第3章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征..
化学反应工程第3章
9
径向流分布
平推流与层流的区别
平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，
径向剧烈混合；
层流：同一截面上各微元具有不同的速率，
径向没有混合。
10
（2）全混流流动
•物料加入反应器瞬间完全混合（最大混合）； •反应器中物料的温度、浓度均匀，且等于出 口物料的温度、浓度； •停留时间不同，形成确定的停留时间分布。
4.动力学方程--描述反应速率随温度、 浓度的变化情况
4
二、几个时间概念
• 1.反应持续时间tr－－在间歇反应器中反 应达到一定转化率所需时间（不包括辅 助时间）。
• 2.停留时间t－－连续流动反应器中流体 微元从入口到出口所经历的时间。
• 3.平均停留时间tc－－各物料微元从反应
器入口至出口所经历的平均时间。
• 如要等温，就要求dT/dt=0。
• cA亦不是常数－－由物料衡算式3.2-1
rA
V
'R
nA0
dxA dt
姑且认为是恒容
而cA cA0 1 xA ,
dcA cA0dxA
上式变成：
rA
－
dcA dt
E
k0e RT
44
• 二式联立：
d d T tC 1 K p V RT A W T k0eR Ec T A H r
物流携出 热量
Gc p T dT
微元与环 ＋境的热交换
KdT TW T
dl
微元内反应 热效应
rA Hr
dVR
积累量 0
整理得：
Gc pdT KdT TW T dl rA Hr AT dl 0
dT dl
1 Gc p
{教育管理}化学反应工程三理想间歇反应器 精品 精品
{教育管理}化学反应工程三理想间歇反应器3.1 理想反应器类型3.2 反应器设计基本方程3.3 理想间歇反应器3.4 动力学方程的实验测定3.1 理想反应器类型3.2 反应器设计基本方程3.2.1 基本内容选择合适的反应器型式反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件最大反应效果+反应器的操作稳定性进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积规定任务+反应器结构和尺寸的优化3.2.2 基本方程物料衡算方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量反应消耗累积流入流出反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√热量衡算方程带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√反应热累积带入带出反应单元传给环境动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。
但有时为了简化计算，常采用估算法。
3.3 理想间歇反应器3.3.1 特征和数学描述特点:1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定对整个反应器进行物料衡算：00流入量= 流出量+ 反应量+ 累积量实际操作时间（t T )=反应时间(t) + 辅助时间(t C )反应体积V 是指反应物料在反应器中所占的体积1/r A —x At/C A01/r A —C tTt V ⋅=0νsm /30物料量，单位生产时间所处理的--νt 的计算（直接计算和图解法）3.3.2 简单反应简单一级反应简单二级反应简单零级反应简单n级反应反应速率r A=kC A r A=kC A2AACCkt0ln=⎰=Af xAAA rdxCtAxkt-=11ln11AACCkt-=AAA xxktC-=1⎰-=AACCAArdCt反应后期的速度很小；反应机理的变化末期动力学反应后期转化程度（从弱到强）二级>一级>零级采用非关键组分过量，可提高转化程度。
3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
kt 1 lnCB0CA CA0CB0 CA0CB
以CB0 kt～xA作图，看过量比对反应结果的影响
25
由图可见：
x低时，M影响不明显 ；
4
3.2 理想间歇反应器
3.2.1 理想间歇反应器的特征
结构及优点
操作灵活
缺点
辅助时间长 产品质量不稳定
5
Batch Reactor
Batch Reactor Stirring Apparatus
6
搅拌器设计、安装
搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性 质和工艺要求来选择
目的都是为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到 反应器内物料的充分混合
装料系数
11
3.2.3 理想间歇反应器中的简单 反应
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
9
基本方程的图解积分
t xAf dxA
CA0 xA0 (rA)
t CAf dCA
CA0 (rA)
10
BR体积计算 VR v0tT
VR—反应物料在反应器中所占的体积 0 —单位生产时间所处理的物料量
tT —每批物料的操作时间
tT ttc
反应时间
辅助时间（装料、升温、降 温、卸料、清洗）
BR体积＝VR/0.75
(rA)
1 V
dnA dt
nAnA0(1xA)
d
tnA0
dxA V(rA)
8
理想间歇釜反应器计算基本方程
3-间歇与理想反应器
3.2 间歇反应器
变温间歇操作的热量衡算
A B T C H 1 H 3 Tr A B C
dH2
根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：
q U
q H
即：与环境交换的热=内能的变化
基本设计方程：
进入量 排出量 反应量 积累量 ＋ ＋ rAf Vr 0 FA0 1 x A0 FA0 1 x Af 整理得： x Af x A0 Vr FA0 rAf
FA0 xA0 Q0cA0
用焓变代替内能的变化
dq dH
间歇釜式反应器 Tr＝298K为计算的基准温度
3.2 间歇反应器
H1 mt c pt dt mt c pt (Tr T )
T Tr
H 3 mt
Tr dT
T
c pt dt mt c pt (T dt Tr )
dH2 H r rAVr dt （单一反应）
（3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换， 例如采用列管式换热器
（4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作
此原则也适用于其它类型反应器
3.2 间歇反应器
3.2 间歇反应器
3.3 理想流动下的釜式反应器
理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器， 有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor， 简称CSTR），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流 反应器（Mixed Flow Reactor，简称MFR），MFR是从反应器 内物料的混合程度上命名的。
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
第三章 理想反应器
A2 =
0.92 × 2.3 × (1 − 0.7) × 22.2 × 51047 2 1799.2(110 − 50) =6.65 m
3.1-3 分批式操作的优化分析 用两种目标进行优化: 1.着眼于反应器的平均生产速率 Y R 为最大的优化
YR =
C RV t + t0
kmol h
38
化学反应工程课程讲稿
t opt 。
x A = 1 − exp[− kt ]
微分得
dx A = k exp[− kt ] dt xA = k exp[− kt ] t + t0
或
x A = (t + t 0 )k exp[− kt ] 1 − exp(− kt ) = (t + t 0 )k exp(− kt )
用试差法解满足 Y R 为最大的
d (C AV ) dt
v 为 A 的加料速度，假定恒定，反应流体容积:
dV =v 且 dt
40
化学反应工程课程讲稿
得 VC
A
= Ie − kt +
vC A0 k
t=0，VC A =0 代入上式积分常数 I= − vC A0 /k
vC A0 (1 − e − kt ) VC A = k
CA v[1 − exp(− kt )] 1 − exp(− kt ) = = C A0 k (v0 + vt ) ⎡V ⎤ k ⎢ + t⎥ ⎣v ⎦
(ii)计算 Y R 最大的反应时间 计算所得 x A − t 标绘， t= − 1.0 的 点对 x A −t 曲线作切线， 该切点 x A 和 t 即为
x Aopt 和 t opt 。 t opt =1.6h
【精编】化学反应工程第三章.PPT课件
VR
V0 （ xAf kCA0 1 xAf
）
VR
V0 SkCA0
ln 1SxAf (1S)(1xAf
)
xAf
CA0k 1 CA0k
xAf
(1(1SS)()eeCCAA00kk
1) 1
r kC A
n A
VRk(nV10)CA n 01[1(1( 1xA xfA)fn)n11]
1级反应：CA CA0ekt
C A 随 t 较缓慢下降；
2级反应：CA
CA0 1 CA0kt
C A 随 t 缓慢下降。
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期，CA的下降 速率，即xA的上升速率相当缓慢。若追求过低的残余 浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的
反应时间。（见书上例3-1）
例 3-1 在间歇反应器中进行等温二级反应 A→B 反应速率 r0 .0C 1 A 2 m/o l(s)l
平推流反应器
VR/V0 CA0
xAf 0
dxA rA
tmV VR 0
CA0
xAf 0
dxA rA
ห้องสมุดไป่ตู้
式中rAkCAn ; CACA0(1xA)
间歇反应器
t CA0
xAf 0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三. 等温平推流反应器的计算
等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随
1.CA0→(VR1 ,T1 )→ CA1 → (VR2 ,T2 ) → CAf
2. CA0→ (VR2 ,T2 ) → CA2 → (VR1 ,T1 ) → CAf
第三节 连续流动釜式反应器
（全混流反应器）
化学反应工程原理例题与习题-许志美-华东理工大学出版社
-
n2 ) = 3 .200
( 5)
联立解式 (4) 和 (5) , 得到 n1 = 0 .834 , n2 = 0 .46。将此值 代入式 (3 ) 中
求得达到平衡时反应器出口物料组成为 :
组成 nA nB nP nR nS ∑
mol 0 .706 0 .166 0 .374 0 .834 0 .920 3 .000
C6 H6 + 4
1 2
O2
C4 H2 O3 + 2H2 O + 2CO2
在银催化剂上进行乙烯氧化反应生产环氧乙烷 : 即
第1章 绪 论
·7·
1 C2 H4 + 2 O2
C2 H4 O ,
C2 H4 + 3O2
2H2 O + 2CO2
进入催 化 反 应 器 中 的 气 体 组 成 为 : C2 H4 0 .15 , O2 0 .07 , CO2 0 .1 ,
CHCl
由于乙炔价格高于氯化氢, 通常使用的原料混合气中氯化氢是过量 的 , 设其过量 10 % 。若反应器出口气体 中氯乙 烯含 量为 90 % ( mol) , 试分
别计算乙炔的转化率和氯化氢的转化率。
1 - 9 乙苯脱氢反应在一绝热式固定床反应器中进行。生产流程采
用原料分离回收循环操作。某工厂生产中测得如下数据: 原料乙苯的进 料量为 100kg h , 而反应器出口物料经分析得知其中乙苯的流量 为46kg h ,
歇反应器中反应 , 测得 cA = 0 .3mol L, cB = 2 .4mol L, 问组分 P, S 浓度各为
多少 ? 以 B 为基准 , 反应物 B 的选择性、产物 P 的收率为多少 ?
解 : 反应 ( a ) 消耗的 A = ( cB 0 - cB ) = 4 .0 - 2 .4 = 1 .6mol L
化学反应工程复习+公式指导
化学反应工程复习总结一、知识点1.化学反应工程的研究对象与目的，研究内容。
化学反应工程的优化的技术指标。
2.化学反应动力学转化率、收率与选择性的概念。
反应速率的温度效应和活化能的意义。
反应速率的浓度效应和级数的意义。
3.理想反应器与典型反应特征理想反应器的含义。
等温间歇反应器的基本方程。
简单不可逆反应和自催化反应的特征和计算方法。
可逆反应、平行反应和串联反应的动力学特征和计算方法。
4.理想管式反应器管式平推流反应器的基本方程典型反应的计算。
停留时间、空时和空速的概念。
膨胀因子和膨胀率的概念。
5.连续流动釜式反应器全混流模型的意义。
全混流反应器的基本方程全混流反应器的计算。
循环反应器的特征与计算方法。
返混的概念、起因、返混造成的后果。
返混对各种典型反应的利弊及限制返混的措施。
6.停留时间分布与非理想流动停留时间分布的意义，停留时间分布的测定方法。
活塞流和全混流停留时间分布表达式，固相反应的计算方法。
多釜串联模型的基本思想，模型参数微观混合对反应结果的影响。
7.反应器选型与操作方式简单反应、自催化和可逆反应的浓度效应特征与优化。
平行反应、串联反应的浓度效应特征与优化。
反应器的操作方式、加料方式。
8．气固催化反应中的传递现象催化剂外部传递过程分析，极限反应速率与极限传递速率。
Da和外部效率因子的定义及相互关系。
流速对外部传递过程的影响。
催化剂内部传递过程分析，Φ和内部效率因子的定义及相互关系。
扩散对表观反应级数及表观活化能的影响。
一级反应内外效率因子的计算。
内外传递阻力的消除方法。
9.热量传递与反应器热稳定性定态、热稳定性、临界着火温度、临界熄火温度的概念。
催化剂颗粒热稳定性条件和多态特性。
全混流反应器、管式固定床反应器热稳定条件。
最大允许温差。
绝热式反应器中可逆放热反应的最优温度分布。
二、具体内容解析 一、 绪论 1．研究对象是工业反应过程或工业反应器研究目的是实现工业反应过程的优化 2． 决策变量：反应器结构、操作方式、工艺条件 3．优化指标——技术指标：反应速率、选择性、能耗 掌握转化率、收率与选择性的概念 4．工程思维方法二、化学反应动力学1. 反应类型：简单反应、自催化、可逆、平行、串联反应基本特征、分析判断2. 化学反应速率的工程表示))((反应区反应时间反应量反应速率＝3. 工业反应动力学规律可表示为：)()(T f C f r T i C i ⋅=a) 浓度效应——n 工程意义是：反应速率对浓度变化的敏感程度。
间歇式反应器
④为设备的工艺计算及系统的热量衡算提供必要的条件。
编辑ppt
20
3.物料衡算时应注意的问题
⑴计算基准 必须自始至终地选定一个固定不变的基准作为计 算的基础，通常是以单位时间内处理多少物料，或者是在单位 时间内生成多少成品或半成品作为依据。
液相 固相
要尽量扩大相接触面积
对非均相反应物料必须保证质量传递
编辑ppt
15
*对于气—液相反应器要采用能形成液膜或鼓泡的装置；液— 液及液—固相反应器（甚至固相）要有搅拌装置；液—固相 反应常用塔式反应器，将固体物料做成固定床，使液体物料 通过床层，因此要装液体喷淋装置。 如：混酸的硝化过程即是液—液非均相反应，硝化反应同时 在两相内进行，但在酸相内反应速度比在有机相中的速度大 好几倍，当相接触面小时，总反应速度会显著下降。为了扩 大流体两相间的接触面积，通常在反
Hale Waihona Puke 编辑ppt19第二节 反应锅的物料衡算
一、物料衡算的基本内容
1.物料衡算的依据—质量守恒定律。物料衡算就是依据此定 律定量地对生产工艺的各个间段作物料计算。 2.目的和意义：
①通过物料衡算可以得出原料、中间产物、成品、副产物及 废料的质量、容积和组成，以及每一生产步骤中的损失。
②可以帮助设计者正确选择生产过程的流程，考虑过程中原 料用量的多少以及生产的废料是否可利用等问题。
控制温度的方法：进料的温度、流速。
如：乙烯水合制乙醇的绝热固定床反应器。
当反应器内部不能设置传热构件时，或需要 强化传热速率时，常常采用外循环传热方式，外部 热交换器常用列管式或螺旋板式的。
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kt ln c A, 0 ln c A 1 kt ln 1 xA c A c A, 0 (1 x A ) x A 1 e kt
二级反应不可逆反应的速率方程式为 (rA )
化反应等，其积分为：
kc
2 , A
(rA ) k
间歇反应器中的简单反应
反应速率 （－rA）=k （－rA）=kCA （－rA）=kCA2
dCA t C A0 (rA )
CA
t C A0
x Af
0
dxA (rA )
kt CA0 CA
C A0 kt ln CA
kt C A0 x A
1 kt ln 1 xA
如HI的热分解，氢与碘蒸汽的化合，乙酸乙酯的皂
dn A dc A 2 2 kc kc dn A A A Vdt dt (rA ) Vdt c A dc t 1 cA A k dt c A , 0 kt 2 c A, 0 c 0 cA A (rA ) kc
t n A0
x Af
0
dxA 适用于变温、变容。若 为等容过程则: V (rA )
C A dC dxA A C A 0 (r ) (rA ) A
t C A0
x Af
0
等容过程，液相反应
间歇反应器的数学描述
实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (tc)
反应体积V是指反应物料在反应器中所占 的体积V=v0(t+tc)
由V x A
求解
设计型的计算：根据物料处理量及工艺要求，
选择反应器类型，决定反应器体积。已知反应需 达到的转化率，求该反应器应设计多大的体积？
由x A V
求解
反应器设计基本方程
物料平衡方程
热量平衡方程（等温反应可不考虑） 动量平衡方程（一般反应器可不考虑）
化学动力学方程
1 1 kt C A C A0
xA C A0 kt 1 xA
间歇反应器中的简单反应
1. k的影响 2. 反应物初始 浓度的影响
k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关
二级反应：t与初浓度CA0反比
零级反应：残余浓度随t直线下降 3. 残余浓度
1/(-rA )—xA
t/CA0
1/(-rA )—CA
t
例：不可逆的一级反应： A B 如单分子基元反 应，某些分解反应，一些放射元素的蜕变等，求A的 转化率与反应时间关系式？。 解： 为一级不可逆反应
k
(rA ) kcA
dc A dn A dc A kcA dt 且又 (rA ) Vdt dt t c A dc A kdt 0 c A, 0 c A kt ln c A
2 A
xA 1 1 1 1 t kc 1 x k c c A, 0 A0 A A
零级简单反应
零级反应的速率方程式为 如光催化反应，只与光强度有关，其反应速度与 反应物浓度无关。代入上式得：
(rA ) k
dn A dc A k k dn A Vdt dt (rA ) Vdt cA t c A, 0 c A c A, 0 x A dc A k dt t cA, 0 0 k k
反应器设计的基本内容
选择合适的反应器型式
反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果+反应器的操作稳定性
进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务+反应器结构和尺寸的优化
反应器设计的基本内容
操作型的计算：根据反应特征及反应器的体积，
决定最优化操作条件，使反应过程达到优化目标。 已知反应器的体积，求反应在该反应器内反应所 能达到的转化率？
理想反应器
间歇反应器
(a)
平推流反应器 全混流反应器
完全没有返混
(b)
连续流动反应器
返混极大 (c)
第3章 理想间歇反应器与典 型化学反应的基本特征
Байду номын сангаас
反应器设计基本方程 理想间歇反应器中的简单反应 理想间歇反应器中的均相可逆反应 理想间歇反应器中的均相平行反应 理想间歇反应器中的均相串联反应 理想间歇反应器的计算
特点：原料成批次加入，每一批反应物料均具有相同的停留时 间，反应器内没有返混(没有不同反应时间物料微元之间的混 合)。反应器内加以适当的搅拌，很容易使空间位置上的混合均 匀。反应主要是由化学动力学控制，反应时间越长，转化率越 高，直至达到反应平衡或反应物完全消耗掉。 优点：简单灵活，适用于小批量、高效益产品的生产。 缺点：1、工作周期中有非生产性时间；2、传热不好控制；3、 不适合大规模生产。
参数方程
对反应器或某一个微元中确定的关键组分，物料衡算基 本方程为：
积累速率=输入速率－输出速率－反应消耗速率+反应生成速率
理想间歇反应器中的简单反应
间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 设备特点 设备数学描述 应用实例
设备简介
反应器的特点
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
反应级数大于1的反应，后期的速度很小，高转化率或低残 余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增长。
例：试对一级和二级反应分别计算转化率 从90％提高到99％时，转化所需的时间是 其转化率为90％时所需时间的倍数。 解:(1)对一级反应
1 1 t ln k 1 x 1 1 ln 100 t 99% ln k 1 99% k 1 1 ln 10 t 90% ln k 1 90% k t 99% t 90% ln 100 ln 10 1 t 90% ln 10
间歇反应器适用于液相均相反应和液固相非均相反应
间歇反应器的数学描述
对整个反应器进行物料衡算： 0 0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
(rA )V dn A dx n A0 A ( n A n A0 (1 x A )) dt dt