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第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。
对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。
针对不同反应过程讲述了优化设计方法。
化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。
在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择，进而进行反应器设计和计算。
由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。
这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。
实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。
间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。
3-1 间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。
因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。
间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。
釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。
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。
反应器原理
反应器是一个用于进行化学反应的设备。
它通常由一个密封的容器和一系列的反应物、催化剂、溶剂或助剂组成。
在反应过程中，反应物会发生化学变化，生成新的物质。
反应器的工作原理基于反应物分子之间的相互作用。
当反应物加入反应器中后，它们会与其他反应物分子发生碰撞。
这些碰撞会导致反应物分子之间的化学键断裂和形成，并且在一定能量的作用下，新的化学物质会被生成。
反应器中的反应速率是一个重要的参数。
它通常取决于反应物浓度、温度、反应物质性质和反应的压力等因素。
当反应速率较高时，反应器需要能够有效地调节温度和压力，以避免过高的反应速率导致压力过大或产生副反应。
不同类型的反应器根据其结构和功能可分为多种不同的类型。
例如，批处理反应器适用于小型实验室或工业生产中的小规模反应。
连续流动反应器则适用于大规模生产，其反应物会连续地输入和输出。
其他类型的反应器包括循环床反应器、固定床反应器和流化床反应器等。
在设计反应器时，需要考虑多种因素，如反应物的理化性质、反应速率、传热和传质效果等。
合理的反应器设计可以提高反应效率、减少能源消耗，并确保反应安全进行。
此外，反应器的操作也需要控制温度、压力、搅拌速度和物料进出等参数，以维持反应的稳定性和一致性。
总之，反应器是化学反应的核心设备，通过调控反应物分子之间的相互作用，实现所需的化学转化。
通过合理的反应器设计和操作，可以提高反应效率和产品质量，并确保反应过程的安全性。
根据详细分析，精细化工和制药行业的反应根据其动力学原理可划分为3个等级。
其中值得注意的是，目前超过70%的这类反应都以半间歇方式操作。
反应活动受控于某种物料的用量，最终造成反应釜相对反应体积过大，空时收率较低，而原则上连续运行的反应釜会更适合这类反应动力。
对这些已证结果在持续流程中进行了再分析，确立了3种反应类型，连续性生产过程对这些反应都起到积极作用。
A型反应: 非常快，半衰期<1sec。
这种反应主要发生在混合区，并且受控于混合工艺(微观混合领域)。
其中，流量和混合装置的形式起着重要作用。
并且需要微观结构组织对当地温度梯度进行控制。
A 型反应涉及多种活性物质，如：氯、溴、胺及酰氯，并往往在0℃左右形成，有机反应(锂和格式反应)也属于这一类型，通常有对低温的需求。
B型反应：速度快，发生速度介于1~10sec。
它主要由动力学控制，然而，这些反应也受益于微结构，使它能更好地对热流量以及反应温度进行控制。
常规的系统，例如：管壳式换热器，通常由于较少的选择性而产生高温度梯度。
混合对这类的反应并不是很关键，降低压力会将可使用停留时间模块完成反应的可能性也降低。
如果能够保持相同区域的体积比，将可避免规模化问题的出现。
C型反应：缓慢反应(反应时间>10min)，从动力学上看，这一反应比较适合间歇式流程，但连续性反应会更加安全，并且具有质量优势。
事实上，进行连续的热危险性反应或自催化反应可以看做是反应体积，因此，潜在的风险被大大降低。
流程中需要短期暴露于高温，同时压力会受益于这种持续性反应，而分批反应很难实现这种效果。
在设备方面，较长的停留时间模块是必要的，并且需要常规技术，如：静态混合器、管壳式换热器。
微反应器的使用是基于热量的突然产生(催化作用)的要求。
芳香胺和双乙烯酮在一个管式反应器中，真实情况下经过乙酰化，并通过电脑模拟得出测量的热密度，用于停留时间和转换的功能报告中。
反应的半衰期约为1.5sec，所以主要分布在动力情况中(B型反应)，二阶反应说明了大部分的热密度都分布在反应的初始时期，在这种情况下，小的传统管(直径3㎜)无法提取足够的建立在流体力学(Tr)和导热液之间的热量和温度梯度。
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。
反应器分析课程阶段练习（第4章）一、填空题1. 按照传热方式分，固定床反应器可以分为 绝热床反应器,换热式反应器 。
2. 列管式固定床反应器的传热载体可以使用 热水,联苯,烟道气 等。
3. 绝热式系指床层与外界环境的 热交换 可以忽略不计。
4. 固定床反应器中床层高度L 与颗粒直径dp 之比 >100 时，可以不计返混的影响。
5. 可逆放热反应最优温度序列的实施，可采用多段绝热，而 段间冷却,段间冷激 等方法。
6. 线速度 是绝热反应过程放大中唯一的工程因素。
7. 固定床反应器最基本的一维模型主要应用于 在线计算, 过程控制研究 。
8. 列管式固定床反应器中存在 热稳定性,参数灵敏性 等操作特性。
9. 列管式固定床反应器中的最小冷却介质温度与 反应温度,反应活化能 有关。
10. 绝热式固定床反应器有 厚床层 薄床层 等类型。
二、简述题1．空隙率答：空隙率是指颗粒间自由体积与整个床层体积之比，可用下式计算。
1B P ρερ=- 其中B ρ—催化剂床层堆积密度，P ρ—催化剂颗粒密度。
2．绝热温升答：λ为绝热温升。
它表示反应气体中的关键组分完全反应时，所释放的热量用来加热气体混合物自身所能提高的温度数值。
PA A c H c ρλ)(0∆-= 3．拟均相的含义答：不考虑流体与催化剂间的差别，即不考虑流体和催化剂间的传热和传质阻力，认为流体和催化剂颗粒具有相同的温度和浓度。
三、综合题1．分析说明拟均相一维模型和拟均相二维模型的区别和应用。
拟均相模型不考虑流体与催化剂间的差别，即不考虑流体和催化剂间的传热和传质阻力，认为流体和催化剂颗粒具有相同的温度和浓度。
按床层是否存在径向梯度又进一步分为一维模型和二维模型。
一维模型的特征是适用于反应器径向截面上各参数基本上均匀的情况，若不满足这个条件，则计算结果将与实际情况有偏差。
二维模型考虑了径向的浓度和温度梯度，用来描述固定床反应器行为比较精确，然而在使用中所需的参数也随之增加。
