第三章 反应器设计讲述
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的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器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
第三章-釜式反应器
3.1釜式反应器的物料衡算式
根据总的物料衡算式，则有：
写成 其中
M
i ijrj j 1
3.1釜式反应器的物料衡算式
连续釜式反应器
累积速率
代 数 方 程
间歇釜式反应器
微 分 方 程
3.2等温间歇釜式反应器的计算
特点
反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响 反应器内温度处处相等，可排除传热的影响 物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间
例3.1 酯化反应, 原料配比A:B:S=1:2:1.35, XAf=0.35, 密度1020kg/m3,辅助时间t0=1hr,装填 系数f=0.75,产量12000kg/Day, 求反应体积?
解: 原料处理量
FA0
12000 24M R xAf
12000 16.23 kmolA
2488 0.35
A
CA0
n=1
rA kC A
C A C A0e kt 或
kt
ln
CA0 CA
x A 1 e kt
n=2
rA
kC
2 A
CA
C A0 1 C A0kt
或
kt 1 1
xA
C A0kt 1 C A0kt
C A C A0
速率常数k值的提高将导致相应反应时间减少 即提高反应温度将使反应速率增加
Q 0.5cA2kmol /(m3 h)
反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物 为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。 解：由题知
A p 2Q 2cA 20.5cA2 2cA cA2
将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式 可有
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。
第三章 反应器设计讲述
dxA rA VR
设计计算过程
（间歇反应器）
• 对于给定的生产任务，即单位时间处理的 原料量FA[kmol.h-1]以及原料组成 CA0[kmol.m-3]、达到的产品要求xAf及辅助 生产时间t’、动力学方程等，均作为给定的 条件，设计计算出间歇反应器的体积。
• • • • •
①由式 tr cA0 0 计算反应时间tr； ②处理一批料所需时间tt； tt=tr+t’ t’为辅助生产时间 ③每批投放物料总量F’A； F’A=FAtt ④反应器有效容积V’R；
反应器设计
给定生产任务（处理量） 原料浓度 动力学参数 达到的产品要求xAf
设计？
化学反应器设计基础
• 物料衡算方程 物料衡算所针对的具体体系 称体积元。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。在这个体 积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。 在满足这个条件的前提下尽可能使这个体 积元体积更大。在这个体积元中对关键组 分A进行物料衡算。
dnA 0 0 rA VR dt
mol s
1
• 整理得
dnA 0 0 rA VR dt
rA VR nA 0 dxA
dt
tr xA
mol s
mol s 1
1
• 当进口转化率为0时，分离变量并积分得
t r dt nA0
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。
•搅拌釜式反应器
C A0
v0
C A1
V1
C A1
v
•循环反应器 •环流反应器
rA,1
平推流反应器
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)
第三章 理想反应器
A2 =
0.92 × 2.3 × (1 − 0.7) × 22.2 × 51047 2 1799.2(110 − 50) =6.65 m
3.1-3 分批式操作的优化分析 用两种目标进行优化: 1.着眼于反应器的平均生产速率 Y R 为最大的优化
YR =
C RV t + t0
kmol h
38
化学反应工程课程讲稿
t opt 。
x A = 1 − exp[− kt ]
微分得
dx A = k exp[− kt ] dt xA = k exp[− kt ] t + t0
或
x A = (t + t 0 )k exp[− kt ] 1 − exp(− kt ) = (t + t 0 )k exp(− kt )
用试差法解满足 Y R 为最大的
d (C AV ) dt
v 为 A 的加料速度，假定恒定，反应流体容积:
dV =v 且 dt
40
化学反应工程课程讲稿
得 VC
A
= Ie − kt +
vC A0 k
t=0，VC A =0 代入上式积分常数 I= − vC A0 /k
vC A0 (1 − e − kt ) VC A = k
CA v[1 − exp(− kt )] 1 − exp(− kt ) = = C A0 k (v0 + vt ) ⎡V ⎤ k ⎢ + t⎥ ⎣v ⎦
(ii)计算 Y R 最大的反应时间 计算所得 x A − t 标绘， t= − 1.0 的 点对 x A −t 曲线作切线， 该切点 x A 和 t 即为
x Aopt 和 t opt 。 t opt =1.6h
第三章 管式反应器
第一节 管式反应器的设计模型
3.1.1 管式反应器的基本特征 1．流动模型（平推流模型） 指任一瞬间进入反应器的物料都在垂直于流向的一个平面内，沿着流向 平行地向前推移，犹如汽缸中的活塞运动一样。该流型的基本特征。 （1）在反应器内流动的物料不发生任何返混（返混、不是一般意义上的 混合，指在反应器中具有不同停留时间的物料间的混合，是连续流动反应 器特有的一种传递现象，在间歇反应器中不存在返混，返混，改变反应器 内浓度分布，反应物浓度下降，产物浓度升高，影响反应器生产能力及产 物的选择性）。 （2）反应器内参数只沿轴向变化。稳定态下，物料参数沿着流体向有相 同的变化序列。 （3）稳态下，器内物料的停留时间相等，且等于平均停留时间。
∫
VR 0
X dVR dxA =∫ 0 (−r ) FA0 A
A
VR = FA 0
∫
xA 0
dx A ( − rA )
根据：在连续反应器的性能方程中，常应用到空时 这一参数 这一参数， 根据：在连续反应器的性能方程中，常应用到空时τ这一参数，规定
τ=
V V0
其定义为在 规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需的时间。式中： 规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需的时间。式中：
式中 k
k
为正逆反应的反应速率常数，αi，βi
则为正逆
反应对反应组分i的反应级数。 反应对反应组分 的反应级数。 的反应级数
2．轴向扩散模型 ． 该模型的基本假定为: 该模型的基本假定为 流体以恒定的流速u通过系统 通过系统； ① 流体以恒定的流速 通过系统； 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一， ② 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一，即径向混合达 到最大； 到最大； 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散， ③ 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散，仅 发 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数Da表示这些因素的综合作用。 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用。 ），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用 （1）物料衡算式 ）
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。
催化反应工程华东理工大学第3章催化反应器设计概论
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的； 降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏 催化剂，反应器
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
３．移热问题 ４．反应速率与活性温度
５．流体分布
还有材质，直径，反应器制造，运输
催化反应工程
一 合成氨工业中的催化反应器
Topsφe s-200型氨合成器 １．看设备图２．各主要部分３．气体流动４．催化剂装卸 ５．热膨胀
高温高压设备 耐温不受压，耐压不受高温
二 炼油工业中的催化反应器
１．催化裂化反应器
催化剂粒度20-100μm的微粒 时间短 2-4秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器 反应器－再生器
l 0, yg ,Tg
“非均相”与“拟均相”模 型
催化反应工程
非均相
考虑气流主体与催化剂颗粒外表面之间的温度差和浓 度差，催化剂颗粒内部浓度差和温度差，传递过程队 反应速率的影响计入模型，则称为非均相模型。
拟均相
采用“活性校正系数COR ”来简化概括催化剂粒内和 催化剂外表面与气相间的热、质传递过程和催化剂失 活等因素对反应速率的影响，即“拟均相”模型。
3 一级不可逆连串反应
A1 E1 A2 E2 A3
T 选择性 T 选择性
催化反应工程
催化反应工程
2. 操作压力
摩尔数减少的反应， P 有利
摩尔数增加的反应， P 可减少压缩功
3. 反应物的初始组成 4. 空速 5. 催化剂的颗粒
ds , , rA ,VR , p
若化学动力学控制，
第三章 生物反应器设计基础
①使反应器具有较好的生物相容性 ②应具有较好的传质性能 ③应具有较好的传热性能 ④安全性能
微生物反应过程的质量和能量衡算
微生物反应过程的质量衡算 微生物反应过程用有正确系数的反应方程式来表达
基质到产物的反应过程非常困难。
碳源 氮源 氧 菌体 有机产物 CO2 H2O
为了表示出微生物反应过程中各物质和各组分之间 的数量关系，最常用的方法是对各元素进行原子衡 算。
n
jiVXi
j 1
Ff S jf
FSj
( j 1,2,.....n. ) （3-2）
产物：
dVPk dt
n
kiVX i FPk
k 1
（3-(k3） 1,2,...... n)
反应液体积：
dV dt
Ff
F
（4-4）
生长速率
平衡生长条件下微生物细胞的生长速率rx的定义式
为
ln 2 rxtd
O2的消耗速率与CO2的生成速率可用来定义好氧培养中微生物生物代谢机 能的重要指标之一的呼吸商(respiratory quotient )，其定义式为：
RQ
CO2生成速率 O2消耗速率
酒精发酵中酵母菌将所产生能量的一部分转化 为 ATP 。 在 标 准 状 态 下 1molATP 加 水 分 解 为 ADP和磷酸的同时，放出31kJ的热量。已知在 酒精发酵或乳酸菌发酵中相对于1mol葡萄糖产 生 2molATP 。 基 于 此 ， 在 酒 精 发 酵 中 有 45% （2×31/136 = 0.46）的能量以ATP的形式储 存起来。
好氧反应中，1mol葡萄糖完全氧化生成38mol 的ATP， 31×38/2871 = 0.41，也就是说41% 的能量以ATP的形式储存起来。乳酸发酵（厌 氧时）的能量效率为（31×2）/2871 = 0.022， 即2.2%。一般厌氧培养中YATP约为10.5g细胞 /molATP，好氧培养中为6～29g细胞/molATP 。
催化反应工程华东理工大学第3章催化反应器设计概论 共26页
1 绝热反应器
N T C p d b b T H R d D K N b T b s T s D R dl
dyD dl
Ab
NT0
rDCOR
dTb HRdyD
dl Cpb dl
l0,yD0,T b T in
催化反应工程
单管逆流反应器
管壳型反应器
ds , ,rA ,V R, p
若化学动力学ds可 控适 制当 ， ，p
催化反应工程
例甲醇气相催化 甲脱 醚 D水 M制 E 二
2 C 3 O H H C 3 2 O H H 2 O
等摩尔反N应 T ， NT0 rmddN W m ,rDr2m
rDd dD N W dN dTyW p A N T0d bd D yl
床层压力降采Er用ga方 n 程
d dp l R 15 m e 01.75 G fd 2s
1 3
Rem
dsG 1
1
催化反应工程
二 基本计算方程
建立模型
物料衡进 算 出 反应 累 量 积 0 0非 稳稳 定定 状状 态态 热量进 衡 出 算 焓 累 变积
催化反应工程
催化反应工程
催化反应工程
催化反应工程
三 基本有机化工中的催化反应器
平行 连串 平行连串反应系统
温度
反应器进口气体组成，操作压力，操作温度， 产量
１．深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的； 降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏 催化剂，反应器
２．平衡常数与温度的关系 若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力
NTCpd b bTHRdN Adb Q a0,db Q a 0 0传热 绝或 热移热
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
第三章 间歇反应器与理想反应器
元中化学反应 的元中积累的热 量
热效应QrkJs1 QbkJs1
Q in Q ou Q t uQ rQ b
动量衡算方程（动量平衡）
对于稳态流动，上述累积量为0.
3.2 间歇反应器 Batch Reactor（BR)
反应物料一次投入反应器内，在 反应过程中不再向反应器内投料， 也不向外排出，待反应达到要求 的转化率后，再全部放出反应物 料。反应器内的物料在搅拌的作 用下其参数（温度及浓度）各处 均一。
第三章 间歇反应器及理想流动反应器
3.1 概述
反应器的操作
间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。
连续操作： 存在流动问题 稳态流动：
稳态流动 非稳态流动
物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和 温度等不随时间而变。
反应器的数学模型： 宏观模型：反应器内的浓度、温度等不随空间位置而变。 微观模型：反应器内的浓度、温度等随空间位置而变。
一定转化率时所经历的时间。计算关键
作 时
t’ 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 间
经验给定
2.反应器的体积 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。 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6
A B Tr C
dH 2
T d T
H 3 m tT r c pd t T m tcp(T t d T T r)
dH2 HrrAVrdt（单一反应）
dHH1dH 2H3
mt为反应物系的质量
mtcpdt THrrAVrdt c pt为反应物系的比热容
化学反应工程 第三章
第三章 理想流动反应器概述按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。
对于间歇反应器，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。
物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。
对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。
考察物料在反应器内的流动状况。
有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。
在流动反应器中物料的流动状况不相同，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。
物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。
人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。
流动模型分类如下：理想流动模型 流动模型非理想流动模型特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。
第一节 流动模型概述3－1 反应器中流体的流动模型平推流模型全混流模型一、物料质点、年龄、奉命及其返混1.物料质点物料质点是指代表物料特性的微元或微团。
物料由无数个质点组成。
2.物料质点的年龄和寿命年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年龄。
寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。
3.返混（1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。
在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。
在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年具的质点混合在一起，所以有返混。
（2）返混的原因a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。
造成返混的各种因素统称为工程因素。
在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。
二、理想流动模型1.平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。
第三章釜式反应器
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 影响反应结果。研究反应器的流动模型是 反应器选型、设计和优化的基础。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
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单位时间进入 单位时间排出 单位时间内体积 单位时间内体积 体积元的物料 体积元的物料 元中反应消失的 元中物料 A 的积累 A量F mol s 1 A量F mol s 1 物料A量F mol s 1 量F mol s 1 in out r b
氧化沟 ＋
＋＋ ＋ － － ＋＋ ＋
A2/O-MBR －
＋ － ＋ ＋ － －
经济性
吨水耗电 工艺占地 吨水处理占 地 操作管理
操作管理
维护
方案
优点
缺点
A2/O
1.效果好、操作简便 1.流程较为复杂、需要设置单 独的二次沉淀池 2.投资少、占地少、运行费低 2.需要大量回流、电耗大 3.技术成熟、可靠 4.适应性强 5.除磷脱氮效率高、出水好 6.根据进水负荷调节鼓风机曝气量 1.工艺流程简单，运行管理方便 2.前置式厌氧池，除磷脱碳 3.投资少，处理成本低 4.机械设备少，维护管理简单 5.能够承受较大水量、水质冲击 1. 技术先进、运行稳定 2.高水质出水 3.模块化技术单元、根据要求增减 模块 4.易于实现全自动运行 1.占地面积大 2.工艺运行灵活性差
理想反应器
• 在工业上化学反应必然要在某种设备内进 行，这种设备就是反应器。根据各种化学 反应的不同特性，反应器的形式和操作方 式有很大差异。 • 从本质上讲，反应器的形式并不会影响化 学反应动力学特性。但是物料在不同类型 的反应器中流动情况是不同的。
间歇式完全混合（无返混） 理想混合反应器 （完全混合） 连续式完全混合（返混程度最大）
将化学和生物反应原理应用于污 染控制工程，需要借助适宜的装 置，即反应器。系统掌握反应器 的基本类型及其操作原理和设计 计算方法，对于优化反应器的结 构形式.操作方式和工艺条件以 及提高污染物去除效率有重要的 意义。
第三章 反应器设计及基本设计方程
反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容： 1.根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求， 进行反应器的选型设计； 2.根据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸； 3.反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、设备 制造及运输、安装方面的要求和有关制约。
• 用符号表示： F F F F in out r b • 更普遍地说，对于体积元内的任何物料，进入、 排出、反应、积累量的代数和为0。 • 不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。
几个时间概念
• (1)反应持续时间tr 简称为反应时间，用于 间歇反应器。指反应物料进行反应达到所 要求的反应程度或转化率所需时间，其中 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t和平均停留时间 t 停留时间又 称接触时间，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。
合法性 先进性 可靠性
安全性 结合实际情况 简洁和简单性
无锡某城市污水处理厂工艺流程选择 该城市的污水处理量是3.5万吨，水质COD 200-400 mg/L,BOD 150-200mg/L,SS 100-300mg/L,NH3-N 25-40 mg/L,TN 50-60mg/L, TP6-10mg/L,pH6-10
2.生活污水厂的流程
按照处理效率，污水厂可以分为三级：
一级处理厂 一级加强处理厂 二级处理厂 。。。
一级污水处理厂
一级处理（沉淀法）
一级强化污水处理厂
一级强化处理（混凝沉淀法）
一级强化污水处理厂
一级强化处理（快速生化法）
二级生化污水处理厂
3.工艺路线的选择
工艺1
工艺2
对比
工艺4
工艺3·
A2/O ＋ ＋ －
氧化沟 ＋ ＋ ＋
A2/O-MBR ＋ － ＋＋
适应性
水质波动性
季节变化
技术先进 工艺灵活性
＋
－ － － － ＋
－
＋ ＋ ＋ － ＋＋
＋
＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋＋
工艺比较
抗冲击能力 有无污泥膨胀
处理效果
污染物去除率
比较内容
方案 工程总投资
处理成本
A2/O ＋＋
＋ ＋ － － ＋ ＋
城镇污水处理厂污染物排放标准 一级A标准 BOD COD NH3-N TN SS TP 50 10 5 15 10 0.5
重金属少
污染浓度低
生活污水
水质容易处理
难降解物质少
实际情况：无锡特殊的地理位置，在太湖流域，流域内水的总氮和总磷超标
A2/O、 氧化沟、 A2/O-MBR
比较内容
方案 水质适应性 设计
1.选择厂址或站址(在工厂、企业内，往往将污水处理 厂称为废水站)时，一般应考虑以下一些问题： （1） 厂址应选在地质条件较好的地方。地基较好， 承载力较大，地下水位较低，便于施工。 （2） 处理厂应尽量少占土地和不占良田。同时， 要考虑今后有适当的发展余地。 （3） 要考虑周围环境卫生条件。 （4） 处理厂应设在靠近电源的地方，并考虑排水、 排泥的方便。 （5） 处理厂应选择在不受洪水威胁的地方，否则 应考虑防洪措施。
理想反应器
平推流反应器
（无返混）
简单混合与返混
若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的， 具有相同的反应程度。这种发生在停留时间相同 的物料之间的均匀化过程，称之为简单混合。 如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同， 反应程度就不同，组成也不会相同。混合之后的 物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之 发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间 的均匀化过程，称之为返混。
反应器设计
给定生产任务（处理量） 原料浓度 动力学参数 达到的产品要求xAf
设计？
化学反应器设计基础
• 物料衡算方程 物料衡算所针对的具体体系 称体积元。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。在这个体 积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。 在满足这个条件的前提下尽可能使这个体 积元体积更大。在这个体积元中对关键组 分A进行物料衡算。
氧化沟
A2/O MBR
1.基建和运行成本高 2.膜组件要求定期维护和更换， 对操作人员技术要求高 3.国内生产的膜组件不够稳定
装车外运 污水管道 污泥管道 鼓风管道 鼓风机 出水 细格栅 进水 粗格栅 沉砂池 预缺氧 厌氧 缺氧 好氧
栅渣压榨机
砂水分离器
提升泵
混合液回流 污泥回流 浓缩脱水 储泥池