理想反应器.ppt-化学反应工程
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化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
–当反应为强放热反应，即（-ΔHr）很大时，可通 过控制A的滴加速率vCA0来控制放热量，从而控 制反应温度。
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
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
反应工程ppt课件
h)
试求乙酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。 已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3
解： CH 3COOH C4H9OH CH 3COOC 4H9 H2O
对1kmol A而言，投料情况是：
乙酸(A) 1kmol
60kg
60/960=0.0625m3
化学反应工程
1
第3章 理想反应器
反应工程研究的内容：
反应
反应器：反应器的设计和开发
反应器开发的任务：
(1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式
(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优 化设计
反应器的结构和尺寸有关
反应器内的传热性能
(3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
10
【例3－1】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器 中生产乙酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol 的A和4.96kmol的B，已知反应速率
(rA )V
1.045
c
2 A
k
mol
/(m3
1 kc
1 ln
1 xAf
k 9.52109 exp( 7448.4 ) 0.92(h1) 273 50
t 1 ln 1 1.31h 0.92 1 0.7
则每批操作实际所需要的操作时间为：
t t 0 1.31 0.75 2.06h
反应终了时R的浓度为： CR 2C A0 xA 3.22kmol / m3
t cA0
xAf 0
dxA (rA )V
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
《化学反应工程》课件
部分模化法
将反应器的一部分进行放大或缩小， 以研究其放大效应或缩小效应。
相似放大法
通过相似理论来预测大试实验结果， 需要保证相似条件得到满足。
04
流动与混合
流动模型与流型
1 2
层流模型
适用于低雷诺数的流体，流速较低，流体呈层状 流动。
湍流模型
适用于高雷诺数的流体，流速较高，流体呈湍流 状态。
3
过渡流模型
化学反应影响流动特性
化学反应释放的热量和产生的压力变化会影响流体的流动状 态。
流动与混合实验技术
实验设备
包括管式反应器、搅拌釜式反应器、喷射式反应器等。
实验方法
通过测量流体的流速、压力、温度等参数，分析流动与混合对化学反应的影响 。
05
传递过程与反应器的热力学基础
传递过程基础
传递过程定义
物质和能量的传递是自然界和工程领域中普遍存在的现象，传递 过程是研究物质和能量传递规律的科学。
通过调节进料浓度来控制反应物浓度，保证反应的稳定性和效率。
催化剂选择与优化
选择合适的催化剂并优化其用量，提高反应效率和选择性。
反应器放大与缩小
经验放大法
根据小试实验数据和经验公式，通过 比例放大来预测大试实验结果。
数学模拟放大法
通过建立数学模型来模拟反应过程， 并利用计算机技术进行放大和缩小实 验。
管式反应器
适用于连续操作和大量生产，传热效果好， 适用于高粘度液体和悬浮液。
流化床反应器
适用于固体颗粒的反应，传热效果好，适用 于大规模生产。
反应器设计基础
反应动力学
研究反应速率和反应机理，为反应器设计提 供基础数据。
热力学
研究反应过程中的能量变化和物质平衡，为 反应器设计提供热力学依据。
化学反应工程课件-PPT
k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.
化学反应工程全套课件完整版ppt全册电子教案
04
动力学方程式
定量描述反应速
率与影响因素之
间的关系式。
反应速率与影响反应
速率的影响因素之
间的函数表达式
r f (T、c)
均相反应：本征动力学方程
非均相反应：宏观动力学方程
反应速率
定义:在反应系统中，某一物质在单位时间，单位反 应体系内的变化量。
变化量
反应速率
反应时间 （反应体系）
注意：
1、上述定义无论对反应物和产物均成立。
若为反应物则为消失速度 .
若为产物则为生成速度.
1 dnA
V dt
1 dni
ri
V dt
(rA )
反应速率
2、反应速率恒为正值
1 dni
ri
V dt
3、速度的表示形式和化学计量系数有关
对于 A A B B P P S S
05
工业指标
反 应 程 度
对于下列化学反应：
AA BB RR S S
初始：
某一时刻：
nA0
nA
nB0
nB
nR0
nR
ns0
ns
反应的量 nA- nA0 <0 nB- nB0 <0 nR- nR0＞0 nS- nS0＞0
其中 为化学计量系数。对反应物而言为“－”，对生成物而
I
言为“＋”。
3. 示踪剂必须是能用简便而又精
确的方法加以确定的物质
4.示踪剂尽量选用无毒、不燃、无
腐蚀、价格便宜的物质
示
踪
物
的
选
择
03
反应器流体流动
脉冲法
过 程：
在反应器中流体达到定态流动后，在极短的时间内将示踪物注入进料中，然后立刻
化学反应工程__第2章_理想反应器PPT课件
单位时间内
单位时间内
单位时间内
环境传给反 反应所放出 反应器内热
应器的热量
的热量
量的累积量
UA(Tm-T) (-△Hr)(-rA)V
d (Cv TV )
dt
UA(Tm-T) + (-△Hr)(-rA)V =
d (Cv TV )
dt
符号说明：
U----总括传热系数（KJ/m2.h.℃）；
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
2021年3月18日星期四
间歇式完全混合反应器
2021年3月18日星期四
特点： 反应器内各处温度始终相等，无需考虑反应器内的热
量传递问题 所有物料具有相同的反应时间
优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，
适用于小批量， 多品种，反应时间较长的产品生产 缺点：
2021年3月18日星期四
பைடு நூலகம்A VR
d VRcA
dt
VRcA nA nA0 1 xA
d VRcA
dt
nA0
dxA dt
rAVR
rA
nA0 VR
dxA dt
积分得：
t nA0
xA dxA 0 VR rA
cA0
xA 0
dxA rA
cA dcA
r cA0
A
——间歇完全混合反应器的设计方程
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
下等温操作，其反应速率方程如下：
2021年3月18日星期四
rA k1 cAcB cRcS K
100℃时：
k1 4.76104 l /mol min
化学反应工程 课件 619页PPT
34
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 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：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
• 化学反应动力学方程有多种形式，对于 均相反应，方程多数可以写为（或可以 近似写为，至少在一定浓度范围之内可 以写为）幂函数形式，反应速率与反应 物浓度的某一方次呈正比。
35
• 对于体系中只进行一个不可逆反应的过 程， a A b B rR sS
rA k cc A m c B n mm o 3 s l1
交换，全部反应热效应使物料升温或降 温。 • 3． 非等温、非绝热反应器，与外界有热 量交换，但不等温。
10
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
11
搅拌釜式反应器
12
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
13
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
14
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
对于非基元反应，m，n多数为实验测得
的经验值，可以是整数，小数，甚至是
负数。
38
• 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：
rAV 1ddntAkA cmcB n
• 直接积分，可获得化学反应动力学方程 的积分形式。
39
• 对一级不可逆反应，恒容过程，有：
rAdd ctAkA c
• 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-
3
• kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应 级数的不同有不同的因次。kc是温度的函 数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌 斯关系。
36
阿累尼乌斯关系
E
kc kc0e RT
• kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度 无关，具有和反应速率常数相同的因次。
ktlncA0 ln 1 cA 1xA
• 由上式可以看出，对于一级不可逆反应， 达到一定转化率所需要的时间与反应物 的初始浓度cA0无关。
工业化学反应过程.ppt
第四章 工业化学反应过程 及反应器
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
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
理想反应器
• 主要缺点∶设备利用率低， 劳动强度大，每批的操作条 件不易相同，不便自动控制。
2019/1/13
反应产物 反应物
反应时间
连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2019/1/13
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 • 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。
2019/1/13
理想反应器：流体的流动处于理想状况的 反应器。
特征：物料达到完全 混合，浓度、温度和 反应速度处处相等 特征:在与流动方向垂直的 截面上，各点的流速和流 向完全相同，就象活塞平推 一样，故又称“活塞流”或 “平推流” 注：工业生产中，搅拌良好 的釜式反应器可近似看成全 混流模型；长径比很大，流 速较高的管式反应器可看成 平推流模型
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。
2019/1/13
有关反应器操作的几个工程概念 由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成 不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停 留时间分布（RTD）。 年龄分布—仍然留在反应器中的质点的RTD 寿命分布—反应器出口处质点的RTD 返混
2019/1/13
反应产物 反应物
反应时间
连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2019/1/13
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 • 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。
2019/1/13
理想反应器：流体的流动处于理想状况的 反应器。
特征：物料达到完全 混合，浓度、温度和 反应速度处处相等 特征:在与流动方向垂直的 截面上，各点的流速和流 向完全相同，就象活塞平推 一样，故又称“活塞流”或 “平推流” 注：工业生产中，搅拌良好 的釜式反应器可近似看成全 混流模型；长径比很大，流 速较高的管式反应器可看成 平推流模型
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。
2019/1/13
有关反应器操作的几个工程概念 由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成 不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停 留时间分布（RTD）。 年龄分布—仍然留在反应器中的质点的RTD 寿命分布—反应器出口处质点的RTD 返混
理想化学反应器
温度效应
1 k e C 20
( E1 E 2) RT
P
k10
CA
• E1 E2 E1 E2 0 T
• E1 E2 E1 E2 0 T
E1 E2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E2
T
Chemical Reaction Engineering
工业操作：
k2
CAe
1 xAe
平衡温度和平衡转化率
xAe
1
K K
Teq
E2 R ln[ k20
E1 xA
]
k10 (1 xA )
xAe
1
k20
1 e( E1 E2 ) / RT
k10
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•工业过程受平衡的限制（热力学） •破坏平衡的措施：
①改变K—吸热，T , xAe 受材质限制； —放热，T , xAe 受动力学限制。
100 t 2=10 t 1 高级数时，反应时间消耗在反应后期 —二级重要特征
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4、CA0, x,（-rA）, t 的关系 n=120
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5、反应器体积计算
v0 单位生产时间所处理的物料量 tT 每批物料的操作时间=反应时间+辅助时间
或C A
C A0 1 CA0kt
转化率式
kt CA0 xA
或x A
kt C A0
kt ln 1 1 xA
或x A 1 ekt
C
A0
k
t
1
x
A
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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3.5.1 设计方程
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对器内微元容积dV进行物料衡算， 列出组份A的物料衡算式。 根据衡算的一般形式：
累积量 = 输入量 - 输出量
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单dV位的时A的间摩进尔入数的 单流位出时A的间摩从尔dV数 单微位元时A的间反在应dV量的
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流体在管内作平推流流动具有如 下两特征：
1）在与流动方向呈垂直的截面上 没有流速分布；
2）在流体流动的方向不存在流 体质点间的混和，即无返混现 象。
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因此，各质点具有相同的停留时
间 (t ) ，等于反应时间t。
对于非等分子反应，需要按变容过程 来考虑。
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膨胀因子：每反应掉一个摩尔的组分
A所引起反应物系总摩尔数的变化量。
即：
A
(n n0 )
n0 y A0 A
所以 n n0 (1 A y A0 A )
F F0 (1 A y A0 A ) F0 A FA0 A
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F，F0分别为物系反应后的摩尔流 率和起始摩尔流率， yA0为着眼组
分A的起始摩尔分率。
PV nRT
Pv0 FRT
导出v0 RT (F0 A FA0 A ) / P
t t 1 V
PdV
R 0 T (F0 A FA0 A )
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磺化反应工艺流程
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重油催化裂化(FCC)装置总图
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在催化裂化装置中反—再系统地反 应器为提升管反应器，它是基于平 推流的基础上建立起来的。自60年 代以来,提升管反应器由于其气固通 量大、气固接触效率高以及操作范 围宽等特点,在催化裂化工业中得到 了广泛的应用。然而,随着人们的研 究深入,其径向流动结构的严重非均 匀性和较大的气固返混也逐渐为人 们所认识。
16
上式若对于恒温、恒压过程，则有
PV
dV
t t
RT0 0 F0 AFA0 A
P V
dV
V
dV
RT0 0 F0 (1 A yA0 A ) 0 1 yA0 A A
在这些场合，空时和停留时间是不相 等的，使用时应加以区别。
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在80年代中期,国内外的一些著名的 石油公司如Stone&Webster和Mobil 等分别提出了超短接触下行床反应 器的概念。对于催化裂化等以中间 产物为目的产品的过程,由于下行床 能够实现气固超短接触并具有接近 平推流的流型,将可以获得比提升管 更高的产品收率,因而受到人们的普 遍关注,被誉为“21世纪取代提升管 的换代新技术”。
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但如果速率方程过于复杂，则往往
需要用数值积分或下图的图解法求 解方程。
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例3-5-1 应用管径为D=12.6cm的管式反 应器来进行一级不可逆的气体A的热分 解反应，其计量方程为A=R+S；速率方 程为 -rA=kCA；而k=7.8 × 109 exp [ -19220/T ]（s-1），原料为纯气体A， 反应压力P = 5 atm（5×0.101325MPa） 下恒压，T = 500 0C 恒温反应。 反 应过程中压力恒定，要求A的分解率达 到 0.9，原料气体的处理速率为FAO = 1.55 kmol / h，求所需反应器的管长 L、停留时间t、空时τ （理想气体）。
第三章 理想反应器
Ideal Reactor
3.5 平推流反应器
Piston Flowing Reactor
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SO3 Production Plant and Gas Treatment (Ballestra)
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{磺化反应器}本 装置是以连续多 管膜式反应器为 基础的磺化（硫 酸化）装置，此 装置以洗涤剂工 业中使用的所有 主要原材料生产 磺酸和活性物， 如：十二烷基苯、 直链烷基苯、醇 类、月桂醚、α烯烃等。
C A0 r CA0A Nhomakorabea t
CA0
xA dx A 0 rA
CA C A0
dC A rA
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恒容过程平推流与分批式完全混合 反应器设计方程完全一致，因此只 要反应是在等温下进行，第二章的 速率式都适用于平推流。
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对于变容过程，其反应速率方程中的 各个浓度需同时考虑因化学反应和容 积而改变造成的浓度变化。
0 FA0 0 rA
V V A d A
FA0 C A0v0 0 rA
CA0
xA dx A 0 rA
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恒容过程
xA
1
CA CA0
dxA
dC A CA0
V xA dxA 1 CA dCA
FA0 C A0 0 rA
u表示流体器内流速，L表示轴内距离
t t L dl V dV 0u 0 v
u u0
t t V
v0
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在整个过程中:
对于恒容反应过程平均停留时间，反 应时间和空时一致。 对于液相反应，均可视为恒容过程。
对气相反应，恒温，恒压等分子反 应上式也适用。
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解：反应气体的进料体积流速为：
v0
FA0 RT P
1.55 0.082 773 19.66(m3 / h) 5
反应流体在管内的体积流速为：
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FA (FA dFA ) (rA )dV dFA (rA )dV
dFA d FA0 (1 xA) FA0d A
FA0d A (rA )dV
平推流管式反应器的基础设计方程
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V dV A d A