第三章 均相反应器的设计PPT课件
反应工程课件 第三章_均相反应过程4
c 在298K~T范围内，近似计算时，可取平均热容， pi
C p
ni C pi
product
n Ci pi reactant
i
i
原料A
产物P
H r H 0r,298
T
298 C pdT
T
Hr
HR 原料在降温过程中的焓变。 HP 产品在升温过程中的焓变。
HR
HP
H 0r
298
298
3.3.4 循环反应器
xA1 1 xA2
VR FA10
xA2 xA1
dxA (rA )
FA0 (1
)
xA2
dxA
1
xA2
(rA )
v0cA0 (1 )
xA2
1 xA2
dxA (rA )
3.3.4 循环反应器——讨论
(1) 0,
VR FA0
xA2 dxA , 0 (rA )
定义：反应过程中某一反应组分连续地缓慢 加入反应器，或某一反应物连续不断地从反 应器内排出，而其他反应组分或反应产物则 象分批式操作那样是一次投入或一次从反应 器内排出。
vt V0
半连续(间歇)操作的目的： • 控制反应器内温度； • 抑制某一副反应的反应速率以期改善反应的产物分布； • 提高某些可逆反应的产品收率，不断移走反应产物。
3.3.6 半连续操作的釜式反应器(变体积)
以二级不可逆反应为例：
vt
A+B R (A是流加组份)
V0
( -rA) = k’cAcB k’ cB0cA=kcA 求cA(t)，cR(t)
拟一级不可逆反应
3.3.6 半连续操作的釜式反应器(变体积)
A的加料速率（体积/小时），假定是恒定的。
《化学反应工程》陈甘棠编著课件《均相反应器》ppt
A
VCR=vCA0t-VCA
化
学
工
程
系
半连续操作的釜式反应器
CA / CA0
C / CA0
CR / CA0
化
学
工
程
系
3.6 反应器非等温过程分析
•基本概念和原理
•非等温反应器设计
•全混流反应器的热稳定性分析
化
学
工
程
系
一、基本概念和原理 反应热ΔHr，J/mol。吸热为正，放热为负。
Hr2 Hr1 cp dT
化
学
工
程
系
3.3 理想连续搅拌釜式反应器——全混流反应器
一、特点 1. 反应器内各空间位置 温度、浓度均一。 2. 返混无穷大 3.反应器内浓度、温度 与出口处浓度、温度 相同。
CA0 FA0 v0 T0 CA F A v Tout VR T=Tout G Ci=Ci，out T m， in G
T m，out
0
0
rAV R
dn A dt
即： rAV R
dnA dt
化
学
工
程
系
积分得(1)：t n A0
xA
0
dx A rAVR
※间歇反应器的 设计方程※（1）
恒容时： t CA0
xAf
xA 0
dxA rA
对于间歇系统达到一定转化率所需时间取决于 反应速率，而与反应器体积大小无关；反应器 的大小由处理量决定。
当各釜容积相同且在相同的温度下操作时
C AN 1 C A0 (1 k i ) N
单釜空时，V=NVi=Nv0i
化
学
工
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
第三章 釜式及均相管式反应器综述
x Af 0 CA dxA dCA C A0 rA rA
等容过程，液相反应
图解积分示意图
t C A0
x Af
0
CA dxA dCA C A0 rA rA
[rA]-1
[rA]-1
t/cA0 xA0 xAf x CA0
t CAf CA
二、间歇反应器的数学描述
Standardised stirred tank reactor sizes
标准尺寸( according to DIN)
反应釜规格 总容积 夹套容积 换热面积 400 L L m2 d1 h1 主要尺寸 (mm) d2 h2 533 120 2.5 800 1000 900 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 6300 8230 677 15.6 2000 2500 2100 3050
4.155m / h
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙 醇和水的起始浓度为
CB 0 3.908 60 2 10.2(mol / L) 46
3.908 60 1.35 CS 0 17.59(mol / L) 18
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
第三章 釜式及均相管式反应器
第一节 第二节 间歇釜式反应器 连续流动均相管式反应器
第一节 间歇反应器
一、釜式反应器的特征
（1）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；
第三章釜式及均相管式反应器PPT优秀课件
形成轴向循环流动，
螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合
6.5.2 Measures of improving effects
1.打旋现象及其消除
危害:
ü各层液体之间几乎 不发生轴向混合，
ü当物料为多相体系时， 还会发生分层或分离现象。
ü搅拌效率下降
单个全混流反应器ab同时加入维持a在较低的转化率下进行而后a从出口物料中分离返回反应器平行反应的适宜操作方式98二连串反应连串反应是指反应主产物能进一步反应生成其他副产物的过程许多卤化水解反应都属连串反于等温间歇反应器中进行连串一级不可逆液相反应进料中只有组分a并且各反应组分的化学计量数均相等99相应各组分的反应速率为反应开始时a的浓度为ca0m00积分代入式2可得此式为一阶线性常微分方程其解为则100组分a的浓度单调下降副产物m的浓度单调上升而主产物l的浓度先升后降其间存在最大值
Features and Applications:
(a) 平桨
切向和径向运动
可用于简单的 固液悬浮
(b) 斜桨
桨叶可分成24°、45° 或60°倾角 轴向和径向运动
单层桨式的缺点：轴向流动范围小
2.Major Diameter and Low Speed Agitators
(c) Majority Inclined
在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较 难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短 反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义 配料比 mcBo/cAo，于是，等容液相反应过程中组分的 浓度 c B c B 0 ( c A 0 c A ) c A ( m 1 ) c A 0 代入动力学方程
只要已知反应动力学方程或反应速率与组分A浓度 cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最 基本、最直接的方法是数值积分或图解法。
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。
化学反应工程-第3章 均相反应器 课件-259页精选文档
第3章均相反应过程第一讲雷泽zelei@home.ipe.ac本章要求：• 掌握均相反应器设计计算的基本原理和方法；• 熟悉各种均相反应器的性能特征，并能结合反应的特点选择反应器形式和操作方式。
几种典型简单反应器V, C A0 •分批操作釜式（完全混合）反应器（BR）VBatch Reactor------间歇反应器•半分批操作釜式反应器（SBR）Semibatch Reactor成分A •连续操作平推流反应器（PFR）成分B Plug Flow Reactor•连续操作釜式反应器（CSTR）Continuous Stirred Tank reactorC A V, C A 生成物R第 3 页反应器开发的任务：•根据反应动力学特性来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设计；•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并进行某些经济评价。
3.1 物料在反应器内的流动模型•流动模型为研究反应器内流体的实际流动型态，在不改变其实际性质的前提下，对流体流经反应器时的实际流动和混合状况的本质规律加以适当的理想化的描述。
这种适当理想化的流动形态称为流动模型。
第 5 页理想置换理想流动模型理想混合（本节讨论）流动模型非理想流动模型轴向分散模型多级串联模型3.1.1 平推流模型（或活塞流、或理想置换）•反应物料按一定的流率定态操作条件下进入反应器，并且以一致的方向向前移动，在整个截面上各处的流速完全相等。
T、c、p、u相等•特征：流体所有粒子在反应器中的停留时间相同，并且等于流体通过该反应器所需的时间。
管式反应器中流体的流动型式基本上是理想置换。
第 7 页3.1.2 全混流模型（理想混合、完全混合）•流体以定态流率进入反应器后，刚进入反应器的新鲜物料粒子与存留在反应器中的粒子能在瞬间发生完全混合（新旧混合时间t=0）。
•基本特征：T,CT,C 整个反应器中1.釜内各点的T、C都相同；2.釜内各点的T、C= 出口处的物料的T、C。
反应工程课件 第三章_均相反应过程3
进口流
V 40L V 20L
V 40L V 20L
支 线A 支 线B
出口流
解：如上图所示，对于支线A，其反应器总体积为：
VA=40L+40L=80L 对于支线B，两个串联的反应器总体积为：
VB=20L+20L=40L 为使两支线上转化率相同，应有VA/FA=VB/FB，
FA/FB=VA/VB =80/40=2 所以，总进料流中进入支线A的分率为2/3。
3.3.2 具有相同或不同体积的N个CSTR串联
cA1
cA0
V1
cA0 cA1 cA3
cAf
cAi Vi
图 多级CSTR浓度分布图
cAN VN
反应器轴向长度
3.3.2 具有相同或不同体积的N个CSTR串联
对串联反应器中第i 釜反应物组分A作物料恒算：
流入量 = 流出量 + 反应量 +累积量
vicAi-1=FAi-1 vicAi=FAi (-rA)iVi
cA,i1 cA,i
ki
c
n A,i
用图解法求各釜的出口浓度
参考42页 图3-9
cA，i-1 cA0
cA,i1 cA,i ikicAn,i
cA，i-1~ cAi
45º对角线
cA1
cA2 cA1
cA3
cAi
图 天多道级酬CS勤TR串联的图解计算法11
3.3.2 具有相同或不同体积的N个CSTR串联
（2） 图解法
i
Vi
cA,i1 cA,i rA,i
cA,i1 cA,i
ki
c
n A,i
对动力学数据仅是表格或曲线表示时，可用图解法求。
(-rA)
第三章-均相理想反应器(1)PPT课件
5
•4.空间时间（空时）τ－－反应器有效体积
VR和反应流体入口条件下体积流率V0之比。
VR
V0
•5.空间速度（空速）Sv[时间－1]－－单位时 间内投入到反应器中的物料的体积流量与反
应器有效容积之比。
Sv
VO VR
标准空速
Sv
V ON VR
6
•6 空时与反应时间和平均停留时间的区别 •（1）空时与反应时间： •空时用于连续流动反应器，反映生产强 度的大小； •反应时间用于间歇反应器，反映化学反 应进行快慢的量度，并不反映反应器的生 产强度。
14
• 按物料在反应器内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。
• 按返混情况不同反应器被分为以下四种 类型
15
间歇反应器
• 间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称 间歇反应器）。在反应器中物料被充分 混合，但由于所有物料均为同一时间进 入的，物料之间的混合过程属于简单混 合，不存在返混。
16
平推流反应器
• 理想置换反应器（又称平推流反应器或 活塞流反应器）。在连续流动的反应器 内物料允许作径向混合（属于简单混合 ）但不存在轴向混合（即无返混）。典 型例子是物料在管内流速较快的管式反 应器。
17
全混流反应器
• 连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称 全混流反应器）。在这类反应器中物料 返混达最大值。
• 例1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己 二 醇 以 等 摩 尔 比 在 70℃ 用 间 歇 釜 并 以 H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的， 实验测得反应动力学方程为：
(rA )
kc
2 A
k 1.97 103
kmol m 3min1
第三章 均相反应器的设计PPT课件
作，起反应速率方程如下：
r A k 1 c A c B c R c S/K
100 0C时，k1=4 .76×10-4L/(mol·min)，平衡常数 K=2.92。试计算 乙酸转化35%时所需的反应体积。
25
3.3 连续釜式反应器 CSTR
r A k 1 c A c B c R c S/K
8
3.2 间歇反应器
二、物料衡算和能量衡算方程
控制体 整个反应器体积 非定态操作 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 可忽略压力变化（常用于液相反应） 描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。
9
3.2 间歇反应器
三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
A+B→C+D
单 位 时 间 流 入 单 位 时 间 内 单 位 时 间 内 A 在 反 应 器 内 的 物 料 A 的 量 - 流 出 的 A 的 量 - 反 应 掉 A 的 量 = 的 积 累 速 度
间歇反应器的设计步骤：
1 列与反应相同个数的设计方程， 且方程中至少包括每步反应的一 个组分；
2 根据反应条件，确定定解条件；
3 解方程（组），求出反应时间；
4 Vr = Q0 (t+t0 )
5 V = Vr / f
装料系数，常在 0.4~0.85，对于沸 腾或易发泡液体 反应物料取 0.4~0.6；对一般 液体物料，取 0.7~0.85
代入速率方程，整理后 得
rAk1a bAx cA 2 xcA 02cA 0d dAx t
其 a c B 0 / c A 0 ， b 中 [ 1 c B 0 / c A 0 c S 0 / c ， A 0 K ] ， c 1 1 / K
第三章 均相等温反应器
（3-1-6）
式中
c A0 (H r ) cV
（3-1-7）
式（3-1-4）与（3-1-6）联立，采用数值法求解，可确定反应所需时间t。
3-2-2 绝热操作
操作方程
d (VcV T ) V (rA )( H r ) dt
dn A dt
（3-1-2）
图3-1-1 间歇反应器示意图
(rA )V
dn A dx n A0 A dt dt
积分
t n A0 t c A0
xA
0
dxA (rA )V
c A dc dxA A c A 0 (r ) (rA ) A
（3-1-3）
恒容时
xA
3-1-3 BR操作的优化分析
（1）以最大平均生产率为优化目标 cV Max YR R 目标函数 t t0 上式求极值得 若一级不可逆反应
dcR c R dt t t0
（3-1-12） （3-1-13）
A + B
R
xA xA,opt
cR cA0 xA
式（3-1-13）可用转化率表示为
0.6 3.18
0.8 8.50
0.9 19.0
讨论：为何反应后期反应时间随转化率增大而急剧增加？
（2）计算反应器体积 V 辅助操作时间 t0 操作周期 t + t0 生产能力 V0 进料、出料、清洗等操作需要的时间。 处理一批物料所需总时间。
单位时间处理反应物料的体积。
V0
WA 2400 171L / h 24M Ac A0 24146 0.004
2. 热量衡算通式（操作方程） 依据：能量守恒定律。 基准：单位时间。 方程： Ⅰ = Ⅱ＋Ⅲ ＋ Ⅳ ＋ Ⅴ (B)
均相反应过程[精品ppt课件]
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3.1 概述
1.间歇反应器 物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分
批进行的。物料在反应器内的温度和浓度是均一的。温度与温度
都是均一的处处相等。
2019年3月31日4时1分
2
流动反应器 反 2. 物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 应 工 物料在反应器内的流动过程不同。有的物料正常的通过反 程 应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近
第 三 章 均 相 反 应 过 程 路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。停留时间不 同的流体颗粒之间的混合，称为“返混”将导致反应效率
的降低。
在流动反应器中物料的流动过程不相同，造成物料浓度 不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。 我们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。
2019年3月31日4时1分
xA 0 c A dc dxA A cA0 r rA A
t
dx A nA0 0 V(rA )
xA
rA kc n A (一般式)
(恒容)
c A0
xA
0
c A dc dxA A cA0 r rA A
从而得出反应时间和转化率关系的理想反应的间歇式 反应器性能方程
2019年3月31日4时1分
15
反 应 工 程 第 三 章 均 相 反 应 过 程
反 应 工 程 第 三 章 均 相 反 应 过 程
第3章
均相反应过程
•反应器开发的任务：
（1）选择合适的反应器；
（2）确定操作方式的优化设计； （3）确定反应器尺寸和进行经济评价。
•反应器的特性：
流动状态 混合状态 这些特性因反应器的几何结构及 几何尺寸而异
第三章釜式及均相管式反应器
在连续管式反应器中，在流速较大的湍流状态 时，虽然径向速度分布较均匀，但在边界层中速度 仍然因壁面的阻滞而减慢，使径向和轴向都还存在 一定程度的混合，人们设想了一种理想流动，即认 为物料在反应器内具有严格均匀的径向速度分布， 物料像活塞一样向前流动，反应器内没有返混。这 种流动称为平推流，亦称活塞流，当管式反应器的 管长远大于管径且物系处于湍流状态时接近于平推 流流动，习惯用PFR，即Plug Flow Reactor来表示。
化学工业出版社
三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化 1. 工程放大 由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要 的结论：反应物达到一定的转化率所需的反应时间， 只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反应器 的大小无关；反应器的大小是由反应物料的处理量 决定的。
化学工业出版社
化学工业出版社
对于反应 A R ，若要求产物R的浓度为cR，则 单位操作时间的产品产量PR为 P V c t t 对反应时间求导，dP V [( t t ) dc c ]
R R R 0
R R R
dt
dt 2 (t t0 )
0
R
并可由
dP R dt
化学工业出版社
( rA ) V
图3-2 等温间歇液相反应 过程的参数积分
图3-3等温间液相歇反应过程 反应时间的图解积分
化学工业出版社
1.等温等容液相单一反应
在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆 反应，反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二 级不可逆反应的本征速率方程代入
间歇操作时，反应物料按一定配料比一次加入 反应器中，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清 洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，经过一定 的时间，反应达到规定的转化率后，停止反应并将 物料排出反应器，完成一个生产周期。 反应器内液相均相和气-液相反应的物料浓度处处 相等。 反应器内具有足够强的传热条件，无需考虑反应物 料内的热量传递问题。 反应器内物料同时开始和停止反应，所有物料具有 相同的反应时间。
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。
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3.2 间歇釜式反应器
间歇反应器的设计参数： （1）反应时间t； （2）反应体积 Vr
反应体积Vr 有反应发生的空间体积
反应器体积V
反应体积+预留空间体积
7
3.2 间歇釜式反应器
一、特点
分批装料、卸料
适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医 药、试剂、助剂等生产。
操作时间=反应时间+辅助时间（装料+卸料+清洗） 反应器内浓度及温度处处相等
代入速率方程，整理后 得
rAk1a bAx cA 2 xcA 02cA 0d dAx t
其 a c B 0 / c A 0 ， b 中 [ 1 c B 0 / c A 0 c S 0 / c ， A 0 K ] ， c 1 1 / K
0
0
-rA V
rAV
dnA
dt
dnA0 1xA
dt
nA0
dxA dt
d nA
dt
nA
dxA
rA
dt
nA
xA dxA 0 V rA
t
dt 0
衡容过程
t cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA r cA0 A
10
3.2 间歇反应器
t cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA r cA0 A
反应物料的体积
反应体积： VrQ 0tt0
t0为辅助时间（经验）
12
3.2 间歇反应器
例题：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，其化学反应是为
原料中反应组分的质量比为A:B:S:=1:2:1.35，反应液的密度为
1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗
8
3.2 间歇反应器
二、物料衡算和能量衡算方程
控制体 整个反应器体积 非定态操作 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 可忽略压力变化（常用于液相反应） 描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。
9
3.2 间歇反应器
三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
A+B→C+D
单 位 时 间 流 入 单 位 时 间 内 单 位 时 间 内 A 在 反 应 器 内 的 物 料 A 的 量 - 流 出 的 A 的 量 - 反 应 掉 A 的 量 = 的 积 累 速 度
VrQ 0tt0
13
3.2 间歇反应器
解： 每小时的 : 1 乙 20 酸 00 1 用 .6 2k 3 量 mol/h
8 82 40.35
原料液中各 知 4物 .3， k5原 g 质料 的液 1 比 k乙 g中 例 酸 含，由此 间可 的
原料:液量
Q 01.2 6 1 3 60 0 4 .3 2q5 0 4 .1m 53/5 h
11
3.2 间歇反应器
III 二级不可逆反应
kt 1 1 cA cA0
cA
cA0 1 cA0kt
xA
cA0k t 1cA0k t
III n级不可逆反应
ktn11(cA1ncA01n)
cA 1nk(n t1)cA 01n
(1xA )1 n 1(n 1 )cA 0n 1 kt Q0为单位时间内处理的
第三章 均相反应器设计
1
3.1 概述
一、反应器设计的基本内容
最终目标： 经济效益最大（应该包括整个过程） 反应器设计的基本内容： 1、选择合适的反应器类型 2、确定最佳操作条件 3、计算完成规定的生产任务所需的反应器体积
2
3.1 概述
二、反应器设计的基本方程
物料衡算式（描述浓度变化）
关 键 组 分 i 关 键 组 分 i 关 键 组 分 i 关 键 组 分 i 的 输 入 速 率 = 的 输 出 速 率 的 转 化 速 率 的 累 积 速 率
能量衡算式（描述温度变化）
单 位 时 间 内 单 位 时 间 内 单 位 时 间 单 位 时 间 内 输 入 的 热 量 = 输 出 的 热 量 的 反 应 热 累 积 的 热 量
动量衡算式（描述压力变化）
输 入 的 输 出 的 消 耗 的 累 积 的
动 量 = 动 量 动 量 动 量
原料液的起始组成为
cA0
16.23mol/L 4.155
cB0
3.90860210.2mol/L 46
cS03.90 1688 01.35 17.5m 9 ol/L 用A的转化率表示各物质浓 的度
cAcA0(1xA) cBcB0cA0xA cR cA0xA cScS0cA0xA
14
3.2 间歇反应器
I 零级不可逆反应
(rA)k
t cA dcA
cA0
k
ktcA0cA
k tcA 01xA
cA cA0kt
xA(cA0cA)/t
II 一级不可逆反应
(rA)kcA
t cA dcA
k c c A0
A
kt ln cA0 cA
k tln 1xA
cA cA0ekt xA 1ek t
一级不可逆反应，反应时间与反应物料起始浓度无关
等辅助时间为1h。反应在100 0C下等温操作，起反应速率方程如
下：
r A k 1 c A c B c R c S/K
100 0C时，k1=4 .76×10-4L/(mol·min)，平衡常数 K=2.92。试计算 乙酸转化35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应 器填充系数取0.75，则反应器的实际体积是多少？
远小于反应时间。
实现途径：
1、机械搅拌 2、湍流脉动 3、分子扩散
考察一个反应过程是否为均相反应 过程，不应仅仅着眼于反应物系的 相态，更重要的是考察微元尺度的 传递过程是否会影响反应效果。
5
3.1 概述
四、理想反应器的主要类型
间歇釜式反应器（分批加料） Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 连续釜式反应器（连续加料） Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 理想管式反应器（连续加料） Plug Flow Reactor (PFR)
3
3.1 概述
动力学方程式：描述反应的变化情况
rAV dA ndtkcAcB
如果反应器内各处浓度均一，恒算的控制体可选 择整个反应器；如果反应区内存在两个或两个以 上相态，反应体积内各处的反应物组成未必相同， 这时只能选择微元体积作为控制体。
4
3.1 概述
三、均相反应系统
均相反应器的特征： 物料在反应器内已达到分子尺度的均匀，混合时间