第一章 反应器基本理论-1
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化学反应工程第一章
反应物吸附： 表面反应： 产物脱附：
A A R R
B B S S
A＋B R S
1.3 工程反应动力学及数学描述（6）
净反应速率：
rA k f c AcB kr cR cS k f (c AcB cR cS / K ) 其中： K k1 k2
将化学势与逸度的关系代入：
Ni l * ki ki 0 Gi RT ln pt n k 1 N i i 1
结合方程 元素原子平衡方程
1.3 工程反应动力学及数学描述（1）
反应动力学任务：研究反应速率及其影响因素。
1.化学反应速率的定义：(Reaction rate)
由Langmuir均匀吸附理论，吸附速率;
ji
11 21 l1
12 ... 1n N1 N 22 ... 2 n 2 N 0
l 2
... ln N n
若上述矩阵（原子矩阵）的秩为Rβ, 独立反应数等于n- Rβ
几个时间概念
• (3)空间时间τ 其定义为反应器有效容积 VR与流体特征体积流率V0之比值。即
VR V0
• 空间时间是一个人为规定的参量，它表 示处理在进口条件下一个反应器体积的 流体所需要的时间。 • 空间时间不是停留时间
几个时间概念 • (4)空间速度SV • 有空速和标准空速之分。空速的一般定 义为在单位时间内投入单位有效反应器 容积内的物料体积。即： S V0 h 1
第一章 化学反应体系的工程分析
工业反应器开发及反应器设计、操作、控制是以 特定反应体系特征为基础，获得反应器内适宜的 温度浓度分布，使反应器运行安全、高效、低耗。 化学反应体系特征： 1. 化学计量学( Stechiometry ) 2. 化学热力学(Chemical Thermodynamics )
(完整版)化学反应工程习题
化学反应工程习题第一部分：均相反应器基本理论1、试分别写出N 2+3H 2=2NH 3中用N2、H 2、NH 3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。
2、已知某化学计量式为S R B A 2121+=+的反应，其反应速率表达式为B AA C C r 5.02=，试求反应速率B r =？；若反应的化学计量式写成S R B A +=+22，则此时反应速率A r =？为什么？3、某气相反应在400 oK 时的反应速率方程式为221061.3AA P d dP -⨯=-τh kPa /，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为21AA A kC d dn V r =⨯-=τh l mol ./，该反应速率常数k 的数值、单位如何？4、在973 oK 和294.3×103Pa 恒压下发生下列反应：C 4H 10→2C 2H 4+H 2 。
反应开始时，系统中含丁烷为116kg ，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa /s 的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H 2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。
5、某溶液反应：A+B →C ，开始时A 与B 摩尔数相等，没有C ，1小时后A 的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A 尚有百分之几未反应掉？ （1）对A 为一级、B 为零级反应； （2）对A 、B 皆为一级反应； （3）对A 、B 皆为零级反应。
6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S已知原料组成为C A0 = 2 kmol/m 3，C B0 = 4 kmol/m 3，C R0 = C S0 = 0。
反应混合物体积的变化忽略不计。
反应一段时间后测得C A = 0 .3 kmol/m 3，C R = 1.5 kmol/m 3。
计算这时B 和S 的浓度，并确定A 的转化率、生成R 的选择性和收率。
反应器基本理论课件
反器基本理
• 反应器概述 • 反应器的基础理论 • 反应器的类型与选择 • 反应器的操作与优化
反器概述
01
反应器的定义和分类
分类
连续反应器（Continuous Reactor）：反应物以稳定流速连 续加入，产物也连续流出。
定义：反应器是一种用于进行化 学反应的设备或系统，通过控制 反应条件来促进化学反应的进行， 并获取所需的产物。
批式反应器（Batch Reactor）： 反应物一次性加入，反应完成后 产物一次性取出。
半连续反应器（Semi-Batch Reactor）：反应物一部分连续加 入，一部分批次加入。
反应器在化工流程中的地位
01
02
03
核心设备
反应器是化工流程中的核 心设备之一，直接影响产 品质量和生产效率。
反应条件控制
评估指标
评估反应器性能的主要指标包括反应器的转化率、选择性、产率等。此外，还需关注反应器的能耗、设备寿命、 操作稳定性等方面的指标。在实际应用中，需根据具体反应体系和需求，综合权衡各方面因素，选择最适合的反 应器类型和设计参数。
04
反器的操作
化
反应器的稳态操作
稳态操作定义
指的是反应器在连续、稳 定的状态下进行操作，各 参数不随时间变化。
适用场景
非均相反应器适用于涉及固-液、固气等反应体系的反应过程，如催化裂 化、气体吸附等。
反应器的选择与评估
选择因素
在选择反应器时，需要考虑反应物的性质、反应条件、产物要求等因素。例如，对于快速反应，宜选择均相反应 器；对于慢反应，宜选择非均相反应器。同时，还需考虑反应器的传热、传质性能，设备的投资与运行成本等因 素。
非理想流动模型
分析实际反应器中可能出现的非理想流动现象，如返混、死区等， 以及这些现象对反应器性能的影响。
• 反应器概述 • 反应器的基础理论 • 反应器的类型与选择 • 反应器的操作与优化
反器概述
01
反应器的定义和分类
分类
连续反应器（Continuous Reactor）：反应物以稳定流速连 续加入，产物也连续流出。
定义：反应器是一种用于进行化 学反应的设备或系统，通过控制 反应条件来促进化学反应的进行， 并获取所需的产物。
批式反应器（Batch Reactor）： 反应物一次性加入，反应完成后 产物一次性取出。
半连续反应器（Semi-Batch Reactor）：反应物一部分连续加 入，一部分批次加入。
反应器在化工流程中的地位
01
02
03
核心设备
反应器是化工流程中的核 心设备之一，直接影响产 品质量和生产效率。
反应条件控制
评估指标
评估反应器性能的主要指标包括反应器的转化率、选择性、产率等。此外，还需关注反应器的能耗、设备寿命、 操作稳定性等方面的指标。在实际应用中，需根据具体反应体系和需求，综合权衡各方面因素，选择最适合的反 应器类型和设计参数。
04
反器的操作
化
反应器的稳态操作
稳态操作定义
指的是反应器在连续、稳 定的状态下进行操作，各 参数不随时间变化。
适用场景
非均相反应器适用于涉及固-液、固气等反应体系的反应过程，如催化裂 化、气体吸附等。
反应器的选择与评估
选择因素
在选择反应器时，需要考虑反应物的性质、反应条件、产物要求等因素。例如，对于快速反应，宜选择均相反应 器；对于慢反应，宜选择非均相反应器。同时，还需考虑反应器的传热、传质性能，设备的投资与运行成本等因 素。
非理想流动模型
分析实际反应器中可能出现的非理想流动现象，如返混、死区等， 以及这些现象对反应器性能的影响。
制药工程与设备-PPT课件
数据2：
抗生素质量百分含量为1～3％；酶为 0.1～0.5％；单克隆抗体不超过0.0001％。
第一篇 反应过程与设备
前言
反应器的重要性：核心设备，其结构、操作方式、 操作条件影响转化率、质量、成本等。
反应动力学是反应工程学的基础理论之一，主要研究 化学反应过程的速率及其影响因素。它包括两方面内容： 第一是本征动力学（微观动力学）；第二是宏观动力学 （反应器动力学）。
连续管式反应器的基础设计式
τ
Vt v0
CA0
dx xAf
A
0 ( rA )
在等容过程中，对在相同的反应条件下（即k相同）的同
一反应，达到相同的转化率，理想连续管式反应器中需要的停
留时间与间歇釜中需要的反应时间是相同的，所以，可以用间
歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。
对于连续管式反应器的基础设计式
如，对于一级反应有
( rA ) kCA
代入积分有
kCA0 (10 (1 xA )
11 ln
k 1 xA
讨论
nA0 V
xA dx A 0 (rA )
CA0
xA dx A 0 (rA )
从上式可以看出只要起始浓度相同，达到一定转化率所 需的反应时间，只取决于反应速度，而与处理量无关，所 以在进行间歇釜式反应器的放大时，只要保证放大后的反 应速度与小试时相同，就可以实现高倍数放大。
受温度的影响不显著，可以近似看成与温度无关。
二、间歇釜式反应器 1． 等温操作的反应时间 微元时间内反应掉组分A的摩尔数＝微元时间内组分A减少的摩尔数
( rA )Vd
dnA
dnA
nA0dxA
(rA )Vd nA0dxA
抗生素质量百分含量为1～3％；酶为 0.1～0.5％；单克隆抗体不超过0.0001％。
第一篇 反应过程与设备
前言
反应器的重要性：核心设备，其结构、操作方式、 操作条件影响转化率、质量、成本等。
反应动力学是反应工程学的基础理论之一，主要研究 化学反应过程的速率及其影响因素。它包括两方面内容： 第一是本征动力学（微观动力学）；第二是宏观动力学 （反应器动力学）。
连续管式反应器的基础设计式
τ
Vt v0
CA0
dx xAf
A
0 ( rA )
在等容过程中，对在相同的反应条件下（即k相同）的同
一反应，达到相同的转化率，理想连续管式反应器中需要的停
留时间与间歇釜中需要的反应时间是相同的，所以，可以用间
歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。
对于连续管式反应器的基础设计式
如，对于一级反应有
( rA ) kCA
代入积分有
kCA0 (10 (1 xA )
11 ln
k 1 xA
讨论
nA0 V
xA dx A 0 (rA )
CA0
xA dx A 0 (rA )
从上式可以看出只要起始浓度相同，达到一定转化率所 需的反应时间，只取决于反应速度，而与处理量无关，所 以在进行间歇釜式反应器的放大时，只要保证放大后的反 应速度与小试时相同，就可以实现高倍数放大。
受温度的影响不显著，可以近似看成与温度无关。
二、间歇釜式反应器 1． 等温操作的反应时间 微元时间内反应掉组分A的摩尔数＝微元时间内组分A减少的摩尔数
( rA )Vd
dnA
dnA
nA0dxA
(rA )Vd nA0dxA
化学反应过程第一章(1)
全混流模型
2021/1/9
平推流模型
有关反应器操作的几个工程概念 ➢ 流体的质点或粒子（微元）
代表一堆分子所组成的流体，它的体积比 反应器的体积小到可以忽略，但其中所包 含的分子足够多，具有确切的统计平均性 质，如组成、温度、压力、流速； ➢ 停留时间（Retention time） 指连续操作中一物料“微元”从反应器 入口到出口经历的实际时间。
• 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。
2021/1/9
半间歇操作/半连续操作
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。
2021/1/9
（三）按反应器结构类型分类
型式
适用的反应
特征
釜（槽）式，一级 液相，液-液相，液-固相，气- 适用性大，操作弹性大。连续操作时温度、
或多级串联
液相，气-液-固三相
浓度易控制，返混严重。
均相管式
气相，液相
比传热面大，长径比很大，压降大，近平 推流。
固定床
气-固相催化（绝热式或连续换 催化剂不易磨损，但装卸难，传热控温不
一. 化学反应的分类 （1）按反应的化学特性分类 （2）按化学反应单元的分类
制药工程原理与设备-02反应器基本理论1
6
第二节 等温等容过程的计算 •
1 dnA 一、反应速 ( rA ) V d 率 nA0 nA xA nA0
• 转化率
nA nA0 (1 x A ) dnA nA0 dx A dxA 1 nA0 dxA (rA ) C A0 V d d
7
如：Ａ→Ｒ
• 边界条件: VR= 0 XA = 0 dVR dx A VR=VR XA=XA 0 FA ( rA )
dFA FA0 dxA
16
dVR dx A FA0 (rA )
x A dx VR A 0 (r ) FA0 A
VR
0
dVR FA0
xA
0
dx A ( rA )
③ n=2时 二级反应
2 (rA ) kC A0 (1 x A ) 2
C A0
xA
0
dxA xA 1 xA dxA 1 2 2 0 (1 xA )2 kC A0 1 xA kC A0 (1 x A ) kC A0
12
作业：
推导：对于n级反应，A初始浓度为CA0 ，反应速率方程： 推导反应转化率xA为时，反应釜内反应时间τ的表达式： τ＝f (xA，n，k，CA0)
整 x 理： x
Ai
1 xAi 1
2
1 1 xAi 1
1 xAi 1 1 xAi 1 xAi 1 xAi 1 x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1
1 xAi 1 1 xAi 1 1 1 xAi 1 xAi 1
• 选择性
s 生成目的产物所消耗的关键组分的量 已转化的关键组分的量
第一二章 化学反应工程基础
结构型式
适用的相态
应用举例
反应釜（包括 液相、气-液相、液-液 苯的硝化、氯乙烯聚合、高压聚乙烯、
多釜串联）
相、液-固相
顺丁橡胶聚合等
管式 鼓泡塔
气相、液相
石油裂解、甲基丁炔醇合成、高压聚乙 烯等
气-液相、气-液-固（催 硫酸的生产、苯的烷基化、二甲苯氧化、
化剂）相
乙烯基乙炔合成等
固定床
气-固（催化或非催化） 二氧化硫氧化、氨合成、乙炔法制氯乙
• 由于反应过程中反应物料的浓度随时间不断 变化，所以间歇反应是不稳定过程。这类反 应器通常是使用釜式反应器。
• 间歇反应器能用一釜进行多品种的生产， 操作灵活性与弹性大，投资小，适用于小 规模多品种的生产过程。
• 但间歇反应器操作需要较多的辅助时间(投、 出料，清洗、升温等)，所以设备的利用率 低，产品质量不易均匀，特别在聚合物生 产时会使聚合产物的聚合度及其分布发生 变化，影响产品的性能。
第二章 化学反应工程基础
第一节 化学反应和反应器分类
第一节 化学反应和反应器分类
一、化学反应的分类 二、反应器的分类 三、连续反应器内流体流动的两种理想型态
一、 化学反应的分类
• 按化学反应的特性分类 • 按反应物料的相态分类 • 按反应过程进行的条件分类
（1）按化学反应的特性分类
反应机理
简单反应、复 杂反应
3. 一级可逆反应
三 复合反应动力学方程式
• 复合反应是有几个反应同时进行，要用几 个动力学方程式来描述。
• 常见的复合反应有平行反应、连串反应、 平行连串反应。
1. 平行反应
2. 连串反应
由上图可以看出，A的浓度呈指数下降，S的浓度随反应 时间呈连续上升形状，而R的浓度随时间上升到一个最大 值后再下降。将式2-32对t微分，就可以求出tmax
生物制药设备与车间设计PPT课件
ppt精选版
生物反应器
• 生物反应器是生化反应发生的场所，是整 个生化工程的关键设备。
• 生物反应器是为特定的细胞或酶提供适宜 增殖或进行特定生化反应环境的设备。
• 生物反应器设计和放大是一个非常复杂的 问题。
ppt精选版
• 培养基灭菌设备 • 为生物反应提供无菌的培养基
• 空气除菌设备 • 为生物反应提供无菌空气
年龄分布与寿命分布
• 年龄分布：从进入反应器的瞬间开始算年 龄，不同年龄的物料粒子混在一起，形成 一定分布，称为年龄分布。
• 寿命分布：在出口物料中，不同寿命的粒 子混在一起，形成一定的分布，称为寿命 分布。
ppt精选版
返混
• 返混：不同年龄的物料粒子混在一起的现 象称为返混。
• 间歇反应器内不存在返混现象，返混是连 续操作反应器中特有的现象。
ppt精选版
生物催化剂
反应条件控制
空气
生物反应器
底物、培养基
检测控制
ppt精选版
产品
成品加工
副产品 回收
废物
无害处理
15
三、生物制药设备
• 大致可分为三类 • 一、生物反应核心设备：生物反应器 • 二、生物反应准备设备：培养基灭菌设备、
空气除菌设备 • 三、生物反应下游加工设备：生物药物分
离纯化设备
• 适合药品生产规模小，品种多，原料与工艺条件 多样的特点。
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连续操作的搅拌釜
• 釜内装有强烈搅拌器，反应器内各点温度、浓度 均匀一致，物料随进随出，连续流动，出口物料 中反应物浓度与釜内反应物浓度相同。
ppt精选版
连续操作的管式反应器
• 从反应器一端加入反应 物，从另一段引出产物， 反应物沿流动方向前进。
生物反应器
• 生物反应器是生化反应发生的场所，是整 个生化工程的关键设备。
• 生物反应器是为特定的细胞或酶提供适宜 增殖或进行特定生化反应环境的设备。
• 生物反应器设计和放大是一个非常复杂的 问题。
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• 培养基灭菌设备 • 为生物反应提供无菌的培养基
• 空气除菌设备 • 为生物反应提供无菌空气
年龄分布与寿命分布
• 年龄分布：从进入反应器的瞬间开始算年 龄，不同年龄的物料粒子混在一起，形成 一定分布，称为年龄分布。
• 寿命分布：在出口物料中，不同寿命的粒 子混在一起，形成一定的分布，称为寿命 分布。
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返混
• 返混：不同年龄的物料粒子混在一起的现 象称为返混。
• 间歇反应器内不存在返混现象，返混是连 续操作反应器中特有的现象。
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生物催化剂
反应条件控制
空气
生物反应器
底物、培养基
检测控制
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产品
成品加工
副产品 回收
废物
无害处理
15
三、生物制药设备
• 大致可分为三类 • 一、生物反应核心设备：生物反应器 • 二、生物反应准备设备：培养基灭菌设备、
空气除菌设备 • 三、生物反应下游加工设备：生物药物分
离纯化设备
• 适合药品生产规模小，品种多，原料与工艺条件 多样的特点。
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连续操作的搅拌釜
• 釜内装有强烈搅拌器，反应器内各点温度、浓度 均匀一致，物料随进随出，连续流动，出口物料 中反应物浓度与釜内反应物浓度相同。
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连续操作的管式反应器
• 从反应器一端加入反应 物，从另一段引出产物， 反应物沿流动方向前进。
第一章_生物反应器.
细胞的培养和代谢还是一个复杂的群体的生命 活动，通常每毫升培养液中含104-108个细胞。 而且，像任何有生命的东西一样，细胞也经历 着新生、成长、成熟直至衰老的过程，在其生 命的循环中，也存在退化与变异的问题。
细胞群体进行简化假设
是否考虑细胞内部复杂的结构
是否考非理想流动 两种理想流动模式
①全混式，即反应器内各点浓度及其它条件均一。
②活塞流式，即反应器内物质沿一定方向流动， 完全没有反向混合。
实际反应装置常常介于两者之间。
⑸细胞生长的特点及细胞群体的描述
细胞的生长、代谢是一个复杂的生物化学过程 与一般的化学过程不同，这个反应体系的特点 是，它是一种多相、多组分、非线性的体系。
二、细胞浓度及其测量
细胞浓度在培养过程中是一个十分重要的参数。
在定量研究生物反应之前，首先需要说明微生 物的浓度即菌体浓度的表示方法。 （g/l, kg/m3)
直接测定法
细胞干重法：测量细胞浓度的最基本方法。 显微计数法：显微镜和血球计数器。 平板计数法：生理盐水稀释，记录菌斑。 浊度法：波长600-700nm范围测量。
化学工程还包括下面几个重要的内容
1、流体的输送及混合。核心问题是流体之间动量 的传递、机械能的转化。 2、热量的传递。生物反应器要考虑发酵热的传 出以及发酵罐温度的控制。 3、物质的传递。生物反应器内进行着各种物质 传递过程，这些传递过程的强度主要由浓度差 以及扩散的面积决定。
第二节 细胞生长及代谢过程动力学
如何使细胞生长的更快更好？
一、好的细胞株系 二、良好的环境条件
1、良好的物理环境：最主要的有温度、pH、溶氧量、合 适的混合强度以保证细胞与营养物的接触及细胞的悬 浮等。 2、合适的化学环境：要求有合适的各种营养物的浓度， 并限制各种妨碍生长代谢的有毒物质的浓度。
化学反应工程第一章
4 反应器的类型
釜式反应器
管式反应器
固定床反应器
流化床反应器
Agitating tank reactor
气液相反应器
Plug flow reactor
Packed bed reactor
Packed bed reactor
Packed bed reactor
Fluidized bed reactor
反应前后物料组成
组分 反应前 % 反应后 % 组分 反应前 % 反应后 %
正丁烷
正丁烯 丁二烯 异丁烷 异丁烯
0.63
7.05 0.06 0.50 0.13
0.61
1.70 4.45 0.48 0
氧气
氮气 水蒸气
7.17
27.0 57.44 -
0.64
26.10 62.07 1.20 1.80
CO2
ISCRE 1
ISCRE 2 ISCRE 3 ISCRE 4 ISCRE 5
Washington
Amsterdam Evanston Heidelberg Houston
USA
Netherlands USA Germany USA
1970
1972 1974 1976 1978
ACS/AIChE
EFChE ACS/AIChE EFChE ACS/AIChE
各因素（T, P, c）的变化规律 最佳工况
化学反应速率：r=f(T,P,C…)
1.2.2 反应工程的研究方法
科学研究的两种主要方法： 1.经验归纳法
2.数学模型法(演绎法)
林语堂在“论东西思想法之不同”:总而
言之，中国重实践，西方重推理。中国重近
情，西人重逻辑。中国哲学重立身安命，西 人重客观的了解与剖析。西人重分析，中国 重直感。西洋人重求知，求客观的真理。中 国人重求道，求可行之道。这些都是基于思
第一章 石油化工静设备反应器
第一章反应设备石油化工过程可分为传递过程（能量传递，热量传递，质量传递的物理过程）和化学反应过程。
完成化学反应的设备统称为反应设备。
在许多石油化工工业过程中，都是在对原料进行若干物理过程处理后，再按一定的要求进行化学反应以得到最终的产品。
.石油化工中三大合成材料的生产中诸如聚合、加氢、裂解、重整等化学反应过程则更为普遍。
因此，反应设备在石油化工设备中是非常重要的。
常用的反应设备按结构划分有管式反应器、固定床反应器、流化床反应器和搅拌反应器；也有按反应器的功能划分有加氢反应器、重整反应器、催化裂化反应―再生系统等。
1.1 加氢反应器加氢反应器是各种加氢工艺过程的关键设备，种类非常繁多，为便于比较、评价和统计，1995年API经调研后重新将加氢过程划分为加氢处理、加氢精制和加氢裂化三大类。
加氢处理一一系指进料分子基本在反应中无变化，目的在于使烯烃饱和及去除硫的过程。
加氢精制一一系指过程在反应中，有少于10%原料油分子降低分子量的过程。
加氢裂化――系指过程反应中，有≥10%原料油分子转化为小分子的过程。
1.1.1 加氢反应器的分类1、按工艺过程的特点分类依据催化加氢过程进料原料油性质的不同，相应地所采用的工艺流程和催化剂是不相同的，其反应器形式也不同，一般有表1-1-1所列的三种类型。
表1-1-1加氢反应器类型序号反应器类型示意图例反应器特点适用场合1 固定床反应器见图1-1-1 此反应器床层内的固体催化剂是处于静止状态。
它的最大优点是催化剂不易磨损，而且当在催化剂不失去活性情况下，可以长周期使用主要用于加工固体杂质、油溶性金属有机化合物含量较少的馏分油2 移动床反应器见图1-1-2 此反应器在生产过程中催化剂可以连续或间断地移动加人或卸出主要用于加工含有较高金属有机化合物和沥青质的渣油原料场合，以避免容易在催化加工中迅速引起床层堵塞和使催化剂失活的问题当今，在各种加氢装置中，仍以固定床反应器使用最多。
化学反应工程第1章
进行运算，如将各相移至等号的同一侧。
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
反应进行到某时刻，体系中各组分的
摩尔数与反应程度的关系为：
nI nI0 I
4. 转化率
目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述
一个化学反应进行的程度。
⑴ 定义：
转化了的A组分量 nA 0 nA xA A组分的起始量 nA0
⑵ 组分A的选取原则 A必须是反应物，它在原料中的量按照化 学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学 平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到 100%，如果体系中有多于一个组份满足上述要 求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的 组分定义转化率。
应速率方程为：
dcA m n n cA rA kcB cA k dt
将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系
t/hr cA cA0-cA
cA ln c A0
0 0.07298 0.1245 0.1707 0.2160 0.2630 0.3030 0.3470 0.3820
①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中
各位置的物料温度、浓度都相同；
②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有 加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不 存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象； ③出料组成与反应器内物料的最终组成相同； ④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周 期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
反应进行到某时刻，体系中各组分的
摩尔数与反应程度的关系为：
nI nI0 I
4. 转化率
目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述
一个化学反应进行的程度。
⑴ 定义：
转化了的A组分量 nA 0 nA xA A组分的起始量 nA0
⑵ 组分A的选取原则 A必须是反应物，它在原料中的量按照化 学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学 平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到 100%，如果体系中有多于一个组份满足上述要 求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的 组分定义转化率。
应速率方程为：
dcA m n n cA rA kcB cA k dt
将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系
t/hr cA cA0-cA
cA ln c A0
0 0.07298 0.1245 0.1707 0.2160 0.2630 0.3030 0.3470 0.3820
①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中
各位置的物料温度、浓度都相同；
②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有 加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不 存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象； ③出料组成与反应器内物料的最终组成相同； ④为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周 期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、
化学反应工程-第一章_绪论解析
11
发展简史
第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝 酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出 现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。
20世纪初，英国的Davis,美
Walker,Lewis等提出了“化学工 程”的概念，发展成为以“单元 操作” （unit operations）为基 本研究内容的化学工程学。 Fritz Haber (1868 - 1934)
12
发展简史
第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线， 技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天 然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应 用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努 力。 从动量传递、热量传递质量传递的角度深入研究化工生 产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来 研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为
环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等 工业部门。
PI的特点：原料产品、加工过程、增加产量
10
发展简史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是 化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。 实用化学 炼丹和炼金
冶金化学
医药化学 生产硫酸
新的分支
集总方法 聚合反应工程 电化学反应工程 生化反应工程 冶金化学反应工程
17
化学反应工程的研究内容
以工业规模进行的化学反应的规律。 化学动力学——研究浓度和温度对反 应速度的影响的科学。 （1）影响反应速度的各种因素以及如
何获得最优的反应结果等问题。
（2）化学反应的速度和平衡的规律。
大庆炼化
学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；
发展简史
第二阶段：近代化学工业从十八世纪末开始，以硫酸，硝 酸，纯碱的工业规模的生产过程为开端，至20世纪初，出 现了载入化工发展史册的合成氨的工业生产。
20世纪初，英国的Davis,美
Walker,Lewis等提出了“化学工 程”的概念，发展成为以“单元 操作” （unit operations）为基 本研究内容的化学工程学。 Fritz Haber (1868 - 1934)
12
发展简史
第三阶段：现代化学工业（二战前后），在原料路线， 技术和设备方面都有巨大的变化和进步，在以石油和天 然气为主要原料的化学工业中，各种催化反应被广泛应 用，这就要求在反应技术和反应器设计方面作出重大努 力。 从动量传递、热量传递质量传递的角度深入研究化工生 产的物理变化过程，以及从“化学反应工程”的角度来 研究化工生产的化学过程。从而使化学工程学科上升为
环保工业、建材、印染、生物技术、医药、食品、造纸等 工业部门。
PI的特点：原料产品、加工过程、增加产量
10
发展简史
第一阶段：古代的化学生产（17世纪以前） 古代化学具有实用和经验的特点，尚未形成理论体系、是 化学的萌芽时期；尚未形成有规模的化学加工实践。 实用化学 炼丹和炼金
冶金化学
医药化学 生产硫酸
新的分支
集总方法 聚合反应工程 电化学反应工程 生化反应工程 冶金化学反应工程
17
化学反应工程的研究内容
以工业规模进行的化学反应的规律。 化学动力学——研究浓度和温度对反 应速度的影响的科学。 （1）影响反应速度的各种因素以及如
何获得最优的反应结果等问题。
（2）化学反应的速度和平衡的规律。
大庆炼化
学反应过程的开发和反应器的可靠设计提出迫切要求；
反应器一(绪论+釜式)
6、安全装置:安全阀和爆破膜
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
釜式反应器的壳体结构包括：
筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
1、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
釜式反应器的壳体结构包括：
筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
1、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
反应器原理
反应器原理
反应器是一个用于进行化学反应的设备。
它通常由一个密封的容器和一系列的反应物、催化剂、溶剂或助剂组成。
在反应过程中，反应物会发生化学变化，生成新的物质。
反应器的工作原理基于反应物分子之间的相互作用。
当反应物加入反应器中后，它们会与其他反应物分子发生碰撞。
这些碰撞会导致反应物分子之间的化学键断裂和形成，并且在一定能量的作用下，新的化学物质会被生成。
反应器中的反应速率是一个重要的参数。
它通常取决于反应物浓度、温度、反应物质性质和反应的压力等因素。
当反应速率较高时，反应器需要能够有效地调节温度和压力，以避免过高的反应速率导致压力过大或产生副反应。
不同类型的反应器根据其结构和功能可分为多种不同的类型。
例如，批处理反应器适用于小型实验室或工业生产中的小规模反应。
连续流动反应器则适用于大规模生产，其反应物会连续地输入和输出。
其他类型的反应器包括循环床反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
在设计反应器时，需要考虑多种因素，如反应物的理化性质、反应速率、传热和传质效果等。
合理的反应器设计可以提高反应效率、减少能源消耗，并确保反应安全进行。
此外，反应器的操作也需要控制温度、压力、搅拌速度和物料进出等参数，以维持反应的稳定性和一致性。
总之，反应器是化学反应的核心设备，通过调控反应物分子之间的相互作用，实现所需的化学转化。
通过合理的反应器设计和操作，可以提高反应效率和产品质量，并确保反应过程的安全性。
反应器基础知识 第一讲
锻焊结构 ： 反应器的筒节经过由锻坯 墩粗、拔长、墩粗、冲孔的锻 造加工过程，筒节上没有纵向 焊缝，这种结构称为锻焊结构 如右图。 这种结构可适用于高温高 压场合，对提高反应器耐周向 应力的可靠性有利，焊后检测 较为容易，一般适用于壁厚大 于150mm的场合，最大厚度 480mm。
板焊结构 ： 反应器的筒节由钢板卷 曲后焊接而成，这种结构称 为板焊结构，如右图。 这种结构也适用于高温 高压场合，但筒节上有纵、 环向焊缝，焊缝多，工作量 大，钢板内特性难以保证， 不如锻件筒节。最大厚度 300mm。
出口收集器 用于支承下部的催化剂床层，以减轻床层 的压降和改善反应物料的分配。
加氢反应器结构上的改进
（1）催化剂支承结构
（2）法兰密封结构
（3）反应器支承结构
（4）反应器裙座连接结构
（5）反应器外部附件 连接结构 保温支撑圈多采用 现在流行的不直接 焊于反应器外部而 是披挂其上的鼠笼 式结构。当附件非 与反应器壁相焊不 可时，应尽量使其 焊透。
制造加氢反应器的常用材料 制造加氢反应器的常用材料一般为Cr-Mo钢系， 因为这些钢材既具有优良的抗高温氢腐蚀性能， 又有良好的短时和长时高温力学性能。根据不同 的温度和压力，一般都选用 1Cr-0.5Mo； 1.25Cr-0.5Mo； 2.25Cr-1Mo； 2.25Cr-1Mo 0.25V； 3Cr-1Mo 0.25V；
要防止回火脆性破坏现象的出现，就要从 以下几点考虑：
1、尽量减少钢中P、Sb、Sn、As等杂质元素的含量； 2、采用真空碳脱氧（VCD）的冶炼工艺，将Si的含量降低； 3、对回火脆化敏感性系数（J系数和X系数）推荐按下面的值控 制： J系数 =（Si + Mn）（P + Sn）×104 ≤100% (仅用于母材 X系数 =（10P + 5Sb + 4Sn + As）×10-2 ≤ 15×10-6 ； 4、控制脆化处理后的韧性指标； 5、制造中应选择合适的热处理工艺，使钢材既能满足规定的力 学要求，又具有优越的抗回火脆性性能这一综合指标； 6、采用热态的开停工方案，开工时先升温、后升压，停工时先 降压、后降温； 7、采用合适的开停工升降温速度，建议温度小于150℃时，升 温速度不超过25℃/h为宜。
1-均相反应动力学和理想反应器
(a) A (b) B ... rR sS ... 0
A A B B ... R R S S ... I I 0
I组分的计量系数
化学计量方程特点：
1）只表示反应过程中参与反应组分间量的变化关 系，与反应的历程无关；
2）将计量方程乘以非零常数以后，可得到一个新 的计量方程 I I 0 ，不会改变组分之间量的 变化关系；为了消除计量系数在数值上的这种不 确定性，规定计量系数之间不应含有除1以外的任 何公因子。
n A n A0 nB nB 0 nR nR 0 nS nS 0 0 A ( 0) B ( 0) R ( 0) S ( 0)
( 0 )
( 0 )
( 0 )
( 0 )
n A n A0 A ( 0)
( 0 )
n nB 0 B B ( 0)
k k0 e
E RT
活化能与反应热
•活化能：将反应分子激发到可进行反应的“活化状态”所需要的能量。
活化能的物理意义：
k k0 e
E RT
dk E dk dT E k ( ) /( ) dT RT 2 k T RT
活化能反应了温度对反应速率常数的影响程度。
k k0 e
第一章 均相单一反应动力学和理想反应器
[学习目的]
Chapter 1 Chemical Kinetics of Homogenous Reactions & Ideal Reactor
了解反应程度、转化率、化学反应速率、化学动力学方程等基本知识；
了解反应器设计的基本概念及基础方程； 了解理想反应器在非等温条件下的设计、组合；
并按单一反应过程求得各自的动力学方程； 2）求和:在复合反应系统中，某一组分对化学反 应的贡献通常用该组分的生成速率来表示。当该 组分同时参与若干个单一反应时，该组分的生成 速率应该是其在各个单一反应中的生成速率之和。
A A B B ... R R S S ... I I 0
I组分的计量系数
化学计量方程特点：
1）只表示反应过程中参与反应组分间量的变化关 系，与反应的历程无关；
2）将计量方程乘以非零常数以后，可得到一个新 的计量方程 I I 0 ，不会改变组分之间量的 变化关系；为了消除计量系数在数值上的这种不 确定性，规定计量系数之间不应含有除1以外的任 何公因子。
n A n A0 nB nB 0 nR nR 0 nS nS 0 0 A ( 0) B ( 0) R ( 0) S ( 0)
( 0 )
( 0 )
( 0 )
( 0 )
n A n A0 A ( 0)
( 0 )
n nB 0 B B ( 0)
k k0 e
E RT
活化能与反应热
•活化能：将反应分子激发到可进行反应的“活化状态”所需要的能量。
活化能的物理意义：
k k0 e
E RT
dk E dk dT E k ( ) /( ) dT RT 2 k T RT
活化能反应了温度对反应速率常数的影响程度。
k k0 e
第一章 均相单一反应动力学和理想反应器
[学习目的]
Chapter 1 Chemical Kinetics of Homogenous Reactions & Ideal Reactor
了解反应程度、转化率、化学反应速率、化学动力学方程等基本知识；
了解反应器设计的基本概念及基础方程； 了解理想反应器在非等温条件下的设计、组合；
并按单一反应过程求得各自的动力学方程； 2）求和:在复合反应系统中，某一组分对化学反 应的贡献通常用该组分的生成速率来表示。当该 组分同时参与若干个单一反应时，该组分的生成 速率应该是其在各个单一反应中的生成速率之和。
化学反应工程(第二版)第1章
反应程度（反应进度）
• 引入“反应程度”来描述反应进行的深 度。 • 对于任一化学反应 aA bB rR sS 0
nI nI0
• 定义反应程度 • 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I 的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始17 时刻组分I的摩尔数。
I
• 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度的 度量。 • ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 • 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩尔数 与反应程度的关系为：
nI nI0 I
18
转化率
• 目前普遍使用关键(着眼)组分A的转化率 来描述一个化学反应进行的程度。 • 定义
xA 转化了的A组分量 A组分的起始量 nA0 nA nA0
19
组分A的选取原则
• A必须是反应物，它在原料中的量按照化学 计量方程计算应当可以完全反应掉（与化 学平衡无关），即转化率的最大值应当可 以达到100%，如果体系中有多于一个组份 满足上述要求，通常选取重点关注的、经 济价值相对高的组分定义转化率。
的独立变量数也就是
i= 1
反应体系的关键组分数。因为每个独立反应均可选定一个关键组分，所以关键组 分数和独立反应数相等，均为n- R b 。
14
CO2 H2O H2 CH4 CO N2
H C O N
H2 CO2 H2O N2 CH4
CO
15
ˊ ˊ
H2 CO2 H2O N2 CH4 CO
N
O
16
H C
骣 4 ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 ç ç ç ç 0 桫 - 5 2 5 - 1 1 - 2 4 - 4 - 10 - 2 - 2 0 6 0 0 0 0 0 0 2 5 0 1 - 1 0÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 2÷ ÷ ÷ ÷ 0÷ ÷ ÷ ÷ 2÷
第1章 思考题、习题
第一章反应器基本理论一、思考题1、为什么说间歇釜是药厂最常见的反应设备？2、间歇反应釜的操作特点是什么？3、管式反应器的操作特点是什么？4、连续反应釜的操作特点是什么？5、在停留时间分布中，年龄分布与寿命分布的区别？6、产生返混的原因是什么？7、返混对化学反应的影响？8、理想反应器有哪几种？9、均相反应速度及其表达式？10、间歇釜式反应器的基础设计式？11、为什么利用小试实验数据，可以进行反应釜的放大设计？12、反应器的有效容积V R由哪二部分组成的？13、平推流反应器的基础设计式？14、利用间歇反应器中的数据，能否进行管式反应器的设计与放大？15、全混釜的基础设计式？16、多釜串联反应器的浓度变化折线图？17、多釜串联反应器的基础设计式？18、在简单反应中，反应器型式选择的几条常用原则？19、在平行反应中，反应器的型式和操作方式的选择依据是什么？20、在连串反应中，反应器的型式和操作方式的选择依据是什么？21、停留时间分布密度函数与分布函数的区别与关系？22、平均停留时间和方差的计算？23、无因次时间表示的停留时间分布及其与停留时间分布的关系？24、脉冲法测定停留时间分布的基本原理？25、阶跃法测定停留时间分布的基本原理？26、在平推流模型中，E(τ)和F(τ)的特征如何？27、在全混流模型中，当阶跃法进料量，E(τ)和F(τ)的特征如何？28、如何采用多釜串联模型来判断实际的流动状态？二、习题1．试证明：在间歇釜中进行一级反应，转化率为99.9％所需的反应时间是转化率为50％时所需反应时间的10倍。
2．在间歇釜中以硫酸作催化剂、使己二酸与己二醇以等摩尔比、在70℃下进行缩聚反应，动力学方程式为(-r A ) = k · C A2其中：k =1.97 L / (kmol · min)，C A0 = 0.004 kmol / L。
求己二酸的转化率为0.5、0.6、0.8及0.9时所需的反应时间分别为多少？若每天处理己二酸2400 Kg，转化率为80％，每批操作的辅助时间为l h，装料系数加0.75，求反应器的容积为多少？答：126.9、190.4、507.6、1142.1 min；2157 L3．用醋酸和丁醇生产醋酸丁酯，反应式为OCH3COOH + C4H9OH CH3COOC4H9 + H2已知其动力学方程式为(-r A ) = k · C A2，式中C A为醋酸的浓度，kmol / L，k =17.4 L／(kmol · min)；反应物料配比为HAc:C4H9OH＝1:4.97 (摩尔比)，反应前后物料的密度为0.75kg / L，醋酸、丁醇及醋酸丁酯的分子量分别为60、74和l16。
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例：甲苯（M=92）用浓硫酸磺化制备对甲 苯磺酸，甲苯投料量为184kg，反应产物中 含对甲苯磺酸258kg，未反应的甲苯18.4kg， 则甲苯的转化率为 ，对甲苯磺酸 （M=172）的选择性为 ，收率 为 。 X=90% ，S= 83.3% ， Y=75%
典型反应过程的反应器体积计算 设计型
根据物料处理量及反应工艺要求,选择反应 器类型,求VR 根据反应特征及反应器体积,决定最优控制 条件,使反应过程达到优化目标.
二、间歇釜式反应器 特点： 1.分批装、卸(周期性、非稳态性)； 2.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。 3.整个操作时间=反应时间+辅助时间（装+卸+清 洗）(每批） 计算 经验估计
A+B
C
A为 关键组分，对整个反应器作物料A的衡算
二、间歇釜式反应器
基础设计式 等容过程
第一章 反应器基本理论
第一节 理想反应器 一、基本的反应器型式 二、连续操作反应器的流动特性——返混 三、理性反应器
第一节 理想反应器
反应器选型、 设计和优 化 反应器中的 流动状况影 响反应结果
数学 模型
流动 模型
对实际过程 的简化
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
一、基本的反应器形式
CSTR
连续加料(入口)
年龄不同
一次加料(起始)
年龄相同(某时)
3寿命
4返混
寿命相同(中止)
全无返混
寿命相同(出口)
全无返混
寿命不同(出口)
返混极大
第二节 等温等容过程反应器容积 一、反应动力学基础 二、间歇釜式反应器 三、连续管式反应器 四、连续釜式反应器
五、多釜串联反应器
一、反应动力学基础
1、反应速率及其表达式
计算基准：起始状态选择问题（分母部分的计量） 使用的原则：对于连续反应器，进口处的状态 间歇反应器，开始反应时的状态 串联使用的反应器，进入第一个反应器的原料 为准这样有利于计算和比较
单程转化率和全程转化率的区别
如图1.2所示的甲醇合成流程简图，生产中采用循环操作，一部分 未能转化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全转化反应物的循 环，在计算全程转化率时，计算基准为新鲜原料进入反应系统到离 开所达到的转化率。而单程转化率是一次性从反应器进入到离开所 达到的转化率。两者相比较，全程转化率必定大于单程转化率。
（2）空间时间 简称空时， 用
表示
意义：处理一个VR的物料所需要的时间。
（3）空间速度 简称空速 Sv=1/ =v/VR=入口体积流量/反应器有效体积
意义：单位反应体积、单位反应时间内所处理的物料量
小结：从 、Sv的意义可知道，它们均表示连续 反应器的生产能力。 小，Sv大，生产能力大， 两者均表示入口状态下反应器的生产能力，一般 用于描述连续反应器中的气相反应。 （4）反应时间 t 反应持续的时间，指反应物料达到所要求的 转化率所需持续的时间，用于描述间歇反应。
连续操作反 应器特有的 现象
流体粒子（微元）在时间顺序上的混合——返混
返混=0 返混=∞
在连续操作的反应器中， 返混的程度越大，显著地降低 了反应物的浓度。一般来说，返混对反应来说是一个不 利的因素，它影响反应器的生产能力。
2.返混与停留时间分布 停留时间分布 RTD（residence time distribution）
缺点
连续操作管式反应器
Piston Flow Reactor (PFR)
特点：一端加入反应物，一端引出，n，v沿流动方向 逐渐降低，定常态时，各参数不变
优点：设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易 于控制，适合于大规模生产
连续操作搅拌釜
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
3. 返混产生的原因
涡流与扰动
沟流、填料 或催化剂装 填不均匀 速度分布
死角 短路
4.返混对化学反应的影响
1) 总的来说，使产品的收率、质量降低。
2) 返混使反应物的浓度降低。
3) 返混使系统中的温度分布和浓度分布趋于平坦，对 要求有较大温度差或浓度差的场合不利。
冲稀的 作用
思考
？返混对化学反应一定是不利的吗？
基础设计式
基础设计式
图解法
讨论：
t与rA有关 与Vr无关
1. 2.
一级反应
α=1，t与CAO无关
二级反应
零级反应
一批操作总时间
辅助时间
单位时间内处理的反应物料的体积
＝vτ + vτ’
反应容积 辅助容积
讨论：1.
对于沸腾或易发泡液体物料：φ=0.4~0.6 对于一般流体 ：φ=0.7~0.85
对反应时间求导
图解法
单位时间
设计式
设计式
等容
空时=平均停留时间
讨论：可知在等容过程中，对在相同的反应条件下的同一反应，达到同样的
转化率，理想管式反应器中需要的停留时间与间歇釜中需要的反应时间是相同 的。所以，可以用间歇反应器中的试验数据进行管式反应器的设计与放大。
原因：物料在这两种反应器中都没有返混。
设计式
讨论：同一反应，达到同样的转化率与产量，CSTR需要
的容积较PFR和BSTR大得多。
原因：CSTR中返混程度最大，反应始终在最低浓度下进行。 改进：采用多釜串联的办法
可见串联的釜 数越多，反应 时的浓度提高 越多，反应速 度越快，需要 的反应时间或 反应器容积就 越小。
设计式
1. 知道N，各釜的τ，求XAN, CAN
流体在反应器内流动，不论其因何种原因而产生的流体粒子在反 应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空 间混合，简称空混。
空混=0 空混=∞
空混越大，传质越快，传热越好，各位置的 浓度、温度的差异就越小，导致反应器内浓 度、温度的均匀。
按混合对象的年龄来分：
对仍留在反 应器中的物 料而言
年龄——物料在反应器中已经停留的时间。 寿命——物料在反应器中总共停留的时间
对已经离开 反应器的物 料而言
（1）相同年龄物料之间的混合——同龄混合
例如：间歇反应过程中搅拌引起的混合
（1）不同年龄物料之间的混合——返混
具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。所谓逆向， 是指时间顺序上的颠倒，比如先进入反应器的物料的粒子后流出反应器， 而后进入反应器的物料的粒子却先流出反应器。 例如：连续流动的釜式 反应器
用使某种反应物过量的有效方法。
3. 温度对反应速率的影响
反应速率对温度敏感的程度取决于E的大小
4. 转化率、收率和选择性
转化率 X--针对反应物而言
注意： 1. 如果反应物不只是一种，针对不同反应物计算出来为X是不一样 的 2. 关键组分（着眼组分）为不过量、贵重的组分（相对而言） 针对关键组分计算，可使X最大到100%
2. 已知XAN, CAN ，求VR=N* V0* τ
对于非一级反应，没有解析解，需要进行逐釜计算。根 据已知条件，可以将逐釜计算过程分成如下两种。 （1） 每一个单釜的体积Vri已知 此时每个釜的空时τ已知 XAp或CAp（逐一的计算）， 直至求出到达XAN所需的釜数N。 （2） 釜数N已知 需要先假设空时τ，按（1）的方法逐釜计算 求出第N 个釜出口的转化率，并与要求的转化率XAN对比，如果不 一致需要重新假设空时τ，重复进行计算，直到两者吻合 为止。
均相反应 的速率
+表示生成速率， 当A为生成物时
-表示消耗速率， 当A为反应物时
意义：单位时间，单位体积反应物料中某一组分摩尔数的变化。 转化率 反应物转化掉的量占原始量的分率
反应速率用 转化率表示
反应速率方程式
定量描述反应速率与温度和浓度 的关系式（动力学方程）
A k
R
(-rA)=kCAn
速率常数
反应器的出口物料
对象
反应器内的物料
描述
从进入反应器的瞬间开始算 年龄，到所考虑的瞬间为止， 不同年龄的物料粒子混在一 起，形成一定的分布。
从进入反应器的瞬间开始算年龄， 到所考虑的瞬间为止，反应器的 出口物料中不同寿命的物料粒子 混在一起，形成一定的分布。
关系
两者存在一定的关系，可换算，一般通过实验测定寿命分布。
三、理想反应器 平推流
返混 程度
不存在返混 流体通过细长管道时，与流 动方向成垂直的截面上，各 粒子的流速完全相同，就像 活塞平推过去一样，粒子在 轴向没有混合、扩散。
全混流
返混程度最大 物料一进入反应器就均匀 分散在整个反应器内，物 料在反应器内的停留时间 有长有短，最为分散。
中间流
部分返混 非 理 想 流 动
操作型
反应器计算的基本方法 1.建立动力学方程 2. 物料衡算方程 a. 选取关键组分 b. 选择控制体 c. 温度、浓度均一，才 可取单位时间，否则 微元时间
选控制体的原则
如果反应器内各处浓度均一,衡算的控制体选整个反应器, 存在两个或两个以上相态,各点物料组成未必相同,选微元 体积为控制体.
对确定的关键组分： 1 2 进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+ 反应消耗的物料量+累积的物料量 3 4 简歇： 3+4=0 连续： 1=2+3 半连续： 1=2+3+4
特点：强烈搅拌，反应器内各点T，n相同，物料 随进随出，出口物料n与釜内反应物相同
优点：反应物的浓度、温度及v保持恒定不变，对自催化反 应有利
缺点：釜内n很低，v很慢，达到同样的x，需要的VR较大
二、连续操作反应器的流动特性---返混
1.混合现象的分类 流体粒子（微元）在空间顺序上的混合——空混