 胡若飞 化学工程与食品科学学院
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第三章 均相反应过程
§3. 4
§3. 5
§3. 6
§3. 7
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教学目标
•掌握等温间歇反应器反应时间、反 应体积的计算方法； •理解流动反应器空时和空速的概念 及其应用； •掌握定态下连续釜式反应器反应体 积及产物组成的计算方法； •掌握连续釜式反应器串联或并联操 作的计算及热量衡算与应用； •根据不同的反应类型能正确地选择 釜式反应器的加料方式、连接方式、 原料配比及操作温度； •理解全混流反应器的多定态特性、 着火现象和熄火现象； •了解半间歇反应器的计算方法
间歇操作中，物料A输入量和流出量都等于零，故有
00(rA)VddnAt
可导出，
(rA)V 1ddA ntnV A0 ddA xt
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当反应总体积不变时， c A
(rA)
nA V
，则有
dcA
dt
分离变量和积分运算后，可得到
t nA0
dx xAf
A
xA0 V(rA)
▪ 反应器的实际体积应大于反应体积，即：
cA0
dx xAf
A
cAf
dcA
xA0 (rA)
cA0 (rA)
(恒容过)程
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；上式对大型或小型设备均适用。
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图 间歇反应过程t/cA0的图解积分
cAf
cA0