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=0

Q 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。

3．1．3 几个时间概念

一、反应持续时间t r

简称反应时间，主要用于间歇反应器，是指物料开始反应达到所要求转化率所需的时间。它不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。

二、停留时间t 和平均停留时间t

停留时间又称接触时间，主要用于连续流动反应器，是指流体微元体从反应器入口流到出口经历的时间。它不是过程的自变量。

在反应器中，由于反应器的类型不同，流体流动状况不同，以及化学反应的不同，物料微元体在反应器中的停留时间是个不相同的，有一个分布，称为停留时间分布。各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间称为平均停留时间。

三、空间时间τ

定义：反应器有效容积V R 与流体特征体积流率V 0之比值为空间时间。即：

R

V V =τ (3.1-11)

式中，V 0为特征体积流率，是反应器入口温度、压力和转化率为零时的体积流率。

τ是一个人为规定的参数，可作为过程的自变量，用空间时间可以方便地表示连续流动反应器的基本设计方程。此量反映了连续流动

反应器的生产强度。 四、空间速度S V

定义：单位时间内投入单位有效反应器物料的标准体积为空间时间。即：

R

ON V V S (3.1-12)

式中，ON V 为进口流体在标准状态下的体积流率。对气体为0℃，1atm ；对液体为25℃。

注意：空间速度不一定为相应的空间时间的倒数。 对空间时间，采用进口条件下的体积流率； 对空间速度，采用标准状态下的体积流率。

对于气相催化反应，空间速度的定义稍有不同，定义为单位时间内通过单位催化剂体积（或质量）的物料标准体积流率。

例 3-1 乙醛气相常压分解，在518℃下进行

CH 3CHO=CH 4+CO

是在一直径3.3cm 长为80cm 的平推流反应器中进行的，原料气的空间速度S V =8.0h -1，达到的转化率为35%，其反应速率常数为0.33L/(mol ·s)，反应速率对甲醛为2级。

求：（1）确定空间时间；

（2）确定停留时间，并将两者加以比较。

解：（1）空间时间

s

155h 043.0)

518273(27381T T V V 1T T p p V V V V 0N R

N 0N 00N N

0R 0R ==+====τ （2）停留时间 t

dV dt R

=

进入量=排出量+反应量+积累量

故 R A A A A dV )r (dF F F -++= 由于

)x 1(F F A 0A A -=

A 0A A dx F dF -=

所以

R A A 0A dV )r (dx F -=

)r /(dx F dV A A 0A R -=