第三章 理想流动均相反应器设计题解
1、[间歇反应器与全混釜恒容一级]
有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应，13分钟后,反应物转化了70%.今拟将此反应转至全混流反应器,按达到相同的转化率应保持多大的空速?
解:㏑CA 0CA =kt, CA0CA
CA0
- =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min
-1
在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926?=25.2 min -1
∴空速S=1τ=125.2=0.0397min -1
2、[平推流恒容一级]
有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa 压力下进行A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C A
mol/m 3
·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积?
解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1
k ㏑PA0PA =1k ㏑
A0
A
y y =1k ㏑1
1A
x -=10.27㏑110.95-=11.1 S
∴V R =τP ·v 0=τP 00
A A F
C
而C A0=
A P RT
=30.30.082555??=0.0198mol/L=19.8mol/m 3
V R =11.1s ×
3
6.3/19.8/mol s mol m =3.53m 3
3、[平推流变容过程一级]
有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学
方程式为-dP A /dt=kP A ,忽略存在的副反应,并已知k=0.4h -1 反应过程保持恒压0.1MPa.
772℃和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积.
解: ∵εA =21
2-=0.5
∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf
0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5
∴τP =1.5ln 20.25
0.4-=1.974h
V R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 3
4、[间歇釜变容一级]
一级气相反应A →2R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进行,原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性气体,经8分钟后,其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率? 速率常数多大? 解: 膨胀因子 δA =3-11=2
膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5
对应转化率X A 的反应体积 V=V 0(1＋εA ΧA ) 所以，ΧA =
V V 0
A
1ε-=2-11.5=66.7%
K=1t ㏑1
1A
x -=18㏑110.667-=0.0735 min -1
5、[全混流恒容二级反应]
在全混流反应器中进行液相均相二级反应:A+B →C,在298K 下的动力学方程式为
r A =0.6C A C B mol/(L.min),该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3
/min.A,B 的初始浓度相同,均为0.1mol/L,要求出口的转化率为90%,求需多大的全混釜? 解:
R 0
V v =
A0Af A
C x r =
A0Af A B
C x kC C =
A02
Af A C x kC =A02
2
0(1)Af
A Af C x kC
x -=τm
τm =
2
0.9
0.60.1(10.9)?-=150 min
∴V R =v 0τm =0.018 m 3/mi n ×150min=2.7 m 3
6、[多釜串联液相二级]
某一液相反应A+B →R+S,其速率常数k=9.92m 3/(Kmol ·KS),初始浓度为0.08Kmol/m 3
，
在两个等体积的全混釜中进行反应,最终出口转化率0.875.进料体积流量为0.278m 3
/KS .求全混釜的总体积? 解： τ1=
10
R V v =
01
1A A C C r -=01
2
2
01(1)A A A A C x kC
x -
τ2=
20
R V v =
12
2
A A A C C r -=02
122
2()
(1
)A A A A A C x
x kC x
--
∵ τ1=τ2 两釜相同
所以， 121
(1)A A x x -=2
1
2
2(1)A
A A x
x x
--, 而x A2 =0.875
整理有 (1-0.875)2
x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2
试差解得 x A1=0.7251
所以，V R1=001220
1
(1)A A A A v C x
kC x ?-=20.2780.7521
9.920.08(10.7521)
???-=4.16 m 3
总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 3
7.【自催化反应优化】
自催化反应 A+R →R+R ，速度方程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？（5分）
解：A+R → R+R -r A =kC A C R C 0 =C A + C R . 串联连接，管式反应器加釜式反应器 速度较快，同样转化时所用的体积较小。 只有当C Am = C Rm = 0.5(C A0 + C R0) = 0.5C 0 时速度最快。 ∵A
A A a r x x F --?=0
10
A A a r C C --=1
01τ A
A a r C C --=2
12τ
或 ?-=01
1A A A
A C C
r dC
τ ?-=12
2A A A
A C C
r dC
τ
A r -
A
r 1-
1+1 对 τ=
A
A a r C C --1
0+ ?
-12
A A A A C C
r dC
对C A1求导时τ最小时V R 最少。
此时的x A 为全混釜出口最佳转化率。
8. An aqueous feed of A and B (400l/min,100mmolA/l 100mmolB/l) is to be converted to product in a play flow reactor ,the kinetics of the reaction is represented is
A +
B → R -r A = 200
C A C B mol/l*min
Find the volume of reactor needed for 99.9% conversion of A to product Answer :
k τ= 1/C A – 1/C A0
k τC A0 = x Af /1- x Af = 0.999/1-0.999 = 999. K = 200l/mol *min
τ= V R /V 0 = 1/k C A0 = 1/200*0.1 = V R /400 V R = 20L
9. A gaseous feed of pure A (2mol/l 100mol/min) decomposes to give a variety of product in a plug flow reactor The kinetics of the conversion is represented by
A → 2.5
B -r A = 10(min -1)
Find the expected conversion in a 22-liter reactor
Answer: C A0 = 2 mol/l F A0 = 100 mol/min --r A = 10(min -1) C A τ= V R /V 0 =
0A C A F R V = V R C A0 / F A0 = 22*2/100 = 0.44min
x A = 1 – e -10*0.44 = 1 – e -4.4
10、A liquid reactant stream (mol/l) passes through two mixed flow reactors in series
The concentration of A in the exit of the first reactor is 0.5mol/l find the
concentration in the exit stream of the second reactor .The reaction is second –order with respect to A and V 2/V 1 = 2 Answer : -r A = Kc A 2 0=A ε 110
1A A r x V V -=
2
120
2A A A A r x x F V --=
∴2
1
010
1a A A kC C x V V =
∴
2
015
.05.01-=V V k =2
∴
==)(20
10
2
V V k V V k 2*2 =
2
221A A A C C C -=
2
2
25.0A A C C -=4
4C A22 + C A2 –0.5 = 0 C A2 = 4
*21(-1 ±5.0*4*41+)
C A2 =
8
1
(3-1) = 1/4 = 0.25 mol/l
1. 在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？（20分）
解：㏑kt A
x =-11 k=124.08.011131111==--λλAf
x
t min -1 活塞流：τ= =-Af
x
k 111λ t = 13min 空速 ：s = 1/τ= 1/13 = 0.077min -1 全混流：τ= 8.018.0124.01
11--=Af
Af
x x k = 32.3min
2. 自催化反应 A+R →R+R ，速度方程为-r=kC A C R ，体系总浓度为C 0= C A +C R 。若给你一个管式反应器和一个釜式反应器，为满足同一生产要求怎样联结设备费较少？（5分）
解：A+R → R+R -r A =kC A C R C 0 =C A + C R . 串联连接，管式反应器加釜式反应器 速度较快，同样转化时所用的体积较小。 只有当C Am = C Rm = 0.5(C A0 + C R0) = 0.5C 0 时速度最快。
∵A
A A a r x x F --?=0
1
A
A a r C C --=1
1τ A
A a r C C --=2
1
2
τ
或 ?
-=01
1A A A A C C
r dC
τ ?
-=12
2A A A A C C
r dC
τ
A r -
Am A
A
r 1
-
Am x Af
x
∴当总空时τ= τ1+τ1 最小时反应器体积最小。
对 τ= A
A a r
C
C --10
+ ?-12
A A A
A C C r dC
对C A1求导时τ最小时V R 最少。
此时的x A 为全混釜出口最佳转化率。
3. An aqueous feed of A and B (400l/min,100mmolA/l 100mmolB/l) is to be converted to product in a play flow reactor ,the kinetics of the reaction is represented is
A +
B → R -r A = 200
C A C B mol/l*min
Find the volume of reactor needed for 99.9% conversion of A to product
Answer :
k τ= 1/C A – 1/C A0
k τC A0 = x Af /1- x Af = 0.999/1-0.999 = 999. K = 200l/mol *min
τ= V R /V 0 = 1/k C A0 = 1/200*0.1 = V R /400 V R = 20L
4. A gaseous feed of pure A (2mol/l 100mol/min) decomposes to give a variety of product in a plug flow reactor The kinetics of the conversion is represented by
A → 2.5
B -r A = 10(min -1)
Find the expected conversion in a 22-liter reactor
Answer: C A0 = 2 mol/l F A0 = 100 mol/min --r A = 10(min -1) C A τ= V R /V 0 =
0A C A F R V = V R C A0 / F A0 = 22*2/100 = 0.44min
x A = 1 – e -10*0.44 = 1 – e -4.4
5. A liquid reactant stream (mol/l) passes through two mixed flow reactors in series The concentration of A in the exit of the first reactor is 0.5mol/l find the concentration in the exit stream of the second reactor .The reaction is second –order with respect to A and V 2/V 1 = 2 Answer : -r A = Kc A 2 0=A ε
110
1
A A r x V V -=
2
120
2A A A A r x x F V --=
∴2
1
010
1a A A kC C x V
V
= ∴
2
015.0
5.01-=V V k =2
∴
==)(20
10
2V V k V V k 2*2 =
2
221A A A C C C -=
2
2
25.0A A C C -=4
4C A22 + C A2 –0.5 = 0 C A2 = 4
*21(-1 ±5.0*4*41+)
C A2 =
8
1 (3-1) = 1/4 = 0.25 mol/l
第三章均相反应器习题
1、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速？
2、在平推流反应器进行液相均相反应:
A+B →R(目的) r R =1.6 CA,Kmol/m 3·h CA 0=2 Kmol/m 3
2A →D r D =8.2 CA 2,Kmol/m 3
·h 求⑴A 的转化率95%时所用的时间? ⑵此时R 的收率?
⑶若处理量为200L/min 时 V R =?
3在反应体积为1m 3的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇 H 2COCHCH 3+H 2O H 2COHCHOHCH 3
该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为0.98h -1，原料液中环氧丙烷的浓度为2.1kmol/m 3，环氧丙烷的最终转化率为90%。若辅助时间为0.65h ，一天24小时连续生产，试求丙二醇的日产量是多少? 4、一个含有A 和B 液体(C A0=0.10mol/L 、C B0=0.04mol/L)，以体积流量2L/min 流入容积V=10L
的全混流反应器，物料在最佳的条件下进行反应A
2B+C 。已知由反应器流出的
物料中含有A 、B 和C(C Af =0.04mol/L)。试求：在反应器内条件下，A 、B 和C 的反应
速率？
5、一个液相反应：
k 1 A+B
R+S k 2
其中：min /71?=mol L k ，min /32?=mol L k
反应是在一个容积为120L 的稳态全混流反应器中进行的，两条加料线，一个保持
2.8mol/LA 的浓度，另一个保持1.6mol/LB 的加料浓度，两条线分别是等体积速率进入反应器，要求指定组分转化率为75%。求每条线的加料流量？假设反应器内密度为常数。 6、某液相二级反应:A+B
R+S ，其速率常数KS
kmol m k 1
92.93?=,在全混流反应器中进
行,C A0=C B0=2mol/L,要使出口A 的转化率达0.875。求：
(1) 在单个全混釜中进行，进料体积为0.278m 3/KS ，求全混釜体积 ；
(2) 当进料体积流量不变，用两个相等体积的釜，求全混釜总体积 . 7、在等温全混流釜式反应器中进行下列液相反应： A+B P(目的) C r A P ?=2，h m kmol ?3/ 2A
R C r A R ?=5.0，h m kmol ?3/
m kmol C C B A 300/2==
试计算反应2hr 时A 的转化率和产物P 的收率？
8、图解设计一个四釜等体积串联釜式反应器，0=εA ，A 初始浓度为2mol/L,要求转化率为
80%，r A =3C A mol/Lmin,求每釜的空时ιτ和总反应空时。
9、在一等温操作下的间歇釜中进行某一级液相反应，13分钟后反应物转化了70%，今若把
此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到相同的转化率所需的空时和空速可为多少？ 10、在某一全混流反应器中进行均相液相反应：A
R ，
C r A A k 2
?=，转化率X A =0.50,
其它数值不变。
(1) 若把反应器的体积增大到原来的6倍，转化率为多少？
(2) 若反应在一个与其容积相同的活塞流反应器中进行转化率为多少？ 11、在555K 及0.3MPa 的平推流管式反应器中进行A
P 的气相反应。已知进料中含
30%A(mol%)，其余为惰性物料，A 的加料流量为6.3mol/S ，动力学方程为：
S mol m C r A A ?=3
/27.0，为了达到95%的转化率。试求反应器的容积大小？
12、有一级气相反应：2A
R+2S,在平推流管式反应器中进行，当空速为1min -1时，纯
A 进料的转化率为90%。求在A 的转化率为95%时该反应器的单位体积进料量。 13、均相反应：A
3R ，服从二级反应动力学，在0.5MPa 、623K 和
h m v /43
0=纯A
进料下，采用一内径为2.5cm ，长2m 的实验反应器能获得60%转化率。为设计工业规模的反应器，当处理量为h m /3203时，进料中含50%A 和50%惰性物，在同样的0.5MPa 和623K 下反应，要达到80%转化率，试问：需2.5cm 内径2m 长的管子多少根？ 14、在恒容间歇反应器中，气相反应物A 在373K 时分解，得到的数据列于下表。反应的化
学计量关系是2A
R+S ，在373K ，0.1MPa 下处理含有20%惰性气体的进料
100molA/h ，要求A 的转化率为95%。问需要多大的平推流反应器？ t(s) 0 20 40 60 80 100 140 200 260 330 420 P A ×10(MPa) 1 0.8 0.68 0.56 0.45 0.37 0.25 0.14 0.08 0.04 0.02
15、一个2m 3的活塞流管式反应器，进行A
R 的一级可逆反应，其反应速率方程为：
??
?
???-=min ,01.004.0L mol
C C r R A A
，进料中含有C A0=0.1mol/L 的A 水溶液。试求： (1)平衡转化率；
(2)在反应器中的实际转化率。
16、在一个活塞流反应器中进行下列反应： k 1 k 2
A R S
反应均为一级，反应温度下，k 1=0.3min ，k 2=0.10min ，进料A 的浓度为C A0，进料流量为150L/min 。试计算目的产物R 的最高收率和最大选择性以及达到最大收率时所需的反应体积。
17、二级液相反应，反应物浓度为1mol/L ，进入两个相串联的全混流反应器中，
2
12
1=
R
R
V V ，在第一个反应器出口流出的A 的浓度为0.5mol/L 。求第二个反应器出口处A 的浓度。
18、有一个二级液相反应：A
R ，在一个全混流反应器后接一个平推流管式反应器相
串联的组合反应器中进行，进料中A 的浓度为4mol/L ，在全混釜出口A 的浓度经测定为1mol/L ，平推流反应器的体积是全混流反应器体积的3倍。试求，平推流反应器出口A 的转化率。 19、下列反应 A+B R 2
11C C k r B A ??=
A+B
D
C
C k r B
A
??=22
2
（1）若R 是目的产物，选择哪种反应器和加料方式好，为什么？ （2）若D 是目的产物，选择哪种反应器和加料方式好，为什么？
20、有一个自催化反应A+A- P+P ，其速率方程为r A =kC A C P kmol/m 3min,反应温度下k=1m 3/kmol.min,C A0=2kmol/m 3,处理量1kmol/h(99%A,1%P),要求最终转化率90%。 （1）根据反应特征怎样确定反应器形式及组合？计算其反应体积。 （2）如果采用循环反应器，确定最佳循环比和它的体积。
21、在等温平推流管式反应器中，进行丁二烯和乙烯合成环己烯气相反应： C 4H 6(A)+C 2H 4（B ）---〉C 6H 10（R ）
反应速率方程为r A =kC A C B , k=3.16×107exp(-13840/T),L/mol.s
两种反应物等摩尔在440℃和101325Pa 条件下加入反应器，反应热效应为-125600kJ/mol.当丁二烯的转化率为12%时，求反应时所移走的总热量？若该反应在绝热条件下完成，求反应器的出口温度？气体热容为常数:C PA =154,C PB =85.6,C PR =249,kJ/mol.K.
第三章 理想流动均相反应器设计题解 1、[间歇反应器与全混釜恒容一级] 有一等温操作的间歇反应器进行某一级液相反应，13分钟后,反应物转化了70%.今拟将此反应转至全混流反应器,按达到相同的转化率应保持多大的空速? 解:㏑CA 0CA =kt, CA0CA CA0 - =0.7 ， C A =0.3C A0 间歇釜中∴㏑0.3=－13k ， k=0.0926 min -1 在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926?=25.2 min -1 ∴空速S=1τ=125.2=0.0397min -1 2、[平推流恒容一级] 有一个活塞流管式反应器于555K,0.3MPa 压力下进行A →P 气相反应,已知进料中含30%A(mol)，其余70%为惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为r A =0.27C A mol/m 3 ·s,要求达到95%转化.试求⑴所需的空时? ⑵反应器容积? 解: τP =VR V0=1k ㏑CA 0CA =1 k ㏑PA0PA =1k ㏑ A0 A y y =1k ㏑1 1A x -=10.27㏑110.95-=11.1 S ∴V R =τP ·v 0=τP 00 A A F C 而C A0= A P RT =30.30.082555??=0.0198mol/L=19.8mol/m 3 V R =11.1s × 3 6.3/19.8/mol s mol m =3.53m 3 3、[平推流变容过程一级] 有一纯丙烷裂解反应方程式为C 3H 8→C 2H 4+CH 4.该反应在772℃等温条件下进行,其动力学 方程式为-dP A /dt=kP A ,忽略存在的副反应,并已知k=0.4h -1 反应过程保持恒压0.1MPa. 772℃和0.1MPa 下的体积进料量为800L/h,求转化率为0.5时所需的平推流反应器的体积. 解: ∵εA =21 2-=0.5 ∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf 0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5 ∴τP =1.5ln 20.25 0.4-=1.974h V R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 3 4、[间歇釜变容一级] 一级气相反应A →2R+S ,在等温等压间歇实验反应器中进行,原料中含75%A(mol),25%(mol)惰性气体,经8分钟后,其体积增加一倍.求此时达到了多大的转化率? 速率常数多大? 解: 膨胀因子 δA =3-11=2 膨胀率 εA =y A0δA =0.75×2=1.5
1理想反应器的概念，理想流动的概念； 理想反应器是指流体的流动混合处于理想状况的反应器。 流动混合的两种理想极限情况：理想混合和理想置换。 2连续、间歇、半连续三种操作方式及各自的特点，不同操作方式对浓度分布的影响； 3各种混合的概念，以及关于时间的几个概念； 混合：不同物料之间的混合。 理想混合： 反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温度完全均一。 (2) 理想置换： 是指在与流动方向垂直的截面上流体各点的流动和流向完全相同，就像活塞平推一样，故又称“活塞流”。 ：具有的物料粒子之间的混合 返混不同停留时间（年龄） 叫返混。 4工业反应器的放大方法； 5反应温度、活化能、反应物浓度、反应级数以及反应速度之间的关系； 6复杂反应的选择性及反应器的选择； 7工业传热装置和传热剂及其适用场合； 夹套式水、低温制冷剂氯化钙水溶液、液氨、液氮、有机载冷剂 蛇管式和插入式 列管式 外部循环式 8混合的尺度问题；
9流型及特点； 轴向流——流体从轴向流入叶轮，又从轴向流出叶轮。该流型有利于宏观混和。 径向流——流体从轴向流入叶轮，从径向流出叶轮。该流型的剪切作用大，有利于分散过程。切线流——流体作圆周循环流动。该流型产生打漩，对过程不利。 10搅拌器类型及特点； 螺旋桨式（推进式）、涡轮式、框式和锚式 11宏观动力学的概念； 宏观动力学概念：宏观动力学就是包括扩散或传质过程 在内的化学反应动力学。 12气液非均相反应历程； 13气液相反应的类型及各自的特点； 14如何通过气液动力学实验来判断属于哪种类型； 15气固非均相反应历程； 16外扩散控制、内扩散控制、动力学控制的特点，如何判断哪一步是控制步骤，工业上如何消除内扩散和外扩散的影响； 17固体工业催化剂的组成；
理想反应器 ?在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。 ?从本质上讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。 ? 理想流动反应器 流体流动状况影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。 研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础. 流动模型是反应器中流体流动与返混的描述。 流动模型：理想流动模型和非理想流动模型。 理想流动模型：完全没有返混的平推流反应器和返混为极大值的全混流反应器。 非理想流动模型是对实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。 流动模型相关的重要概念 ●物料质点 物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。 ●物料质点的年龄和寿命 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器算起已经停留的时间，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。 返混 1）返混指流动反应器内不同年龄年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。 2）返混的原因 a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起； b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。 简单混合与返混 若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单
第三章 理想流动反应器 概述 按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。 对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。 对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。 考察物料在反应器内的流动状况。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。 在流动反应器中物料的流动状况不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。 物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模型分类如下： 理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。 第一节 流动模型概述 3－1 反应器中流体的流动模型 平推流模型 全混流模型
一、物料质点、年龄、奉命及其返混 1.物料质点 物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料由无数个质点组成。 2.物料质点的年龄和寿命 年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开始到某一时刻，称为年龄。 寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。 3.返混 （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年具的质点混合在一起，所以有返混。 （2）返混的原因 a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不 同年龄的质点混合在一起； b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。
第五章理想反应器 5.1 均相反应器的分类 表1-2给出了冶金反应器的不同分类方式。可以说该表是从不同角度对反应器特性的一个粗略的说明。为了用数学模型法对反应器操作进行解析，首先要把反应器中的复杂过程分解成便于数学描述的单纯问题。工业反应器中进行的过程可分解为化学过程和包括流动、传质、传热在内的传递过程。由于化学反应规律与设备大小无关，故可在小型装置中进行研究，并归结为提出反应动力学模型，这是前三章介绍过的内容。传递过程是伴随化学反应同时发生的现象，虽然它并不改变化学反应的规律，但能影响反应场所的条件，从而影响最终的反应结果。传递规律可随设备而变，与所进行的化学反应类别并无直接关系。不同类型的反应器有不同的传递规律，因此，为了对反应器进行解析，必须弄清反应器内的传递规律。 在有物料流动的冶金反应器中，物料的流动在传递现象中起决定性作用，因为传热和传质现象往往是流动所伴生的现象，所以，物料的流动状态可以作为区分反应器的一个重要标志，物料在反应器中有四种典型的流动状态，相应有四种基本型式的反应器。 （1）间歇式反应器属于非流动系统，物料一次加入反应器中，在反应器内物料能均匀地混合，反应完成后，同时放出所有的物料，完成一个生产周期。 （2）全混流反应器把间歇式反应器改为连续操作，使物料连续地流经反应器并在反应器内均匀地混合，就成了全混流反应器。我们把物料在反应器中的这种完全均匀混合的流动状态称为理想混合流动，也称为完全混合流动或简称全混流。 （3）活塞流反应器物料在反应器内沿着平行的路径向前流动，如同活塞在气缸里向前移动一样，物料在流动方向上不发生混合，而在垂直于流动方向的任一截面上，所以的物料都有相同的参数。我们称物料的这种流动状态为活塞流、平推流或理想置换流。 全混流和活塞流是两种典型的流动模型，它们是对实际流动状态作了简化和理想化的两种极限情况，称这两种流动为理想流动。间歇式反应器中的流动也是一种特殊的流动状态。我们常把间歇式反应器，全混流反应器和活塞流反应器称为理想反应器。在本章中将讨论这三种基本型式的反应器。 （4）非理想流动反应器大多数的实际反应器，其中物料的流动状态都是介于活塞流和全混流之间的，称这种流动为非理相流动，称相应的反应器为非理想流动反应器。对非理想流动和非理想反应器将在下一章中进行介绍。 大多数冶金过程所进行的反应都是非均相的，在反应器中常存在流动路径不同的两种物料流。从反应器操作解析的角度考虑，对于每个物料流可以象均相反应器那样进行处理。因此对基本型式反应器和其中物料流动模型的研究，不仅可以用于描述实际的均相反应器，而且这些流动模型也是描述复杂的非均相反应器及其流动过程的基础、 5.2间歇反应器 5.2.1 引言 间歇反应器，亦称间歇式全混槽（釜），间歇搅拌槽（釜）等，其基本特征是其中的化学变化和热变化仅与时间有关，反应器内浓度和温度是均匀的。间歇反应器在冶金中常用于使矿物从矿石或其他物料中转入溶液的浸出过程，用于溶液的离子沉淀和结晶等过程中。这种反应器的特点是灵活性大，适于小批量的或者原料波动较大的生产过程。 间歇反应器的顶部通常装设有可拆卸的顶盖以供清洗和维修之用。在顶盖的中央部位安有搅拌器以使反应器内的物料均匀混合。顶盖上还开有各种工艺接管作为添加各种物料和测量等用。另外还装有加热或冷却用的夹套或排管，以控制过程的温度。在操作时，把物料按
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。
第三章理想反应器 O ［理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或 1. 理想反应器是指 挤出流）反应器］ 2. 具有良好搅拌装置的釜式反应器按 __________ 反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大 的管式反应器按 ________ 反应器处理。（理想混合反应器、平推流） 3. 分批式完全混合反应器操作的优化分析是以 ___________ 、 ______ 为目标进行优化的。（平均 生产速率Y R 最大、生产经费最低） .之比。（反应器的有效容积、进料流体的容积 6.全混流反应器的放热速率 Q G = O ( 7.全混流反应器的移热速率 Q r = O ( 为 与 V(_r A )(M r ) 4. 全混流反应器的空时 T 是 流速） 5. 全混流反应器的容积效率 7 .之比。（反应时间t 、空时T 8.全混流反应器的定常态操作点的判据为 O ( Q G =Q r ) 9. 全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为 10. 全混流反应器的返混 ________ O （最大） 11. 平推流反应器的返混为 ________ O （零） 12. 对于恒容的平推流管式反应器 _________ 时间、空时） 13. 对于恒容的 _______ 管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。 （平推流） 14. 如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为 的平推流反应器。（循环操作） 15. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比 3 7 0时为 当于 _______ 反应器。（平推流、全混流） 16. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比 3 7 0 S 时则反应器内返混为 _________ O （零、最大） 17. 18. 19. 20. 对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器类型为 对于反应级数n v 0的反应，为降低反应器容积, 对于反应级数n > 0的反应，为降低反应器容积, 对于自催化反应，最合适的反应器为 21. O ( Q G =Q r 、 dQ r \dQ G 齐 ‘苛) .一致。（平均停留时间、反应 反应器，而当3 时则相 时反应器内返混为 _______ O （全混流串平推流） 应选用 ___ 反应器为宜。 应选用 _______ 反应器为宜。 O （全混流串平推流） （全混流） （平推流） 对于可逆的放热反应，使反应速率最大的反应温度T o pt = -(E 2-E 1) k 0E 1C A0(1-X A ) ( Rln k 0E 2(C R0 +C A 0/A )) 22.对于可逆的放热反应，达到化学反应平衡时的温度Te =
连续均相反应器停留时间分布的测定实验报告
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实验日期２015．5.29 成绩 同组人×××（2)、×××（3)、×××（4）、×××（5)、×××(6）闽南师范大学应用化学专业实验报告题目:连续均相反应器停留时间分布的测定 １2应化１××××B1组 ０前言 实验目的：１,、了解管式反应器的特点和原理;2、掌握脉冲示踪法测定管式反应器和釜式反应器内物料停留时间分布测定和数据处理方法;3、掌握活塞管式反应器和全混流反应器内物料的停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(ｔ)的特点及其数学特征；4、学会用理想反应器的串联模型来描述实验的流动性。[1] 实验原理：由于反应器内流体速度分布不均匀,或某些流体微元运动方向与主体流动方向相反,因此使反应器内流体流动产生不同程度的返混。在反应器设计、放大和操作时，往往需要知道反应器中返混程度的大小。停留时间分布能定量描述返混程度的大小，而且能够直接测定。因此停留时间分布测定技术在化学反应工程领域中有一定的地位。 停留时间分布可用分布函数Ｆ(ｔ)和分布密度E（t）来表示,两者的关系为: 测定停留时间分布最常用的方法是阶跃示踪法和脉冲示踪法。阶跃法： 脉冲法: 式中： C(t)——示踪剂的出口浓度。Ｃo——示踪剂的入口浓度。［２]
Vｓ———流体的流量Ｑλ——示踪剂的注入量。 由此可见，若采用阶跃示踪法，则测定出口示踪物浓度变化,即可得到F(t）函数；而采用脉冲示踪法,则测定出口示踪物浓度变化,就可得到E(ｔ)函数。 1实验方案 1.1 实验材料 三釜串联反应器 1．2 实验流程与步骤 实验流程图： 实验步骤： (1）准备工作 ②饱和KNＯ3液体注入标有KNO3的储瓶内。 ②连接好入水管线,打开自来水阀门，使管路充满水。 ③查电极导线是否正确。 （2)操作 ①打开总电源开关,,开启水阀门，向朝内注水，将回流阀开到最大,启动水泵，慢慢打开进水转子阀门通过“管式／釜式”阀门转向“釜式”一侧，直管坏了，只做三釜串联反应实
长沙学院教案（课时备课）
第 十 章 均 相 反 应 器 本章教学要求： 了解均相反应动力学方程，熟悉均相反应器的优化和反应器的选择，掌握间歇操作反应器，连续操作管式、釜式反应器内进行简单反应时反应时间和反应器体积的计算，以及多釜串联反应器内进行一级简单反应时反应时间和反应器体积的计算。 本章重点： 几种典型反应器内进行简单反应时反应时间和反应器体积的计算，以及多釜串联反应器内进行一级简单反应时反应时间和反应器体积的计算。 本章难点：均相反应器的优化，反应器的选择。 §1 均相反应动力学 一．动力学模型 1．不可逆简单反应：R A k ?→? n A A kc r =-)( 2．可逆反应： 2121n R n A A c k c k r -=-)( 3．平行反应： 2 121n A n A A c k c k r -=-)( 4．串联反应：S R A k k ?→??→? 2 1 11n A A c k r =-)(， 2 121n R n A R c k c k r -=，22n R R c k r = 式中：n ——反应级数；k ——反应速率常数，RT E Ae k /-=。
二．浓度效应和温度效应 1．浓度效应： 反应级数是浓度对反应速率影响的敏感因素(↑↑A r n 一定浓度下，,)，除浓度外的其它条件，很多是通过对浓度的改变来影响反应速率的。 2．温度效应： 活化能是温度对反应速率影响的敏感因素(↑↑k E ，一定温度下，)，除温度外的其它条件，很多是通过对温度的改变来影响反应速率的。 三．化学反应器的设计计算 1．计算内容： 反应器设计计算主要是确定反应器的生产能力，即完成一定生产任务所需反应器的体积（反应器的设计计算还包括反应器造型、结构设计及其参数确定、工艺参数的确定等内容）。 2．反应器的物料衡算 （1）通式： 反应物加入速率=反应物引出速率+反应物消耗速率+反应物积累速率 对某一组分：[加入速率]=[引出速率]+[消耗速率]+[积累速率] 若反应器内物料组成均匀，可对整个反应器作衡算；若物料组成随反应器 内位置而变，则必须对微元反应体积作衡算。 （2）间歇操作反应器 [反应物加入速率]=0，[反应物引出速率]=0 ∴ [反应物消耗速率]+[反应物积累速率]=0 （3）连续稳定操作反应器
第三章 理想反应器 1.理想反应器是指_______、_______。[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器] 2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。（理想混合反应器、平推流） 3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。（平均生产速率R Y 最大、生产经费最低） 4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之比。（反应器的有效容积、进料流体的容积流速） 5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之比。（反应时间t 、空时τ） 6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。（p r A C v H r V ρ0) )((?--） 7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。（ )()1(000P m P c v U A T T c v UA T ρρ+-+ ） 8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。（r G Q Q =） 9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。（r G Q Q =、 dT dQ dT dQ G r ?） 10.全混流反应器的返混_______。（最大） 11.平推流反应器的返混为_______。（零） 12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。（平均停留时间、反应时间、空时） 13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。（平推流） 14.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为_______的平推流反应器。（循环操作） 15.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。（平推流、全混流） 16. 对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时反应器内返混为_______，而当β→∞时则反应器内返混为_______。（零、最大） 17. 对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器类型为_______。（全混流串平推流） 18. 对于反应级数n ＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。（全混流） 19. 对于反应级数n ＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。（平推流） 20. 对于自催化反应，最合适的反应器为_______。（全混流串平推流） 21.对于可逆的放热反应，使反应速率最大的反应温度 = opt T _______。 （ )()1(ln ) (002'00 1012A A R A A C C E k C E k R E E χχ+---） 22. 对于可逆的放热反应，达到化学反应平衡时的温度 =e T _______。
第三章均相反应过程 【用以下3个概念描述非理想反应器：停留时间分布、混合程度、反应器模型】 4.1 停留时间分布 一、停留时间分布函数 1.停留时间分布密度函数 在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的N个流体粒子中，其停留时间为t～t+dt的那部分粒子占总粒子数N的分率记作： 停留时间分布密度函数 单位：时间－1 停留时间分布密度 2.停留时间分布函数 在稳定连续流动系统中，同时进入反应器的N个流体粒子中，其停留时间小于t的那部分粒子占总粒子数N的分率记作 停留时间分布函数 3.E(t)和F(t)之间的关系
基本性质： (1)0≤F(t)≤1 (2) F(0)=0; F(∞)=1 (3)无因次 二、停留时间分布实验方法 示踪剂选择依据 不与主流体发生反应； 尽可能具有相同的物理性质； 易于检测； 用于多相系统检测的示踪剂不发生由一相转移到另一相的情况； 示踪剂具有易于转变为电信号或光信号的特点。 1.脉冲示踪法： 在极短的时间内将一定量的示踪剂迅速注入反应器进料中，然后分析出口流体中示踪剂的浓度随时间变化情况。 脉冲法技术难点在于： 注入示踪剂的时间越短越好，可忽略； 注入点与反应器入口间的返混可忽略。 t~t+?t间示踪剂的量为：vC(t) ?t
停留时间介于t~t+?t的示踪剂所占分率：vC(t) ?t/Q 根据停留时间分布密度函数定义 E(t) ?t= vC(t) ?t/Q 2.阶跃示踪法 阶跃法易于操作，不需要确定示踪剂总量； 示踪剂成本高时，通常用脉冲法； 停留时间分布密度函数需要微分求解。 三、停留时间分布函数的统计特征值 数学期望:对原点的一次矩 方差:对均值的二次矩 数学期望（平均停留时间）
化工原理课程设计 设计题目：均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计设计者班级：树达学院化学工程与工艺1班 设计者：儒涛、菁文、潘慧
设计者学号：201321370101、201321370106、201321370110设计日期：2015-11-22 指导老师：兰支利 一、设计题目：均相液体机械搅拌夹套冷却反应器设计 带搅拌装置的夹套式反应器是有机化工的最常见反应器，是精细化工生产中常采用的间歇式反应釜，对其的设计具有重要的应用背景。 二、设计任务及操作条件 1. 处理能力120000m3／a均相液体 2. 设备型式机械搅拌夹套冷却装置 三、操作条件 1. 均相液体温度保持60℃。
2. 平均停留时间20min。 3. 需要移走热量120kW。 4. 采用夹套冷却，冷却水进口温度20℃，冷却水出口温度32℃。 5. 60℃下均相液体物性参数：比热容Cp=1 050J／(kg·)℃，导热系数 λ=0.65W／(m·)℃，平均密度ρ=950kg／m3，粘度μ＝2.735x10-2Pa·s。 6. 忽略污垢及间壁热阻 四、设计项目 1、设计方案简介：对确定的工艺流程及设备进行简要论述 2、搅拌器工艺设计计算：确定搅拌功率及夹套传热面积 3、搅拌器、搅拌器附件、搅拌釜、夹套等主要结构尺寸的工艺设计计算，完成结构设计 4、主要辅助设备计算与选型：冷却水泵、搅拌电机及接管等 5、设计结果汇总 6、工艺流程图（PFD）及主体设备工艺条件图 7、设计评述 目录 第一章设计方案简介 (4) 1.1搅拌器的选型 (4) 1.2搅拌器的安装选择 (5) 1.3电动机的选型 (5) 1.4减速机的选型 (6) 1.5密封装置的选择 (6) 1.6物料进口出口安置 (6) 1.7夹套进出口安置 (6)