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第三章 间歇反应器与理想反应器

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化学反应工程 第三章 理想反应器(1)

化学反应工程 第三章 理想反应器(1)

–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
第三章 理想反应器

第三章 理想反应器

1. 选择合适的反应器型式 2. 确定最佳的工艺条件 3. 计算所需反应器体积
二、反应器设计的基本方程
1. 反应动力学方程式
均相反应：可直接采用本征动力学方程
非均相反应：必须考虑相间传递对反应速率的影响，即应采用宏观动力学方程
2. 物料衡算方程式
以质量守恒定律为基础
（A的流入量）－（A的流出量）－（A的反应量）＝（A的累积量） （3.2-1)
1. 单釜生产时，求反应器体积。 2. 若将该反应在PFR中进行, 保持与BR相同的条件, 计算PFR的体积。 若将己二酸的转化率提高到90％, 所需的反应器体积又是多少？ 3. 其它条件与(2)相同，反应器为CSTR。
四、多级全混流反应器的串联及优化
假设有m个PFR串联操作，以取代原来的单个PFR操作 前提条件：两种情况下的 V0 、cA0 、cAf 相同，操作温度T也相同。
(3.3-33)
或
τ
=
1 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣
(1
−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-34)
反应系统的总体积
VR
= mVRi
= mV0τ
=
mV0 k
⎡ ⎢
1
⎢⎣(1−
xAm
)
1 m
⎤ − 1⎥
⎥⎦
(3.3-35)
3. 多级串联全混流反应器的图解计算
(1) 图解法原理：
( ) VRi
= V0
CAi−1 −CAi rAi
dx A
(3.3-14)
(3.3-15)
(3.3-16)
2. 变温 PFR 变温操作有两种类型：一种是绝热操作；另一种是非等温换热操作
反应工程ppt课件

反应工程ppt课件


h)
试求乙酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。 已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3
解： CH 3COOH C4H9OH CH 3COOC 4H9 H2O
对1kmol A而言，投料情况是：
乙酸(A) 1kmol
60kg
60/960=0.0625m3
化学反应工程
1
第3章 理想反应器
反应工程研究的内容：
反应
反应器：反应器的设计和开发
反应器开发的任务：
(1)根据化学反应的动力学特征来选择合适的反应器型式
(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优 化设计
反应器的结构和尺寸有关
反应器内的传热性能
(3)根据给定的产量对反应器进行设计计算，确定反应器 的几何尺寸
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
10
【例3－1】以乙酸(A)和正丁醇(B)为原料在间歇反应器 中生产乙酸丁酯，操作温度为100℃，每批进料1kmol 的A和4.96kmol的B，已知反应速率
(rA )V
1.045
c
2 A
k
mol
/(m3
1 kc
1 ln
1 xAf
k 9.52109 exp( 7448.4 ) 0.92(h1) 273 50
t 1 ln 1 1.31h 0.92 1 0.7
则每批操作实际所需要的操作时间为：
t t 0 1.31 0.75 2.06h
反应终了时R的浓度为： CR 2C A0 xA 3.22kmol / m3
t cA0
xAf 0
dxA (rA )V
第三章理想反应器

第三章理想反应器

第三章理想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。

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。

第三章 间歇反应器

第三章 间歇反应器


净的得益为： 净的得益为：
W (θ R ) WT
最佳的θ 值可由下式求得： 最佳的 R值可由下式求得：
d [W (θ R ) WT ] = 0 dθ R
或
dW (θ R ) = WR dθ R
从方程(3-23)可得： 可得： 从方程 可得
dW (θ R ) N dx r = (W ) A0 A = (W )V A dθ R | a A | dθ R | aA | θ
qAk T = 613 65 x A + θ mt c p
令 qAk＝52.8kW
qAk (52.8kW) = = 0.0927K/s mi c p (227kg)(2.51kJ/kg K)
物料衡算： 物料衡算：
dx A 1 22450 C A0 (1 x A ) exp(35.2 = ) dθ 60C A0 T
N p NA (1 x A ) 1 xA = p t A0 = p A0 ( t ) Nt N t 0 (1 + ε A x A ) 1 + ε A x A pt 0
p A = pt
级反应为例， 以n级反应为例， 级反应为例
(1 + ε A x A ) θ= n 1 ∫x n A0 (1 x A ) kC A0 1
3.3.a 最优间歇反应操作时间
设化学品A 每公斤分子的价格为w 设化学品 j每公斤分子的价格为 j，则反应前后 反应混合物的净增值为： 反应混合物的净增值为：
W (θ ) = ∑ w j ( N j N j 0 ) = ∑ w j ∑ aijξi = ∑ (W )i ξ i
j =1 j =1 i =1 i =1 N N M M
等温操作 T= 613 K 绝热操作 q=0 5.28 52.8 105.8 158.9
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习题答案

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0t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 ，s l mol C r A A ?=-/01.02，当l mol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=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 ，s l mol C r A A ?=-/01.0，当lmol C A /10=时，求反应⾄l mol C A /01.0=所需时间t=__B_____秒。

A. 400B. 460C. 500D. 560 13.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t 14.⼀级不可逆液相反/30.2mkmol CA =，出⼝转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的⽣产能⼒为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为__C__3m 。

化学反应工程陈甘棠第三章课件

化学反应工程陈甘棠第三章课件

的几何尺寸并进行某些经济评价。
2020/3/30
间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
2020/3/30
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2020/3/30
1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA)VR
积累 dn A dVR cA
dt
dt
2020/3/30
t 0 ,c A c A 0 ,x A 0 ,T T 0
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U0
积分：
2020/3/30
ddT tcH vrcA0ddA xt
t 0 ,T T 0 ,xAxA 0
TT 0 c H vrcA 0xAxA 0
3 反应容积的计算
V RQ 0tt0
t ：反应时间 t 0 ：辅助时间
求反应时间
2020/3/30
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
c A c A 0 1 x A cBcB 0cA 0cA
cRcA0xA
cScS0cA 0xA
代入速率方程，整理后得：
式中：
2020/3/30
r A k 1 a 2 b x A c x c A 0 2
第三章 反应器计算

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 )
3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征

3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征


1.一级反应 AP
反应动力学方程 ( r A ) kA C kA C 0 (1 x A ) 等温条件下反应时间
t C A 00 x A( fd r A A )x C A 00 x Ak f A C 0 d (1 A x x A ) k 1 ln 1 1 x Af
35
7.理想间歇反应器的最优反应时间
简单反应：A→P 优化目标：单位时间单位反应器体积的产量最
大
t，x，产量；x高时，r，单位时间产量 t，r，辅助时间比例，单位时间产量
CV

单位时间产物生成量：
F P

t
p
t
求导
0
36
d
F P
V[(t
t 0
)
dCp Cp] dt
dt
(t t )2
0
dF
令 P 0
dt
dC P
Cp
dt t t
0
只要知道CP与t之间关系，即可用解析法或图 解法球的最优时间。
37
Cp M
动力学方程
A
O
D
t
切线的斜率
dC P MD MD Cp dt ADOD OAtt
0
切点M横坐标—最优反应时间；纵坐标—产物浓度
38
3.3 理想间歇反应器中的可逆 反应
26
【例题】
醋酸与丁醇反应生成醋酸丁酯，反应式为： CH3COOH(A)＋C4H9OH(B) CH3COOC4H9 (P)＋H2O(S)
当反应温度为100℃并以硫酸作为催化剂时， 动力学方程式为： （－rA）=kCA2 k=17.410-3l/(mol·min)， 已知在一个理想间歇反应器中进行。

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 。

化学反应工程原理-副本第三章 理想间歇反应器

第三章 理想间歇反应器1 理想间歇反应器的特征： ，因此理想间歇反应器的反应结果将 。

2 在BR 反应器中，反应物料达到一定转化率所需要的反应时间，只取决于 ，而与 无关。

反应器的大小只取决于 。

3 在BR 反应器中的简单反应的反应特性：（1）达到相同的转化率或残余浓度，k 值提高，都将减少 ，与 无关；（2）达到一定的转化率， 反应时间与初始浓度无关， 反应时间与初始浓度成反比， 反应时间与初始浓度成正比。

因此，对于一级反应和二级反应， 反应物初始浓度将 生产能力。

（3）反应级数越高，要求的残余浓度越低，反应时间 ；对于二级反应，提高转化率将大幅增加 。

4 自催化反应是 。

自催化反应的反应速率最大的C A 值为( 。

5 BR 反应器中的最优反应时间的条件是： ，单位时间产物生成量 。

6 简述反应器设计的步骤？7 简述可逆反应的重要特点、反应的浓度效应和温度效应？11.如果平行反应均为一级不可逆反应，若＞，提高选择性应_______。

A. 提高浓度B. 提高温度C. 降低浓度D. 降低温度12. 如果平行反应均为一级不可逆反应，若＞，提高收率应_______。

A. 提高浓度B. 降低浓度C. 提高温度D. 降低温度13 BR 反应器中的简单反应计算题：13.1 反应A B 为n 级不可逆反应。

已知在300K 时要使A 的转化率达到20%需要12.6分钟，而在304K 时达到同样的转化率仅需要3.20分钟，求该反应的活化能。

AP(主)S(副)主E 副E P S AP(主)S(副)主E 副E P。

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

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


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
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Vr V f
3.2 变温间歇釜式反应器
间歇釜式反应器做到等温操作很困 难，当热效应小时，近似等温可以办到， 如果热效应大时，很难做到； 温度会影响到 X A , Yp , r 和反应器的
生产强度等,很多时候变温的效果更好
变温间歇操作的热量衡算
A B T C H 1 H 3 A B Tr C
• 全混釜中各处物料均一，故选整个反应器 有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物 料衡算。
输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量
FA0 FAf rA f Vr
FA0 FA0 (1 X Af ) rA f Vr
• 整理得到： FA0 X Af rA f Vr
Vr X Af FA0 rA f
cA0 cAf • 恒容条件下又可以简化为： rA f
Vr xAf cA 0 Q0 rA f
定义空时

Vr c A0 X A 反应体积 rA 进料的体积流量 Q0


代表反应器处理物料的能力 变小，处理能力变大
对于均相反应：
1 空速 空时
（体积空速）
空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。
设计方程的应用
Vr c A0 c A c A0 X A Q0 rA rA
已知rA，可求得不同空时下的组成 已知rA，可求得不同转化率下的空时
单一反应
Vr
Q0 (cA0 cAf ) rA (cAf )
Vr (cA0 cAf ) Q0 rA (cAf )
(1 X Af )1 1 ( 1)kcA0
1
相同
达到一定转化率所需的反应时间与反应器 大小无关，只取决于动力学因素。 温度越高，速率常数 k 越大，则达到相同 转化率所需的反应时间 t 越短。 t 与cA0无关 t 与cA0有关
区别
复合反应——平行反应
对各组分作物料衡算(恒容条件)： 对A：(k1 k2 )c A 对P：
变温间歇操作的热量衡算
又：dq UAh (TC T )dt
dT mt c pt UAh (Tc T ) H rVr rA dt
mt c pt dX A dT UAh (Tc T ) n A0 H r dt dt
式中：U为总传热系数 Ah为传热面积 Tc为环境温度
k2e k1t k1e k2t cQ c A0 [1 ] k1 k2
cQ cA0 (cA cP )

dc P 0 令： dt
得：
t opt
n ( k1 / k 2 ) k1 k 2
问题：假设k1=k2,topt=?
设计计算过程
对于给定的生产任务，即单位时间处理的 原料量FA[kmol·-1]以及原料组成CA0[kmol·-3]、 h m 达到的产品要求xAf及辅助生产时间t’、动力 学方程等，均作为给定的条件，设计计算 出间歇反应器的体积。
dnA 0 0 rAVr dt
mol s
1
整理得
dxA rAVr nA 0 dt
mol s 1
当进口转化率为0时，分离变量并积分得
t dt nA0
0 t xA 0
dxA rAVr
为间歇反应器设计计算的通式。它表达了 在一定操作条件下，为达到所要求的转化 率xA所需的反应时间t。
设 t 0 时，c A c A0，cP 0，cQ 0
c A0
Aห้องสมุดไป่ตู้ P AQ
cP k1 cQ k2
A
P
即：任意时刻两 个反应产物浓度 之比，等于两个 反应速率常数之 比
c
Q
0
t
平行反应物系组成与反应时间关系示意图
复合反应－连串反应
A k1 P k2 Q(k1 k2 )
• 全混流反应器，简称MFR。
3.3.1 全混流模型
基本假定： 反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即 完全均匀地混合，即混合程度达到最大。
全混流反应器的特性
①物料在反应器内充分返混；
②反应器内各处物料参数均一； ③反应器的出口组成与器内物料组成相同； ④连续、稳定流动，是一定态过程。
3.3.2 等温连续流动釜式反应器的设计计算
3.2.1 等温间歇反应器的设计计算
反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故 选择整个有效容积Vr作为衡算体系。在单位时间 内，对组分A作物料衡算：
单位时间进入Vr 单位时间排出Vr 单位时间Vr内反应 单位时间内Vr中 的物料A的量 的物料A的量 消失的物料A的量 物料A的积累量
t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到 一定转化率时所经历的时间。计算关键 t’ 操 作 时 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
Fin Fout Fr Fb
热量衡算方程（热量平衡）
单位时间随物料 单位时间随物料 单位时间内体积 流入体积元的热 流出体积元的热 元与周围环境交 换的热量Q kJ s 1 量Q kJ s 1 量Q kJ s 1 in out u 单位时间内体积 单位时间内体积 元中化学反应的 元中积累的热量 热效应Q kJ s 1 Q kJ s 1 r b
在恒容条件下， 上式可简化为：
t cA0
xA 0
cA cA 0 1 xA
cA dc dxA A cA0 r rA A
间歇反应器内为达到一定转化率所需反应 时间 t，只是动力学方程式的直接积分， 与反应器大小及物料投入量无关。
等温 BR 的计算
1.反应体积
Vr Q0 (t t ' )
A k1 P rP k1c A A k 2 Q rQ k 2 c A
dcA 0 dt
dcP k1c A 0 dt
对Q： k2c A
dcQ dt
0
系统中只进行两个独立反应，因此，此三式中仅 二式是独立的。
组分
A P
浓度
c A c A0 e[(k1 k2 )t ]
设 t 0 时，c A c A0，cP 0，cQ 0
对A作物 料衡算：

cA0 cA cP cQ
k1t
dc A k1c A dt
dc P k 1c A k 2 cP dt
cA cA0e
对P作物 料衡算：
k1c A0 k2t k1t cP (e e ) k1 k2
①计算反应时间t；
t r cA0
xA
0
②计算一批料所需时间tt； t t= t + t ’ t’为辅助生产时间 ③计算每批投放物料总量F’A； F’A=FAtt ④计算反应器有效容积V’R；
dxA rA
FA Vr CA0
或
Vr Q0 t t
⑤计算反应器总体积V。反应器总体积应包括有 效容积、分离空间、辅助部件占有体积。通常 有效容积占总体积分率为40％-85％，该分率 称为反应器装填系数f，由生产实际决定。
单位时间进入 单位时间排出 单位时间内体积 单位时间内体积 体积元的物料 体积元的物料 元中反应消失的 元中物料A的积累 A量F mol s 1 A量F mol s 1 物料A量F mol s 1 量F mol s 1 in out r b
微观模型：反应器内的浓度、温度等随空间位置而变。
模型通常含有微分变量。
反应器设计的基础方程：“三传一反”
本征动力学：均相反应器
“一反”：反应动力学 宏观动力学： 非均相反应器
“三传”：质量传递、热量传递、动量传递
物料衡算方程（质量平衡）
物料衡算所针对的具体体系称体积元。 体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。 在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。 在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。 在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。
n A0
dX A rAVr dt
等温反应
讨论
UAh (Tc T ) H rVr rA
T T0 n A0 ( H r ) mt c pt XA
绝热反应
总结：通过热量衡算，找出T与XA的关系，代入设计基本方程积分， 即得反应时间t。
3.3 理想流动下的釜式反应器 • 连续搅拌槽式反应器，简 称 CSTR。流入反应器的 物料，在瞬间与反应器内 的物料混合均匀，即在反 应器中各处物料的温度、 浓度都是相同的。
cA0 X Af Vr Vr rA ( X Af ) Q0 rA ( X Af )
Q0cA0 X Af
A k1 P rP k1c A
复合反应－平行反应 对关键组分A有： Vr
A k 2 Q rQ k 2 c A
cp k1c A0 1 e[ ( k1 k 2 )t ] k1 k 2
k 2 c A0 1 e[ ( k1 k 2 )t ] k1 k 2



A P rP k1c A A Q rQ k 2c A
Q
反应 时间
cQ

t
c 1 n A 0 k1 k 2 cA
间歇反应器的特点：
①反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；