等温平推流反应器的计算
平推流反应器(Plus
符合 杠杆规则
VR 1 FA0 x A 2
xA2 1
dxA rA dCA rA
VR 1 v0
图
解 示
C A 0 C A 2 1 CA2
意
如果红的部分面积为“ 1 ” ，寻 找一个高度使如图的 S1=S2 ， 则“ β” 分面积为蓝色区域减去 S 1 。
当β=3时，
1.06 V R 4 ln 11.4 L 0.06
FA0 dxA 2 2 kCA x 1 x kC 0 A A A0
rA kCA C A0 C A kC x A 1 x A
2 A0
对于任意循环比β，其反应器设计方程式为：
xA2 VR dxA 1 x A 2 FA0 1 rA
将动力学方程代入设计计算式并积分得：
xA2 VR dxA 1 1 1 x A2 1 x A 2 ln 2 2 FA0 1 x A2 1 x A kCA0 1 kC A0 x A
1 3、在 ~xA坐标系中绘出动力学曲线； rA
VR 4、计算曲线下面所围成的面积S， S FA0 C A0
Return
应用二：循环操作的平推流反应器 将PFR出口产物部分地返回到入口处与原始物料混合，然 后进入平推流反应器进行反应。
VR F
' A0
xA2
x A1
dxA rA
xA
T2
T0
进料温度
T2
T
图解法步骤：
T T0 1、根据操作方程：
T T0 y A0 H r T0 Cp
H r T FA0 x A x A0 或 Fi p C pi p
化学反应工程简答题
1简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比;反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间;停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间;由于平推流反应器内物料不发生返混,具有相同的停留时间且等于反应时间,恒容时的空时等于体积流速之比,所以三者相等;2停留时间分布密度函数Et的含义答：在定常态下的连续稳定流动系统中,相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体,在反应器出口流体的质点中,在器内停留了t到t+dt之间的流体的质点所占的分率为Etdt②分; ⎰∞=0.1)(dttE;3.停留时间分布函数Ft的含义答：在定常态下的连续稳定流动系统中,相对于某瞬间t=0流入反应器内的流体在出口流体中停留时间小于t的物料所占的分率为Ft;⎰=tdttEtF0)()(;4.简述描述停留时间分布函数的特征值答：用两个最重要的特征值来描述——平均停留时间t和方差2tσ;1 t定义式为：⎰∞=)(dtttEt,平均停留时间t是Et曲线的分布中心,是Et曲线对于坐标原点的一次矩,又称Et的数学期望;2 2tσ是表示停留时间分布的分散程度的量,在数学上它是指对于平均停留时间的二次矩⎰∞-=222)(tdttEttσ;5.简述寻求停留时间分布的实验方法及其分类答：通过物理示踪法来测反应器物料的停留时间的分布曲线;所谓物理示踪是指采用一种易检测的无化学反应活性的物质按一定的输入方式加入稳定的流动系统,通过观测该示踪物质在系统出口的浓度随时间的变化来确定系统物料的停留时间分布;根据示踪剂输入方式的不同大致分为四种：脉冲法、阶跃法、周期示踪法和随机输入法;6.简述脉冲示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线 答：脉冲示踪法是在定常态操作的连续流动系统的入口处在t=0的瞬间输入一定量M 克的示踪剂A,并同时在出口处记录出口物料中示踪剂的浓度随时间的变化;对应的曲线为Et 曲线,0)(C C t E A =;7.简述阶跃示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线答：阶跃示踪法是对于定常态的连续流动系统,在某瞬间t=0将流入系统的流体切换为含有示踪剂A 且浓度为0A C 的流体,同时保持系统内流动模式不变,并在切换的同时,在出口处测出出口流体中示踪剂A 的浓度随时间的变化;对应的曲线为Ft,0)(A A C C t F =; 8.简述建立非理想流动的流动模型的步骤答：1通过冷态模型实验测定实验装置的停留时间分布； 2 根据所得的有关Et 或Ft 的结果通过合理的简化提出可能的流动模型,并根据停留时间分布的实验数据来确定所提出的模型中所引入的模型参数； 3 结合反应动力学数据通过模拟计算来预测反应结果； 4 通过一定规模的热模实验来验证模型的准确性;9.简述非理想流动轴向扩散模型的特点答：1在管内径向截面上流体具有均一的流速；2）在流动方向上流体存在扩散过程,该过程类似于分子扩散,符合Fick 定律； 3轴向混合系数E Z 在管内为定值；4径向不存在扩散；5管内不存在死区或短路流;10.简述非理想流动轴向扩散模型的定义答：为了模拟返混所导致流体偏离平推流效果,可借助这种返混与扩散过程的相似性,在平推流的基础上叠加上轴向返混扩散相来加以修正,并人为的假定该轴向返混过程可以用费克Fick 定律加以定量描述;所以,该模型称为“轴向分散模型”或轴向扩散模型11.简述非理想流动多级混合模型的特点答：把实际的工业反应器模拟成由n 个容积相等串联的全混流区所组成,来等效的描述返混和停留时间分布对反应过程内的影响;设反应器容积为V,物料流入速率为v 0,则0v V t =,N t t i =;12.举例说明微观流体和宏观流体的区别答；若流体是分子尺度作为独立运动单元来进行混合,这种流体称为微观流体；若流体是以若干分子所组成的流体微团作为单独的运动单元来进行微团之间的混合,且在混合时微团之间并不发生物质的交换,微团内部具有均匀的组成和相同的停留时间,这种流体称为宏观流体;如在气—液鼓泡搅拌装置中,气体以气泡方式通过装置,此时气体是宏观流体,而液体为微观流体;13可逆放热反应如何选择操作温度答：1对于放热反应,要使反应速率尽可能保持最大,必须随转化率的提高,按最优温度曲线相应降低温度； 2这是由于可逆放热反应,由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高,净反应速率出现一极大值；3而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡;14、简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比;①分反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间;①分停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间;①分由于平推流反应器内物料不发生返混,具有相同的停留时间且等于反应时间,恒容时的空时等于体积流速之比,所以三者相等;②分15、简述阶跃示踪法测停留时间分布的实验方法及其对应曲线阶跃示踪法是对于定常态的连续流动系统,①分在某瞬间t=0将流入系统的流体切换为含有示踪剂A 且浓度为0A C 的流体,①分同时保持系统内流动模式不变,并在切换的同时,在出口处测出出口流体中示踪剂A 的浓度随时间的变化;①分对应的曲线为Ft,0)(A AC C t F ;②分 16、简述均相反应及其动力学的研究内容答：参与反应的各物质均处于同一个相内进行的化学反应称为均相反应;均相反应动力学是研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响,并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程;17、对于可逆放热反应如何选择操作温度答：1对于放热反应,要使反应速率尽可能保持最大,必须随转化率的提高,按最优温度曲线相应降低温度； 2这是由于可逆放热反应,由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高,净反应速率出现一极大值；3而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡;18、简述气-液反应的宏观过程：Ag + bBl → 产物l1反应物气相组分从气相主体传递到气液相界面,在界面上假定达到气液相平衡； 2反应物气相组分A 从气液相界面扩散入液相,并在液相内反应； 3液相内的反应产物向浓度下降方向扩散,气相产物则向界面扩散； 4气相产物向气相主体扩散;19、简述固定床反应器的优缺点1催化剂在床层内不易磨损； 2床层内流体的流动接近于平推流,与返混式反应器相比,用较少的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力； 3固定床中的传热较差； 4催化剂的更换必须停产进行;20、对于反应A ,21A R C k r =,其活化能为1E ；A S C k r 2=,其活化能为2E ,当1E ＞2E 时如何选择操作温度可以提高产物的收率答：对于平行反应A RT E E A RT E RTE S R R C e k k C e k e k r r S 12212010/20/10---===,所以,当1E ＞2E 时应尽可能提高反应温度,方可提高R 的选择性,提高R 的收率21、简述气固流化床反应器气泡两相模型的特点1以U 0的气速进入床层的气体中,一部分在乳相中以起始流动速度U mf 通过,而其余部分以U 0-U mf 则全部以气泡的形式通过； 2床层从流化前的高度L mf 增高到流化时的高度L f ,完全是由于气泡的体积所造成； 3气泡相为向上的平推流,大小均一； 4反应完全在乳相中进行； 5气泡与乳相间的交换量Q 为穿流量q 与扩散量之和;22、简述双膜理论该模型设想在气-液两相流的相界面处存在着呈滞流状态的气膜和液膜,而把气液两相阻力集中在这两个流体膜内,而假定气相主体和液相主体内组成均一,不存在传质阻力;组分是通过在气膜和液膜内的稳定的分子扩散过程来进行传质的,通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间的溶于液体且达到平衡;因此,把复杂的相间传质过程模拟成串联的稳定的双膜分子扩散过程的叠加,相间传质总阻力等于传质阻力的加和;23、简述理想反应器的种类通常所指的理想反应器有两类：理想混合完全混合反应器和平推流活塞流或挤出流反应器;所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合,器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度;所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动,不存在不同停留时间的物料的混合,所有的物料在器内具有相同的停留时间;。
第四章 平推流反应器
xA
T2
T0
T2
T
温度对可逆反应的影响
1.对于可逆的吸热反应，提高反应温度不但能提高反应速率，而且还能提高反应的 的平衡常数，所以应在允许的范围内尽可能地提高反应温度。 2.而对于可逆的放热反应，则由于温度的提高将会使平衡常数减小，所以存在最优 操作温度。 例如，对于 A
R
一级可逆反应，若原料为纯物质A，且为恒容过程时，其反应 速率方程式为：
A
R
rA kC A0 1 x A k ' (CR 0 C A0 x A ) E 其中：k k0 exp 1 （正反应速率常数）； RT E k ' k0 ' exp 2 （逆反应速率常数）； RT
将上式对温度T求偏导数，并令其等于零后可解得：
y A0 H r T0 Cp
x A x A0
y A0 H r T0 Cp
T T0 x A x A0
平推流反应器在绝热反应过程中，转化率xA与物系温度 呈直线关系，见下图：
T T0 x A x A0
xA 1.0 ⊿Hr>0 ⊿Hr=0 等温反应 ⊿Hr<0
H RT 2
将动力学常数k，平衡常数K代入速率方程中得：
xA E (1 x ) rA k0 exp C A A0 RT H 1 1 K 0 exp R T T0
将上式代入管式反应器的设计方程中：
Topt
( E2 E1 ) k0 E1C A0 (1 x A ) RIn k0 ' E2 (CR 0 C A0 x A )
3-3平推流管式反应器-化学反应工程
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。
化学反应速率1
n
F(t) Ni / N i0
２.性质 t 0 F(0) 0
t F() 1
F (5) 7 25
F (10 ) 7 8 25
F (15 ) 7 8 10 25
rA k
rA kCA
rA
kC
2 A
kt CA0CA
kt CA0xA
CA CA0 kt
xA
kt C A0
kt ln C A0 CA
CA CA0ekt
kt ln 1 1 xA
xA 1ekt
kt 1 1
kt 1 xA
CA
CA0
CA
1
CA0 CA0
kt
CA0
1
xA
xA
C A0 kt 1 CA0kt
ktlncAOln 1
cAf
1xAf
k*34ln cAO
0.8*cAO
k=0.00657 min-1
rAddcAtkc0.006c57
间歇反应器
• 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。
XAf 0
dxA rA
一级不可逆反应
C Af e(k ) C AO
• 全混流
VR
V0C A0 xAf (rA ) f
CAf 1
CAO 1 k
• a．温度对选择性的影响(浓度不变时) ① 当 El>E2 时 ， E1-E2>0 ， 随 着 温 度 的 上 升 ， 选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬 时选择性；②当E1<E2时，E1-E2<0，随 着温度的上升，选择性SP下降，可见降 低温度有利于提高瞬时选择性。
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
反应工程第三章 第二节 平推流反应器
X Af 0 X Af dx dxA A V0CA0 n 0 rA kCA
若为等容过程
CA CA0 (1 xA ) CA0 dxA dCA
X Af C Af dC dxA A V0 n C A 0 kC n kCA1 (1 xA )n 0 A
VR V0CA0
xAf 0 xAf dx dxA VR A C A0 0 rA V0 rA
(3 14)
n 式中 rA kCA ;
CA CA0 (1 xA )
x Af
间歇反应器
t C A0
0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三、等温平推流反应器的计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动 方向变化。 n 将 rA kCA 代入式（3－13）
料的温升。 积分 dT dxA
T T0 ( xA xA0 )
当xA0=0
T T0 xA T T0 xA (3 22)
3－4 平推流反应器
一、平推流反应器特点 平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该 反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。 平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是 一种理想反应器。 实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推 流，不可能完全符合平推流。
3－4 平推流反应器
(1 S )(eCA0k 1) xAf (1 S )eCA 0k 1
1
rA kC
n A
[1 (1 xAf )n1 ] V0 n VR xAf 1 [1 (n 1)CA1k ]1n 0 n k (n 1)CA1 (1 xAf )n 1 0
化学反应工程等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法
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。
▪ 反应器的实际体积应大于反应体积，即：
V实VR 或V实VR
式中，ϕ — 装料系数，对不沸腾不起泡的物系取0.7~0.8，对沸
腾或起泡的物系取0.4~0.6
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。
5
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
VR FA0
xAf dxA 0 (rA)
cA0 F A0 xA0 v0
xA F A
L dl
dV
F A + dF A xA + dxA
VRFA0 v0
d x xAf
A
0 (rA)
v0
cA0
d x xAf
A
0 (rA)
cAf F Af xAf
v
f
cAf
cA0
图 平推流反应器图解示意图
化学反应工程
等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法
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
化学反应工程例题
例 1。
1 在350℃等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应，测得反应系统总压 p 与反应时间 t 的 关系如下:t/min 0612263860p/kPa66 。
762 。
358 。
953 。
550.446 。
7试求时间为 26min 时的反应速率.解：以 A 和 R 分别代表丁二烯及其二聚物,则该二聚反应可写成： 2A → R 反应体系中各组分的浓度关系如下：由理想气体定律得： (A ) p0 为 t = 0 时物系的总压, 整理上式为： (B ) 将(B )式代入速率式中,得：) (c )理想气体：将 CA0 代入 (C ) 式,为： D解析法：对 p-t 关系进行回归分析,得: 图解法:以 p 对 t 作图，如图所示.于 t ＝26 min 处作曲线的切线，切线的斜率为 dp/dt ，该值等于 ‐0.32 kPa/min. 将有关数据代入 (D ) 式，即得到丁二烯转化量表示的反应速率值.若以生成二聚物表示反应速率，则： 1， 2例 1 。
2 等温进行醋酸(A )和丁醇(B )的酯化反应醋酸和丁醇初始浓度为 0 。
2332 和 1. 16kmol/m3。
测得不同时间下醋酸转化量如下表，试求 该反应的速率方程.解：由题中数据可知醋酸转化率较低，且丁醇又大量过剩,可以忽略逆反应的影响, 同时可以 不考虑丁醇浓度对反应速率的影响。
所以，设正反应的速率方程为：(a )以 0 级、 1 级、 2 级反应对上式进行积分式得:当 n = 0 时,当 n=1 时，当 n=2 时，(b (c)(d )采用图解法和试差法， 假设反应级数， 将实验数据分别按 0 级、 1 级、 2 级反应动力学 积分式做图，得到其 f (CA)—t 的关系曲线图，然后再根据所得的 f(CA ) —t 的关系曲线 图进行判断其动力学形式。
不同时间下 f (CA) –t 的变化关系CA0-CA0 0.01636CA0 。
2332 0 。
等温平推流反应器的计算-化学反应工程
CA CA0e kt
kt
C A0 CA 1 C A0 kt
kt
n=2 n级 n≠1
1 1 C A C A0
xA 1 ekt
1 xA C A0 1 xA
xA C A0 kt 1 C A0 kt
rA kC
n A
kt
1 n 1 n 1－n n1 (C1 A C A0 ) （ 1 － x ） 1 ( n 1) C A A 0 kt n 1
之间曲线下的面积即为反应时间t，如图3－7所示。
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
2.实际操作时间 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’) 辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。 3.反应器体积
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。 1）模型特点 （1）物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化； （2）垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有边 界层）； （3）沿流动方向的截面间不相混合； （4）质点的奉命相同，任一截面上的质点的年龄相同； （5）返混＝0,不同年龄的质点不相混合（参见（3））。 2）适用范围 管式反应器：L/D较大，流速比较大。
x Af 0
dxA rA
可知，二者具有一定的等效性。
三、等温平推流反应器的计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方 向变化。 n 将 rA kCA 代入平推流反应器体积计算公式
第三章 第二节 平推流
0级
1级 2级
n级
rA kcA
rA kc
2 A
1 1 1 xA c A c A0 c A0 1 x A
1 n 1 n c1 A c A0 n1
rA kc
n A
k
n1 ( 1 x )1n 1 ( n 1 )c A 0 k
7
化学反应工程
由于nt0=1.5，有
1 3 xA nt nt 0 n A0 A x A 1.5 1 x A 2 2
n A0 (1 x A ) nA 21 x A pA p p nt nt 3 xA
n pP P p nt
12
nP 0
xA n A0 xA 2 p nt 3 xA
就等于反应时间t。
t t
L
0
dl u
V
0
dV v
u表示流体在反应器内的流速，l表示管内的轴向距离。
如果反应流体在整个过程中密度ρ恒定，即v=v0(v0为流体
在入口时的体积流量)，上式可写成
t t V v0
恒容反应过程平均停留时间，反应时间和空时是一致的。
4 化学反应工程
k 106.48kmol m3 .h .MPa ，操作压力为0.10133MPa，
若要求丁烯转化率为0.9，空时应为多少?
15
化学反应工程
第三章 均相反应过程
解：
膨胀因子
cA
111 A 1 1
c A0 (1 x A ) c A0 (1 x A ) 1 A y A0 x A 1 0.5 x A
平推流反应器中
反应工程题(前三章) (1)
化学反应工程前三章复习题1、填空（20’）1、气相反应C6H6+3H2→C6H12的膨胀因子δC6H6等于。
2、某复合反应目的产物的选择性为60%，反应物的转化率为90%，则目的产物的产物的收率为。
3、对于自催化反应，最合适的反应器为。
4、在连续流动反应器中，空时为。
5、在等温间歇釜式反应器中进行的某平行反应{A→B，k1=1min-1；A→D，k2=2min-1}反应进行到某一时刻时，产物D的浓度为6mol/L，则B的浓度为。
6、根据反应体系相态数的不同，化学反应可分为反应和反应。
7、在等温间歇釜式反应器中进行某一级不可逆反应S→P，反应器体积为10m3，反应时间为20min时，反应物转化率为70%，若反应器体积为30m3，反应物转化率达到70%所需反应时间为。
8、多级全混釜串联模型当釜数N= 为全混流，当N= 为平推流。
2、判断对错（10’）（）1、可逆吸热反应，r A随X A增加而增加。
（）2、全混流反应器中的组分浓度等于出口流中的组分浓度。
（）3、某反应A→B，反应速率r A=kC A n(n>0)，当出口转化率相同时，此反应在PFR中进行比在CSTR中进行所需的反应体积小。
（）4、正常动力学，出口转化率相同，同一单一反应在不同反应器中进行时，所需反应体积大小顺序为单个全混流>多釜串联>单个活塞流。
（）5、对于反应前后总摩尔数不变的气相反应可视为恒容反应。
（）6、管式反应器长度远大于直径，内部没有搅拌装置，属连续操作。
（）7、化学反应器的操作方式分为间歇操作、连续操作和半连续操作。
（）8、单一反应的转化率和收率在数值上相等。
（）9、全程转化率是以反应器入口物料为基准所计算的转化率。
（）10、化学反应工程中的“三传一反”三传是指质量传递、热量传递和能量传递。
3、计算题（70’）1、某气相1级反应A→2R+S在等温、等压的实验室反应器内进行，原料含A75%（摩尔分数），惰性气体25%，经8min后其体积增加了1倍，求此时的转化率及该反应在此温度下的速率常数。
组合反应器
•2. 什么叫热稳定性？全混釜稳定操作的必要条件是什么？ 答：当操作参数受外界干扰，偏离正常值，出现微小变化时，反应能否正常进行；当外界 干扰取消时，操作状态能否自动恢复到规定的正常值。 稳定操作点的必要条件：
•3. 画图表示开车操作线，停车操作线，着火点，熄火点。
•4. 画图说明进料流量对操作点的影响。
1 2
1.V
yL
R
1m 3 ,
k 1 1 , 2, CA 0 1 1 k 1 1 k 2 0.5 CL 0.15 2 yL CA 0 1 0.15 21 0.05 2 解得CL 0.21kmol / m 3
2V
• 3. 液相自催化反应A→P，反应速率 -rA=kCACP，k =10-2m3/(kmol· s)，进料体 3 积流率v0= 0.002m /s，进料浓度 3 CA0=2kmol/m ，CP0=0，问当xA=0.98时， 下列各种情况下的反应器体积。 ⑴ 单个平推流反应器； ⑵ 单个全混流反应器； ⑶ 两个等体积全混流反应器串联。
该反应器是由夹套冷却剂冷却的，试分析原因 • 答：搅拌釜的单位传热面积随容积的放大而降低，因为釜内的液 体 而夹套的传热面积 ，故单位体积的夹套传热 面积 。这样当搅拌釜放大以后，在总的传热系数变化不 大的情况下，势必达不到原来的传热效果。在很多情况下，设备 放大以后需要设法增大传热面积，或内置螺旋管或在釜外设置一 个换热器，是被处理的物料在搅拌釜与换热器之间循环，是被处 理的过程仍能满足传热要求.
1. dcA k1 k 1cA k 2cA , 令 d k2 cA dcA cA0 k 1cA k 2cA 0 d k 1 e 1 cA k 1 1 e 1 dcL k 1cA d cL yL cAO dyL In 1 令 0时，yL d
（完整版）化学反应工程作业答案
（完整版）化学反应⼯程作业答案3-2 在等温间歇反应器中进⾏皂化反应325325CH COOC H NaOH CH CHCOONa C H OH +→+ 该反应对⼄酸⼄酯和氢氧化钠均为⼀致，反应开始时⼄酸⼄酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L ，反应速率常数为5.6L/（min ·mol ），要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积为31m 、32m 时，所需的反应时间是多少？解： A B C D +=+A AB r kC C =?? 设A 的转化率为A x ，B 的转化率为B xB B BB B B n n n x n n --?== ∵ 00A B n n = ， A B n n ?=? ，∴ A BC C =t=0Afx AA adx C r ?=020Afx AA A dx C k C ??=01(1)A Af kC x --01A k C =169.6 min t 与反应体积⽆关。
∴31m 、所需反应时间均为169.6min3-3 在平推流反应器中进⾏等温⼀级反应，出⼝转化率为0.9，现将该反应移到⼀个等体积的全混流反应器中进⾏，且操作条件不变，问出⼝转化率是多少？解：对于平推流反应器： 1ln1Af k x τ=- 0Bv v τ= 对于全混流反应器： ''1Af Afx k x τ=- 0Rv v τ=∴ 1ln1Af x -='1Af Afx x -=2.3 ∴ 'Af x =0.6973-6 已知某均相反应，反应速率2,17.4A A r kC k ml ==/（mol ﹒min ），物料密度恒定为0.75g/ml ，加料流量为7.14L/min ，0A C =7.14mol/L ，反应在等温下进⾏，试计算下列⽅案的转化率各为多少？(1) 串联两个体积0.253m 的全混流反应器。
（1） 0R v v τ==30.251027.14=35mm ，设转化率为12,f f x x 12011(1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 22221221(1)(1)f f A f f x x k C x x τ=--=1.64∴ 20.467f x = 12(1)Af A f C C x =-=1.44 ∴ 0(1)0.80Af A Af Af C C x x =-?= （2） 00.2510007.14R V V τ?===35min 12011(1)f A f x k C x τ=-?121(1)f f x x -=4.35 ?1f x =0.622 ∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×（1-0.622）=2.7mol/L 2212211.64(1)(1)f f A f f x x k C x x τ=?=--∴20.62f x =12(1)Af A f C C x =-=2.7×（1-0.62）=1.026∵0(1)Af A Af C C x =-∴ 0.856Af x = （3） 00.2510007.14R v v τ?===35min 1011(1)f A f x k C x τ=?-1f x =0.813∴ 101(1)A A f C C x =-=7.14×(1-0.813)=1.3422121(1)f A f x k C x τ=-?222(1)f f x x -=0.816∴ 2f x =0.347∴ 12(1)Af A f C C x =-=1.34×（1-0.347）=0.875 ∵0(1)∴ 0.877Af x = （4） 35min τ=1011(1)f A f x k C x τ=?-1f x =0.813101(1)A A f C C x =-=1.342121(1)f A f x k C x τ=?-2f x 0.449∴ 12(1)Af A f c C x =-=1.34×（1-0.449）=0.738 ∵0(1)Af A Af C C x =-0.897Af x =3-7 液相⾃催化反应A →P,反应速率23,10/()A A p r kc c k m kmol s -==?，进料体积流量300.002/,V m s =进料浓度3002/,0.01A p c kmol m c ==。
平推流反应器
将上式代入管式反应器的设计方程中：
将上式对温度T求偏导数，并令其等于零后可解得：
Topt
( E2 E1 ) k0 E1C A0 (1 x A ) RIn k0 ' E2 (CR 0 C A0 x A )
此时所得的温度是相应于反应速率为最大的最优温度，是Topt和转化率x A 的函数关系，在坐标系中可表示处最优温度曲线。平衡温度与转化率的关系也可以从 反应速率式中求得。因为反应达到平衡时有-r A =0,解得
第四章 平推流反应器
物料衡算式：
若以u表示流体在反应器内的流速，L表示管内离入口处的轴向距离，则有停留时间 即反应时间t（如果反应流体在整个过程中密度恒定，即流速不变）
t
L
0
V dV dl V 0 u v v0
对于恒容反应过程停留时间，反应时间和空时是一致的。
即：
物料A在反应前的百分含量为： 反应t时刻则有：
QA----单位时间内体系经过管壁传给热载体的热量；
Qg----单位时间内因反应放出的热量。
单位时间内 单位时间内 物料带入微元 物料带出微元 体积的热量 体积的热量 Q1 Q2 Q g Q A 0
单位时间内 单位时间内 因反应放出 经传热面传给 的热量 热载体的热量
1 1 T T0
在恒定的xA下，反应速率将是操作温度T的函数，对于可逆吸热反应，提高操作温度 反应速率也随之增大，对可逆放热反应，由函数关系式可以看出存在使反应速率为 最大的最优操作温度。
B
30
可逆吸热反应
25
反 应 速 率
20
1.2 等温等容过程的反应器容积
(C / C x A ) C A0 ln B 0 A0 / k (CB 0 C A0 ) 1 xA CB 0
例 1-1（P11） A + B
Ｒ
-- 2
解：根据间歇釜的基础设计式（1-7）：
x A dx nA0 xA dxA A C A0 0 (r ) V 0 (rA ) A
∵（-rA）= k•CA•CB=k•CA0• (1-xA) • (CB0-xA•CA0) 代入之，有：
C A0
1.2.3 连续管式反应器（PFR）
当L/d很大、Re很大时，可近似作为平推流反应器， 或活塞流反应器， 物料粒子在管中没有返混， 在同一截面上，各点的温度、浓度、反应速度均一 致。
1.2.3.1 PFR -- 基础设计式-1
dV
在一微元反应体积
dVR 中，对A组分，进 行衡算，有：
CA F A0
如果进料体积流量为 v、浓度为 CA0， 则FA0 = v • CA0， 代入之，有：
x Af dx VR A C A0 xA 0 (r ) v A
＊＊＊ ( 1-12 )
式(1-11)、(1-12)即为平推流反应器的基础设计式。
1.2.3.2
反应器容积 VR --1
在等容过程中，v = Const.，式（1-12）即为： 物料在反应器 中的平均停留时间 反应时间 每个粒子的停留时间。 又∵ xA = 1- CA/CA0， dxA = -dCA/CA0 ， 代入式（2）中， 得：
(0.10 / 0.08 0.95) 0.08 ln / 9.92 103 (0.10 0.08) 1 0.95 0.10
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
3－2 反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容 1. 选择合适的反应器形式 2. 确定最佳的工艺条件 3. 计算所需反应器体积 反应器设计的基本方程 1. 物料衡算方程 某组分累积量= 某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量 2. 热量衡算方程 带入的热焓＝ ＝带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量 3. 动量衡算方程 上述为反应器设计的基本方程，在列出这些方程时，需要 动力学方程和流动模型。
2.全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模 型） 全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反 应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合。 1）模型特点： （1）反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同， 且等于出口处的参数； （2）同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合， （3）反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应 器的物料中，质点的寿命也不相同。 （4）返混＝∞ 2）适用范围： 搅拌反应器，强烈搅拌。
第二节 理想流动反应器
3－3 间歇反应器
一、间歇反应器的特征 工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器， 如图3－5。 1. 反应器内物料达到分子尺度均匀，浓度处处相等，可 排除物质传递对反应过程的影响。 2. 反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递。 3. 反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。
三、非理想流动模型
1. 实际反应器存在着程度不一的工程因素，流动状况不
同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。
2. 非理想流动模型 在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型， 称为理想流动模型。常用的非理想流动模型有： 1）轴向混合模型
2）多级串联全混流模型
目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础 发展而成的。
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。
第三章 理想流动反应器
第一节 流动模型概述
3－1 反应器中流体的流动模型 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。
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。 1）模型特点 （1）物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化； （2）垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有边 界层）； （3）沿流动方向的截面间不相混合； （4）质点的奉命相同，任一截面上的质点的年龄相同； （5）返混＝0,不同年龄的质点不相混合（参见（3））。 2）适用范围 管式反应器：L/D较大，流速比较大。
二、间歇反应器性能的数学描述 1.反应时间～xA的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间 变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算： [A流入量] = [A流出量] +[ A反应量] + [A累积量] 0 = 0 ＋
第三章 理想流动反应器
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： 平推流模型 全混流模型 理想流动模型 流动模型 平推流模型 全混流模型
四、流动状况对化学反应的影响
流动状况对化学反应的影响有两方面：物料质点的浓度 和在反应器内的停留时间。 1.物料质点浓度 间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器中物料质点的 浓度变化如图3－2所示。 间歇反应器和平推流反应器的反应推动力ΔCA均大于全混 流反应器的ΔCA。实际上是物料的浓度不同，反应速率不 同。 2.物质质点的停留时间和反应时间 物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留时间， 实际上是物料质点的寿命。
第三章 理想流动反应器照操作方式，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。
物料质点进入反应器开始所经历的反应时间称为反应时间。 对于离开反应器的物料质点而言，反应时间通常不等于停 留时间，但目前一般以停留时间来衡量反应时间。
平推流反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时 间相同，即所有物料质点的反应时间相同；
全混流反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时 间各不相同，从0→∞，物料质点的反应时间各不相同。 非理想流动反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停 留时间的分布状况介于平推流反应器和全混流反应器之间， 其反应时间也介于其间。