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
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。
7.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的， 根据示踪剂的输入方式不 同分为 、 、 、 ________________ 。(脉冲法、阶跃法、 周期示踪法、随机输入 示踪法) 9. 平推流管式反应器 10. 平推流管式反应器 12. 平推流管式反应器其 24. 非理想流动不一定是由 25. 非理想流动不一定是由返混造成的，但返混造成了 ____________________ 。(停留时间分布) 26. 为了模拟返混所导致流体偏离平推流效果，可借助这种轴向返混与扩散过程的相似性, 1. 停留时间分布的密度函数在 2. 停留时间分布的密度函数在 3. 当t=0时，停留时间分布函数 4. 当t= 8时，停留时间分布函数 非理想流动及反应器 t < 0 时，E (t )= t > 0 时，E (t ) _ F (t ) =_ (t )= 。(0) (1) 5.停留时间分布的密度函数 E ( 6.表示停留时间分布的分散程度的量 2 CT Q = _。(0) 。(> 0) E (t )。( t 1 (产) 8. 平推流管式反应器 t =t 时，E (t )= 11. 平推流管式反应器 t < t 时，F (t )= 13.平推流管式反应器其 E (t )曲线的方差 14.全混流反应器t=0时 1 -e 。(t 2 _ 15.全混流反应器其E ( 0 )曲线的方差◎日= 。(1) 16.全混流反应器其E (t )曲线的方差= (t 2 ) 17.偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动, 2 E ( 0 )曲线的方差bQ 为 (0 ?1) 22.脉冲示踪法测定停留时间分布 C A C 0对应曲线为 。(E (t )曲线) 23.阶跃示踪法测定停留时间分布 C A C o 对应曲线为 。(F(t)曲线) .造成的。(返混)
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 =
{教育管理}化学反应工程三理想流动反应器
第一节流动模型概述3－1反应器中流体的流动模型 3－2 反应器设计的基本方程 ?间歇过程－－时间变化过程， ?流动过程－－空间变化过程，， 实例1：管式反应器 实例2：串联釜式反应器
Schematic of a Steam Cracker for Ethylene Production from Naphtha heating gas Crack gas cooler Crack gas 125 bar steam Steam Naphtha preheater Naphtha burner Radiation zone convectio n zone F e e d w a t e r 石脑油蒸馏制乙烯产品
High Pressure Polymerisation of Ethylene Pressure : 1500 –2500 bar （1bar ＝0.1MPa ）Residence time: 100 –150 s Reactor: Diam. 34 –50 mm; L = 400 –900 m pression purge polymerisation deposition LP-stripper HP-stripper 150-300at HP-pressor LP-pressor 1500-3000bar Tubular reactor and stirred tank Wax separation 乙烯高压聚合
串联反应釜
理想流动模型 Dispersion Recycle reactor (Semi-)Batch reactor 3－1反应器中流体的流动模型 流动模型：反应器中流体流体与返混的描述非理想流动模型 Plug-Flow Reactor (PFR) Continuous stirred tank (CSTR)
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 _______。