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化学反应工程 第三章 理想反应器(1)

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第三章-理想反应器PFR-1

第三章-理想反应器PFR-1

UAT Tm dl 0
H r T FA0 T T0 x A x A0 Fi p C pi p
0
C C F F
pi p i p p
0
又 : y A0
FA 0 F0
T T0 若令 :
y A0 H r T0 Cp
S2 S1
例15 有 如 下 自 催 化 反 应 ， A+PP+P ， 已 知 ： CA0=1mol/L, CP0=0, k=1L/mol.s, FA0=1mol/s，今欲在一循环反应器中进行 此反应，要求达到的转化率为98%。 求：当循环比分别为β=0、3时，所需反应器的体积为多少？
解： 对于自催化反应，其反应动力学方程可表示为：
由pv=nRT求 出体积流量v 后代入的
1 V pdV t t R 0 T F0 A FA0 x A
若过程恒T、P，则：
1 t t RT0

V
0
V pdV dV F0 A FA0 x A 0 v0 1 y A0 A x A
或根据定义式：
t
，且等于反应时间t。
v0
t t
L
0
V dV dl 0 u v
VR
L v,u
恒容及变容过程的形式
PFR
◆恒容过程 若ρ恒定，即：v=v0，则上式可写成：
V t t v0
液相反应：可以近似看作恒容过程； 气相反应：恒T、P下的等分子反应或恒容过程； ◆变容过程 非等分子的气相反应, 则： A为关键组分，其膨胀因子为δA，
1 3、在 ~xA坐标系中绘出动力学曲线； rA
VR 4、计算曲线下面所围成的面积S， S FA0 C A0

1理想反应器的概念

1理想反应器的概念

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；18工业催化的意义；19结晶的概念，溶解度、超溶解度曲线，结晶区域的特点，溶解度与温度的关系，结晶方法的选择等等。

化学反应工程第三章均相理想反应器

化学反应工程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=0Q 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。

化学反应工程第三章习题答案

化学反应工程第三章习题答案

1.理想反应器包括___平推流反应器、__全混流反应器_ 。

2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_全混流__反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应按_平推流_反应器处理。

3.全混流反应器的空时τ是_反应器的有效容积____与___进料流体的容积流速_之比。

4.全混流反应器的返混__∞__，平推流反应器的返混为_零__。

5.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_循环操作_的平推流反应器6.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为___平推流__反应器，而当β→∞时则相当于_全混流___反应器。

7. 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_零_，而当β→∞时则反应器内返混为_∞_。

8.对于反应级数n＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_全混流__反应器为宜。

9.对于反应级数n＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_平推流__反应器为宜。

10.分批式操作的完全混合反应器非生产性时间不包括下列哪一项___B____。

A. 加料时间B. 反应时间C. 物料冷却时间D. 清洗釜所用时间11.在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__D_____秒。

A. 8500B. 8900C. 9000D. 990012.在间歇反应器中进行等温一级反应A →B，，当时，求反应至所需时间t=__B_____秒。

A. 400B. 460C. 500D. 56013.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为__A__。

A. 空时τB. 反应时间tC. 停留时间tD. 平均停留时间14.一级不可逆液相反应，，出口转化率，每批操作时间，装置的生产能力为50000 kg产物R/天，=60，则反应器的体积V为__C__。

A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.415.对于单一反应组分的平行反应，其瞬间收率随增大而单调增大，则最适合的反应器为___A____。

第三章 理想反应器

第三章 理想反应器
VR = V( t + t0 ) 而反应器的实际体积为
(3.3-6)
Vt = VR / f
(3.3-7)
式中f为填充系数或装料系数,是一个根据经验确定的参数,一般为0.4～0.85， 对不起泡不沸腾物料取0.7～0.85，对易起泡沸腾物料取0.4～0.6。
二、平推流反应器(PFR)反应体积的计算
单位时间A流入微元体的量为： V0CA0 (1 － x A ) 单位时间A流出微元体的量为： V0CA0(1 － xA － dxA ) 单位时间A在微元体内的反应量为： rA d V R 则定态下A的物料衡算式为：
∫ V R
= －V0
dC CAf
A
r CA0
A
dx A
=
－
dC A CA0
(3.3-12)
∫ ∫ τ
= CA0
dx xAf
A
0 rA
=－
dC CAf
A
r CA0
A
(3.3-13)
将式（3.3 -13)与间歇反应器反应时间的积分式 (3.3-5)比较，可以看出：
对恒容过程，为达到相同转化率，在间歇反应器中所需的反应时 间与在PFR中所需的接触时间相同。
第三章 理想反应器
本章讨论的主要内容: 1. 论述反应器内的流动模型,着重阐述混合与返混的异同
及理想流动模型的特征; 2. 以均相反应为背景,讨论理想反应器设计的基本方法； 3. 讨论理想流动反应器中复合反应的收率和选择率。
§3.1 概述
流动模型 是描述流体流经反应器时物料质点的流动与返混状况的模型，对各
2. 全混流模型
特征：
1）反应器内所有空间位置的温度、浓度、反应 速率等参数都相同，且等于出口处相应的值；

化学反应工程第三章

化学反应工程第三章

m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q

dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2

化学反应工程第三章包括答案.docx

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3釜式反应器在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。

反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为 l ，反应速率常数等于。

要求最终转化率达到 95%。

试问：3（ 1）（ 1）当反应器的反应体积为1m 时，需要多长的反应时间？3，（ 2）（ 2）若反应器的反应体积为2m ，所需的反应时间又是多少？解：（ 1）(2)因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为。

拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：以生产乙二醇，产量为20 ㎏/h ，使用 15%（重量）的 NaHCO3水溶液及 30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为 1：1，混合液的比重为。

该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于，要求转化率达到 95%。

（1）（ 1）若辅助时间为，试计算反应器的有效体积；（2）（ 2）若装填系数取，试计算反应器的实际体积。

62kg/kmol,每小时产解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为,84和乙二醇： 20/62= kmol/h每小时需氯乙醇：每小时需碳酸氢钠：原料体积流量：氯乙醇初始浓度：反应时间：反应体积：（2）（ 2）反应器的实际体积：丙酸钠与盐酸的反应：为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于 50℃等温下进行该反应的实验。

反应开始时两反应物的摩尔比为 1，为了确定反应进行的程度，在不同的反应时间下取出10ml 反应液用的NaOH溶液滴定，以确定未反应盐酸浓度。

不同反应时间下，NaOH溶液用量如下表所示：时间， min0 10 20 30 50∝NaOH用量， ml现拟用与实验室反应条件相同的间歇反应器生产丙酸，产量为500kg/h ，且丙酸钠的转化率要达到平衡转化率的 90%。

试计算反应器的反应体积。

假定（ 1）原料装入以及加热至反应温度（ 50℃）所需的时间为 20min，且在加热过程中不进行反应；（2）卸料及清洗时间为 10min；（3）反应过程中反应物密度恒定。

第三章 理想反应器

第三章 理想反应器

A2 =
0.92 × 2.3 × (1 − 0.7) × 22.2 × 51047 2 1799.2(110 − 50) =6.65 m
3.1-3 分批式操作的优化分析 用两种目标进行优化: 1.着眼于反应器的平均生产速率 Y R 为最大的优化
YR =

C RV t + t0
kmol h
38
化学反应工程课程讲稿
t opt 。
x A = 1 − exp[− kt ]
微分得
dx A = k exp[− kt ] dt xA = k exp[− kt ] t + t0
或
x A = (t + t 0 )k exp[− kt ] 1 − exp(− kt ) = (t + t 0 )k exp(− kt )
用试差法解满足 Y R 为最大的
d (C AV ) dt
v 为 A 的加料速度，假定恒定，反应流体容积:
dV =v 且 dt
40
化学反应工程课程讲稿
得 VC
A
= Ie − kt +
vC A0 k
t=0，VC A =0 代入上式积分常数 I= − vC A0 /k
vC A0 (1 − e − kt ) VC A = k
CA v[1 − exp(− kt )] 1 − exp(− kt ) = = C A0 k (v0 + vt ) ⎡V ⎤ k ⎢ + t⎥ ⎣v ⎦
(ii)计算 Y R 最大的反应时间 计算所得 x A − t 标绘， t= − 1.0 的 点对 x A −t 曲线作切线， 该切点 x A 和 t 即为
x Aopt 和 t opt 。 t opt =1.6h

化学反应工程备课-第三章

化学反应工程备课-第三章

②示踪剂浓度很低时也能够检测，这样可控示踪剂量减少而不 影响主流体流动；
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
不存在物料返混与逗留时间分布问题。 （2）连续反应器 在定态下，反应物料的温度、浓度等操作参数随空间位置 而异，而任一空间位置处的物料操作参数不随时间而变，所 有物料质点在反应器中的逗留时间可能相同也可能不同。 存在物料返混与逗留时间分布问题。
（3）平行反应加料方式的选择
2、连串反应 (1)连串反应的选择率
对于一级连串反应
（2）连串反应的温度、浓度效应 温度效应与平行反应相同
浓度效应： ——提高连串反应选择率可以通过适当选择反应物的初始浓 度和转化率来实现。
——初始浓度对连串反应选择率的影响，取决于主、副反应 级数的相对大小，主反应级数高时，增加初始浓度有利于提 高选择率；反之，主反应级数低时，降低初始浓度才能提高 选择率。
等温进行时，
4、多级全混流反应器的串联及优化
反应级数越多，最终转化率越高，在处理量—定时，各级 反应体积越大，最终转比率也越高。
若各级全混流反应器的温度相等，体积相同．作图法求解的 步骤如下：
多级全混流反应器串联的优化
一级不可逆反应，m个全混流反应器，各级温度相同，所 需的总反应体积
——间歇反应器，反应过程中带入与流出的热焓为零； ——流动反应器，在定态下，上式中热量的累积为零；对等温 流动反应器，在定态下，带人热焓与流出热焓相等；对绝热反 应器，传向环境的热焓为零。
(3)动量衡算 动量衡算以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的
压力变化。

第三章 理想反应器

第三章 理想反应器
生产速率 YR 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）
V (−rA)(−ΔHr ) 6.全混流反应器的放热速率 QG =______________。（ v0ρCp ）
V 为_______ m 3 。（C）
A. 19.6
B. 20.2
C. 22.2
D. 23.4
34.对于自催化反应，最合适的反应器为_______。（D）
A. 全混流反应器
B. 平推流反应器
C. 循环操作的平推流反应器
D. 全混流串接平推流反应器
35.对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器为_______。（D）
44.对于可逆放热反应如何选择操作温度？
答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度 曲线相应降低温度；
2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率 出现一极大值；
3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。
45.对于反应， rR
A. 平推流反应器
B. 全混流反应器
C. 循环操作的平推流反应器
D. 全混流串接平推流反应器
36.对于反应级数 n＜0 的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_______。（B）
A. 平推流反应器
B. 全混流反应器
C. 循环操作的平推流反应器
D. 全混流串接平推流反应器
37.对于反应级数 n＞0 的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用_______。（A）

反应工程考试习题库及答案

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第一章 绪论1。

化学反应工程是一门研究______________的科学。

(化学反应的工程问题） 2. 化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学，既以_______作为研究对象，又以_______为研究对象的学科体系。

（化学反应、工程问题) 3。

_______是化学反应工程的基础.（ 三传一反)4。

化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。

（分批式操作、连续式操作、半分批式）5. 化学反应工程中的“三传一反"中的三传是指_______、_______、_______.(传质、传热、动量传递）6. 不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述,也就要用数学式来表达个参数间的关系,简称_______.(数学模型)7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。

（累积量=输入量—输出量）8。

“三传一反”是化学反应工程的基础,其中所谓的一反是指_______。

（D ）A ．化学反应B 。

反应工程 C. 反应热力学 D 。

反应动力学 9.“三传一反”是化学反应工程的基础,下列不属于三传的是_______。

（A ）A 。

能量传递 B. 质量传递 C 。

热量传递 D. 动量传递 第二章 均相反应动力学1. 均相反应是指_。

（参与反应的物质均处于同一相）2。

aA + bBpP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。

（a p）3.着眼反应组分K 的转化率的定义式为_______。

（00K KK K n n n -=χ）4。

当计量方程中计量系数的代数和等于零时,这种反应称为_______，否则称为_______。

（等分子反应、非等分子反应)5。

化学反应速率式为βαB AC A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K .（)()(βα+RT ）6。

化学反应工程第三章答案

化学反应工程第三章答案

3 釜式反应器3.1在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应：325325+→+CH COOC H NaOH CH COONa C H OH该反应对乙酸乙酯及氢氧化钠均为一级。

反应开始时乙酸乙酯及氢氧化钠的浓度均为0.02mol/l ，反应速率常数等于5.6l/mol.min 。

要求最终转化率达到95%。

试问：（1） （1） 当反应器的反应体积为1m 3时，需要多长的反应时间？（2） （2） 若反应器的反应体积为2m 3，，所需的反应时间又是多少？解：（1）00222000001()(1)110.95169.6min(2.83)5.60.0210.95===⨯---=⨯=⨯-⎰⎰Af Af X X A A A A A A A A AA A dX dX X t C C R k C X kC X h(2) 因为间歇反应器的反应时间与反应器的大小无关，所以反应时间仍为2.83h 。

3.2拟在等温间歇反应器中进行氯乙醇的皂化反应：223222+→++CH ClCH OH NaHCO CH OHCH OH NaCl CO以生产乙二醇，产量为20㎏/h ，使用15%（重量）的NaHCO 3水溶液及30%（重量）的氯乙醇水溶液作原料，反应器装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1：1，混合液的比重为1.02。

该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在反应温度下反应速率常数等于5.2l/mol.h ，要求转化率达到95%。

（1） （1） 若辅助时间为0.5h ，试计算反应器的有效体积；（2） （2） 若装填系数取0.75，试计算反应器的实际体积。

解：氯乙醇，碳酸氢钠，和乙二醇的分子量分别为80.5,84 和 62kg/kmol,每小时产乙二醇：20/62=0.3226 kmol/h 每小时需氯乙醇：0.326680.591.11/0.9530%⨯=⨯kg h每小时需碳酸氢钠：0.326684190.2/0.9515%⨯=⨯kg h 原料体积流量：091.11190.2275.8/1.02+==Q l h 氯乙醇初始浓度：00.32661000 1.231/0.95275.8⨯==⨯A C mol l反应时间：02000110.95 2.968(1) 5.2 1.23110.95===⨯=-⨯-⎰⎰AfAf X X A A A A B A A dX dX t C h kC C kC X反应体积：0(')275.8(2.9680.5)956.5=+=⨯+=r V Q t t l （2） （2） 反应器的实际体积：956.512750.75===r V V l f3.3丙酸钠与盐酸的反应： 2525+⇔+C H COONa HCl C H COOH NaCl为二级可逆反应（对丙酸钠和盐酸均为一级），在实验室中用间歇反应器于50℃等温下进行该反应的实验。

理想反应器

理想反应器
• 主要缺点∶设备利用率低， 劳动强度大，每批的操作条 件不易相同，不便自动控制。
2019/1/13
反应产物 反应物
反应时间
连续操作
连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器
A的流入量
A的流出量
管式连续流动反应器、釜式连续流动反应器
2019/1/13
连续操作的主要特点
• 操作特点∶物料连续输入，产物连续输出，时刻伴 随着物料的流动。 • 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。） • 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。 • 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
2019/1/13
理想反应器：流体的流动处于理想状况的 反应器。
特征：物料达到完全 混合，浓度、温度和 反应速度处处相等 特征:在与流动方向垂直的 截面上，各点的流速和流 向完全相同，就象活塞平推 一样，故又称“活塞流”或 “平推流” 注：工业生产中，搅拌良好 的釜式反应器可近似看成全 混流模型；长径比很大，流 速较高的管式反应器可看成 平推流模型
全混流模型——返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，
新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的 浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长，
有的很短；举例——强烈搅拌的连续釜式反应器。
非理想流动模型——偏离上述两种理想流动模型，偏 离程度可通过测定停留时间分布来确定。
2019/1/13
有关反应器操作的几个工程概念 由于连续反应器中的死角、沟流、短路等造成 不同质点在反应器中的停留时间不同，形成停 留时间分布（RTD）。 年龄分布—仍然留在反应器中的质点的RTD 寿命分布—反应器出口处质点的RTD 返混

化学反应工程 第三章

化学反应工程 第三章

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。

二、理想流动模型1.平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。

理想化学反应器

理想化学反应器

温度效应
1 k e C 20
( E1 E 2) RT
P
k10
CA
• E1 E2 E1 E2 0 T
• E1 E2 E1 E2 0 T
E1 E2
结论：温度升高有利于活化能高的反应。
E1 E2
T
Chemical Reaction Engineering
工业操作：
k2
CAe
1 xAe
平衡温度和平衡转化率
xAe
1
K K
Teq
E2 R ln[ k20
E1 xA
]
k10 (1 xA )
xAe
1
k20
1 e( E1 E2 ) / RT
k10
Chemical Reaction Engineering
•工业过程受平衡的限制（热力学） •破坏平衡的措施：
①改变K—吸热，T , xAe 受材质限制； —放热，T , xAe 受动力学限制。
100 t 2=10 t 1 高级数时，反应时间消耗在反应后期 —二级重要特征
Chemical Reaction Engineering
4、CA0, x,（-rA）, t 的关系 n=120
Chemical Reaction Engineering
5、反应器体积计算
v0 单位生产时间所处理的物料量 tT 每批物料的操作时间=反应时间+辅助时间
或C A
C A0 1 CA0kt
转化率式
kt CA0 xA
或x A
kt C A0
kt ln 1 1 xA
或x A 1 ekt
C
A0
k
t
1
x
A

理想反应器CSTR-1..

理想反应器CSTR-1..

各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应：
x A,i x A,i 1 Vi C A,i 1 C A,i i n n n 1 v0 k i C A,i k i C A0 1 x A,i
若n=1，则：
Vi C A,i 1 C A,i i v0 k i C A,i
若 A 0 C A0 C A xA C A0 A C A
或
C A0 1 x A CA 1 A xA
将上式代入设计方程得 : C A0 (C A0 C A ) C A0 x A (1 A ) 或 k (C A0 A C A ) k (1 A x A )
CA0 xA0=0 (或xA1) v0 FA0 CA xA (或xA2) VR CA xA (或xA2) v FA
试问化学反应速率 是固定不变的吗？ 为什么？
进入量=FA0=v0CA0
排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA) 反应量=（-rA）VR
FA0-FA0(1-xA) -（-rA）VR=0 或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -（-rA）VR=0 可以导出下列式子
对于0级反应，η=1，其物理意义是什么？请思考！
t
对于n>0的不可逆反应，CSTR的容积效率η均小于1，这是 由于“返混”造成的稀释效应使全混流的反应器的容积效 率小于1，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式 反应器的1/η倍，但要注意分批式操作的非生产性时间t0在 计算η时并没有考虑，若考虑之，则η’=（t+t0）/τ，有可能 η=t /τ小于1的情况，而η’=（t+t0）/τ大于1，这是完全可能 的。见陈甘棠教材P54例3-3-1。
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–当反应为强放热反应，即（-ΔHr）很大时，可通 过控制A的滴加速率vCA0来控制放热量，从而控 制反应温度。
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
–即反应器与环境之间无热交换，由此，上述热量衡算式
中第一项为0
(rA )(Hr )V
d(Cv VT )
dx A dt
(rA )V
即
t nA0
xA
dx A
0 (rA ) V
当反应体积V恒定（V=V0）时，有
t nA0 xA dx A
V0 0 (rA )
C A0
xA dx A 0 (rA )
dC C A0
A
C A (rA )
t
nA0
xA dxA 0 V (rA )
CA0
xA dxA 0 (rA )
k
C
2 A
kmol ( A) /( L min)
k 1.97L /(kmol min)
C A0 0.004kmol / L 若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为 1h，反应器装填系数为0.75，求：
（1）转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8、0.9时，所需 反应时间？
（2）求转化率为0.8、0.9时，所需反应器体积？
解：（1）达到要求的转化率所需反应时间为：
tr
CA0
xAf 0
dx A
kC
2 A0
(1
x A )2
1 xAf kC A0 1 xAf
xAf 0.5, xAf 0.6,
xAf 0.8,
1
0.5 1
tr
1.97 0.004
1
0.5
60
2.10h
1
0.6 1
tr
1.97 0.004 1
(等容：V V0 )
dC C A 0
A
CA (rA )
应用
–若给出投料、出料情况以及反应动力学，就可以 根据上述方程式来求解所需反应时间
求解方法有
–解析积分 –作图 –数值积分等
–若给出反应器体积，可求出产量
–若给出产量，也可计算相应所需反应器体积
辅助时间
–装、卸料，清洗，升、降温等所需时间
对组分A： vC A0
(rA )V
d (VC A ) dt
vC A0
kC AV
d (VC A ) dt
– C中AA0：的滴初加始液浓中度A）的；浓度（注意：不是反应器
– CA：t时刻反应器中A的浓度； – v：A的滴加速率，体积/时间；
– V：反应器中反应物体积，为一个随时间t的
变化量；
dV
v dt
反应器特征
半分批（半间歇）操作
–在反应过程中某一反应组分连续缓慢地加入 反应器，或某一产物连续不断地从反应器内 排出，而其它反应组分或反应产物则象分批 操作那样一次投入或一次从反应器内排出。
流动模式
–反应器内呈完全混合
操作目的
控制反应速率以控制反应的热效应，以 便温度控制
有目的地抑制某一副反应的反应速率以 期改善反应的产物分布，提高产物的收 率
装填系数
反应器的有效体积 反应器的实际体积
VR V
– 对于不起泡、不沸腾的物料，φ=0.7~0.85
–对于易起泡、沸腾的物料，φ=0.4~0.6
由于是间歇操作，在前述计算中要考虑辅 助时间以及反应器的装填系数
反应体积
VR v (t反 t辅） v t总
V
v t总
–式中，v为单位时间所要求处理的物料量，可从产量 及出料组成加以计算
2.17m3
–同理，可计算xA=0.9时所需反应器体积：
tt 19 1 20h VR' 171 20 / 1000 3.42m3 VR 3.42 / 0.75 4.65m3
反应器的热量衡算
变温操作
–热量衡算
单位时间由环境传 + 单位时间内反
入反应器的热量
应的放热量
UA(Tm T ) (rA )(Hr )V
称之为返混
流动模式
平推流
–返混=0 –基本假设
在垂直与流体流动方向的任一截面上流速均一 相对于主体流动的扩散可以忽略不计
全混流
–返混=∞ –基本假设
反应器有效容积中任一点处的组成、温度等状态完全相同 出口物流的各种状态与反应器中相应状态相同。
理想反应器与非理想反应器
理想反应器
–理想混合（完全混合）反应器和平推流反应器 –本章介绍
反应器分析
以A + B → R（二级不可逆反应）为例：
rA k ' C ACB
若反应物A连续滴加，反应物B一次性投
入反应器，则反应物B远较A过量，可认
为CB=const，此时，可认为该反应为拟
一级不可逆反应，即：
rA k'CACB k'CACB0 kC A
(k k'CB0 )
物料衡算
对于等温反应，只需物料衡算式即可求解，但 这仅适用于反应物浓度低，反应速率低且反应 热效应不大的场合
更多的操作为非等温操作，因此还需考虑热量 衡算
例如：某厂生产醇酸树脂是使己二醇和己二酸以等摩 尔比在70℃用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反 应而生产的，实验测得该反应动力学方程为：
rA
C A0
kV
k(V0 vt) k(V0 t)
v
对产物R：
VCR vC A0t VC A
C R kt (1 e kt )
C A0
k (V0 t )
v
能量分析
反应器中的放热速率：
Q (Hr )(rA )V (Hr )kC AV (H r )vC A0 (1 ekt )
t 0, Q 0 t , Q vC A0 (H r )
= 反应器内热量 的积累速率
d(Cv VT)
dt
– U：总括传热系数；
Tm ：冷却（或加热）介质温度
– T：反应器内物料温度； A ：传热面积；
– C负v、。ρ：定容比热、密度；ΔHr：反应焓变，吸热为正，放热为
–若反应体积恒定，整理上述方程可得：
dT dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(Hr )(rA )V
总操作时间为：
tt tr t' 8.5 1 9.5h
每小时处理己二酸（分子量为146）等总体积量为：
2400 v0 24146 0.004 171L / h
反应器有效容积为：
VR' v0 tt 171 9.5 1630L 1.63m3
实际所需反应器体积为：Βιβλιοθήκη VRVR'
1.63 0.75
第三章 理想反应器
概述 分批式操作的完全混合反应器（Batch Reactor,
B.R.） 半分批式操作的釜式（完全混合）反应器 连续操作的完全混合流反应器(Continuous Stirred
Tank Reactor，CSTR) 多釜串联组合的全混流反应器 （N-CSTR） 平推流反应器 (Plug Flow Reactor, PFR) 循环操作的平推流反应器
0.6
60
3.18h
1
0.8 1
tr
1.97 0.004 1 0.8
60
8.5h
xAf 0.9,
1
0.9 1
tr
1.97 0.004
1
0.9
60
19.0h
–由上述结果可见，随转化率的增加，所需反应时间急剧增 加。因此，在确定最终转化率时应该考虑到这一情况。
（2）反应体积的计算
–当xA=0.8时，
完全混合
–反应器内各点温度、浓度等状态完全相同
反应器的物料衡算
对某一关键组分A
（单位时间 -（单位时间 -（单位时间 =（A在反应器内 流入的物料 流出的物料 反应消耗掉 累积的速率）
A的量） A的量） A的量）
0
0
( rA )V
d(VCA ) dt
整理得
d(VCA ) dt
dnA dt
nA0
这些特性与反应器的几何尺寸、结构（包括内构件） 有关