第一章 反应器基本理论

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
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
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.
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
间歇操作的搅拌釜
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
特点：物料一次加入，一起放出，全部物料t相同，T，n可 以达到均匀一致，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间 而变，不随空间位置而变。
优点
装置简单、操作方便、灵活、适应性强，应用广 设备利用率不高，劳动强度大，不易自动控制，产品质 量不稳定
特点
实例
细长型的管式反应 器，当Re数很大时， 接近PFR
连续搅拌釜CSTR
实际生产中 连续操作的 反应器
返混程 度为零
理想反应器
间歇反应釜
三、理想反应器
间歇反应器
(a)
平推流反应器
连续流动反应器
全混流反应器
(b)
返混极大 (c
)
三、理想反应器
BSTR
1投料
2年龄
PFR
连续加料(入口)
年龄相同(某处)
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
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？
一、连续釜式反应器的特点：
1.反应器的参数不随时间变化 2.不存在时间自变量，也没有空间自变量 3.多用于液相反应，恒容操作 4.出口处的C, T=反应器内的C, T
注意： 1.反应器内C、T恒定，不随时间变化，也不随位
置变化。所以其内的 在各点处相同，也不随时间 变化--等速反应器。 2.当同时进行多个反应时，只要进出口组成和Q0 已知，就可以针对一个组分求出反应体积Vr。
反应级数
不同组分表示化学反应 速率关系
2. 浓度对反应速率的影响
基元反应：质量作用定律
rA=kCAaCBb
非基元反应：幂函数型、双曲线型、级数型
rA=kCAn1CBn2 反应级数是速率对浓度敏感的标志。 a. 不可逆反应的反应物浓度越高，r越大。 b. n越大，A的浓度变化对r的影响大。
c. 为改善高级数反应的转化率，工业上常采
自催化反应 复杂反应 可控制在最佳浓度下操作 反应物浓度高有利于副 反应进行时
有利！
返混对连串副反应是有利还是不利的因素？
5. 各种不同反应器中时间的概念 （1）平均停留时间 物料流过反应器所需要的时间
连续反应器中 的液相反应
反应器的有效容积
物料的体积流量
反应器几何容 积中，用于反 应的体积。
反应器内（T、P） 下的体积流量
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
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
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 (184-18.4) /184 ，对 甲苯磺酸（M=172）的选择性为 0.75/0.9 ，收率为( 258/172 ) /(184/92) 。 X=90% ，S= 83.3% ， Y=75%
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。
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）
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）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。
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
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二、间歇釜式反应器
基础设计式 等容过程
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
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
3.最优反应时间
目标函数：单位操作时间的产品质量最大 A
单位操作时间的产品产量 对反应时间求导
R
最优时间 图解法
3.最优反应时间
目标函数：以生产费用最低
设单位时间内反应操作费用为a，辅助操作为a0，固定费用为af
单位质量产品的总费用：
AT= aτ+a τ’ +af VRCR dAT/dt=0 最优时间
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。
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
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
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。
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
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)
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。
收率与选择性--是对反应产物而言的
理论上应生 成的产物量
注意: 1. 对于单一反应 Y=X(关键组分)(无论用哪种产物计算 结果均是如此) 对于复杂反应 Y≠X 2. 收率也有单程和全程之分（循环物料系统） 无论是收率还是选择性,还有其它的定义(结果不一样， 但说明同样的问题) 3. 转化率X只能说明总的结果，Y说明在转化的反应物生 成目的产物的比例，评价复合反应，还有选择性S，其定义 为
在连续反应器中，同时进入反应器的物料粒子，有的很快从出口流出， 有的则经过很长时间才从出口流出，停留时间有长有短，形成一定的分 布。
改变反应器的浓度分布 返混的两个孪生现象 造成物料的RTD 返混
？
停留时间分布
不存在一一对应关系！ 相同的RTD可以有不同的返混情况
停留时间分布有两种
年龄分布
寿命分布