理想反应器的设计
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
化学反应器的设计和操作要点
化学反应器的设计和操作要点化学反应器是化学过程中的一个核心设备，在很多化学工业领域都有广泛的应用。
它的设计和操作是化学工程师们需要关注的重要问题。
本文将从不同的角度讨论化学反应器的设计和操作要点。
一、反应器设计1. 反应器选择：根据反应的特性和要求，确定适合的反应器类型。
常见的反应器类型包括批量反应器、连续流动反应器和半批量反应器等。
不同的反应器类型适用于不同的反应条件和规模。
2. 热平衡和传热：化学反应过程通常伴随着热的释放或吸收。
因此，在设计反应器时需要考虑热平衡和传热的问题。
合理的热平衡和传热设计可以提高反应过程的效率，避免产生过热或过冷的情况。
3. 材料选择：根据反应条件和反应物的性质，选择适合的材料用于反应器的制造。
材料的选择需要考虑反应物的腐蚀性、温度和压力等因素，以确保反应器的安全性和稳定性。
4. 搅拌和混合：搅拌和混合是反应器操作中重要的环节，它可以促进反应物之间的接触和质量传递。
在反应器设计中，需要考虑搅拌器的类型、位置和转速等参数，以确保反应物的均匀混合。
5. 控制系统：合理的控制系统对于反应器的安全和稳定运行至关重要。
控制系统应能实时监测反应器的温度、压力和物料流量等参数，并能根据需要调整反应条件，以保持反应器在理想状态下运行。
二、反应器操作1. 反应物的添加和混合：在反应器操作中，需要按照一定的顺序和比例将反应物添加到反应器中。
反应物的添加应遵循化学反应的速率和亲和力等因素，以确保反应的顺利进行。
2. 温度和压力控制：反应器操作中的温度和压力控制是非常重要的。
温度和压力的变化会对反应速率和产物的选择性产生影响。
因此，在操作过程中需要实时监测和调整温度和压力，以维持反应器在最佳工作条件下运行。
3. 反应物的停留时间：反应物在反应器中停留的时间对于反应的完整性和选择性有很大的影响。
停留时间过短可能导致反应不完全，停留时间过长可能导致副反应的发生。
因此，在操作过程中需要根据反应的特性和要求，合理控制反应物的停留时间。
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
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。
化学工程中的反应器设计
化学工程中的反应器设计反应器是化学工程中至关重要的设备，它用于控制和促进化学反应的进行。
反应器设计需要考虑多个因素，包括反应物的特性、反应条件、反应速率等。
下面将讨论在化学工程中进行反应器设计的一些关键考虑因素。
1. 反应物的特性在设计反应器之前，首先需要了解反应物的特性。
这包括反应物的化学性质、物理性质以及反应的机理。
通过对反应物特性的了解，可以确定反应的类型和可能发生的副反应。
2. 反应条件确定适当的反应条件对于反应器设计至关重要。
反应条件包括温度、压力、物料的浓度等。
这些条件将直接影响反应的速率和选择性。
因此，在进行反应器设计时，需要根据反应条件来选择和确定反应器的类型和尺寸。
3. 反应速率了解反应的速率对于确定反应器的尺寸和反应时间非常重要。
反应速率可以通过实验室实验或者基于反应物特性进行估算。
反应速率的了解将有助于确定反应器的体积和反应物的进料速率。
4. 混合效应反应器中的混合效应对于反应的进行至关重要。
混合效应决定了反应物之间的接触程度，从而影响反应速率。
不同的反应器类型和设计方式会导致不同的混合效应，如完全混合反应器和不完全混合反应器。
5. 均质反应器和非均质反应器均质反应器是指反应物在体积上是均匀分布的反应器，例如连续搅拌槽反应器。
而非均质反应器是指反应物在体积上不均匀分布的反应器，例如流化床反应器。
在进行反应器设计时，需要确定是使用均质反应器还是非均质反应器。
6. 安全性考虑在进行反应器设计时，安全性是一个重要的考虑因素。
需要考虑反应物的毒性、易燃性等特性，并采取相应的安全措施。
此外，还需要考虑反应过程中可能发生的意外情况，如压力突然增加或温度失控等，并设计相应的安全系统。
综上所述，化学工程中的反应器设计需要综合考虑反应物的特性、反应条件、反应速率、混合效应等多个因素。
通过合理设计反应器，可以提高反应的效率、选择性并确保反应的安全进行。
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 理想均相反应器设计041019155835
第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。
对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。
针对不同反应过程讲述了优化设计方法。
化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。
在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择，进而进行反应器设计和计算。
由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。
这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。
实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。
间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。
3-1 间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。
因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。
间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。
釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。
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。
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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
第五章 理想反应器的设计与分析(wfw)
三、几个时间概念
1 、反应时间：反应持续时间，主要用于间歇 反应时间：反应持续时间， 反应器， 反应器，指反应物料进行反应达到所要求的转 化率所需时间， 化率所需时间，不包括装卸料等非反应的辅助 时间。 时间。 2、 停留时间 和平均停留时间 ： 接触时间 。 主 、 停留时间和平均停留时间 接触时间。 和平均停留时间： 要用于连续流动反应器， 要用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入 口到出口经历的时间。它不是过程的自变量， 口到出口经历的时间。它不是过程的自变量，在 反应器中，由于流动状况和化学反应的不同， 反应器中，由于流动状况和化学反应的不同，物 料微元体在反应器中的停留时间是各不相同的， 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 停留时间分布。 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。 停留时间。
（1）停留时间分布密度函数E（τ） 停留时间分布密度函数E 个物料质点，停留时间介于τ 进入反应器的 N个物料质点，停留时间介于τ和 dτ之间的物料粒子dN所占分率为dN／N,以E(τ)dτ dτ之间的物料粒子dN所占分率为dN／N,以 之间的物料粒子dN所占分率为dN 表示, E(τ)即为停留时间密度函数。 表示,则E(τ)即为停留时间密度函数。停留时间分 即为停留时间密度函数 布密度函数具有归一化的性质， 布密度函数具有归一化的性质，即
(2)理想置换反应器 平推流反应器或活塞 理想置换反应器(平推流反应器或活塞 理想置换反应器 流反应器) 流反应器 在反应器内物料允许作径向混 合但不存在轴向混合 不存在轴向混合， 合但 不存在轴向混合 ， 如物料在管内流速 较快的管式反应器。 较快的管式反应器。 (3)连续操作的充分搅拌型反应器 全混流 连续操作的充分搅拌型反应器(全混流 连续操作的充分搅拌型反应器 反应器) 反应器 在这类反应器中物料返混达最大 值。 (4)非理想流反应器 物料在这类反应器中 非理想流反应器 存在一定的返混， 存在一定的返混 ， 物料返混程度介于平推 流反应器及全混流反应器之间。 流反应器及全混流反应器之间。
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。
(2)理想管式反应器
理想管式反应器基本方程式
流入量 ＝ 流出量 ＋ 反应量 ＋ 累积量 FA FA + dF A (−rA )dV 0
FA = ( FA + dF A) + (−rA )dV
FA0 dx A = (−rA )dV
FA = F A0 (1 − x A )
为理想管式反应器的基本方程式。无论是等温、 变温或反应过程中反应物料的总摩尔数是否发生变化 均可适用，只要满足平推流这一假定即可。
膨胀率法
基于物系体积随转化率呈线性关系，即
V = V0 (1 + ε A x A )
上式表示反应在等温等压下进行。 膨胀率的定义是反应组分A全部转化后系统 体积变化的分率，即
εA Байду номын сангаас V x A =1 − V x A =0 V x A =0
膨胀因子法
膨胀因子的定义是原料A消耗一衡分子时， 反应系统总衡分子数的变化，对反应 aA＋bB → pP＋sS 当理想管式反应器进口总摩尔流率为
n A n A0
dx A (−rA )
1 − xA C A = C A0 1 + ε A xA
等温、变容理想管式反应器的设计式（膨胀率法）
对于A→P反应 反应级数 反应速率式 ( − rA ) = k 零级 V ( −r ) = kC 一级 F ( − r ) = kC V 1 二级 =
A A
A 2 A
空时、空速和停留时间
空时τ = VR
反应器体积 = v 0 进料体积流率
空速 SV = 1 =
τ
v0 VR
停留时间
VR 反应器体积 τ= = v 反应器中物料的体积流率
对于恒容过程，系统物料的密度不随反应转化率而变，即 v = v 0 ， 所以空时和停留时间两者相等。对于非恒容过程，反应器内物料的体积 流率随反应转化率而变化，因此空时和停留时间两者就有差异。 对于等温恒容过程，只要把理想管式反应器空时 τ 代之理想间歇反应 器中的反应时间t，则在理想间歇反应器中的结论完全适用于理想管式反 应器。
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间歇搅拌釜式反应器
本节所要掌握的内容
1.间歇反应器的设计方程、操作方程的建立及应
用； 2.确定最佳操作条件，计算完成规定的生产任务 所需的反应器体积
间歇搅拌釜式反应器
无需考虑的反应器内热量传递 非定常态过程，cA、产物随时
间而变，化学反应的结果将唯 一地由化学反应动力学确定， 反应进行的程度决定于反应时 间的长短 排除了物质的传递（搅拌良好） 具有周期性，一个周期包括操 作（反应）时间t，也包括辅 助（非生产性）时间t’ 生产灵活性大
理想反应器的设计
概述
化学反应器是化工生产中的关键设备，反应
器的类型很多，在不同类型的反映器中，能 量与物质的传递特性有很大差异，因此反应 器的类型对产品的质量及整个工艺过程的经 济性都起着决定性的作用。 反应器的选型就是要根据给定反应体系的动 力学特性，选择具有适宜传递特性的反应器 设备 本章将以均相反应为背景，讨论理想流动反 应器设计的基本理论。
1 dN P rP V dt
对于n=1级反应
对于n≠1级反应
间歇反应器的体积计算
生产任务给定后，平均每小时需要处理的物料
量 ，根据每批操作所需要的时间可以算出反 应器的体积。其中每批操作所需要的时间包括 两部分，一是物料的反应时间t，另外还有反 应以外的加料、生温、冷却、卸料、清洗等时 间，称为辅助时间t’。因此反应器体积V计算 公式为：
单级理想混合连续反应器
单级理想混合反应器广泛应用于液相反
应中,在此类反应器中,器内物料的流动 状态为理想混合型,器内所有物料充分混 合,因而有下述特点:物料的温度、组成 处处相等,并等于产物流的组成和温度， 由于器内物料的反应条件恒定,故器内化 学反应稳定,较易控制产品质量,可以连 续生产
理想混合连续搅拌釜式反应器
P79页：
聚合物的生产速度：
WD=9000000/7200=1250kg/h 反应物的流量：W=1250/0.975=1572.3kg/h 稀释剂的流量： WS=1572.3*0.12=188.679kg/h CAO=W/P=1572.3/880=1.79kmol/L 假设该反应是一级反应：
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/%
)2 kC A0 (1 xA
聚苯乙烯聚合设备参数
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
单级连续苯乙烯聚合釜体积设计
理想反应器特性 ●理想混合反应器特性 返混无穷大，完全混合，混合瞬间完 成，器内物料具有完全相同的温度和 浓度，且等于反应器出口的温度和浓 度。 如：搅拌良好的釜式反应器。 ●平推流反应器特性 器内物料以相同的速率和一致的方向 进行移动、返混为0，所有物料在器内 具有相同的停留时间。 如：长径比较大、流速较高的管式反
间歇釜式反应器的体积设计
1.概念
生产时间：即装料完毕后算起至达到所要求的产品 收率所需时间。
辅助时间：装料，卸料以及清洗所需时间之和。
装料系数（φ）：设备中物料所占体积与设备实际 容积之比。
反应器的有效体积：设备中物料所占的体积
反应器的实际体积：即设备的总体积，实际体积除 以装料系数
这时，可采用图解法
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
◇间歇釜式反应器的物料衡算
对整个反应器中A组分 物料进行衡算
单位时间进入 反应器的物料 A的量
0
单位时间流出 单位时间 单位时间内在 反应器的物料 反应掉的 反应器内物料 A的量 物料 A的量 A的累积量
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
物料衡算方程：A组分累积量=A组分流入量-A组分
流出量-A组分反应消耗量
反应器 间歇式 反应单元 带入 量 整个反应器 0 带出 量 0 √ √ √ 反应 量 √ √ √ √ 累积量 √ 0 0 √
全混釜（稳 整个反应器 √ 态） √ 平推流（稳 微元长度 态） √ 非稳态
理想反应器的三种基本形式 ●搅拌釜式反应器 ●平推流流反应器 ●多级串联理想混合反应器 本章内容 ●掌握工业反应器设计和开发计算中所为 基本原理 ●以反应动力学为基础，根据反应的特点 和反应器的性能，确定化学反应器的形式 和最佳操作条件 ●完成生产任务所必需的反应器体积及生 产能力
79.5% 代入公式计算得：VR1=2.2M3 VR2=2.9M3 VR3=2.2M3 VR4=16.3M3 反应器总的有效体积为2.2+2.9+ 2.2+16.3=23.6m3
总结
从反应器的容积角度来说明：
为完成一定生产任务达到一定的最终转化率
时所需的反应器体积以平推流最小，以单级 理想混合反应器为最大。 当转化率越高，理想混合反应器比平推流反 应器体积增大的倍数越多 这说明，转化率越高时，使用平推流反应器 越有利。
V vT t t
求得反应器的体积V后，根据
实际反应过程的装料系数，可 以求得反应器实际体积
VT V
例题
例题 工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二 酸与已二醇以等摩尔比在70℃下进行缩聚反应生产 醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：
rA=kCACB 式中： rA----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 cA、cB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 cA0、cB0均为0.004 kmol.L-1
总结
由间歇釜式反应器的设计方程可知： ○反应物达到一定的转化率所需反应时间只取决于 过程的反应速率，也就是说取决于反应动力学因素， 与反应器的大小无关。 ○反应器的大小仅取决于反应物料的处理量。（即 生产强度
间歇釜式反应器的特点：间歇釜式反应器的操
作在反应前全部物料一次投入，因而是完全混合 型，所以釜内各点的物料组成，温度相同，但反 应的浓度随时间而降低，而产物浓度则随时间而 增大，这是一种不稳定操作。
反应器内，物料 的浓度和温度处
图像
C
A
time
CA,in
处相等，且等于 反应器流出物料 的浓度和温度。
CA, out
0
CA CA,O
t
position
CA, out
t
xLeabharlann 0单级连续反应器 加入反应物A的速度=引出反应物A
的速度+由于反应而消耗的反应物A 的速度
V0CA0 V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR
反应器容积 V 进料的体积流量 vT
反应器容积 t 反应器中物料的体积流 量
空速（SV）：是空间速度的简称，
它是空时的倒数。指在规定的条件 下，单位时间内通过单位反应器容 积的物料体积
vT 1 FA,0 SV V c A,0V
空速表明反应器的生产能力，一般说 来，空速越大，反应器的生产能力越 大。
多级串联理想混合釜式反应器
多级串联理想反应器
此类反应器的设计方法，是以每级反应釜内
为理想混合，级际无反混为基础的，在多级 串联混合釜式反应器的操作中，前一釜的出 口物料就是后釜的进口物料，因此，前一釜 的出口物料组成就是后一釜的进口物料组成， 多级串联分开来看，每一釜可以看作是单级 理想混合连续过程。
三、求解方法 1、解析法 按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜 进行计算，直至达到要求的转化率为止。
i
例题讲解。
V VRi
2、图解计算 对非一级反应，必须逐釜计算。 计算比较麻烦：
C Ai 1 C Ai C Ai 1 C Ai i n (rAi ) kC Ai
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，
VR CA0 CA CA0 xAf V0 (rA ) f (rA ) f
理想混合反应器
对于一级反应