全混流反应器分解
全混流反应器的热稳定性
结论
(1) C与d等效，平推流与全混流反应器串联时，与顺序无关。 （2）e与f等效，两个平推流反应器串联和并联时结果相同，与 连接方式无关。 （3）CAf：a>b>c=d>e=f (4)xAf:f=e>d=c>b>a
思考题：
等体积的平推流与全混流反应器串联，在等温条件下 进行二级不可逆反应，反应速率
平推流反应器： VR V0C A0 dxA rA
x Af 0
x Af
0
dxA rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间 t C A0
x Af 0
VR V0t V0C A0
dxA rA
(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反 应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终 反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以 反应体积要大一些。
3.3.4
全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。 对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升 高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然 而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温 度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环 反应温度上升 反应速率加快 反应放热速率增大
E C A0VR (H R )k10 exp( ) C A0VR k (H R ) RT QR E 1 k m 1 m k10 exp( ) RT
B、移热速率
§84全混流反应器
VRLeabharlann kCA20 (1 qV C A0 x A x A )2 (CB0 0.5C A0 xA )
0.0025
0.028 / 60 60 2(1 0.6)2 (3 0.5 2 0.6)
0.146 m3
• 9题，解（1）
VR
qV C A0 x A kCA0 (1 x A )
14.4 0.8 24 60 0.0806 (1 0.8)
（1）
t k CA0
x (1
A
x
A
)
2
0.5 kCA0 0.52
1 0.5k CA0
VR=qVt，VR2=6VR，6VR=6qVt=qVt2
6qV
qV xA
0.5kCA0 kCA0 (1 xA )2
xA2 25 xA 12 0
∴ xA 0.75
2020/6/17
8
• 另解：
6VR
xA
qV (C A0 C A ) (rA )VR
t VR CA0 CA
qV
rA
(2)
将 C A C A0 (1 xA )
代入（2）
t VR CA0 xA
(3)
qV rA
2020/6/17
4
t— 空间时间，因为是定容过程，∴又称为逗
留时间，因为物料质点在反应器的停留时间
长短不一，所以称为平均逗留时间。
• 因为流动情况不同，根据PFR的特点，有以下关
系式，
t3
CA3 CA0
dCA kCA2
1 1
k
CA3
1 CA0
kt3C A0
C A0 C A3
1
2
∴
C A3 1
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.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
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
《化学反应工程》综合复习资料
《化学反应工程》综合复习资料一、填空题1、全混流反应器的E 函数表达式为 ，其无因次方差= ，而平推流反应器的无因次方差＝ 。
2、工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是 、 、和 。
3、在间歇反应器中进行一恒压气相反应，原料为A 和B 的混合物，其中A 含量为20%(mol)，若物料初始体积为2升，则A 转化50％时，物料的总体积为 。
4、基元反应的分子数 （可能/不可能）是小数。
5、某液相反应于50℃下在间歇反应器中进行，反应物A 转化80％需要10min ，如果于相同条件下在平推流反应器中进行，则达到同样的转化率需要的空时为 ；如果同样条件下在全混流反应器中进行，达到同样的转化率需要的空时 。
6、测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为 和 。
7、完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度 ，并且 （大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。
8、多级混合模型的唯一模型参数为 ，轴向扩散模型的唯一模型参数为： 。
9、对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应器时主要考虑 ；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是 。
2θσ2θσ32A B R +→A R →10、对于反应23A B R +→，各物质反应速率之间的关系为：(-r A ):(-r B ):r R ＝ 。
11、某重油催化裂化装置处理量为100吨重油/h ，未转化重油为6吨/h ，汽油产量为42吨/h ，则重油的转化率为_ _，工业上汽油的收率及选择性为_ _和_ _。
12、某反应的计量方程为A R S →+，则其反应速率表达式 。
13、反应级数 （可能/不可能）大于3， （可能/不可能）是0，基元反应的分子数 （可能/不可能）是0。
14、在一个完整的气—固相催化反应的七大步骤中，属于本征动力学范畴的三步为 、 和 。
15、在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速率方程式的两种最主要的方法为 和 。
全混流反应器
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
级不可逆放热反应有： 对n级不可逆放热反应有： 级不可逆放热反应有
V (−∆H r )C A0 n QG = k (1 − x A ) n v0 ρ c p
对于n=1的情况，有 的情况， 对于 的情况
QG = V (−∆H r )C A0 k ( ) v0 ρ c p 1 + kτ
UATm V (−rA )(−∆H r ) UA = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p v0 ρ c p ρ c p v0
则：
放热速率 移热速率
QG =
V ( − rA )( −∆ H r ) v0 ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
全混流反应器的热衡算及热稳定性
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
三、全混流反应器的热衡算及热稳定性
1．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） ．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） 随温度的变化， 若忽略反应流体的密度和定压比热 c p 随温度的变化，反应器在 定常态下操作对反应器作热量衡算， 定常态下操作对反应器作热量衡算，有：
或
E ] RT QG = E v0 ρ c p + V ρ c p k0 exp[− ] RT V (−∆H r )C A0 k0 exp[−
当 T 时，有 →∞
QG = ( −∆H r )C A0 / ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
单位时间 内反应的 放热量
+
化学反应工程例题
t/min 0 6 12 26 38 60p/kPa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‐ 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和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， (b当n=1时， (c)当n=2时， (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 的变化关系零级反应和一级反应的 f (CA) – t 的关系图如对t作图得一直线，则说明假设正确，由此可知反应级数 n＝２。
但丁醇浓度是否存在影响，还需做进一步实验证明。
对 t 作图为一直线，则说明 n =2 是正确的，故该反应对醋酸为二级反应，从直线的斜率可以求得在此温度下包含丁醇浓度的 k’值。
而丁醇的反应级数 m 可以用保持醋酸浓度不变的方法求得，二者结合可以求得反应在此温度下的速率常数 k。
第三章化学反应器中的混合现象全解
• 混合是化学反应器中普遍存在的一种传递过 程，混合的作用是使反应器中物料的组成和 温度趋于均匀，不同的混合机理和混合程度 对反应结果（转化率和选择性）往往具有重 要的影响。
• 反应器中发生的混合现象是十分复杂的。对 反应器中的混合现象进行如实的描述和分析 非常困难。对实际过程进行简化，借助各种 理想化的模型去分析混合对反应过程的影响 依然是必要的。
Chemical Reaction Engineering
聚集状态
反应物系的聚集状态指进入反应器的不同物料微团间进行的物 质交换所能达到的程度以及在反应器微元尺度上所能达到的物 料组成的均匀程度。 反应物系的聚集状态有两种极限： ● 微观流体 ：一种是不同物料微团间 能进行充分的物质交换 , 从而在反应器微元尺度上能达到分子尺度的均匀 , 这类物系称
• 返混指不同时间进入反应器的物料之间 发生的混合, 是连续流动反应器才具有
的一种传递现象， 可通过PFR和CSTR
这两种理想流动反应器的性能比较来考 察返混的利弊。
Plug Flow Reactor PFR Continuous Stirred Tank Reactor CSTR
Chemical Reaction Engineering
返混对复杂反应选择性的影响
分析
1
对简单反应, 返混仅仅影响反应速率。而对复杂反应, 返混对产 物选择性也有影响。
●平行反应
反应的瞬时选择性为：
R 主反应
A
2
S
副反应
☆当主反应级数n1高于＞副反应的n2时，CA↑，S↑ →PFR的选择性高于CSTR (CA小） 。 ☆当n2 ＞n1时，则相反。
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 。
全混流反应器计算的基本公式-化学反应工程
表3－1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
n=0
rA k
CA CA0 kt
C kt ln A0 CA
kt ln 1 1 xA
n=1
rA kCA
2 rA kCA
VR=V’(t+t’) 式中V’为单位时间所处理的物料量。
三、间歇反应器中的单反应
设有单一反应A→P n r kC 动力学方程为 A A n＝1时， rA kCA 按式（3－5）残余浓度式
kt ln
C A0 CA
或转化率公式：
kt ln(1 xA )
残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度，而转化率式 是计算A的利用率，根据工艺要求可以公式（3－5）计 算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度的计算结 果列于表3－1。
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 ＋
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
VR V0CA0
X Af 0 X Af dx dxA A V0CA0 n 0 rA kCA
全混流E(t)
全混流反应器的停留时间分布函数
证明：将全混流反应器内的物料分成m 个微团。
一个新的微团进入反应器，就从反应器出口挤出一个微团。
先讨论“某微团进入反应器后连续n 次没被挤出（停留在反应器内），却在下一次被挤出”这一事件的概率：
根据全混流模型，哪个微团被选中的的概率都是相等的。
因此：
“某微团被选中挤出反应器”的概率是
m 1 “某微团没被挤出反应器”的概率是m
1
1-
“某微团连续n 次没被挤出反应器，却在下一次被挤出”的概率为
m
m P n
111⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛
-=
再讨论“微团停留时间为t t t ∆+→”的概率：
由于空间时间τ就是物料流过一个反应器体积所用的时间，反应器内有m 个微团，则 挤出一个微团用时m
t τ
=
∆
连续n 次没被挤出，却在下一次被挤出的微团的停留时间为t t m
n t ∆+→=τ
其概率如上述，且τ
t
m
n =
根据停留时间分布函数的定义
τ
τ
τ
τ
t
m
m t
m m t m m m
m t
t t t P dt dp t E -
-∞
→∞
→→⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣
⎡⎪⎭⎫
⎝⎛-=⋅
⎪
⎭
⎫ ⎝
⎛
-=+→==
11lim
111lim )(lim )(0∆∆∆
由()e 1lim 1
=+→x
x x （参见数学分析书籍），得
τ
τ
t
t E -
=e
1
)(。
化学反应工程全混流基本特点
化学反应工程全混流基本特点
化学反应工程全混流的基本特点包括以下几个方面：
1. 反应物料混合均匀：全混流反应器内的反应物料混合均匀，反应过程具有良好的一致性，可以保证产品质量和产物的稳定性。
2. 反应速率快：全混流反应器内的反应物料流动状态良好，可以加快反应速率，提高生产效率。
3. 操作简单：全混流反应器结构简单，操作方便，可以实现连续进料和出料，易于实现自动化控制。
4. 适应性广：全混流反应器适用于多种类型的化学反应，可以根据不同的反应需求进行设计，满足不同生产工艺的要求。
5. 可靠性高：全混流反应器结构简单，操作稳定，可以降低故障率，提高生产过程的可靠性。
6. 能耗低：全混流反应器内的反应物料混合均匀，可以降低搅拌能耗，同时反应速率快也可以减少反应时间，降低能耗。
综上所述，化学反应工程全混流具有反应物料混合均匀、反应速率快、操作简单、适应性广、可靠性高、能耗低等特点，在化工生产中得到广泛应用。
全混流反应器(CSTR)
例题
某液相反应 A+B→R+S，其反应动力学表达式 为 rA＝kcAcB，T＝373K时，k=0.24 m3kmol/min。今要完成一生产任务，A的处理 量为 80 kmol/h，入口物料的浓度为cA,0=2.5 kmol/m3，cB,0=5.0kmol/m3，要求A的转化率 达到80％，问：①若采用活塞流反应器，反应 器容积应为多少m3？③采用全混流反应器，反 应器的容积应为多少m3？
CSTR的体积计算 的体积计算
n n FA0 − FA FA0 x A FA0 x AvT FA0 x AvT V= = = = n n n n rA kc A kFA kFA0 (1 − x A )
反应为一级反应
V 1 xA τ= = vT k 1 − x A
kτ xA = 1 + kτ
全混流反应器
全混流反应器（CSTR）
操作特点
反应物料和产物流速恒定； 反应流体在反应器内是完全混合的，故在反应 器内时具有均一的温度和组成，且与从反应器 流出的物料的温度和组成是一致的 当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入 反应器的容积流速v是相同的 反应器内的反应速率亦维持恒定。
物料衡算
单位时间进入 单位时间流出 单位时间反应器中 单位时间反应器中 ＋ 反应器A的量 ＝ 反应器A的量 ＋ 反应掉A的量 A的累积量
例题
对于一级不可逆反应方程：
A → B , rA = kcA
在全混流反应器完成上述一级反应，如k＝ 0.01s－1，体积流量为10-3 m3s-1，试计算转化 率达到30%时所用的反应时间。
间歇反应器t＝35.7s 平推流反应器τ＝35.7s 全混流反应器τ＝42.9s
化学反应工程复习资料
化学反应⼯程复习资料化学反应⼯程复习资料⼀．填空1.理想反应器是指 _______、______ _。
2.全混流反应器的返混_______。
平推流反应器的返混为_______。
3.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理⽰踪法来测定的，根据⽰踪剂的输⼊⽅式不同分为_______、_______、_______。
4.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=____。
；平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_____。
；平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=___ 。
；平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=____。
5.平推流管式反应器其E （θ）曲线的⽅差=2θσ_______。
；平推流管式反应器其E （t ）曲线的⽅差=2t σ_______。
6.全混流反应器t=0时E （t ）=_______。
；全混流反应器其E （θ）曲线的⽅差=2θσ_______。
；全混流反应器其E （t ）曲线的⽅差=2t σ_______。
7.催化剂“三性”是指、和。
8.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层⽽进⾏反应的装置都称作___ ____。
9. 化学反应过程按操作⽅法分为____ ___、___ ____、_____ __操作。
10. 化学反应⼯程中的“三传⼀反”中的三传是指____ ___、___ ____、_______。
11. 化学反应的总级数为n ，如⽤浓度表⽰的速率常数为C K ，⽤逸度表⽰的速率常数f K ，则C K =_______f K 。
12.在构成反应机理的诸个基元反应中，如果有⼀个基元反应的速率较之其他基元反应慢得多，他的反应速率即代表整个反应的速率，其他基元反应可视为处于____ ___。
13. ⼀级连串反应A S P在全混流釜式反应器中，则⽬的产物P 的最⼤浓度0 0.2 0.40.6 0.8 1.0 0.2 0.40.60.81.0A RS K 1K 2P 在平推流反应器中，则⽬的产物P 的最⼤浓度=max ,P C _______、=opt t ______。
《全混流反应器》课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
05
全混流反应器的优缺点
优点
高混合效率
全混流反应器能够提供高度均匀的混 合液，有助于提高化学反应的效率和 产物质量。
高反应速率
由于良好的混合效果，反应物在全混 流反应器中的接触面积大，提高了反 应速率。
易于控制温度
全混流反应器通常配备有冷却或加热 系统，便于控制反应温度，减少温度 对反应的影响。
建立完善的维护保养制度，确保全混流反 应器的正常运行和使用寿命。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
06
全混流反应器的发展趋 势与展望
技术创新
高效能催化剂
研发更高效、选择性更高的催化剂是全混流反应器技术创新的重点之一。通过改进催化剂 的活性、稳定性和选择性，可以提高反应速率和产物收率，降低能耗和生产成本。
精细化工
在精细化工领域，全混流反应器可用 于生产高附加值化学品，如香料、染 料、农药等，提高产品质量和收率。
生物工程
微生物发酵
全混流反应器适用于微生物发酵过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产， 能够提供适宜的微生物生长和代谢环境。
酶催化反应
全混流反应器可用于酶催化反应过程，实现大规模、连续的生产，提高酶的利 用效率和产物收率。
02
根据工艺流程和操作条件，设计合理的内部构件，如挡板、搅
拌器等，以提高混合效果和传量和工艺要求，合理设置进出口管道和阀门，以满
足工艺操作要求。
参数选择
选择合适的搅拌速
度
根据物料的特性和工艺要求，选 择合适的搅拌速度，以保证良好 的混合效果和传热性能。
化学反应工程 3.3 全混流反应器CSTR
正级数反应
VP F R FA0
xAedxA 0 rA
负级数反应
VCSTR
FA0
xAe rA
FA0 vTcA0 FA vTcA
rAV
0
FA0FArAV
rA
FA0 V
FA
间歇反应器t＝35.7s 平推流反应器＝35.7s 全混流反应器＝42.9s
全混流反应器对完成同样的转化率所需的反应器 体积和停留时间都比平推流和间歇反应器大。
例题
某液相反应 A+B→R+S，其反应动力学表达式 为 rA＝kcAcB，T＝373K时，k=0.24 m3kmol/min。今要完成一生产任务，A的处理 量为 80 kmol/h，入口物料的浓度为cA,0=2.5 kmol/m3，cB,0=5.0kmol/m3，要求A的转化率 达到80％，问：①若采用活塞流反应器，反应 器容积应为多少m3？③采用全混流反应器，反 应器的容积应为多少m3？
CSTR的体积计算
V F A 0 r AF AF k A 0 x A nA cF A k 0 x A A n v F T n kF A n 0 F A 0 1 x A v x T n An
反应为一级反应
V 1 xA
vT k1xA
xA
k 1 k
全混流反应器应器 对比
全混流反应器（CSTR）
操作特点
反应物料和产物流速恒定； 反应流体在反应器内是完全混合的，故在反应
器内时具有均一的温度和组成，且与从反应器 流出的物料的温度和组成是一致的 当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入 反应器的容积流速v是相同的 反应器内的反应速率亦维持恒定。
物料衡算
单 反位 应 A的时 器 ＝ 量 单 反 间位 应 进 A的时 器 入 量 ＋ 单 间 反位 流 应 A的时 出 掉 量间 ＋ 单 A 反 的位 应 累时 器 积间 中 量
全混流反应器的返混
全混流反应器的返混全混流反应器是一种常见的化学反应器，其特点是反应物进入反应器后通过全混合过程，达到反应的目的。
全混流反应器的优点在于它具有高效、均匀的混合特性，能够保证反应物均匀地分布在整个反应器中，从而更好地利用反应物和催化剂，提高反应的效率和产率。
全混流反应器的构成包括反应器本体、进料装置、搅拌机构、产物出料装置、温度、压力、流量、物质平衡等自动控制系统等。
反应器本体通常采用圆柱形、方形或椭圆形等形状，根据反应液特性、反应条件、反应程度选择最适合的结构。
进料装置通常采用外部管道引入反应物质，进料量和流量可以通过控制泵或其他的仪表进行自动调节。
产物出料装置采用叶片或广泛接管的形式，将反应物从反应器中排出，也可以在反应中进行在线采样和分析。
搅拌机构通常采用机械或磁力搅拌器实现搅拌，以达到混合的目的。
全混流反应器中的反应物质转化受多种因素的影响，例如反应物浓度、温度、压力、催化剂或酶的特性等。
反应物浓度通常通过控制进料量控制其浓度，以满足反应物的需求。
温度和压力是反应物质转化的两个重要因素，通常通过控制加热制冷和压力调节阀实现。
催化剂或酶的特性主要表现在催化速率和选择性上，可以通过设计不同的催化剂和酶来达到特定的反应物质转化要求。
全混流反应器在化学工业中广泛应用，但也存在一些缺陷，如反应物质转化不彻底、反应过程不可逆、难以控制反应过程中产生的副反应等问题。
因此，为了提高反应物的转化率和产率，减少副反应的发生，通常采用多段式反应器和流程优化等方法进行改进和优化。
总之，全混流反应器具有高效、均匀的混合特性，对化学工业中的物质转化和生产具有重要意义。
但需要注意反应条件的控制和反应过程的优化，才能发挥其最大的作用。
化学反应工程-连续流动釜式反应器
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
全混流反应器在出口条件下操作，当 出口浓度较低时，整个反应器处于低 反应速率状态。
若 xA0 0 ,则由物料衡算方程
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
NA '
NA
(rA ) f VR
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。 反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流 程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。 以下讨论，当物料处理量V0、进料组成及最终转化率 XAm和反应器级数m确定后，如何最佳分配各级转化率xA1、 xA2、……、xAm－1，使VR最小。
对于等温等容过程，各级反应器体积为
上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等 温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。
反应工程 答案 第三章
3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+C H C O O C H N aO H C H C O O N a C H O H该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。
反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。
要求最终转化率达到95%。
试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？ （2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）002220001()(1)110.95169.6m in(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰A f A f X X A AA A A A A A A A AdX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。
3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++C H C lC H O H N aH C O C H O H C H O H N aC l C O以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。
该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。
（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积； （2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。
解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h氯乙醇初始浓度：00.326610001.231/0.95275.8⨯==⨯A C m ol l反应时间：02000110.952.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X 反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l（2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V lf3.3丙酸钠与盐酸的反应：2525+⇔+C H C O O N a H C l C H C O O H N aC l为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。
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CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004kmol.L-1 若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反应 器的体积大小。
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
推导过程： 物料衡算式
注意：FA0表示
无产物基的A 的摩尔流率， 否则无任何物
理意义！
FA0(1-xA1) -FA0(1-xA2) -（-rA）VR=0 即：FA0(xA2-xA1) =（-rA）VR
VR VR xA2 xA1
VR C A0 xA xA (1 A xA )2 C A0 (CA0 xA ) v0 kCA2 kCA0 (1 xA )2 kCA2 (C A0 AC A )
对于 A 0
VR
xA
CA0 CA
v0 kCA0 (1 xA )2
k CA2
★ n级反应
rA kCAn
将上式代入设计方程得:
C A0 (C A0 C A ) 或 C A0 xA (1 A )
k(C A0 AC A )
k(1 A xA )
★一级反应
AP (-rA)=kCA
对于任意εA值
VR C A0 xA xA (1 A xA ) C A0 (C A0 C A )
v0 (rA )
k(1 xA ) kCA (C A0 AC A )
对于液相反应,可以认为是恒容过程,这时 A 0
VR xA CA0 CA
v0 k(1 xA )
kCA
或:
xA
k 1 k
CA
C A0
1 k
CA 1
C A0 1 k
★ 二级反应
AP
(-rA)= k CA2
对于任意εA值：
◆平均停留时间：以 t来表示，其定义为反应器的有效容 积与器内物料体积流速之比，即 t V v 。
要注意区分上述三个工程上常用于表示时间的概念。
全混流反应器设计方程关联的参数有：xA、(-rA)、VR、FA0 图解全混流反应器相关计算：
注意：上图中矩形可求出出口转化率xA或出口浓度为CA 所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。 Return
解：根据CSTR反应器的设计方程可知，
VR
xA
v kCA0 (1 xA )2
VR
v xA kCA0 (1 xA )2
§3.4 全混流反应器 1、全混流模型 2、全混流反应器的设计方程式 3、设计方程式的应用 4、分批式（间歇釜式）反应器和全混流（CSTR） 反应器的比较
§3.5 多釜串联组合的全混流反应器
1、多釜串联CSTR反应器的特点 2、多釜串联CSTR反应器的设计方法
①解析法 ②图解法
1、全混流模型：
CSTR（Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR）
又称理想混合流反应器或连续搅拌釜式反应器，进出 物料的操作是连续的，可以单釜或多釜串联操作。
特点：
★新鲜物料瞬间混合均匀，存在不同停留时间的物料之间 的混合，即返混。物料返混是连续操作反应器存在的 现象，且逆向混合程度最大，逆向混合直接导致稀释 效应最大。
★反应器内所有空间位置的物系性质是均匀的，并且等于 反应器出口处的物料性质，即反应器内物料的浓度与 温度均一，且与出口物料温度、浓度相同。
C A0 C A0 C A kCAn C A0 A x A
εA=0时
VR
xA
CA0 CA
v0
k
C n 1 Ao
(1
xA
)n
k CAn
例题
例题7：
工厂采用CSTR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：
◆连续操作的物料累积量为零。 基本衡算式：
试问化学反应速率 是固定不变的吗？
为什么？
进入量-排出量-反应量=累积量
对反应的A作物料衡算： 进入量=FA0=v0CA0
CA0 xA0=0 (或xA1)
v0 FA0
排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA)
反应量=（-rA）VR
CA xA (或xA2) VR
CA xA (或xA2) v
FA
FA0-FA0(1-xA) -（-rA）VR=0 或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -（-rA）VR=0
可以导出下列式子
VR VR xA
FA0 v0C A0 C A0 rA
VR v0
CA0 xA
rA
C A0
CA
rA
CSTR设计方程式（xA0=0的情况） xA0≠0呢？
FA0 v0C A0 C A0
rA
或
VR v0
C
A0
xA2 rA
xA2
CA0 CA
rA
τ为空时，是反应器的有效容积与进料流体的容积流速比值
反应工程中常用于表示时间概念的还有：
◆反应时间t：反应物从进入反应器后从实际发生反应起 到反应达某一程度（如某转化率）时所需的时间
◆停留时间：它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它 们离开反应器的时刻为止在反应器内共停留的时间， 对于分批式操作的釜式反应器与理想平推流反应器， 反应时间等于停留时间，而对于存在返混的反应器， 则出口物料是由具有不同停留时间的混合物，即具有 停留时间分布的问题，工程上常用平均停留时间来表 示。
★反应器内物系的所有参数，如T、C、P等均不随时间变 化，从而不存在时间独立变量，独立变量是空间。
CA0 xA0=0
(或xA1)
v0 FA0
CA
xA (或xA2)
VR
CSTR
CA xA
(或xA2)
v FA
Return
2、 全混流反应器的设计方程式
两点说明：
◆CSTR体系性质均一，不随时间而变，可就整个反应器进行 物料衡算，而且单位时间可以任取。
3、设计方程式的应用
★零级反应
AP
(-rA)=k
VR CA0 xA CA0 xA CA0 CA
v0 (rA )
k
k
或:
xA
k
C A0
或 : C A C A0 k
(注 :以上是 A 0的等分子反应)若 A 0xA
CA0 CA
CA0 ACA
或
CA
CA0 1 xA
1 AxA