全混流反应器的热稳定性
反应工程往年试题
《化学反应工程》2005-2006A一、填空：1、反应器的设计放大方法主要有（）（）（）。
2、按照操作方式，反应器可分为（）（）（）。
3、理想流动模型包括（）（）。
4、固体催化剂中气体组分的扩散形式主要有（）（）（）（）。
5、描述停留时间分布的两个函数是（）（）。
6、转化率、收率、选择性三者关系为（）。
7、固体催化剂的主要制备方法有（）（）（）（）。
8、气—液反应器按气—液相接触形态可分为（）（）（）。
9、化学吸收增强因子的物理意义是（）。
10、本征动力学与宏观动力学分别是指（）（）。
二、等温下在 BR 中进行一级不可逆液相分解反应 A→B+C，在 10 分钟内有 50%的 A 分解，要达到分解率为 80%，问需要多少时间？若反应为二级，则需要多少时间？三、英文题（学其它语种的同学做下面的中文题）An aqueous reactant stream passes through a mixed flow reactor followed by a plug flow reactor. The initial concentration of=1mol/liter. TheA is 4mol/liter. Find the concentration at the exit of the plug flow reactor if in the mixed flow reactor cAreaction is firstorder with respect to A, and the volume of the plug flow unit is three times that of the mixed flow unit.某二级液相反应，在 PFR 中达到 99%转化率需反应时间 10 分钟，如在 CSTR 中进行时，需反应时间为多少？四、有一液相反应 A→P+S，其反应速率-r A=kC A2，k=10m3/Kmol.hr， C A0=0.2Kmol/m3，V0=2m3/hr，比较下列方案，何者转化率最大？（1）PFR，体积为 4m3；（2）PFR→CSTR ，体积各为 2m3；（3）CSTR→PFR，体积各为 2m3；（4）CSTR→CSTR，体积各为 2m3。
反应工程课件第三章PPT演示课件
（1）全混流反应器的定态基本方程 条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变 A、放热速率
QR VR (rA) f (HR ) VRkCAf (HR )
V0CA0 V0CAf VRkCAf
CAf
V0CA0 V0 VRk
CA0
1 km
QRCA0ຫໍສະໝຸດ Rk(HR )1 kmCA0VR
(HR
)k10
态温度也随之而变。图3.15为
进料温度T0与定态温度T的关系 示意图。 当进料温度从T1慢慢 地增加至T5时，定态温度的变 化如图中曲线12489所示。注
意的是曲线在点4处是不连续
的，定态温度突然增高，这一
点称为着火点；再继续提高进
料温度，定态温度的升高再不
出现突跳现象；若将进料温度
逐渐降低，比如从9降至6，定
即使反应器满足热稳定性条件，仍然还有一个垂数灵敏 性问题。参数灵敏性指的是各有关参数(流量、进口温度、冷 却温度等)作做小的调整时，反应器内的温度(或反应结果)将 会有多大变化。
稳定性问题，系统所受到的短暂的扰动消失后，如果原定 态点是稳定的，将逐步恢复到原操作状态。参数灵敏性问题 ，如果某操作参数的微小变化会引起操作状态的很大变化， 则为反应器操作状态对该参数灵敏，反之为不灵敏。
3.3.3 全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。
对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升 高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然 而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温 度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环
全混流反应器
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
级不可逆放热反应有： 对n级不可逆放热反应有： 级不可逆放热反应有
V (−∆H r )C A0 n QG = k (1 − x A ) n v0 ρ c p
对于n=1的情况，有 的情况， 对于 的情况
QG = V (−∆H r )C A0 k ( ) v0 ρ c p 1 + kτ
UATm V (−rA )(−∆H r ) UA = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p v0 ρ c p ρ c p v0
则：
放热速率 移热速率
QG =
V ( − rA )( −∆ H r ) v0 ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
全混流反应器的热衡算及热稳定性
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
三、全混流反应器的热衡算及热稳定性
1．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） ．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） 随温度的变化， 若忽略反应流体的密度和定压比热 c p 随温度的变化，反应器在 定常态下操作对反应器作热量衡算， 定常态下操作对反应器作热量衡算，有：
或
E ] RT QG = E v0 ρ c p + V ρ c p k0 exp[− ] RT V (−∆H r )C A0 k0 exp[−
当 T 时，有 →∞
QG = ( −∆H r )C A0 / ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
单位时间 内反应的 放热量
+
化学反应工程试题 (2)
化学反应工程原理一、选择题1、气相反应CO + 3H 2CH 4 + H 2O 进料时无惰性气体，CO 与2H 以1∶2摩尔比进料，则膨胀因子CO δ=__A_。
A. -2B. -1C. 1D. 22、一级连串反应AS K 12P 在间歇式反应器中，则目的产物P 的最大浓度=max ,P C ___A____。
A. 122)(210K K K A K K C - B. 22/1120]1)/[(+K K C A C. 122)(120K KK A K K C - D. 22/1210]1)/[(+K K C A3、串联反应A → P （目的）→R + S ，目的产物P 与副产物S 的选择性P S =__C_。
A. A A P P n n n n --00 B. 00A P P n n n - C. 00S S P P n n n n -- D. 00R R P P n n n n -- 4、全混流反应器的容积效率η=1.0时，该反应的反应级数n___B__。
A. ＜0B. =0C. ≥0D. ＞05、对于单一反应组分的平行反应AP(主)S(副)，其瞬间收率P ϕ随A C 增大而单调下降，则最适合的反应器为____B__。
A. 平推流反应器B. 全混流反应器C. 多釜串联全混流反应器D. 全混流串接平推流反应器6、对于反应级数n ＞0的不可逆等温反应，为降低反应器容积，应选用____A___。
A. 平推流反应器B. 全混流反应器C. 循环操作的平推流反应器D. 全混流串接平推流反应器7、一级不可逆液相反应A2R ，30/30.2m kmol C A =， 出口转化率7.0=A x ，每批操作时间ht t 06.20=+，装置的生产能力为50000 kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_C_3m 。
A. 19.6B. 20.2C. 22.2D. 23.48、在间歇反应器中进行等温一级反应A → B ，s l mol C r A A ⋅=-/01.0，当l m ol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=____B___秒。
第九章、热量传递与反应器的热稳定性课件
以Qg—T作图为一S形曲线，如下图示。 反应过程的移热速率：
假设T0=Tc，且ρ 、Cp不随温度变，则： 以Qr—T作图为一直线。
25
26
二、全混釜的热稳定性 A 、B 、C三点均为满足热平衡条件的定态点。
A点： 当有扰动使T略大于TA 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到a点。当有扰动使 T略小于TA 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热速率，体系温度 上升，自动恢复到A点。
催化剂与颗粒间的传热速率为：
15
催化剂在临界着火条件下的特征为： 在临界着火点处，反应温度较低，其极限反应速率远远小于
极限扩散速率，固可近似认为： CS=Cb ,则有： 将上式对Ts求导数：
16
将
代入：
对TS求导数得：
得：
又据：
两式相除得：
17
在临界着火点： TS=TSi , Tb=Tig 固有：
率小于放热速率，体系继续温度上降，直至到C点；
当有扰动使T略小于T B 时，有Qr＞Qg ，移热速率大于放热 速率，体系温度继续下降，直至到A点。此点为不稳定点。
11
C点： 当有扰动使T略大于Tc 时(dT＞0)，有Qg＜Qr ，移热速
率大于放热速率，体系温度下降，自动恢复到C点； 当有扰动使T略小于TC 时，有Qg＞Qr ，移热速率小于放热
致反应温度和反应结果的剧烈变
化，灵敏性很高。 o
37
同样，在D点操作时，若传热系数U增大，其Qr线的斜率会 相应增大，操作点会由原D点移至E点，表现出极大的灵敏性。
若在E点操作， TC升高时， Qr线会右移，操作点会从E点升 至D’ 点；另外， U减小， Qr线的斜率会相应减小，也会造成操作 点的移动，使温度剧升，此现象称为“飞温”。
化学反应工程全混流基本特点
化学反应工程全混流基本特点
化学反应工程全混流的基本特点包括以下几个方面：
1. 反应物料混合均匀：全混流反应器内的反应物料混合均匀，反应过程具有良好的一致性，可以保证产品质量和产物的稳定性。
2. 反应速率快：全混流反应器内的反应物料流动状态良好，可以加快反应速率，提高生产效率。
3. 操作简单：全混流反应器结构简单，操作方便，可以实现连续进料和出料，易于实现自动化控制。
4. 适应性广：全混流反应器适用于多种类型的化学反应，可以根据不同的反应需求进行设计，满足不同生产工艺的要求。
5. 可靠性高：全混流反应器结构简单，操作稳定，可以降低故障率，提高生产过程的可靠性。
6. 能耗低：全混流反应器内的反应物料混合均匀，可以降低搅拌能耗，同时反应速率快也可以减少反应时间，降低能耗。
综上所述，化学反应工程全混流具有反应物料混合均匀、反应速率快、操作简单、适应性广、可靠性高、能耗低等特点，在化工生产中得到广泛应用。
化学反应工程备课-第三章
②示踪剂浓度很低时也能够检测，这样可控示踪剂量减少而不 影响主流体流动；
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
不存在物料返混与逗留时间分布问题。 （2）连续反应器 在定态下，反应物料的温度、浓度等操作参数随空间位置 而异，而任一空间位置处的物料操作参数不随时间而变，所 有物料质点在反应器中的逗留时间可能相同也可能不同。 存在物料返混与逗留时间分布问题。
（3）平行反应加料方式的选择
2、连串反应 (1)连串反应的选择率
对于一级连串反应
（2）连串反应的温度、浓度效应 温度效应与平行反应相同
浓度效应： ——提高连串反应选择率可以通过适当选择反应物的初始浓 度和转化率来实现。
——初始浓度对连串反应选择率的影响，取决于主、副反应 级数的相对大小，主反应级数高时，增加初始浓度有利于提 高选择率；反之，主反应级数低时，降低初始浓度才能提高 选择率。
等温进行时，
4、多级全混流反应器的串联及优化
反应级数越多，最终转化率越高，在处理量—定时，各级 反应体积越大，最终转比率也越高。
若各级全混流反应器的温度相等，体积相同．作图法求解的 步骤如下：
多级全混流反应器串联的优化
一级不可逆反应，m个全混流反应器，各级温度相同，所 需的总反应体积
——间歇反应器，反应过程中带入与流出的热焓为零； ——流动反应器，在定态下，上式中热量的累积为零；对等温 流动反应器，在定态下，带人热焓与流出热焓相等；对绝热反 应器，传向环境的热焓为零。
(3)动量衡算 动量衡算以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的
压力变化。
化学反应工程试题库和答案(精心整理)
化学反应工程考试题库（分三个部分）（一）（综合章节）复习题一、填空题：1.所谓“三传一反”是化学反应工程学的基础，其中“三传”是指质量传递、热量传递和动量传递，“一反”是指反应动力学。
2.各种操作因素对于复杂反应的影响虽然各不相同，但通常温度升高有利于活化能高的反应的选择性，反应物浓度升高有利于反应级数大的反应的选择性。
3.测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为脉冲示踪法和阶跃示踪法。
4.在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速度方程式的两种最主要的方法为积分法和微分法。
5.多级混合模型的唯一模型参数为串联的全混区的个数N ，轴向扩散模型的唯一模型参数为Pe（或Ez / uL）。
6.工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是活性、选择性和稳定性。
7.平推流反应器的E函数表达式为,()0,t tE tt t⎧∞=⎪=⎨≠⎪⎩，其无因次方差2θσ=0 ，而全混流反应器的无因次方差2θσ＝ 1 。
8.某反应速率常数的单位为m3 / (mol⋅ hr )，该反应为 2 级反应。
9.对于反应22A B R+→，各物质反应速率之间的关系为 (-r A)：(-r B)：r R＝ 1：2：2 。
10.平推流反应器和全混流反应器中平推流更适合于目的产物是中间产物的串联反应。
11.某反应的计量方程为A R S→+，则其反应速率表达式不能确定。
12.物质A按一级不可逆反应在一间歇反应器中分解，在67℃时转化50％需要30 min, 而在80 ℃时达到同样的转化率仅需20秒，该反应的活化能为 3.46×105 (J / mol ) 。
13.反应级数不可能（可能/不可能）大于3。
14. 对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应器时主要考虑 反应器的大小 ；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是 目的产物的收率 ； 15. 完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度 均一 ，并且 等于（大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。
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结论
(1) C与d等效，平推流与全混流反应器串联时，与顺序无关。 （2）e与f等效，两个平推流反应器串联和并联时结果相同，与 连接方式无关。 （3）CAf：a>b>c=d>e=f (4)xAf:f=e>d=c>b>a
思考题：
等体积的平推流与全混流反应器串联，在等温条件下 进行二级不可逆反应，反应速率
平推流反应器： VR V0C A0 dxA rA
x Af 0
x Af
0
dxA rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间 t C A0
x Af 0
VR V0t V0C A0
dxA rA
(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反 应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终 反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以 反应体积要大一些。
3.3.4
全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。 对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升 高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然 而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温 度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环 反应温度上升 反应速率加快 反应放热速率增大
E C A0VR (H R )k10 exp( ) C A0VR k (H R ) RT QR E 1 k m 1 m k10 exp( ) RT
B、移热速率
QC NT 0CP (T T0 ) KF (T TC ) ( NT 0CP KF )T ( NT 0CPT0 KFTC )
C Af , a
C A0 C A0 VR 1 2k 1 k V0 / 2
(b)为两个全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为
C Af C A0 C A1 , C A1 V V 1 k R 1 k R V0 V0
C Af ,b
C A0 C A0 C A1 2 VR VR 2 ( 1 k ) 1 k (1 k ) V0 V0
设VRP与VRM分别表示平推流与全混流反应器的反应 体积，两者之比
x Af dx VRM V0C A0 xAf [ ] /[V0C A0 ] 0 VRP (rA ) f rA
当V0、 CA0 、 x Af 相同时，全混流反应器所需体积 大于平推流反应器的体积，这是由于前者存在返混造 成的。
1）热稳定性和参数灵敏性的概念
如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的 ，就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率 应该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处 温度将不随时间而变化，处于定态。
但是，实际上各有关参数不可能严格保持在给定值，总 会有各种偶然的原因而引起扰动。扰动表示为流量、进口温 度、冷却介质温度等有关参数的变动。如果某个短暂的扰动 使反应器内的温度产生微小的变化，产生两种情况： 一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称该反 应器是热稳定的，或是有自衡能力； 另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止， 则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力。
5
3.4 理想流动反应器的组合与比较 3.4.1 理想流动反应器组合 连接方式：串联、并联 反应器类型：平推流、全混流 串联：前后顺序 共有七种组合 讨论： 条件：（1）等温
（2）两个等体积理想反应器组合
（3）一级不可逆反应 （4）V0，CA0相同 问题：不同组合下，出口浓度如 何？
全混流反应器： VR C Af C A0 V 1 k R V0
k VR V0
C Af , d C A1e
k
VR V0
C A0 e
VR 1 k V0
C A0e k 1 k
(e)为两个平推流反应器并联。每只平推流反应器的出口 浓度即为混合后的出口浓度
k VR V0 2 2 k VR V0
C Af ,e C A0e
C A0 e
C A0e2k
V m/s
3
h h
（1）全混流反应器的定态基本方程
条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变 A、放热速率
QR VR (rA ) f (H R ) VR kCAf (H R ) V0C A0 V0C Af VR kCAf C Af V0C A0 C A0 V0 VR k 1 k m
着火与熄火现象对于反应器操作控制甚为重要，特别 是开停工的时候。例如，若操作温度系在着火点附近，进 料温度稍有改变，便会产生超温，从而破坏操作，可能出 现烧坏催化剂或者可能产生爆炸等事故；在熄火点附近操 作时，则易产生突然降温以致反应终止。
为了使反应器操作稳定，应使用尽可能大的传热面积， 和尽可能小的传热温差等。至于釜式反应器，如果调节手 段适当，不一定非要在稳定的定态下操作。
rA kCA , k 1m3 /(min.kmol),CA0 1kmol/ m3
平推流与全混流反应器的接触时间均为1min,计算其最 终转化率。
2
解：（ 1 ）平推流在前，全混流 在后 C A0 C A1 0.5 1 C A0 k 1 4C A1k 1 C Af 0.365 2k C A0 C Af x Af 0.635 C A0 (2)全混流在前，平推流在 后 1 4C A0 k 1 C A1 0.615 2k C A1 C Af 0.380 1 C A1k x Af C A0 C Af C A0 0.620
V0 (C A0 C Af ) kCAf
V0 C Af dCA 平推流反应器： VR V0 ln C A0 kCA k C A0
C Af
C Af
C A0 C A1 , C A1 V V 1 k R 1 k R V0 V0
C A)为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓 度即为混合后的出口浓度
当k 1时 C A0 C C Af ,a A0 1 2k 3 C A0 C A0 C Af ,b 2 (1 k ) 4 C A0 k C A0 C Af ,c C Af ,d e 1 k 5.44 C A0 2 k C Af ,e C Af , f C A0 e 7 .4
讨论：对二级不可逆反 应，两种组合最终转化 率不相同，在本题条件 下，平推流在前优于全 混流在前。
3.4.2 理想流动反应器的体积比较
如果在这些理想反应器中进 行相同的反应，采用相同的 进料流量与进料浓度，反应 温度与最终反应率也相同。 这几种反应器所需的体积是 否相同呢?
(1) 间歇反应器与平推流反应器体积比较 如果间歇反应器与平推流反应器中进行相同的反应， 采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应 率也相同。则两者的体积是相同的(未考虑间歇反应器 的辅助时间)，这是因为它们均不存在返混。
Q
Qr QG
N
P
M T TM TP TN
N点： 当有扰动使T略大于TN时 (dT＞0)，移热速率大于放热 速率，体系温度下降，自动 恢复到N点。
当有扰动使T略小于TN (dT＜0)时，，移热速率小于 放热速率，体系温度上升， 自动恢复到N点。
QC
Q N
QR
P
M T TM TP TN
M、N点是稳定的定态点， P点为不稳定的定态点
无论是热稳定性还是参数灵敏牲，两者都给反应器的设 计增加了限制因素。如果不予重视，往往会使设计的反应器 无法操作。
2）全混流反应器的多态 自热过程：化工生产中的放热过程，通常 利用反应热加热原料，以达到反应所要求 的温度，这种过程称为自热过程。 热稳定性：是指定态的抗干扰能力，当外 界条件有一个小的扰动时，能否仍然达到 干扰 自热要求。 t 对反应器的要求： 能自热平衡，维持反 应在恒温下进行，当外部 环境发生变化时，能保持 热稳定性。
(c)为平推流反应器与全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为
C Af C A1 , C A1 C A0 e VR 1 k V0
k VR V0
C A0 e C A0 e k C A1 C Af ,C VR VR 1 k 1 k 1 k V0 V0
k
VR V0
(d)为全混流反应器与平推流反应器串联，第二反应器出口浓度为
二者虽然都是热平衡的，但是一个是稳定的，另一个是 不稳定的。可见，平衡和稳定是两个不同的概念。平衡不等 于稳定。平衡有两种：稳定的平衡和不稳定的平衡。 一般来说，热稳定性条件要比热平衡条件苛刻得多。热 平衡条件只要求放热速率等于移热速率，因此可以采用很大 的传热温差，以减少必需的传热面，从而简化了反应器的结 构；而热稳定性条件则给传热予以限制，要求传热温差小于 某个规定值，因而增加了所需的传热面积，使反应器结构复 杂化。热稳定性问题，严格地说属于动态问题。 即使反应器满足热稳定性条件，仍然还有一个参数灵敏 性问题。参数灵敏性指的是各有关参数(流量、进口温度、冷 却温度等)作做小的调整时，反应器内的温度(或反应结果)将 会有多大变化。
（2）全混流反应器的多态
QR C A0VR k (H R ) 1 k m C A0VR (H R )k10 exp( E 1 m k10 exp( ) RT E ) RT
QR(QC) QC
QR
N
QR曲线与QC直线的交点处 QR =QC
P
放热速率=移热速率，达到了热平 衡，就是系统的操作点。并且这 种交点随操作参数不同有可能是 多个，这种有多个交点的现象称 为反应器的多态。
全混流反应器有热稳定的操 作点的条件：