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：
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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：
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rA k1 cAcB cRcS K
100℃时：
k1 4.76104 l /mol min
平衡常数K=2.92，试计算乙酸转化35%时所需的反应 体积，根据反应物料的特性，若反应器填充系数为 0.75，则反应器的实际体积是多少？
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分析： 求V
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VR Q0 t t0
t 求 VR
t0 已知
求 Q0和
已知
Q0
设计方程
t
解：首先计算原料处理量 Q0
每小时的乙酸用量为：
则：(-△Hr)(-rA)V =
即： dT dxA
dt
dt
d (Cv TV )
dt
初始条件：t=0 T=T0 xA=xA0
将上式积分得：T=T0 + β(xA-xA0)
数）
（使对t的积分变为单参
将上式代入动力学方程式，再代入设计方程即可采用图解法 或数值法求解。
Return
3 反应容积的计算
VR Q0 t t0
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例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
A----传热面积(m2)；
Cv、ρ----分别为反应流体的定容比热和密度(KJ/Kg.℃、
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dx A dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
第二章 理想反应器 Ideal Flow Reactor
第一节 间歇反应器(BR) 第二节 平推流反应器(PFR) 第三节 全混流反应器(CSTR)
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反应器设计的基本内容
1）根据化学反应的动力学特性来选择合适的反应器形式； 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
装料，卸料等辅助操作时间长，产品质量不易稳定
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1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA)VR
积累 dnA dt
连续式完全混合
平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
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返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
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第一节 间歇反应器
CA0
xA 0
dxA kCA0 (1 xA )
11 ln
k 1 xA
VR
v(t
t0)
v( 1 k
1 ln
1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。 由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
的操作设计； 3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算，确定反应器
的几何尺寸并进行某些经济评价。
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间歇式完全混合 （无返混） Batch Reactor(BR)
理想反应器
全混流反应器（理想混合） （返混程度最大）
Continuous Stirred
（完全混合）
Tank Reactor(CSTR)
t ：反应时间 t0 ：辅助时间
Q0 ：单位时间内处理的反应物料的体积
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实际反应器的体积
V VR f
f : 装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反
应物料的性质不同而选择。 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方
程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
即：
t CA0
xA dx A 0 (rA )
CA dCA CA0 (rA )
dT dt
dx A dt
UA CvV
(Tm
T)
(rA ) k(T) f (C)
一般采用图解法或数 值法求解。
特例：
绝热操作（与外界的热交换为零）：UA（Tm-T）=0
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等温操作
等温操作（动力学k为常数） 可将速度方程直接代入操作方程直接积分求解t。
例1：一级反应A产物，单位时间需处理的物料体积为v ，动力学方程为：
（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)
求反应所需时间（转化率为xA）t及反应器的有效容
积。
t
CA0
xA 0
dxA (rA )