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理想流动反应器解析

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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。

第二章 理想流动与非理想流动1

第二章 理想流动与非理想流动1

第二章
理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率， 直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混 的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同 年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后 者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型， 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算，基本式为 （带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的 累积）十（传向环境的热量） （2-2） 式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。
化学反应工程第三章反应器内的流体流动

化学反应工程第三章反应器内的流体流动


物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型， 则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当 为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示 意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 ，则上 c F ( t ) 式可以改写成： （3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输 入法，输入的示踪剂浓度 ，在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系： 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ，关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
第二章理想流动反应器

第二章理想流动反应器


c A0 c A0 = ； VR 1 + 2kτ 1+ k V0 2
（b）两全混流反应器串联： c Af .b =
c A0 c A1 = ； VR (1 + kτ )2 1+ k V0
−k
VR V0
（c）平推流反应器与全混流反应器串联或（d）全混流反应器与平推流反应器串联：
c Af .c =
c e c e c A1 或 c Af .d = c A1e = A0 = A0 VR ( 1 + kτ ) 1 + kτ 1+ k V0
s=
rL rL α 1 = = = rA rL + rM α + 1 1 + 1
=
α
dc L − dc A c Lf
对平推流反应器，总选择率
S=
c A0 − c Af
∫ =
c Af
c A0
− sdc A
c A0 − c Af
c Lf c A0 − c Af
对全混流反应器，其出口组成与反应器内的组成一致，总选择率： S = s =
11. 等温自催化反应 A→R，反应速率 rA = kc A c R ，则平推流反应器所需体积小于全混流反应器，全混流 串联平推流反应器总体积最小。 采用多级串联全混流反应器可提高反应过程的推动力。 0 级等温不可逆单反应，全混流反应器、平推流反应器、间歇反应器的停留时间相同。 即： （1）tMFR>tPFR （2）tMFR=tPFR （3）tMFR<tPFR 多级串联连全混流反应器，当级数趋于无穷时反应器的总体积等于平推流反应器的总体积。 对于一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联后，为保证总反应体积最小各釜反应体积应相等。 等温恒容一级不可逆反应，相同体积的 PFR 与 MFR，各种组合的转化率：
化学反应工程-9-第二章-均相理想流动反应器

化学反应工程-9-第二章-均相理想流动反应器


表1 几种桨叶在不同要求下的不同适用情况
过程 桨叶形状 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 特征参数 容积/mL 0~3.785ⅹ105 0~2.08ⅹ105 0~7.57ⅹ105 固体含量/% 0~50 0~100 65~90 物料流量/ （cm3/s） 0~1.90 0~63 0~0.19 容积/mL 0~39.7ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~189ⅹ103 容积/L 0~3.97ⅹ103 0~37.85ⅹ103 0~37.85ⅹ103 要求 D/d H/D 没有 限制 补充说明
螺旋桨叶：NV=0.5；
NV=0.93D/d，D为釜直径。
六叶涡轮桨叶，叶片宽度和直径之比W/d=1/5 ，当Red>104，
功率数NP、NV和Red之间的关系如下图：
二、釜式反应器内混合概念
对于CSTR，存在两种混合。 1、返混 不同停留时间物料间的混合，即返混。CSTR是返混达到最大 的一种反应器。 问题：完全混合如何判断？ 经验标准是：
a b
rS k 2C A2 CB2
a
b
瞬时选择率： 则：
rP SP rP rS
1 1 SP rS k 2 a2 a1 b2 b1 1 C A CB 1 k1 rP
问题：如何提高选择率？
⑴连续操作 ① a1 a2，b1 b 2 对 C A、C B 的控制应使都高，操作方式如下：
螺旋桨 式，平 直叶， 三叶 41.0 0.32
桨叶型 式 KL KT
螺距式， 涡轮式， 三叶 六平叶 43.5 1.00 71.0 6.30
六叶后 掠弯式 70.0 4.80
风扇涡 轮式， 六叶 70.0 1.65
平桨式， 二叶 36.5 1.70
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；
转化率和反应时间的关系

转化率和反应时间的关系


由表中所列结果，可以得出以下几点结论。 1. 对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值： 当k↗，t↘；当k↘，t↗。对于任一级反应都是如此。 2. 当转化率xAf确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应 级数有关。
0级反应： kt CA0 xA ， t与CA0 成正比 1级反应： 2级反应：
所以：
积分：
V0CA0dxA rA dVR
VR V0CA0
X Af 0
dxA rA
上式是平推流反应器体积计算的普遍式，适用于等 温、非等温、等容和非等容等过程。
对于等容过程，反应器进口与出口流量均为V0,故：

xAf dx VR A CA0 0 V0 rA
对比间歇反应器：
t C A0
表3－1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
n=0
rA k
CA CA0 kt
C kt ln A0 CA
kt ln 1 1 xA
n=1
rA kCA
2 rA kCA
3－2 反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容 1. 选择合适的反应器形式 2. 确定最佳的工艺条件 3. 计算所需反应器体积 反应器设计的基本方程 1. 物料衡算方程 某组分累积量= 某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量 2. 热量衡算方程 带入的热焓＝ ＝带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量 3. 动量衡算方程 上述为反应器设计的基本方程，在列出这些方程时，需要 动力学方程和流动模型。
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用

理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用


➢气液鼓泡反应器 因为气泡搅动所造成旳液体反向流动，形成很大旳液相循环
流量。所以，其液相流动十分接近于理想混合。 ①放置填料 ②设置多孔多层横向挡板，把床层提成若干级 ③设置垂直管
理想流动反应器旳分类和应用
分类 ➢ 理想混合流反应器 ➢ 理想平推流反应器 应用
实际生产中，连续操作釜式反应器能够近似看作是理 想混合流，连续操作管式反应器能够近似看作是理想平 推流。
降低返混程度旳措施
返混对反应器旳意义 ➢ 对反应过程产生不同程度旳影响 在返混对反应不利旳情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应该考虑返混可能造成旳危害。选择反应器旳 型式时，应尽量防止选用可能造成返混旳反应器，尤其应该注 意有些反应器内旳返混程度会随其几何尺寸旳变化而明显增强。
➢ 在工程放大中产生旳问题
➢ 连续操作旳搅拌釜式反应器 为降低返混，工业上常采用多釜串联旳操作。当串联釜 数足够多时，连续多釜串联旳操作性能就很接近理想置 换反应器旳性能。(横向纵向？)
➢ 流化床 因为气泡运动造成气相和固相都存在严重旳返混。为了 限制返混，对高径比较大旳，常在其内部装置横向挡板 以降低返混；而对高径比较小旳流化床反应器，则可设 置垂直管作为内部构件（横向纵向？）
➢ 间歇反应器中不存在返混 ➢ 理想置换反应器不存在返混 ➢ 理想混合反应器返混到达极限状态 ➢ 非理想流动反应器存在不同程度旳返混
返混对反应过程旳影响
➢ 返混带来旳最大影响是反应器进口处反应物高浓度区旳消 失或减低。 ➢ 返混变化了反应器内旳浓度分布，使器内反应物旳浓度下 降，反应产物旳浓度上升。但是，这种浓度分布旳变化对反 应旳利弊取决于反应过程旳浓度效应。 ➢ 返混是连续反应器中旳一种主要工程原因，任何过程在连 续化时，必须充分考虑这个原因旳影响，不然不但不能强化 生产，反而有可能造成生产能力旳下降或反应选择率旳降低。
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用

理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用

➢滞留区的存在 ➢存在沟流与短路 ➢循环流 ➢流体流速分布不均匀 ➢扩散
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流 动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有 其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合， 是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
理想流动 非理想流动 理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流 速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓 度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流 动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳 定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中 的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
种，其中重要的是__________。 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想置换流动模型
含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。 与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同， 即物料是齐头并肩向前运动的。
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
理想流动反应器

理想流动反应器

第二章理想流动反应器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。

根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型非理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。

§2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程而言的。

间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间而变，无空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图示）停留时间不同：全混反应器（图示）一、理想流动模型1、平推流模型活塞流或理想置换模型特点：沿物流方向，反应混合物T、C不断变化，而垂直于物流方向的任一截面（称径向平面）上物料的所有参数，如：C、T、P、U等均相同。

总而言之，在定态情况下，沿流动方向上物料质点不存在返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。

实例：长径比很大，流速较高的管式反应器。

2、全混流模型理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，而且等于物料在反应器出口处的性质。

实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。

关于物料质点停留时间的描述：①年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间。

②寿命：指反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。

寿命可看作时反应器出口物料质点的年龄。

关于返混：返混：又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，而非一般的搅拌混合。

如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，而只是统一时间进入反应器的物料之间的混合。

平推流反应器不产生返混，而全混流反应器中为完全返混，返混程度最大。

关于实际反应器的返混。

介于平推流和全混流反应器之间。

关于各种反应器的推动力：△C A等温下：C A、C Af、C A *(a)间歇反应器△C A随时间变化↘(b)平推流反应器△C A随时间变化↘(c)全混流反应器△C A随时间变化↘非理想流动反应器，其反应推动力介于平推流和全混流之间。

理想流动反应器反应器内的流体流动


长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流
动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳
定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中
的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
在工程放大中产生的问题 由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想流动
非理想流动
理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。 反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流
速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓
度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义
对反应过程产生不同程度的影响 在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的 型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注
意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
推流。
练 习
理想流动模型分为两种类型，即________和_________ 返混专指________进入反应器的物料之间的混合 说明下列反应器中的返混情况： 间歇反应器中返混为_____, 理想置换反应器返混为_______

第三章-理想流动均相反应器设计题解

解:VR 1 lnTP = V0=k 山番=1 Innr~X A = 027 In 1 0.95 =11.1 SV R=11.1S X6.3mol /s19.8mol /m3=3.53m31.51 n2 0.250.4 =1.974h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：In CCA0=kt, CA0A0CA =0.7 , C A=0.3C A0间歇釜中「.In-10.3= —13k, k=0.0926 min在全混釜中TVR CA0 XA 0.7-1== = =25・2讪•••空速5=2 = ^ =0.0397min-12、［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P气相反应，已知进料中含30%A(mol)，其余70%^惰性物料.加料流量为6.3mol/s.该反应的动力学方程为J=0.27C Amol/m3• s,要求达到95%专化.试求⑴所需的空时？⑵反应器容积？• V R =T P-V0= T PC A0C A0而C A0= R°= 0舄红=0.0198mol/L=19.8mol/m3、［平推流变容过程一级］有一纯丙烷裂解反应方程式为Gn QH+CH.该反应在772 C等温条件下进行，其动力学方程式为-dPMdt=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. 772C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：Tg A= 221=0.5••• k T F=- (1 +e A) In (1- X A)- £A X Af0.4 T P=—(1+0.5) In (1-0.5)-0.5 X 0.5V R= T P V0=1.974X 800=1579L=1.579 m34、［间歇釜变容一级］一级气相反应22R+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S A=^=2膨胀率£ A=y A0 S A=0.75 X 2=1.5解:解:T 沁-C A0C A1 -T 2=V R2=C^-^= C A0(X A2 X A1)V0 r A2 kC A02 (1X)2所以,整理有试差解得T 1= T 2 两釜相同x A2 x A 1(1X A1)2(1X A2)2 '2(1-0.875) X A1=(0.875- xX A1=0.7251而X A2 =0.8752A1)(1- X A1)所以，V R=」S冷二遊霊需山=4・16m3对应转化率沦的反应体积V=V 0(1 + s A X A)所以，V 1X A=w =黄=66.7%A 「5K=? ln一=8h ^^7 =0.0735 min -15、［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 T C,在298K下的动力学方程式为「A=0.6C A C B mol/(L.min), 该反应的进料速率为v 0 =0.018m /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？V R _ C A0X Af _ C A0X Af _ C A0X Af _ C A0 X Af _= = = 厂=2 2 = T mV r A k C A C B kC A2kC A02 (1 x Af )2T m =0.6 0.：(9 0.9)2 =150 min•••V R=VO T n=0.018 m3/mi nx 150min=2.7 m36、［多釜串联液相二级］3 3某一液相反应A+4R+S，其速率常数k=9.92m/(Kmol • KS),初始浓度为0.08Kmol/m , 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0.278m3/KS .求全混釜的总体积？总反应器体积V R=2V R1=2 x 4.16=8.33 m37. 【自催化反应优化】自催化反应A+R T R+R,速度方程为-r=kC A C R,体系总浓度为C0= 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 T R+R -r A =kC A C R C0 =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。

第三章 反应器计算



xA2
xA1
dxA 1 rA kCA0
xA 2

,
xA2
xA1
dxA , 2 (1 xA )
xA2 VR 2 kCA0 dxA 1 2 0.622 V0 (1 xA ) 1 xA
0.622
1 1 250 17.4 103 7.14 4.35 1 xA2 1 0.622 7.14
VR2 kCA0 xA2 xA1 , 2 V0 (1 xA2 )
xA2 0.770 250 17.4 103 7.14 4.35, 2 (1 xA2 ) 7.14 2 解得 xA1 0.8581 4.35xA2 9.7 xA2 5.120 0,
④
V0 2L / min
3-6
CA0
解：①
2 rA kCA , k 17.4mL / (mol min), V0 7.14L / min, 7.14L / mol, 反应在等温下进行，求以下几种反应器的出口转化率。
二级反应
2个0.25 m3 的CSTR串联，VR1= VR2=250L, 根据公式:
P + R, 速率表示式为
rB 8CACB 1.7CPCR , CA0 3.0mol / L, CB0 2.0 mol / L, xBf 0.8 。
解： 两股流体等流量同时加入反应器，总流量是其两倍，使 A V0A B V0B
A、B初始浓度相互稀释至一半， CA0 1.5, CB0 1.0 ,
VRi CA0 ( xAi xAi 1 ) VR1 CA0 ( xA1 xA0 ) xA1 i , 2 2 V0 (rA )i V0 kCA0 (1 xA1 ) kCA0 (1 xA1 )2 xA1 250 , 4.35(1 x )2 x , 3 2 A1 A1 7.14 17.4 10 7.14(1 xA1 ) VR2 ( xA2 xA1 ) 解得 xA1 0.622; 第二个CSTR: V kC (1 x )2 , 0 A0 A2 xA2 0.622 250 , 整理得 4.35(1 x )2 x 0.622 3 2 A2 A2 7.14 17.4 10 7.14(1 xA2 )

第三章 理想流动均相反应器设计题解

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, CA0CACA0- =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 -12、[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 Amol/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 =1k ㏑PA0PA =1k ㏑A0Ay y =1k ㏑11Ax -=10.27㏑110.95-=11.1 S∴V R =τP ·v 0=τP 00A A FC而C A0=A P RT=30.30.082555⨯⨯=0.0198mol/L=19.8mol/m 3V R =11.1s ×36.3/19.8/mol s mol m =3.53m 33、[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 =212-=0.5∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf0.4τP =－(1+0.5)㏑(1-0.5)-0.5×0.5∴τP =1.5ln 20.250.4-=1.974hV R =τP v 0=1.974×800=1579L=1.579 m 34、[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 0A1ε-=2-11.5=66.7%K=1t ㏑11Ax -=18㏑110.667-=0.0735 min -15、[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 0V v =A0Af AC x r =A0Af A BC x kC C =A02Af A C x kC =A0220(1)AfA Af C x kCx -=τmτm =20.90.60.1(10.9)⨯-=150 min∴V R =v 0τm =0.018 m 3/min ×150min=2.7 m 36、[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=10R V v =011A A C C r -=012201(1)A A A A C x kCx -τ2=20R V v =122A A A C C r -=021222()(1)A A A A A C xx kC x--∵ τ1=τ2 两釜相同所以， 121(1)A A x x -=2122(1)AA A xx x--, 而x A2 =0.875整理有 (1-0.875)2x A1=(0.875- x A1)(1- x A1)2试差解得 x A1=0.7251所以，V R1=0012201(1)A A A A v C xkC x ⨯-=20.2780.75219.920.08(10.7521)⨯⨯⨯-=4.16 m 3总反应器体积 V R =2V R1=2×4.16=8.33 m 37.【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 。

化学反应工程 第三章 理想反应器(3)


a( )
d
d
其中，
f (, x) 1 rA
(1 )
f ( , x) rA 1
rA
f [ , b( )] 1
rA2
db( ) dxA2 0 d d
d[ ,a( )] 1
rA1
da( ) d
d
d
[ 1
xA2]
xA2
(1 )2
dx xA2
A
r xA1
解：分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前，PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此，出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即：
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而， xA2
1
xA2
x A1
–由此，可得：
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者，
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解：
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而

第三章 间歇反应器与理想反应器


元中化学反应 的元中积累的热 量
热效应QrkJs1 QbkJs1

Q in Q ou Q t uQ rQ b
动量衡算方程（动量平衡）
对于稳态流动，上述累积量为0.
3.2 间歇反应器 Batch Reactor（BR)
反应物料一次投入反应器内，在 反应过程中不再向反应器内投料， 也不向外排出，待反应达到要求 的转化率后，再全部放出反应物 料。反应器内的物料在搅拌的作 用下其参数（温度及浓度）各处 均一。
第三章 间歇反应器及理想流动反应器
3.1 概述
反应器的操作
间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。
连续操作： 存在流动问题 稳态流动：
稳态流动 非稳态流动
物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和 温度等不随时间而变。
反应器的数学模型： 宏观模型：反应器内的浓度、温度等不随空间位置而变。 微观模型：反应器内的浓度、温度等随空间位置而变。
一定转化率时所经历的时间。计算关键
作 时
t’ 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 间
经验给定
2.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。 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6
A B Tr C
dH 2
T d T
H 3 m tT r c pd t T m tcp(T t d T T r)
dH2 HrrAVrdt（单一反应）
dHH1dH 2H3
mt为反应物系的质量
mtcpdt THrrAVrdt c pt为反应物系的比热容
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• 三、等温平推流反应器：
•
对等温 n级不可逆反应，反应动力学方程为
rA
kC
n A
• • • • •
⑴上当n无式体代1时积入，变（V当R3化-时1Vk05：l）n1积C1x分AAnVf ：R1VVkn时（0A0ln，3VCC-V1ACA00Rf 6ACC（）0AAkO(f1(3Vn-Ok1[1dxC15)A（CC）)An1NA1 (1xA f
•
化速率非常小――大部分时间花费
•
在反应的末期（应重视反应过程末
•
期动力学研究，后期反应机理是否变化）。
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 一、特点：
• ①物料的各种参数（如浓度、温度等），不随时间变 化，只随物料流动方向上的位置变化；
•
②反应速率随空间位置的变化仅限于轴向。
•
③物料停留时间相同――无返混。
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
二、计算方法：
由微元体积物料衡算 V0CA0dxA rAdVR
导得：
反应体积：
V R
V C xA f
0
A0 0
dx A r（3-13）
A
停留时间：
V R
V
（C3AO-10xA4f ）drxA
0
A
• * 间歇反应中的单一反应：反应速率rA，残余浓度CA， 转化率xA See p90,list-31
• 结论：
• ①反应初始条件一定，反应结果（残余浓度或转化率）
• 就一定；为达到一定转化率， k ,则t （与反应级数无关）
•
▲转化率或残余浓度与反应级数无关，而与反
•
应物初始浓度有关。
3-3 间歇反应器
）n1 x
] )
n1
A0
Af
•
等温、等容平推流反应器计算式：
•
see p93,list3-2
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
• ⑵有体积变化时：
• 对气相反应 VAA VBB VLL VMM
• 化学膨胀因子 为A 组分A反应1mol时，反应混合物摩
合。
3－1 反应器中流体的流动模型
• 一、理想流动模型
• ⑴平推流模型
• 沿流动方向上物料质点无返混（所有质点逗留时间相
同），物料的温度，浓度不断变化；垂直于流动方向上
的物料质点参数相同。
•
长径比大，流速较高的管式反应器，固定床
•
催化反应器中的流体流动可视为平推流。
3－1 反应器中流体的流动模型
• (c)搅拌形成再循环〕
• 界于平推流、全混流之间的中间流：存在不同程度的
返混；反应推动力界于两者之间。
• 影响后果：
•
转化率xA↓，
• 选择率S↓，质量↓。
3-2 反应器设计的基本方程（自学）
• 基本内容：反应器选型，最佳工艺条件确定；
•
反应器体积计算
• * 基本方程：
• 物料衡算：计算反应组分浓度变化，
•
（计算反应器体积）
• 热量衡算：计算反应物料温度变化
• 动量衡算：计算反应器压力变化
•
第二节 理想流动反应器
• 3-3 间歇反应器
搅拌装置；换热夹套或内置盘管；釜。 • 特点：
反应结果仅取决于反应动力学（化学动力学） ①浓度达分子尺度上均匀，排除传质对反应影响； ②各处温度相等，不考虑釜内传热问题；
第三章 理想流动反应器
第一节 流动模型概述
流动模型分类 理想流动模型 平推流（理想置换、活塞流）模型
全混流（理想混合、连续搅拌槽式反 应器）模型
非理热流动模型 (考虑轴向返混的）返混模型 （中间流模型） （考虑流速分布的）层流模型
多级串联全混流模型
第一节 流动模型概述
3－1 反应器中流体的流动模型
③所有物料反应时间相同。各参数随时间变化。
3-3 间歇反应器
• 反应时间：由微元时间物料衡算导得：
rAVdt nAOdxA dnA
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CA 0
dCA rA
数值积分法；图解积分法；
3-3 间歇反应器
• 反应器有效体积：VR V (t t ' )
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 积分时注意：
• ①反应过程有无体积变化。若有，则须建立体积流
率 V ~ x ,C ~；x 关系
A
A
A
• ②反应过程是否等温。若等温，k为常数；若变
• 温，则须结合热量衡算建立 k ~ x 关, T系~。x
A
A
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 停留时间：在连续反应器中，常用物料质点的年龄与 寿命说明停留时间的长短。
• 年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留Hale Waihona Puke 了的时间。（对仍留在器内质点而言）
• 寿命：指反应物料质点从进入反应器时算起到离开反 • 应器的时间。（对离开反应器质点而言） • * 返混：又称“逆向混合”，指不同年龄质点间的混
尔数的变化： A
1 VA
[(VL
VM
) (VA
VB
)]
•
若 为初C始i0 反应混合物中包括惰性物料在
• 内的所有组分的浓度，则：
•
化学膨胀率（体积膨胀率）
A
C A0 A
Ci0
y A0 A
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
V V0 (1 A yAOxA) VO (1 AxA)
• 二、非理想流动模型： • 实际反应器中的流动模型与理想反应器中的有所偏离： • 偏离平推流的几种情况:[(a)涡流、湍动、或碰撞引起 的漩涡运动；(b)截面流速不均；(c)沟流、短路、死角]
3－1 反应器中流体的流动模型
• 偏离全混流的几种情况：
• 〔(a)搅拌不均的死角；
• (b)进、出口管设置不当的短路；
• ⑵全混流模型 • 刚进入反应器的新鲜物料与留存在器内的物料瞬间 达到完全混合（返混最大），器内物料温度、浓度均匀 且与出口处相等。物料质点在器内逗留时间参差不齐，
有的很长，有的很短，形成一个逗留时间分布。 • 搅拌良好的釜式反应器中的流动可视为全混流。
3－1 反应器中流体的流动模型
3－1 反应器中流体的流动模型
• ②反应物初始浓度对反应结果的影响表现为反应级数： ▲反应时间与反应物初始浓度关系
n=1(一级反应)：t与CAO无关
n=2(二级反应)： t∝ 1
n=0(零级反应)： t∝
CA0
CA0
• (据此，开发过程中定性判断反应级数)
•
③n=0时，与呈直线↓，直至反应物完全转化
• 为止；n=1,n=2时,随下降渐缓，尤其n=2时，后期 变