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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 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- = ， C A = 间歇釜中∴㏑=－13k ， k= min-1在全混釜中τ=VR V0=CA0 XA k CA =0.70.30.0926⨯= min -1∴空速S=1τ=125.2=2、[平推流恒容一级]有一个活塞流管式反应器于555K,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s.该反应的动力学方程为r A = mol/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-= S∴V R =τP ·v 0=τP 00A A FC而C A0=0A P RT=30.30.082555⨯⨯=L=m 3V R =×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=反应过程保持恒压.772℃和下的体积进料量为800L/h,求转化率为时所需的平推流反应器的体积.解: ∵εA =212-=∵k τP =－(1＋εA )㏑(1-ΧA )- εA ΧAf τP =－(1+㏑×∴τP =1.5ln 20.250.4-=V R =τP v 0=×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 =×2=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=%K=1t ㏑11Ax -=18㏑110.667-= 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 = mol/,该反应的进料速率为ν0 =0.018m 3/,B 的初始浓度相同,均为L,要求出口的转化率为90%,求需多大的全混釜 解:RV v =A0Af AC x r =A0Af A BC x kC C =A02Af AC 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= 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=(Kmol ·KS),初始浓度为m 3，在两个等体积的全混釜中进行反应,最终出口转化率.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 =整理有 2x A1= x A1)(1- x A1)2试差解得 x A1=所以，V R1=0012201(1)A A A A v C x kC x ⨯-=20.2780.75219.920.08(10.7521)⨯⨯⨯-= m 3总反应器体积 V R =2V R1=2×= 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 。
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 → R+R -r A =kC A C R C 0 =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。
只有当C Am = C Rm = (C A0 + C R0) = 0.5C 0 时速度最快。
∵AA A a r x x F --∇=010A A a r C C --=101τ AA a r C C --=212τ或 ⎰-=011A A AA C Cr dCτ ⎰-=122A A AA C Cr dCτA r -Ar 1-∴当总空时τ= τ1+τ1 最小时反应器体积最小。
对 τ=AA a r C C --10+ ⎰-12A A A A C Cr dC对C A1求导时τ最小时V R 最少。
此时的x A 为全混釜出口最佳转化率。
8. An aqueous feed of A and B (400l/min,100mmolA/l 100mmolB/l) is to be converted to product in a play flow reactor ,the kinetics of the reaction is represented isA +B → R -r A = 200C A C B mol/l*minFind the volume of reactor needed for % conversion of A to product Answer :k τ= 1/C A – 1/C A0 k τC A0 = x Af /1- x Af = = 999. K = 200l/mol *minτ= V R /V 0 = 1/k C A0 = 1/200* = V R /400 V R = 20L9. A gaseous feed of pure A (2mol/l 100mol/min) decomposes to give a variety of product in a plug flow reactor The kinetics of the conversion is represented byA → -r A = 10(min -1)Find the expected conversion in a 22-liter reactorAnswer: C A0 = 2 mol/l F A0 = 100 mol/min --r A = 10(min -1) C A τ= V R /V 0 =0A C A F RV = V R C A0 / F A0 = 22*2/100 =x A = 1 – e -10* = 1 –10、A liquid reactant stream (mol/l) passes through two mixed flowreactors in series The concentration of A in the exit of the first reactor is l find the concentration in the exit stream of the second reactor .The reaction is second –order with respect to A and V 2/V 1= 2Answer : -r A = Kc A 2 0=A ε 111A A r x V V-= 21202A A A A r x x F V--=∴210101a A A kC C x V V =∴2015.05.01-=V V k =2∴==)(20102V V k V V k 2*2 =2221A A A C C C -=2225.0A A C C -=44C A22 + C A2 – = 0 C A2 =4*21(-1 ±5.0*4*41+)C A2 = 81(3-1) = 1/4 = mol/l1. 在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速（20分）解：㏑kt Ax =-11 k=124.08.011131111==-- Afx t min -1 活塞流：τ= =-Afxk 111 t = 13min 空速 ：s = 1/τ= 1/13 =全混流：τ= 8.018.0124.0111--=AfAfx x k =2. 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 。
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 → R+R -r A =kC A C R C 0 =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。
只有当C Am = C Rm = (C A0 + C R0) = 时速度最快。
∵AA A a r x x F --∇=01AA a r C C --=11τ AA a r CC --=212τ或 ⎰-=011A A A A C Cr dCτ ⎰-=122A A A A C Cr dCτA r -Am AAr 1-Am x Afx∴当总空时τ= τ1+τ1 最小时反应器体积最小。
对 τ= AA a rCC --10+ ⎰-12A A AA C C r dC对C A1求导时τ最小时V R 最少。
此时的x A 为全混釜出口最佳转化率。
3. An aqueous feed of A and B (400l/min,100mmolA/l 100mmolB/l) is to be converted to product in a play flow reactor ,the kinetics of the reaction is represented is A + B → R -r A = 200C A C B mol/l*minFind the volume of reactor needed for % conversion of A toproduct Answer :k τ= 1/C A – 1/C A0 k τC A0 = x Af /1- x Af = = 999. K = 200l/mol *minτ= V R /V 0 = 1/k C A0 = 1/200* = V R /400 V R = 20L4. A gaseous feed of pure A (2mol/l 100mol/min) decomposes to give a variety of product in a plug flow reactor The kinetics of the conversion is represented byA → -r A = 10(min -1)Find the expected conversion in a 22-liter reactor Answer: C A0 = 2 mol/l F A0 = 100 mol/min --r A = 10(min -1) C A τ= V R /V 0 =0A C A F R V = V R C A0 / F A0 = 22*2/100 =x A = 1 – e -10* = 1 –5. A liquid reactant stream (mol/l) passes through two mixed flow reactors in series The concentration of A in the exit of the first reactor is l find the concentration in the exit stream of the second reactor .The reaction is second –order with respect to A and V 2/V 1 = 2Answer : -r A = Kc A 2 0=A ε 111A A r x V V -= 21202A A A A r x x F V--=∴210101a A A kC C x VV= ∴2015.05.01-=V V k =2∴==)(20102V V k V V k 2*2 =2221A A A C C C -=2225.0A A C C -=44C A22 + C A2 – = 0C A2 = 4*21(-1 ±5.0*4*41+) C A2 = 81(3-1) = 1/4 = mol/l第三章均相反应器习题1、在等温操作的间歇反应器中进行一级液相反应，13分钟反应物转化了80%，若把此反应移到活塞流反应器和全混流反应器中进行，达到同样转化所需的空时和空速2、在平推流反应器进行液相均相反应:A+B →R(目的) r R = CA,Kmol/m 3·h CA 0=2 Kmol/m 32A →D r D = CA 2,Kmol/m 3·h 求⑴A 的转化率95%时所用的时间 ⑵此时R 的收率⑶若处理量为200L/min 时 V R =3在反应体积为1m 3的间歇操作釜式反应器中，环氧丙烷的甲醇溶液与水反应生成丙二醇 H 2COCHCH 3+H 2OH 2COHCHOHCH 3该反应对环氧丙烷为一级，反应温度下的速率常数为，原料液中环氧丙烷的浓度为m 3，环氧丙烷的最终转化率为90%。
