任务5连续操作管式反应器的计算精
连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器比较
优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。
化学因素包括反应类型及动力学特性
工程因素包括 反应器型式：管式、釜式及返混特性 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或 分段加料等 操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温 度分布
反应器生产能力的比较——简单反应
简单反应的优化目标只需考虑反应速率。
（1）E1＞E2 T升高， k增1 大，
k2
（2） E1＜ E2 T升高， 减kk小12 ，
LOGO
反应器生产能力比较
反应器计算与操作的优化 化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。
化学反应过程的技术目标有： 反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。 选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。 能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。
不同类型反应的优化目标： 对简单反应：只需考虑反应速率； 对复杂反应：优先考虑选择性。
故自催化反应在反应过程中会有一个最大反应速率 出现。
自催化反应与一般不可逆反应的根本区别在于反应 的初始阶段有一个速率从低到高的起动过程。根据这种 反应特性，采用适当的措施可以改善它的性能。
➢自催化过程反应器组合的最优化
要求高转化率时 ①先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，在其后串接 一个PFR，达到所需的最终浓度水平。
即：对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同 转化率，要求反应器有效体积最小。
换句话说，若反应器体积相同，反应器所达到的转化率 更高。
三种理想反应器所需时间
间歇式
t CA0
xA dxA 0 rA
平推流
V v0
CA0
xA dxA 0 (rA )
全混流
5
cA0
任务5连续操作管式反应器的计算(精)
1 A [(vL vM ) (v A vB )] vA 1 n 一般式为： A vi v A i 1
例： 计算下列反应的化学膨胀因子 1. A+B＝P+S 2. A＝P+S 3. A+3B＝2P 4. 2A＝P+2S 解：
[( 1 1 ) ( 1 1 )] 1、 A 0 1 [( 1 1 ) 1 ] 2、 A 1 1 3、 A [2 (1 3)] 2 1 4、 A [(1 2) 2] 1 2 2
物料衡算
微元时间微 微元时间内 微元时间内 微元时间微元 进入微元体 离开微元体 体积内转化掉 元体积内反 的反应物量 应物的累积量 积的反应物量 积的反应物量
恒温变容管式反应器的计算 气相反应：
Vt V0 (1 y A0 A xA )
Ft F0 (1 y A0 A xA )
c A c A0
(rA ) A0 1 dnA dxA V d 1 y A0 A x A d
气相反应在恒温下进行：A+B→P，物料在连续操作管 式反应器的初始流量为360m3/h，组分A与组分B的初 始浓度均为0.8kmol/m3，其余惰性物料浓度为 2.4kmol/m3，k为8m3/（kmol ·min）,求组分A的转 化率为90%时反应器的有效体积。
VR 1 2 FA0 kcA0 xA 2 2 2 2 A y A0 (1 A y A0 ) ln(1 x A ) A y A0 x A (1 A y A0 ) 1 x A
管式流动反应器内的非恒温操作可分为绝热式 和换热式两种。 • 当反应的热效应不大，反应的选择性受温度的 影响较小时，可采用没有换热措施的绝热操作。这 样可使设备结构大为简化，此时只要反应物加热到 要求的温度送入反应器即可。 • 如果反应过程放热，则放出的热量将使反应后 物料的温度升高。如反应吸热，则随反应的进行， 物料的温度逐渐降低。当反应热效应较大时，则必 须采用换热式，以便通过载热体及时供给或移出反 应热。 管式反应器多数采用连续操作，少数采用半连 续操作，使用间歇操作的则极为罕见。
任务5连续管式反应器设计
y A0
nA0 nt 0
为A组分占反应开始时总物
质的摩尔分数
恒温变容管式反应器计算公式
化学反应
速率方程
计算式
A
P（零级） -rA=k
VR xA
FA0
kA
A
P（一级） -rA=kCA
VR (1 A yA0 ) ln(1 xA ) A yA0 xA
换句话说，若反应器体积相同，连续操作管式反应 器所达到的转化率比连续操作釜式反应器更高。
27
1.间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较
对间歇操作釜式反应 器，其反应时间为：
对连续操作管式反应 器，其反应时间为：
m
CA0
xAf 0
dxA rA
p
VRp V0
xAf
CA0
特征：同一截面上不同径向位置的流体特性（T，CA） 是一致的。所有物料在反应器中的停留时间相同, 即 无返混.操作时，反应器内的状态只随轴向位置变， 不随时间变
2
一、 基础设计方程式
连续操作管式反应器具有以下特点： 1.在正常情况下，它是连续定态操作，故在反应
器的各处截面上，过程参数不随时间而变化； 2.反应器内浓度、温度等参数随轴向位置变化，
复合反应
反应器 的大小
影响
过程的 经济性
影响
产物分布 （选择性、收率等）
单一反应
复合反应
26
（一）简单反应的反应器生产能力的比较
简单反应是指只有一个反应方向的过程。其优化目 标只需考虑反应速率，而反应速率直接影响反应 器生成能力。
即：对简单反应，单位时间、单位体积反应器所能 得到的产物量，为达到给定生产任务所需反应器 体积最小为最好。
第四章管式反应器
流体相中的反应物需向面体催化剂表面上传递，生成的反应产 物又需作反方向传递。 与化学反应进行的同时必然产生一定的热效应，于是固体催化 剂与流体间还存在着热量传递。 那么，固体催化剂上反应组分的浓度与流体相将是不同的；固 体催化剂的温度也与流体的温度不同。 如果两者间的传质和传热的速率很大，则两者的浓度及温度的 差异将很小。虽为多相催化反应，若忽略这些差异，则在动力 学表征上与均相反应并无两样。所以，根据这种简化假定而建 立的模型称为拟均相模型。 拟均相模型：忽略相间传递对反应的影响的模型。
已不足以描述整个反应过程，需分别对各关键组分作 物料衡算，以获得管式反应器的设计方程组。 如果在反应器中存在K个独立反应，就需要确定K个 组分来描述反应系统的状态，因此就需要可建立 K个 物料衡算方程。 dFi
Vr 0, Fi Fi 0 , i 1,2,K 同单一反应一样，只要将i组分的摩尔流量与转化速 率变化为转化率的函数，就可积分求出反应器体积。 实际反应过程中更关心反应的收率与选择性。
即所有流体粒子均以相同速度从进口向出口运动，就像一个活
塞一样有序地向前移动，故称之为活塞流。
3
活塞流假设（ Plug (Piston) Flow Reactor 简称PFR ）
返混(Back mixing) ：在反应器中停留时间不同的流体粒子之间的
混合。返混又称逆向混合。 所谓逆向混合指的是时间概念上的逆向，既然活塞流假设径向流速 分布均匀，那么在同一横截面上所有流体粒子的停留时间必然相同， 自然不存在逆向混合。 活塞流模型还假设在流体流动的方向上即轴向上不存在流体的返混， 就整个反应器而言，如符合活塞流假设，则同一时刻进入反应器的 流体粒子必定在另一时刻里同时离开，即所有流体粒子在反应器内 的停留时间相同。（间歇反应器也是如此，因此间歇反应器中也不 存在返混） 活塞流反应器虽然不存在返混，但由于流体的主体流动和发生化学 反应的结果，各个横截面上反应物料的浓度和温度则可以是各不相 同的 。
管式反应器
2.盘管式反应器
盘管式反应器
盘管式反应器是将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑， 节省空间，但检修和清刷管道比较麻烦。 盘管式反应器由许多水平盘管上下重叠串联而成。每一个 盘管是由许多半径不同的半圆形管子相连接成螺旋形式，螺 旋中央留出φ400 mm的空间，便于安装和检修。
项目二管式反应器的设计和操作
相关知识
一、平推流反应器
连续操作管式反应器可近似看成理想置换反应器，简称 PFR。反应物和产物都处于连续流动的状态，物料在反应器内 没有积累，系统中的浓度、温度、压力等参数在一定位置处是 定值，即不随时间而变。但在反应器中不同位置这些参数是不 同的。
操作过程：
反应器内的浓度变化：
项目二管式反应器的设计和操作
Vt V0 (1 y A0 A x A )
1 xA c A c A0 1 y A0 A x A
Ft F0 (1 y A0 A x A )
p A p A0 1 xA 1 y A0 A x A
1 xA y A y A0 1 y A 0 A x A
得：
xA VR dxA c A0 0 kc2 (1 x ) 2 V0 A0 A
VR xA V0 kcA0 (1 x A )
V0 x A VR V0 kcA0 (1 x A )
项目二管式反应器的设计和操作
求解方法：解析法、图解积分法、数值积分法
平推流反应器图解计算示意图
项目二管式反应器的设计和操作
解：由于 c A0 c B 0 ，并且是等摩尔反应
所以反应速率方程式为
(rA ) kcAcB kc
2 A
反应在理想间歇反应器内所需反应时间为
连续操作釜式反应器(CSTR)的计算
VR CA0 CA CA0 xAf
V0 (rA ) f (rA ) f
第六章 离婚制度
二、离婚制度的历史沿革
(一)外国离婚制度的历史沿革
1.禁止离婚主义 2.许可离婚主义
(1)专权离婚主义 (2)限制离婚主义 (3)自由离婚主义
பைடு நூலகம்
第一,有责离婚主义 第二,无责离婚主义
二、离婚制度的历史沿革
(二)我国离婚制度的历史沿革
1.我国古代的离婚制度
(1)七出 (2)和离 (3)义绝 (4)诉离
2.我国近代的离婚制度
(1)两愿离婚 (2)判决离婚
3.我国现代的离婚制度
第二节
协议离婚
一、协议离婚的概述
(一)协议离婚又称为登记离婚或自愿离婚,是指夫妻双 方在协商一致的基础上,按照行政程序解除婚姻关系的 离婚方式。
反应器内，物 料的浓度和温度处 处相等，且等于反 应器流出物料的浓 度和温度。
CA CA,in
time
CA, out
0
CA CA,O
t tresidence time
position
CA, out
0
t
x
一、单个连续操作釜式反应器的计算（1－ CSTR）
基础设计式
取整个反应器为衡算对象
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
CA0 xA kCA0 (1 xA)
xA k(1 xA)
CA0 xA kCA02 (1 xA)2
xA kCA0 (1
xA ) 2
二、多个串联连续操作釜式反应器 （N－CSTR）
为什么要采用N－CSTR代替1－CSTR？ 由于1－CSTR存在严重的返混，降低了反应
第六章 连续式操作反应器
一、单级CSTR的生化反应特征 单级CSTR的生化反应特征 CSTR
1、酶促反应的单级CSTR的反应方程 对均相的酶促反应，且反应符合M-M的动力学方程，则：
τm =
CS 0 − CS CS 0 − CS = rmax ⋅ CS rS K m + CS
CS 0 − CS rmax ⋅τ m = (CS 0 − CS ) + K m CS
dC P dC P VR = V0 ⋅ C P 0 − V0 ⋅ C P + VR dt dt 生成
dC P =0 dt
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2011-7-10
第6章 >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR） 连续完全返混型反应器（CSTR）
XS CS 0 2 rmax ⋅τ m = CS 0 ⋅ X S + K m + XS − XS 1− X S KI
P163式6-9
2
(
)
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第6章 >> >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR） 连续完全返混型反应器（CSTR）
一、单级CSTR的生化反应特征 单级CSTR的生化反应特征 CSTR
V R = V L + VS
τ m = τ L +τ S
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τ L = ε Lτ m
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第6章 >> >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR） 连续完全返混型反应器（CSTR）
化学工程基础答案李德华
化学工程基础答案李德华【篇一：化学工程基础习题答案(武汉大学第二版)】 1.解：pvac?po ?p绝即13.3?10?3pa?98.7?10?3?po?p绝?p.4?10?3pa 绝?85pa?p?po?85.4?10?3pa?98.7?10?3pa??13.3?10pa?32.解：?de?4??(d1?d2)?70?d1??d2d12??2d23.解：对于稳定流态的流体通过圆形管道，有u21?2d 1d 22?2若将直径减小一半，即d 1?u21?42即液体的流速为原流速的4倍.4.解：lu2hf????d2gl1u12hf1??1??d12ghf2l2u22??2??d22ghf2hf1l2u22?2??d22g?l1u12?1??d12g64?du????u2?4u1,l1?l2,d1?2d264?l2u22??d2u2?d22g?64?l1u12??d1u1?d12g64?l2u22??d2u2?d22g?(u2)2l64??1?2g2d2u2?2d24?111??2?21641?16hf2hf1hf2hf1hf2hf1hf2?16hf1即产生的能量损失为原来的16倍。
6.解：1）雷诺数re??ud?其中??1000kg?m?3，u?1.0m?s?1d?25mm?25?10?3m??1cp?10?3ps?s故re??ud?1000?1.0?25?10?3? ?310?25000故为湍流。
2）要使管中水层流，则re?20001000?25?10?3m?u?2000 即re??310解得u?0.08m?s?17.解：取高位水槽液面为1-1′， a-a′截面为2-2′截面，由伯努利方程22p1u1p2u1z1???z2???hf ?g2g?g2g其中z1?10m,z2?2m;p1?p2;u1?0;hf??hgf2u216.15u2?则10?2? 2?9.89.8解得1）a-a′截面处流量u?u2u?2.17m?s?12）qv?au?其中a??d2??3.14?(100?10?3)2?7.85?10?3m2 u?2.17m?s?11414qv?7.85?10?3?2.17?3600?61.32m38.解：对1-1′截面和2-2′截面，由伯努利方程得22p1u1p2u1z1???z2?? ?g2g?g2g其中z1?z2,p1?1mho??gh12u1?0.5m?s?1,p1??gh2 d120.2u2?2u1?()2?0.5?2.0m?s?1d20.10.5222?h???0.19m2?9.82?9.815.解：选取贮槽液面为1-1′截面，高位槽液面为2-2′截面，由伯努利方程得22p1u1p2u1z1???he?z2???hf ?g2g?g2g其中：z1?2m,z2?10m;u1?u2?0p1?pvac??100mmhg??13.6?103?9.8?0.1??13332.2pa p2?02??13332.219.61000?he?10?(?4?)?g9.898019.613332.2he?12.08???14.08?1.388?15.4689.8980?gp?he?qv???10215.468?2???(53?10?3)2?980102?0.655kw17.解：取水池液面为1-1′截面，高位截面为2-2′截面，由伯努利方程得22p1u1p2u1z1???he?z2???hf ?g2g?g2g其中：z1?0,z1?50m;p1?p2?0hf?he?50?20?52.05 9.8p?he?qv??52.05?36?1000??8.05kw 102?102?0.6?360019.解：取贮槽液面为1-1′截面，蒸发器内管路出口为2-2′截面，由伯努利方程得22p1u1p2u1z1???he?z2???hf ?g2g?g2g其中，z1?0,z1?15m;p1?0,p2??200?10?3?13.6?103?9.8??26656pa 12026656 he?15???24.979.89.8?1200h?q??24.97?20?1200p?ev??1.632kw102102?3600hf?20.解：1）取贮水池液面为1-1′截面，出口管路压力表所在液面为2-2′截面，由伯努利方程得22p1u1p2u1z1???he?z2???hf ?g2g?g2g其中，z1?0,z2?5.0m;【篇二：化学工程基础实践周日志】>课程编号：095008课程名称：化学工程基础及实验学时/学分：(64+48)/(4+3)适用专业：化学先修课程：高等数学，普通物理，物理化学开课系或教研室：化学与化工系一、课程的性质与任务1．课程性质：化学工程基础是工程技术的一个分支，是一门探讨化工生产过程的基本规律、并应用这些规律解决生产实际问题的专业基础学科。
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高压釜法
氨 水 浓 度 （克/升）
290
物质的量之比（邻硝基氯苯 1：8 /氨水）
反 应 温 度 （℃）
170-175
反 应 压 力 （MPa）
3.5
反 应 时 间 （分钟）
420
反 应 收 率 （%）
98
成 品 熔 点 （℃）
69-69.5
设备生产能力（公斤/升·小 0.012 时）
管式反应器法 300-320 1：15
任务5连续操作管式反应器的计算
? 工作任务：根据化工产品的生产条件进行 连续操作管式反应器的设计与计算。
? 理想置换流动反应器： 连续操作的长径比较大 的 管式反应器 。 适用于液相、气相反应。
1、当用于液相反应和反应前后无摩尔数变化的气相反 应时，可视为恒容过程；当用于反应前后有摩尔数变 化的气相反应时，为变容过程。
V0 ? 0.979 m 3 / h
k ? 0.0174 m 3 /( kmol . min) x Af ? 0.5
VR
?
V0
x Af kc A0 (1 ?
x Af )
?
0 .979
?
0 .0174
?
0.5 60 ? 1.8 ?
(1 ?
0.5)
?
0.521 m 3
? 比较例2-5与例3-1的结果 ? 例2-5 有效体积1.008m3 ? 例3-1 有效体积1.04m3 ? 例5-1 有效体积为0.521m3
恒温变容管式反应器计算
恒温变容管式反应器的计算
气相反应：
Vt ? V0 (1 ? y A0? A x A )
Ft ? F0 (1? yA0? AxA)
cA
?
cA0
1? xA
1? yA0? AxA
(? rA)
?
?
1 V
dnA
d?
?
1?
c A0
yA0? AxA
dxA
d?
恒温变容管式反应器计算式
化学反应
结果：间歇操作釜式反应器生产能力低于连续操作管式反应 器。在恒温恒容过程时是完全相同的，即在相同的条件下， 同一反应达到相同的转化率时，在两种反应器中的时间值相 等。
例题
? 在一连续操作管式反应器中生产乙酸乙酯，试计算 所需反应器有效体积。（生产条件与例3-2中相同）
c A0 ? 1.8kmol / m 3
2 A
VR F A0
?
1 kc2A0
??2? AyA0 (1? ? A yA0 ) ln(1?
?
xA)
?
?
2 A
y2A0
xA
?
(1 ?
? A yA0
)2
xA 1? xA
? ? ?
例5-2
气相反应在恒温下进行：A+B→P，物料在连续操作管 式反应器的初始流量为 360m3/h，组分A与组分B的初 始浓度均为 0.8kmol/m 3，其余惰性物料浓度为 2.4kmol/m 3，k为8m3/（kmol ·min） ,求组分A的转
2、如果在反应过程中利用适当的调节手段使温度基本 维持不变，则为恒温过程，否则即为非恒温过程。
管式流动反应器内的非恒温操作可分为绝热式
和换热式两种。
?
当反应的热效应不大，反应的选择性受温度的
影响较小时，可采用没有换热措施的绝热操作。这 样可使设备结构大为简化，此时只要反应物加热到
要求的温度送入反应器即可。
物料衡算
?微元时间内
? ?微元时间内
? ?微元时间微元 ? ?微元时间微
?
??进入微元体
? ?
?
??离开微元体
? ?
?
?? 体积内转化掉
? ?
?
??元体积内反
? ?
??积的反应物量 ?? ??积的反应物量 ?? ??的反应物量
?? ??应物的累积量 ??
求取反应器的有效体积和物料在反应器中的停留时间：
A? P
（零级）
A? P （零级）
2A? P A? B ? P (cA0 ? cB0 )
（二级）
速率方程
(? rA) ? k
(? rA) ? kcA
计算式 VR ? xA FA0 kA
VR ? ? (1? ? A yA0 ) ln(1 ? xA) ? ? AyA0 xA
F A0kcA0源自(? r ) ? kc A
? VR
?
F A0
dx xAf
A
xA0 (? rA)
? VR
? cA0V0
dx xAf
A
xA0 (? rA)
? ?
?
VR V0
?
c A0
xAf dxA xA0 (? rA )
注意：由于反应过程物料的密度可能发生变化，体积流量也将随之变
化，则只有在恒容过程，称 ? 为物料在反应器中的停留时间才是准确 的。
230 15 15-20 98 69-70 0.6
5.1基础计算方程式
? 连续操作管式反应器的特点： ? 1、在正常情况下，它是连续定态操作，故
在反应器的各处截面上过程参数不随时间 而变化。 ? 2、反应器浓度、温度等参数随轴向位置变 化，故反应速率随轴向位置变化。 ? 3、由于径向具有严格均匀的速率分布，在 径向不存在浓度分布。
5.3 恒温变容管式反应器设计
? 通常情况下，液相反应可近似作恒容过程处理。但当反应 过程密度变化较大而又要求准确计算时，就要把容积变化 考虑进去。
? 对于气相总分子数变化的反应，引起的容积、浓度等的变 化，更应考虑。
结论：反应过程中，因反应温度变化，会发生物料密度的改 变，或物料的分子总数改变，导致物料的体积发生变化。
5.2恒温恒容管式反应器的计算
连续操作管式反应器在恒温恒容过程操作时，可结合恒温恒容 条件，计算出达到一定转化率所需要的反应体积或物料在反 应器中的停留时间：
一级不可逆反应：
? VR ? V0? ? c A0V0
xAf
dxA
xA0 kc A0 (1 ? xA )
? V0 ln 1 ? xA0 k 1 ? xAf
二级不可逆反应：
? VR
? V0? ? c A0V0
xAf 0
dxA kcA20 (1 ? xA) 2
? V0
xAf kcA0 (1 ?
xAf )
分析、讨论：
将物料在间歇操作釜式反应器的反应时间与在连续操作管式反应器 的停留时间的计算式相比：
分析：在这两种反应器内，反应物浓度经历了相同的变化过程，只是在 间歇操作釜式反应器内浓度随时间变化，在连续操作管式反应器内 浓度随位置变化而已。也可以说，仅就反应过程而言，两种反应器 具有相同的效率，只因间歇操作釜式反应器存在非生产时间，即辅 助时间，故生产能力低于连续操作管式反应器。
?
如果反应过程放热，则放出的热量将使反应后
物料的温度升高。如反应吸热，则随反应的进行，
物料的温度逐渐降低。当反应热效应较大时，则必 须采用换热式，以便通过载热体及时供给或移出反
应热。
管式反应器多数采用连续操作，少数采用半连
续操作，使用间歇操作的则极为罕见。
表 两种生产邻硝基苯胺方法的工艺参数对比
反应条件