第三章__均相反应过程 (2)

空速：
v0 FA0 SV V c A0V
因次:时间
-1
பைடு நூலகம்
空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。
3.2 简单反应器
3.2.1 间歇反应器
2 反应容积的计算
例题3-1
P33
3.2.2 平推流反应器

基本概念
活塞流模型（平推流）： 基本假定： (1) 径向流速分布均匀，所有粒子以 相同的速度从进口向出口运动。 (2) 轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进 入反应器的流体粒子必同一时刻离开 反应器，所有粒子在反应器内停留时 间相同。 特点：径向上物料的所有参数都相 同，轴向上不断变化。
计算出口浓度或转化率 对于一级反应：
cA 0 cA1 1 kcA1 cA1 cA 2 2 kcA 2
依此类推：
cA 0 cA1 1 k 1 cA 2 cA 0 cA1 1 k 2 1 k 1 1 k 2
cAN
cA 0

1级
rA kcA cA cA0 /(1 k )

2级
1 rA kc A c A ( 1 4kc A0 1) 2k
2
例:
一级不可逆反应在全混流反应器中进行, 求在50℃,反应转化率达70%所需的空时.若 v0=10m3/h,求反应体积. 已知A R rA=kcA
T2
（2）化学平衡 温度对反应平衡常数的影响
d1nK H r dT RT 2
根据热力学研究，有关化学平衡的几点结论：①--⑥
（3）反应温度和最优温度
反应速率随温度的变化规律
r k f ( X A ) k g( X A )
r dk dk ( ) xA f ( X A ) g( X A ) T dT dT



r 0


k f ( X A ) k g( X A )
吸热反应


E＞E

dk kE dT RT 2



dk kE dT RT 2




E
2

RT
k f ( X A )＞
E
2
RT
k g( X A )
(
r E E ) xA k f ( X ) k g( X A ) A 2 2 T RT RT
第三章 均相反应过程
3.1 概述

反应时间：
停留时间： 平均停留时间：



空时：
空速：
V 反应器体积 t v 反应器中物料的体积流 量 V 反应器体积 v0 进料的体积流量

空时与空速的概念：
空时：

V 反应体积 v0 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Qo , 处理能力
考虑N个平
推流反应器的串联操作，
对串联的N个反应器而言
xAi dx xAn dx VRi VR A A xAi 1 r 0 rA FA 0 FA0 A
3.3.2 全混釜的串联
全混流反应器的串联操作
N个全混流反 应器串联操作在工业生产上经常遇到。 其中各釜均能满足全混流假设，且认为 釜与釜之间符合平推流假定，没有返混， 也不发生反应。
层流
湍流
活塞流
第四章
管式反应器
平推流反应器的设计式
表3-1
表3-2
例:
一级不可逆反应在平推流反应器中进行, 求在50℃,反应转化率达70%所需的空时.若 v0=10m3/h,求反应体积. 已知A R rA=kcA
K=9.52×109×e-7448.4/T cA0=2.3kmol/m3
若将不同型式的反应器串联操作，可用图解
计算。
3.3.4
循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度，
以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
循环反应器的基本假设：①反应器内为
理想活塞流流动；②管线内不发生化学 反应；③整个体系处于定常态操作。 反应器体积可按下式计算：
VR FA1
xA 2 xA1
dxA rA
为方便起见，设循环物料体积流量与离
开反应系统物料的体积流量之比为循环 比β，即 v3 FA 3
v2 FA 2
对图中M点作物料衡算：
FA1 FA 0 FA 3 FA 0 FA 2 cA1 v1 v0 v3 v0 v2
0
x A1
P
Vrp v0c A0
xA2
0
dxA [rA ( x A )]
xA
x A2
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
3.3 组合反应器 3.3.1 平推流反应器的串联或并联
(1)平推流反应器的并联操作
VR=VRl+VR2
因为是并联操作，总物料体积流量等于各
反应器体积流量之和： v0=v01+v02 由平推流反应器的设计方程 x dx V A cA 0 0 r v0 A
K=9.52×109×e-7448.4/T cA0=2.3kmol/m3
h-1
补充
管式与釜式反应器反应体积的比较
前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。 分三种情况 1.正常动力学
2.反常动力学
3.反应速率有极大值的情况
正常动力学
A B
A2
xA 1
rA
式中，F’A0是一个虚拟的值，它由两部分
组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流v3 中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流 率。即： 0 v1cA0 v0 v3 cA0 FA
由此得到循环反应器体积：
dxA VR 1 FA 0 xA 2 r 1 A
xA 2
当循环比β为0时，还原为普通平推流反
应器设计方程。 当循环比β→∞时，变为全混流反应器设 计方程。 当0<β<∞时，反应器属于非理想流动反 应器。 最佳循环比的确定?
3.3.5 半连续操作的反应器
一、半间歇釜式反应器的特征 半间歇操作又称半连续操作，同时具有间歇操 作和连续操作的某些特征。以反应物A和B，产物为 R为例，几种常用的半间歇操作方式：
全混流反应器图
对稳态操作，有：
dni dt
0
0
则物料衡算通式变为：
v0cA0 vcA V (rA )
连续釜式反应器物料衡算式
V
v0 (c A0 c A ) (rA )
v0c A0 x A c A0 x A V (rA ) (rA )
表 全混流釜式反应器的设计式
对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。 对恒容、定常态流动系统，V0不变，
Vi i v

，故有：
cA 0 xAi xAi 1 cAi 1 cAi i rA i rA i
对于N釜串联操作的系统，总空间时间：
1 2 N
达到相同的转化率， 管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器
反常动力学
M
G
v0c A0 x A2 VrM [rA ( x A )]
N
v0c A0 x A1 v0c A0 ( x A2 x A1 ) VrM [rA ( x A1 )] [rA ( x A2 )]
1 (rA ) L
（a）反应物B一次投入反应器，A在反应过程中连续 加入，反应过程中不出料，反应结束后一次出料； 主要适用于以下情况： 要求严格控制反应器内 A 的浓度，防止因 A 过量而 使副反应增加的情况； 保持在较低温度下进行的放热反应。 A浓度低，B浓度高对反应有利的情况。
（ b ）反应物 A 和 B 同时连续加入反应器，反应过程 中不出料，反应完毕后，一次出料。
对整个体系而言，有：
可以推导出：
v2 v0 1 A xA 2
xA1
FA 2 FA 0 1 xA 2

1
xA 2
平推流反应器设计方程中，转化率的基
准应当与反应器入口处体积流量及这一 体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔 流率对应： x dxA
0 VR FA
3.4 非等温过程
3.4.1 温度的影响 (1)反应热和温度 热效应 ΔHr 放热反应‹0 ；吸热›0 如已知的反应热为在温度T1时的数据，而系统的反应 温度为T2，此时可根据能量守恒定律而求得。

H r 2 H r1 (a b T c T )dT
, , , 2 T1
A
尽可能减少返混是保持高转化率的前提
条件，而只有当并联各支路之间的转化 率相同时没有返混。如果各支路之间的 转化率不同，就会出现不同转化率的物 流相互混合，即不同停留时间的物流的 混合，就是返混。因此，
1 2
是应当遵循的条件
VR1 : VR 2 v01 : v02
(2)平推流反应器的串联操作
二、半间歇釜式反应器的数学模型 半间歇液相釜式反应器中反应物及产物可以处 于互溶的液相或不互溶的液-液非均相。如果属于液 - 液非均相，还涉及液 - 液相之间的微观混合等问题。
以等温半间歇液相均相反应为例，作物料衡算 如下： vc A0 (rA )V d (Vc A ) 3-34 式中是釜式反应器中液相反应物料的体积，随时间 而变。设操作开始时先向反应器中加入体积为 V0的 物料 B ，然后连续地输入浓度为 cA0 的反应物 A ，体 积流量恒定为v，过程中不导出物料，故