第三章 均相等温反应器

1 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

化学反应和反应器的分类（四种）：

一、 按反应系统涉及的相态分类：均相反应、非均相反应

二、 按操作方式分类：间歇操作、连续操作、半连续操作

三、 按反应器型式来分类：管式反应器（长径比大于30）、槽式反应器（高径比为1—3）、

塔式反应器（高径比在3—30）

四、 按传热条件分类：等温反应器、绝热反应器、非等温、非绝热反应器

化学反应工程的基本研究方法：数学模型法

反应程度/进度：I0IInn 0SRBAsrba

nI为参与反应的任意组分I的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。

转化率（关键组分A）A0A0AAAnnnAx组分的起始量组分量转化了的A,00AcccA A0AAnx

化学反应速率：单位反应体积内反应程度随时间的变化率。

13smmoldd1tVr 13AAsmmol dd1tnVr nmcckrBAcA

均相反应的速率是反应物系组成、温度和压力的函数

阿累尼乌斯关系: RTEkkec0c TREkk1lnln0

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 转化率式

n=0

n=1

n=2

n级n≠1

半衰期: 反应转化率达到50%所需要的时间 二级反应：0A211kct

停留时间又称接触时间，用于连续流动反应器，指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。

空间时间τ

0RVV （反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值）

空速SV 1R0Vh 1VVS （在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积） Ark0AAktCC0AACCkt0AAktCx0AAktxCAArkC0AACktlnC0ktAACCe11Aktlnx1ktAxe2AArkC011AAktCC001AAACCCkt011AAAxktCx001AAAktxCCktAnArkC1101()1nnAAktCCn11011(1)nnAAxktnC－－）（标准空速 1RNOVh VVS

1 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。釜的材质一般要防腐，常用的是碳钢制作搪瓷挂衬或不锈钢制作，后者稍贵些。釜内搅拌装置由搅拌浆、电机、变速器和连轴器组成。若换热面积只用釜外夹套够用釜内可不安装换热管，否则，就要在釜内安装内换热器。进料口常安装在靠近搅拌浆位置，而出料口安装在边壁，排污口安装在釜底最底部，其它仪表的安装在盖上任意位置。对于高压反应釜，应尽量少开孔或开小孔。间歇釜结构的选择由反应物系和反应特性甚至通过计算来定。而对 2 于反应釜体积、换热面积大小、实际转化效果和生产能力的计算则要靠间歇釜的设计模型来完成。

《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案

第二章均相反应动力学基础

2－4

三级气相反应2NO+O2

2NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数

2

kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以 rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？

解：原速率方程

rA=

dcA2

cB=2.65×104cA

dt

由气体状态方程有

cA=

代入式（1）

2－5

考虑反应A

课

所以

kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564

后

当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。

答

p p 2

rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApB

RT RT p表示的动力学方程。

解：

.因，

w

w

nAp

=A，微分得RTV

daw

案

2

4

网

pAp

，cB=B

RTRT

3P，其动力学方程为( rA)=

dnAn

=kA。试推导：在恒容下以总压VdtV

δA=

3 1

=21

dnA1dpA

=

VdtRTdt

代入原动力学方程整理得

w

dpA

=kpAdt

设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义

δA=

n n0nA0 nA

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