第一章_反应器基本理论1解析
(完整版)化学反应工程习题
化学反应工程习题第一部分：均相反应器基本理论1、试分别写出N 2+3H 2=2NH 3中用N2、H 2、NH 3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。
2、已知某化学计量式为S R B A 2121+=+的反应，其反应速率表达式为B AA C C r 5.02=，试求反应速率B r =？；若反应的化学计量式写成S R B A +=+22，则此时反应速率A r =？为什么？3、某气相反应在400 oK 时的反应速率方程式为221061.3AA P d dP -⨯=-τh kPa /，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为21AA A kC d dn V r =⨯-=τh l mol ./，该反应速率常数k 的数值、单位如何？4、在973 oK 和294.3×103Pa 恒压下发生下列反应：C 4H 10→2C 2H 4+H 2 。
反应开始时，系统中含丁烷为116kg ，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa /s 的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H 2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。
5、某溶液反应：A+B →C ，开始时A 与B 摩尔数相等，没有C ，1小时后A 的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A 尚有百分之几未反应掉？ （1）对A 为一级、B 为零级反应； （2）对A 、B 皆为一级反应； （3）对A 、B 皆为零级反应。
6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S已知原料组成为C A0 = 2 kmol/m 3，C B0 = 4 kmol/m 3，C R0 = C S0 = 0。
反应混合物体积的变化忽略不计。
反应一段时间后测得C A = 0 .3 kmol/m 3，C R = 1.5 kmol/m 3。
计算这时B 和S 的浓度，并确定A 的转化率、生成R 的选择性和收率。
反应器基本理论课件
• 反应器概述 • 反应器的基础理论 • 反应器的类型与选择 • 反应器的操作与优化
反器概述
01
反应器的定义和分类
分类
连续反应器（Continuous Reactor）：反应物以稳定流速连 续加入，产物也连续流出。
定义：反应器是一种用于进行化 学反应的设备或系统，通过控制 反应条件来促进化学反应的进行， 并获取所需的产物。
批式反应器（Batch Reactor）： 反应物一次性加入，反应完成后 产物一次性取出。
半连续反应器（Semi-Batch Reactor）：反应物一部分连续加 入，一部分批次加入。
反应器在化工流程中的地位
01
02
03
核心设备
反应器是化工流程中的核 心设备之一，直接影响产 品质量和生产效率。
反应条件控制
评估指标
评估反应器性能的主要指标包括反应器的转化率、选择性、产率等。此外，还需关注反应器的能耗、设备寿命、 操作稳定性等方面的指标。在实际应用中，需根据具体反应体系和需求，综合权衡各方面因素，选择最适合的反 应器类型和设计参数。
04
反器的操作
化
反应器的稳态操作
稳态操作定义
指的是反应器在连续、稳 定的状态下进行操作，各 参数不随时间变化。
适用场景
非均相反应器适用于涉及固-液、固气等反应体系的反应过程，如催化裂 化、气体吸附等。
反应器的选择与评估
选择因素
在选择反应器时，需要考虑反应物的性质、反应条件、产物要求等因素。例如，对于快速反应，宜选择均相反应 器；对于慢反应，宜选择非均相反应器。同时，还需考虑反应器的传热、传质性能，设备的投资与运行成本等因 素。
非理想流动模型
分析实际反应器中可能出现的非理想流动现象，如返混、死区等， 以及这些现象对反应器性能的影响。
制药工程与设备-PPT课件
抗生素质量百分含量为1～3％；酶为 0.1～0.5％；单克隆抗体不超过0.0001％。
第一篇 反应过程与设备
前言
反应器的重要性：核心设备，其结构、操作方式、 操作条件影响转化率、质量、成本等。
反应动力学是反应工程学的基础理论之一，主要研究 化学反应过程的速率及其影响因素。它包括两方面内容： 第一是本征动力学（微观动力学）；第二是宏观动力学 （反应器动力学）。
连续管式反应器的基础设计式
τ
Vt v0
CA0
dx xAf
A
0 ( rA )
在等容过程中，对在相同的反应条件下（即k相同）的同
一反应，达到相同的转化率，理想连续管式反应器中需要的停
留时间与间歇釜中需要的反应时间是相同的，所以，可以用间
歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。
对于连续管式反应器的基础设计式
如，对于一级反应有
( rA ) kCA
代入积分有
kCA0 (10 (1 xA )
11 ln
k 1 xA
讨论
nA0 V
xA dx A 0 (rA )
CA0
xA dx A 0 (rA )
从上式可以看出只要起始浓度相同，达到一定转化率所 需的反应时间，只取决于反应速度，而与处理量无关，所 以在进行间歇釜式反应器的放大时，只要保证放大后的反 应速度与小试时相同，就可以实现高倍数放大。
受温度的影响不显著，可以近似看成与温度无关。
二、间歇釜式反应器 1． 等温操作的反应时间 微元时间内反应掉组分A的摩尔数＝微元时间内组分A减少的摩尔数
( rA )Vd
dnA
dnA
nA0dxA
(rA )Vd nA0dxA
化学反应过程第一章(1)
全混流模型
2021/1/9
平推流模型
有关反应器操作的几个工程概念 ➢ 流体的质点或粒子（微元）
代表一堆分子所组成的流体，它的体积比 反应器的体积小到可以忽略，但其中所包 含的分子足够多，具有确切的统计平均性 质，如组成、温度、压力、流速； ➢ 停留时间（Retention time） 指连续操作中一物料“微元”从反应器 入口到出口经历的实际时间。
• 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。
2021/1/9
半间歇操作/半连续操作
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。
2021/1/9
（三）按反应器结构类型分类
型式
适用的反应
特征
釜（槽）式，一级 液相，液-液相，液-固相，气- 适用性大，操作弹性大。连续操作时温度、
或多级串联
液相，气-液-固三相
浓度易控制，返混严重。
均相管式
气相，液相
比传热面大，长径比很大，压降大，近平 推流。
固定床
气-固相催化（绝热式或连续换 催化剂不易磨损，但装卸难，传热控温不
一. 化学反应的分类 （1）按反应的化学特性分类 （2）按化学反应单元的分类
制药工程原理与设备-02反应器基本理论1
6
第二节 等温等容过程的计算 •
1 dnA 一、反应速 ( rA ) V d 率 nA0 nA xA nA0
• 转化率
nA nA0 (1 x A ) dnA nA0 dx A dxA 1 nA0 dxA (rA ) C A0 V d d
7
如：Ａ→Ｒ
• 边界条件: VR= 0 XA = 0 dVR dx A VR=VR XA=XA 0 FA ( rA )
dFA FA0 dxA
16
dVR dx A FA0 (rA )
x A dx VR A 0 (r ) FA0 A
VR
0
dVR FA0
xA
0
dx A ( rA )
③ n=2时 二级反应
2 (rA ) kC A0 (1 x A ) 2
C A0
xA
0
dxA xA 1 xA dxA 1 2 2 0 (1 xA )2 kC A0 1 xA kC A0 (1 x A ) kC A0
12
作业：
推导：对于n级反应，A初始浓度为CA0 ，反应速率方程： 推导反应转化率xA为时，反应釜内反应时间τ的表达式： τ＝f (xA，n，k，CA0)
整 x 理： x
Ai
1 xAi 1
2
1 1 xAi 1
1 xAi 1 1 xAi 1 xAi 1 xAi 1 x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1
1 xAi 1 1 xAi 1 1 1 xAi 1 xAi 1
• 选择性
s 生成目的产物所消耗的关键组分的量 已转化的关键组分的量
化学反应工程第一章1
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
把化学反应定义式和化学反应动力学方程
相结合，可以得到：
1 dnA m n rA kcA cB V dt
直接积分，可获得化学反应动力学方程的 积分形式。
对一级不可逆反应，恒容过程，有：
dcA rA kcA dt
cA 0 1 kt ln ln cA 1 xA
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
一、基本概念
1.化学反应式 反应物经化学反应生成产物的过程用定量关 系式予以描述时,该定量关系式称为化学反应式:
aA bB rR sS
2.化学反应计量式
aA bB rR sS
是一个方程式，允许按方程式的运算规则
5. 化学反应速率
⑴ 反应速率定义为单位反应体系内反
应程度随时间的变化率。对于均相反应，单
位反应体系是指单位反应体积：
1 d r V dt mol m 3s 1
⑵ 常用的还有以反应体系中各个组份
分别定义的反应速率：
1 dnA rA V dt mol m 3s 1
对于反应：
t/hr 醋酸转化量 ×102/kmol.m-3 0 0 1 1.636 2 2.732 3 3.662 4 4.525 5 5.405 6 6.086 7 6.833 8 7.398
试求反应的速率方程
反应器PPT课件
此类反应器需有投料和卸料的时间，通 常用于实验室实验或少量水处理中。
精品课件
10
物料衡算式为：
dCi dt
r(Ci )
t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：
t
ccoi
dCi r (Ci )
设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则
t
ccoi
dCi kCi
1 C0 k lnCi
精品课件
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理想反应 器分类
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
完全混合，间歇操作，封闭系统
完全混合连续式反应器（CSTR型,continous flow stirred tank reactor） 完全混合，连续操作，不封闭系统
推流式反应器（PF型，plug flow reactor）
推流式，连续操作，不封闭系统
精品课件
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完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
• 投入反应物，均匀混合，并发生反应， 达到预期反应程度后，排出反应物
特征： 1.反应过程中为封闭系统，无物质输入输 出。 2.反应器中反应物浓度随时间是变化的， 但任一时刻t，反应器中浓度认为是均 匀的。
精品课件
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完全混合连续式反应器（CSTR型，continous flow stirred tank reactor ）
反应物连续输入，一进入反应器即与 反应器内的物料快速混合均匀（瞬间 ）。反应器内物料连续流出，且出水 中反应物浓度与反应器内各点处反应 物浓度相同。
• 特征： • 1.连续流入，连续流出； • 2.反应器内各点反应物浓度相同，且
Cn 0.01,n 2,k 0.92 C0
反应器基础知识课件(原创)
主 要 内 容
概述 反应器的种类 反应器的一般结构及优缺点 反应器的操作条件 反应器的选型
概述
反应器 用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、 气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、 气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌 桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应 器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外 循环进行换热。 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一 种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样,例如: 冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及 各种燃烧器，都是不同形式的反应器。
釜式反应器
搅拌器 除聚合过程外，还有许多其他化工过程需 要搅拌器。 按工艺过程搅拌器可分为混合、搅动、悬 浮和分散四种。 按型式，搅拌器有推进器式、透平式、浆式、 锚式、螺轴式、螺带式以及有刮壁作用的搅拌 器。前三种适用于高速搅拌低粘稠流体，后几 种适用于低速搅拌高粘稠流体。
釜式反应器
传热装置 聚合反应往往严格控制聚合温度， 要求反应物料纯净不被污染，加之粘度 高易结垢，要求传热装置传热效率要高， 结构要简单，避免有容易挂胶的粗糙表 面和导致结垢的死角，并便于清洗。
釜式反应器的高径比为1-2，在石化行业 中，除用于液相均相、液相非均相或气 相反应外，主要用于聚合反应，即将小 分子变为大分子，使反应物具有可塑、 成纤、成膜、高弹等特性。很多釜内含 有搅拌器和换热装置。大部分反应釜由 釜体、搅拌器、减速器、密封装置、换 热装置和挡板组成。
釜式反应器
釜体 釜体是一个压力容器，其内壁有的 要求镜面，有的无此要求。
塔式反应器
气升式鼓泡塔 气升式鼓泡塔塔内装有一根或几根气升管， 气体从下部的气体分布器进入气升管。在气升 管中，气液混合物密度比环形空间中的液体密 度小得多，引起液体在环形空间和气升管内做 循环流的，故称为气升式鼓泡反应器。苯乙烯 装置中的烃化/烃化转移反应器就是这种结构。
第一章_反应器基本理论1
三、理想反应器
间歇反应器 连续流动反应器 全混流反应器
(a)
平推流反应器 返混极大
(b)
(c)
三、理想反应器
BSTR
1投料
2年龄
PFR
连续加料(入口)
年龄相同(某处)
CSTR
连续加料(入口)
年龄不同
一次加料(起寿命相同(中止)
全无返混
寿命相同(出口)
全无返混
寿命不同(出口)
第一章 反应器基本理论
第一节 理想反应器 一、基本的反应器型式 二、连续操作反应器的流动特性——返混 三、理性反应器
一、基本的反应器形式
间歇操作的搅拌釜
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同时，T，n 可以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时 间而变，不随空间位置而变。
3. 温度对反应速率的影响
从阿累尼乌斯方程可看出： 反应速率对温度敏感的程度取决于E的大小
4. 转化率、收率和选择性
转化率 X--针对反应物而言
注意： 1. 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来X 是不一样的 2. 关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相 对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100%
特点
实例
细长型的管式反应 器，当Re数很大时， 接近PFR
连续搅拌釜CSTR
实际生产中 连续操作的 反应器
返混程 度为零
理想反应器
间歇反应釜
Re又为雷诺数（Reynolds number）的数学符号，一种可用来表 征流体流动情况的无量纲数。公式为：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流 体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流 动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。 例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力 f=6πrηv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时， f′=0.2πr2v2而与η无关。 雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位， 流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷 诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流 动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流 状态，Re=2000～4000为过渡状态[2]。在不同的流动状态下，流 体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平 均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小 决定了粘性流体的流动特性。
反应器基础知识
反应器基础知识一、内容概览首先我们要明白，反应器是做什么用的。
简单来说反应器就是一个让化学反应发生的场所，就像我们做饭用的锅一样，只不过这个“锅”里发生的反应可能更复杂、更高级。
第一部分我们会介绍反应器的基本结构和类型，没错不同的反应器有着不同的“长相”和“功能”，它们各有特点，各司其职。
你会了解到反应器有哪些种类，每种类型的反应器适合进行哪些反应。
第二部分我们会谈谈反应器的工作原理，就像我们了解电器的原理一样，了解反应器的原理能让我们更好地使用它。
这部分内容会告诉你，反应器是怎么让化学反应发生的，它的工作过程是怎样的。
第三部分我们会深入探讨反应器在实际应用中的作用，你会发现反应器不仅仅是在实验室里出现，它在工业、环保、科研等领域都有广泛的应用。
我们会举一些实例，让你更直观地了解反应器的应用情况。
我们还会聊聊如何选择和保养反应器，以及在使用过程中需要注意哪些问题。
这样你在使用反应器时就能更加得心应手，避免一些不必要的麻烦。
1. 反应器的定义与重要性当我们谈论化学反应时，反应器是一个我们不可忽视的重要角色。
那么反应器究竟是什么呢？简单来说反应器就是一个让化学反应发生的地方，它提供了一个环境，让我们可以将不同的化学物质放在一起，通过一定的条件，让它们发生化学反应，从而得到我们想要的产物。
了解了反应器的定义后，我们再来谈谈反应器的重要性。
在我们的日常生活中，许多产品的制造都离不开反应器的帮助。
比如我们常用的塑料、药品、食品等等，都是在反应器中通过化学反应制作出来的。
反应器就像是化学反应的“舞台”，没有它很多化学反应就无法进行，我们的生产生活也会受到很大的影响。
因此反应器在工业生产、科研领域都扮演着非常重要的角色。
2. 反应器在工业生产中的应用概述工业生产离不开反应器的运用，你知道吗反应器就像是工厂里的“魔术盒子”，负责让原料在特定的条件下发生变化，变成我们需要的产品。
无论是制造食品、药品还是化工原料，反应器都扮演着重要的角色。
反应器一(绪论+釜式)
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
釜式反应器的壳体结构包括：
筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
1、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
反应器原理
反应器原理
反应器是一个用于进行化学反应的设备。
它通常由一个密封的容器和一系列的反应物、催化剂、溶剂或助剂组成。
在反应过程中，反应物会发生化学变化，生成新的物质。
反应器的工作原理基于反应物分子之间的相互作用。
当反应物加入反应器中后，它们会与其他反应物分子发生碰撞。
这些碰撞会导致反应物分子之间的化学键断裂和形成，并且在一定能量的作用下，新的化学物质会被生成。
反应器中的反应速率是一个重要的参数。
它通常取决于反应物浓度、温度、反应物质性质和反应的压力等因素。
当反应速率较高时，反应器需要能够有效地调节温度和压力，以避免过高的反应速率导致压力过大或产生副反应。
不同类型的反应器根据其结构和功能可分为多种不同的类型。
例如，批处理反应器适用于小型实验室或工业生产中的小规模反应。
连续流动反应器则适用于大规模生产，其反应物会连续地输入和输出。
其他类型的反应器包括循环床反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
在设计反应器时，需要考虑多种因素，如反应物的理化性质、反应速率、传热和传质效果等。
合理的反应器设计可以提高反应效率、减少能源消耗，并确保反应安全进行。
此外，反应器的操作也需要控制温度、压力、搅拌速度和物料进出等参数，以维持反应的稳定性和一致性。
总之，反应器是化学反应的核心设备，通过调控反应物分子之间的相互作用，实现所需的化学转化。
通过合理的反应器设计和操作，可以提高反应效率和产品质量，并确保反应过程的安全性。
反应器基础知识 第一讲
锻焊结构 ： 反应器的筒节经过由锻坯 墩粗、拔长、墩粗、冲孔的锻 造加工过程，筒节上没有纵向 焊缝，这种结构称为锻焊结构 如右图。 这种结构可适用于高温高 压场合，对提高反应器耐周向 应力的可靠性有利，焊后检测 较为容易，一般适用于壁厚大 于150mm的场合，最大厚度 480mm。
板焊结构 ： 反应器的筒节由钢板卷 曲后焊接而成，这种结构称 为板焊结构，如右图。 这种结构也适用于高温 高压场合，但筒节上有纵、 环向焊缝，焊缝多，工作量 大，钢板内特性难以保证， 不如锻件筒节。最大厚度 300mm。
出口收集器 用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层 的压降和改善反应物料的分配。
加氢反应器结构上的改进
（1）催化剂支承结构
（2）法兰密封结构
（3）反应器支承结构
（4）反应器裙座连接结构
（5）反应器外部附件 连接结构 保温支撑圈多采用 现在流行的不直接 焊于反应器外部而 是披挂其上的鼠笼 式结构。当附件非 与反应器壁相焊不 可时，应尽量使其 焊透。
制造加氢反应器的常用材料 制造加氢反应器的常用材料一般为Cr-Mo钢系， 因为这些钢材既具有优良的抗高温氢腐蚀性能， 又有良好的短时和长时高温力学性能。根据不同 的温度和压力，一般都选用 1Cr-0.5Mo； 1.25Cr-0.5Mo； 2.25Cr-1Mo； 2.25Cr-1Mo 0.25V； 3Cr-1Mo 0.25V；
要防止回火脆性破坏现象的出现，就要从 以下几点考虑：
1、尽量减少钢中P、Sb、Sn、As等杂质元素的含量； 2、采用真空碳脱氧（VCD）的冶炼工艺，将Si的含量降低； 3、对回火脆化敏感性系数（J系数和X系数）推荐按下面的值控 制： J系数 =（Si + Mn）（P + Sn）×104 ≤100% (仅用于母材 X系数 =（10P + 5Sb + 4Sn + As）×10-2 ≤ 15×10-6 ； 4、控制脆化处理后的韧性指标； 5、制造中应选择合适的热处理工艺，使钢材既能满足规定的力 学要求，又具有优越的抗回火脆性性能这一综合指标； 6、采用热态的开停工方案，开工时先升温、后升压，停工时先 降压、后降温； 7、采用合适的开停工升降温速度，建议温度小于150℃时，升 温速度不超过25℃/h为宜。
化学反应工程(第二版)第1章
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。 • 对于任一化学反应 aA bB rR sS 0
nI nI0
• 定义反应程度 • 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I 的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始17 时刻组分I的摩尔数。
I
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度的 度量。 • ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩尔数 与反应程度的关系为：
nI nI0 I
18
转化率
• 目前普遍使用关键(着眼)组分A的转化率 来描述一个化学反应进行的程度。 • 定义
xA 转化了的A组分量 A组分的起始量 nA0 nA nA0
19
组分A的选取原则
• A必须是反应物，它在原料中的量按照化学 计量方程计算应当可以完全反应掉（与化 学平衡无关），即转化率的最大值应当可 以达到100%，如果体系中有多于一个组份 满足上述要求，通常选取重点关注的、经 济价值相对高的组分定义转化率。
的独立变量数也就是
i= 1
反应体系的关键组分数。因为每个独立反应均可选定一个关键组分，所以关键组 分数和独立反应数相等，均为n- R b 。
14
CO2 H2O H2 CH4 CO N2
H C O N
H2 CO2 H2O N2 CH4
CO
15
ˊ ˊ
H2 CO2 H2O N2 CH4 CO
N
O
16
H C
骣 4 ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 桫 - 5 2 5 - 1 1 - 2 4 - 4 - 10 - 2 - 2 0 6 0 0 0 0 0 0 2 5 0 1 - 1 0÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 2÷ ÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 2÷
反应器基本原理1
c A0 1.00 [km ol/ m ]
3
c A0 (1 x A ) 0.100 [km ol/ m3 ]
则
d 2c A dcA dx2 dx o.23c A 0 c A x 0 1.00 c A x L 0.100
V FV 0
在连续搅拌釜中，若利用分布函数直接积分或解
析的方法， x A 关系是个代数式，由式（4-13）或式
（4-31）可以求一定 时的 x A ，也可以由一定的 x A 求 所需要的 ；若利用图解法求，则在rA－cA0xA图（图
n 4-31）上由出口的cA0xA做垂线，交 rA kccA 线于一点，
x
(a) (b) (c )
设 cA AcA0e ，代入式（a）可得： 2 0.23 0
1 1.20
(c A )1 Ae1.20 x ;
2 0.20
(c A ) 2 Ae 0.20 x (d )
由式（b）、（d）可知，A = 1.00，而且(cA)1没有意 义，所以：
由（c）、（e）可知
(e)
(cA )出口 e0.62 0.54 [km ol/ m3 ] 1 0.54 转化率 46% 1
反应器体积的计算
式（ 4-2a ）既可以由管长求出口的反应物浓度，
反过来也可以由出口浓度求所需管长。因为出口浓度
与转化率有关，又因为：
V L t FV 0 u
N 1
（N
均转化率 x A 应为：
x A x( ) E( )d （4-13）
0
如前所述，这种方法不能用于物料已分散到分子 水平的非一级反应。
第1章 思考题、习题
第一章反应器基本理论一、思考题1、为什么说间歇釜是药厂最常见的反应设备？2、间歇反应釜的操作特点是什么？3、管式反应器的操作特点是什么？4、连续反应釜的操作特点是什么？5、在停留时间分布中，年龄分布与寿命分布的区别？6、产生返混的原因是什么？7、返混对化学反应的影响？8、理想反应器有哪几种？9、均相反应速度及其表达式？10、间歇釜式反应器的基础设计式？11、为什么利用小试实验数据，可以进行反应釜的放大设计？12、反应器的有效容积V R由哪二部分组成的？13、平推流反应器的基础设计式？14、利用间歇反应器中的数据，能否进行管式反应器的设计与放大？15、全混釜的基础设计式？16、多釜串联反应器的浓度变化折线图？17、多釜串联反应器的基础设计式？18、在简单反应中，反应器型式选择的几条常用原则？19、在平行反应中，反应器的型式和操作方式的选择依据是什么？20、在连串反应中，反应器的型式和操作方式的选择依据是什么？21、停留时间分布密度函数与分布函数的区别与关系？22、平均停留时间和方差的计算？23、无因次时间表示的停留时间分布及其与停留时间分布的关系？24、脉冲法测定停留时间分布的基本原理？25、阶跃法测定停留时间分布的基本原理？26、在平推流模型中，E(τ)和F(τ)的特征如何？27、在全混流模型中，当阶跃法进料量，E(τ)和F(τ)的特征如何？28、如何采用多釜串联模型来判断实际的流动状态？二、习题1．试证明：在间歇釜中进行一级反应，转化率为99.9％所需的反应时间是转化率为50％时所需反应时间的10倍。
2．在间歇釜中以硫酸作催化剂、使己二酸与己二醇以等摩尔比、在70℃下进行缩聚反应，动力学方程式为(-r A ) = k · C A2其中：k =1.97 L / (kmol · min)，C A0 = 0.004 kmol / L。
求己二酸的转化率为0.5、0.6、0.8及0.9时所需的反应时间分别为多少？若每天处理己二酸2400 Kg，转化率为80％，每批操作的辅助时间为l h，装料系数加0.75，求反应器的容积为多少？答：126.9、190.4、507.6、1142.1 min；2157 L3．用醋酸和丁醇生产醋酸丁酯，反应式为OCH3COOH + C4H9OH CH3COOC4H9 + H2已知其动力学方程式为(-r A ) = k · C A2，式中C A为醋酸的浓度，kmol / L，k =17.4 L／(kmol · min)；反应物料配比为HAc:C4H9OH＝1:4.97 (摩尔比)，反应前后物料的密度为0.75kg / L，醋酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为60、74和l16。
反应器基础知识 第一讲共51页文档
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在ห้องสมุดไป่ตู้群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
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❖流体粒子（微元）在时间顺序上的混合——返混
连续操作反 应器特有的
现象
返混=0 返混=∞
在连续操作的反应器中， 返混的程度越大，显著地降低 了反应物的浓度。一般来说，返混对反应来说是一个不 利的因素，它影响反应器的生产能力。
2.返混与停留时间分布
停留时间分布 RTD（residence time distribution）
第一章 反应器基本理论
第一节 理想反应器 一、基本的反应器型式 二、连续操作反应器的流动特性——返混 三、理性反应器
一、基本的反应器形式
间歇操作的搅拌釜
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同时，T，n 可以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时 间而变，不随空间位置而变。
按混合对象的年龄来分：
年龄——物料在反应器中已经停留的时间。 寿命——物料在反应器中总共停留的时间
对仍留在反 应器中的物
料而言
对已经离开 反应器的物
料而言
（1）相同年龄物料之间的混合——同龄混合
例如：间歇反应过程中搅拌引起的混合
（1）不同年龄物料之间的混合——返混
具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。所谓逆向， 是指时间顺序上的颠倒，比如先进入反应器的物料的粒子后流出反应器， 而后进入反应器的物料的粒子却先流出反应器。 例如：连续流动的釜式 反应器
自催化反应 复杂反应
可控制在最佳浓度下操作
反应物浓度高有利于副 反应进行时
有利！
返混对连串副反应是有利还是不利的因素？
5. 各种不同反应器中时间的概念 （1）平均停留时间
物料流过反应器所需要的时间
连续反应器中 的液相反应
反应器的有效容积
物料的体积流量
反应器几何容 积中，用于反 应的体积。
反应器内（T、P） 下的体积流量
雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，
流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷
诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流
动状态，一般管道雷诺数Re<2000为层流状态，Re>4000为紊流
二、连续操作反应器的流动特性---返混
1.混合现象的分类
❖流体粒子（微元）在空间顺序上的混合——空混
流体在反应器内流动，不论其因何种原因而产生的流体粒子在反 应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空 间混合，简称空混。
空混=0 空混=∞
空混越大，传质越快，传热越好，各位置的 浓度、温度的差异就越小，导致反应器内浓 度、温度的均匀。
优点 缺点
装置简单、操作方便、灵活、适应性强，应用广
设备利用率不高，劳动强度大，不易自动控制，产品质 量不稳定
连续操作管式反应器
Piston Flow Reactor (PFR)
特点：一端加入反应物，一端引出，n，v沿流动方向 逐渐降低，定常态时，各参数不变
优点：设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易 于控制，适合于大规模生产
在连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出， 有的则经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分 布。
改变反应器的浓度分布 返混的两个孪生现象
造成物料的RTD
返混
？ 停留时间分布
不存在一一对应关系！ 相同的RTD可以有不同的返混情况
停留时间分布有两种
年龄分布
寿命分布
对象
（2）空间时间 简称空时， 用 表示
意义：处理一个VR的物料所需要的时间。 （3）空间速度 简称空速
Sv=1/ =v/VR=入口体积流量/反应器有效体积
意义：单位反应体积、单位反应时间内所处理的物料量
小结：从 、Sv的意义可知道，它们均表示连续 反应器的生产能力。 小，Sv大，生产能力大， 两者均表示入口状态下反应器的生产能力，一般 用于描述连续反应器中的气相反应。
反应器内的物料
反应器的出口物料
描述
从进入反应器的瞬间开始算 年龄，到所考虑的瞬间为止， 不同年龄的物料粒子混在一
起，形成一定的分布。
从进入反应器的瞬间开始算寿命， 到离开反应器瞬间为止，反应器 的出口物料中不同寿命的物料粒 子混在一起，形成一定的分布。
关系 两者存在一定的关系，可换算，一般通过实验测定寿命分布。
返混程度最大
物料一进入反应器就均匀 分散在整个反应器内，物 料在反应器内的停留时间 有长有短，最为分散。
连续搅拌釜CSTR
部分返混
非 理 想 流 动
实际生产中 连续操作的 反应器
理想反应器
为雷诺数（Reynolds number）的数学符号，一种可用来表 征流体流动情况的无量纲数。公式为：Re=ρvd/η，其中v、ρ、η 分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度。例如流 体流过圆形管道，则d为管道直径。利用雷诺数可区分流体的流 动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。 例如，对于小球在流体中的流动，当Re比“1”小得多时，其阻力 f=6πrηv（称为斯托克斯公式），当Re比“1”大得多时， f′=0.2πr2v2而与η无关。
（4）反应时间 t
反应持续的时间，指反应物料达到所要求的 转化率所需持续的时间，用于描述间歇反应。
三、理想反应器 平推流
全混流
中间流
返混 程度 特点
实例
不存在返混
流体通过细长管道时，与流 动方向成垂直的截面上，各 粒子的流速完全相同，就像 活塞平推过去一样，粒子在 轴向没有混合、扩散。
细长型的管式反应 器，当Re数很大时， 接近PFR
连续操作搅拌釜
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
特点：强烈搅拌，反应器内各点T，n相同，物料 随进随出，出口物料n与釜内反应物相同
优点：反应物的浓度、温度及v（速率）保持恒定不变，对 自催化反应有利 缺点：釜内n很低，v很慢，达到同样的P，需要的VR(反应容 积)较大、时间较长
3. 返混产生的原因
涡流与扰动 死角
速度分布
沟流、填料 或催化剂装 填不均匀
短路
4.返混对化学反应的影响
1) 总的来说，使产品的收率、质量降低。 2) 返混使反应物的浓度降低。
冲稀的 作用
3) 返混使系统中的温度分布和浓度分布趋于平坦，对 要求有较大温度差或浓度差的场合不利。
？ 思考 返混对化学反应一定是不利的吗？