1理想反应器的概念
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
第三章-理想反应器PFR-1
UAT Tm dl 0
H r T FA0 T T0 x A x A0 Fi p C pi p
0
C C F F
pi p i p p
0
又 : y A0
FA 0 F0
T T0 若令 :
y A0 H r T0 Cp
S2 S1
例15 有 如 下 自 催 化 反 应 ， A+PP+P ， 已 知 ： CA0=1mol/L, CP0=0, k=1L/mol.s, FA0=1mol/s，今欲在一循环反应器中进行 此反应，要求达到的转化率为98%。 求：当循环比分别为β=0、3时，所需反应器的体积为多少？
解： 对于自催化反应，其反应动力学方程可表示为：
由pv=nRT求 出体积流量v 后代入的
1 V pdV t t R 0 T F0 A FA0 x A
若过程恒T、P，则：
1 t t RT0
V
0
V pdV dV F0 A FA0 x A 0 v0 1 y A0 A x A
或根据定义式：
t
，且等于反应时间t。
v0
t t
L
0
V dV dl 0 u v
VR
L v,u
恒容及变容过程的形式
PFR
◆恒容过程 若ρ恒定，即：v=v0，则上式可写成：
V t t v0
液相反应：可以近似看作恒容过程； 气相反应：恒T、P下的等分子反应或恒容过程； ◆变容过程 非等分子的气相反应, 则： A为关键组分，其膨胀因子为δA，
1 3、在 ~xA坐标系中绘出动力学曲线； rA
VR 4、计算曲线下面所围成的面积S， S FA0 C A0
化学反应工程复习资料
化学反应工程复习资料一.填空1.理想反应器是指＿_＿＿＿__、_______.2。
全混流反应器的返混_______.平推流反应器的返混为＿__＿__＿。
3.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为＿＿__＿＿_、___＿___、＿_＿___＿。
4.平推流管式反应器t t =时,E(ｔ)=_＿__.;平推流管式反应器t t ≠时，E(ｔ)＝____＿。
；平推流管式反应器t t ≥时，F(t)＝___.;平推流管式反应器<时,F （t ）＝____.５.平推流管式反应器其E(θ）曲线的方差=2θσ＿__＿___。
；平推流管式反应器其E （t)曲线的方差=2t σ＿_____＿。
６。
全混流反应器t=0时E(t)=_______。
;全混流反应器其Ｅ（θ）曲线的方差=2θσ__＿＿___．;全混流反应器其E （t)曲线的方差=2t σ_＿＿＿___。
7.催化剂“三性”是指、和。
8.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作____＿__.９． 化学反应过程按操作方法分为___＿__＿、______＿、___＿__＿操作。
10． 化学反应工程中的“三传一反”中的三传是指＿＿__＿__、＿______、_＿____＿。
１１。
化学反应的总级数为n ，如用浓度表示的速率常数为,用逸度表示的速率常数,则=＿_＿___＿。
1２。
在构成反应机理的诸个基元反应中,如果有一个基元反应的速率较之其他基元反应慢得多，他的反应速率即代表整个反应的速率，其他基元反应可视为处于＿＿_＿___。
１3. 一级连串反应AS P 在全混流釜式反应器中,则目的产物P 的最大浓度=max ,P C ______、=opt τ______。
14. 一级连串反应AS P 在平推流反应器中,则目的产物Ｐ的最大浓度=max ,P C __＿__＿_、=opt t __＿___。
化学反应工程__第2章_理想反应器讲解
平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2020年8月15日星期六
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2020年8月15日星期六
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
11 ln
k 1 xA
VRv(tt0)v( 1 kln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。 由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：
第三章 理想反应器
(3.3-6)
Vt = VR / f
(3.3-7)
式中f为填充系数或装料系数,是一个根据经验确定的参数,一般为0.4～0.85， 对不起泡不沸腾物料取0.7～0.85，对易起泡沸腾物料取0.4～0.6。
二、平推流反应器(PFR)反应体积的计算
单位时间A流入微元体的量为： V0CA0 (1 － x A ) 单位时间A流出微元体的量为： V0CA0(1 － xA － dxA ) 单位时间A在微元体内的反应量为： rA d V R 则定态下A的物料衡算式为：
∫ V R
= －V0
dC CAf
A
r CA0
A
dx A
=
－
dC A CA0
(3.3-12)
∫ ∫ τ
= CA0
dx xAf
A
0 rA
=－
dC CAf
A
r CA0
A
(3.3-13)
将式（3.3 -13)与间歇反应器反应时间的积分式 (3.3-5)比较，可以看出：
对恒容过程，为达到相同转化率，在间歇反应器中所需的反应时 间与在PFR中所需的接触时间相同。
第三章 理想反应器
本章讨论的主要内容: 1. 论述反应器内的流动模型,着重阐述混合与返混的异同
及理想流动模型的特征; 2. 以均相反应为背景,讨论理想反应器设计的基本方法； 3. 讨论理想流动反应器中复合反应的收率和选择率。
§3.1 概述
流动模型 是描述流体流经反应器时物料质点的流动与返混状况的模型，对各
2. 全混流模型
特征：
1）反应器内所有空间位置的温度、浓度、反应 速率等参数都相同，且等于出口处相应的值；
化学反应工程第一章1
aA bB rR sS 0
化学反应计量式只表示参与化学反应的各 组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以 进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因
子。具体写法依习惯而定，
SO 2 1 2 O2 SO3 与 2SO2 O2 2SO3
把化学反应定义式和化学反应动力学方程
相结合，可以得到：
1 dnA m n rA kcA cB V dt
直接积分，可获得化学反应动力学方程的 积分形式。
对一级不可逆反应，恒容过程，有：
dcA rA kcA dt
cA 0 1 kt ln ln cA 1 xA
第一章
均相单一反应动力学和理想反应器
一、基本概念
1.化学反应式 反应物经化学反应生成产物的过程用定量关 系式予以描述时,该定量关系式称为化学反应式:
aA bB rR sS
2.化学反应计量式
aA bB rR sS
是一个方程式，允许按方程式的运算规则
5. 化学反应速率
⑴ 反应速率定义为单位反应体系内反
应程度随时间的变化率。对于均相反应，单
位反应体系是指单位反应体积：
1 d r V dt mol m 3s 1
⑵ 常用的还有以反应体系中各个组份
分别定义的反应速率：
1 dnA rA V dt mol m 3s 1
对于反应：
t/hr 醋酸转化量 ×102/kmol.m-3 0 0 1 1.636 2 2.732 3 3.662 4 4.525 5 5.405 6 6.086 7 6.833 8 7.398
试求反应的速率方程
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
理想管式反应器
01
02
03
04
反应物进入
原料按一定比例通过进口进入 反应器内。
混合与传质
在反应器内，反应物在混合装 置的作用下充分混合，确保反
应物之间充分接触。
反应进行
在设定的温度和压力条件下， 反应物在反应器内发生化学反
应，转化为目标产物。
产物收集
反应完成后，产物从出口流出 ，进入后续处理工序。
关键参数与性能指标
维护保养策略及周期建议
特殊维护 根据反应器运行情况和原料性质，制定针对性的维护计划。 对于特殊故障或问题，及时联系专业人员进行维修和处理。
06
理想管式反应器的
发展趋势与挑战
技术创新方向预测
高效传热与传质技术
通过改进反应器结构、优化操作条件，提高传热传质效率，实现 反应过程的强化。
智能化控制技术
降较大的问题。
03
与流化床反应器的比较
流化床反应器具有良好的传热、传质性能和较宽的操作范围，但返混程
度较大。与之相比，管式反应器具有较小的返混和较窄的停留时间分布，
但操作弹性相对较小。
04
理想管式反应器的
设计与优化
设计原则与方法
流动特性
确保反应器内流体流动均匀、稳定，避免死 区和短路现象。
传热效率
环保挑战
化工行业对环境的影响不容忽视，反应器技术需要不断向绿色化方向发展。应对策略包括 加强环保法规建设、推广清洁生产技术、开展环保技术研发等。
THANKS
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均匀混合
反应物在管道内充分混合，确保反应在均匀的环 境中进行。
连续流动
反应物在管道内连续流动，使得反应过程可以持 续进行。
恒定的温度和压力
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1理想反应器的概念，理想流动的概念；
理想反应器是指流体的流动混合处于理想状况的反应器。
流动混合的两种理想极限情况：理想混合和理想置换。
2连续、间歇、半连续三种操作方式及各自的特点，不同操作方式对浓度分布的影响；
3各种混合的概念，以及关于时间的几个概念；
混合：不同物料之间的混合。
理想混合：
反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温度完全均一。
(2) 理想置换：
是指在与流动方向垂直的截面上流体各点的流动和流向完全相同，就像活塞平推一样，故又称“活塞流”。
：具有的物料粒子之间的混合
返混不同停留时间（年龄）
叫返混。
4工业反应器的放大方法；
5反应温度、活化能、反应物浓度、反应级数以及反应速度之间的关系；
6复杂反应的选择性及反应器的选择；
7工业传热装置和传热剂及其适用场合；
夹套式水、低温制冷剂氯化钙水溶液、液氨、液氮、有机载冷剂
蛇管式和插入式
列管式
外部循环式
8混合的尺度问题；
9流型及特点；
轴向流——流体从轴向流入叶轮，又从轴向流出叶轮。
该流型有利于宏观混和。
径向流——流体从轴向流入叶轮，从径向流出叶轮。
该流型的剪切作用大，有利于分散过程。
切线流——流体作圆周循环流动。
该流型产生打漩，对过程不利。
10搅拌器类型及特点；
螺旋桨式（推进式）、涡轮式、框式和锚式
11宏观动力学的概念；
宏观动力学概念：宏观动力学就是包括扩散或传质过程
在内的化学反应动力学。
12气液非均相反应历程；
13气液相反应的类型及各自的特点；
14如何通过气液动力学实验来判断属于哪种类型；
15气固非均相反应历程；
16外扩散控制、内扩散控制、动力学控制的特点，如何判断哪一步是控制步骤，工业上如何消除内扩散和外扩散的影响；
17固体工业催化剂的组成；
18工业催化的意义；
19结晶的概念，溶解度、超溶解度曲线，结晶区域的特点，溶解度与温度的关系，结晶方法的选择等等。