《反应工程》第三章 理想反应器
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
第三章理想反应器
第三章理想反应器第三章理想反应器1.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，⽽管径⼩，管⼦较长和流速较⼤的管式反应器按_______反应器处理。
（理想混合反应器、平推流）3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为⽬标进⾏优化的。
（平均⽣产速率R Y 最⼤、⽣产经费最低）4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之⽐。
（反应器的有效容积、进料流体的容积流速）5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之⽐。
（反应时间t 、空时τ）6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。
（p r A C v H r V ρ0))((?--）7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。
（)()1(000P m P c v U A T T c v UA T ρρ+-+）8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。
（r G Q Q =）9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。
（r G Q Q =、dT dQ dT dQ G r ?） 10.全混流反应器的返混_______。
（最⼤）11.平推流反应器的返混为_______。
（零）12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______⼀致。
（平均停留时间、反应时间、空时）13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时⼀致。
（平推流）14.如果将平推流反应器出⼝的产物部分的返回到⼊⼝处与原始物料混合，这类反应器为_______的平推流反应器。
（循环操作）15.对于循环操作的平推流反应器，当循环⽐β→0时为_______反应器，⽽当β→∞时则相当于_______反应器。
化学反应工程12
［小
结］
全混流串接平推流反应器最优；循环操作的平推流反应器次之；平推 流反应器；全混流反应器最差。
作者：傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
第 4 页 共 11 页
《化学反应工程》 教案
第 3 章 理想反应器
3.6 反应器的型式与操作方法的评选
τ =τ1+τ2 τ1 /CA0
0
面积A =面积B
全混流
B
τ2 /CA0
教学方法
讲授法
学时分配
2 学时
授课时间
200 年 月 日
教学过程
作者：傅杨武
重庆三峡学院化学工程系
第 1 页 共 11 页
《化学反应工程》 教案
第 3 章 理想反应器
3.6 反应器的型式与操作方法的评选
［复习旧课］
１．循环操作的平推流反应器的特点； ２．循环操作的平推流反应器的设计方程； ３．循环操作的平推流反应器的最优循环比及其计算。 化学反应工程研究的目的是实现工业反应过程的优化。而所谓工业反 应过程的优化，就是在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，使“系 统”对于确定的评价标准达到最佳状态。化学反应过程的优化包括设计优 化和操作优化： 设计优化 基础 工业反应过程的优化 操作优化 １）设计优化：就是根据给定的生产能力，确定反应器的型式、结构 和适宜的尺寸及操作条件； ２）操作优化：就是指反应器的操作，必须根据各种因素的变化对操 作条件做出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转，以达到优化的目 标。 设计优化是工业反应过程优化的基础。 优化目标是过程优劣的评价标准（一般表达为决策变量的函数关系， 构成目标函数） ，而工业反应过程的经济收益是评价生产过程最主要的优化 目标。在建立工业反应过程优化目标和定量关系，即优化目标函数时，要 把过程的经济目标和技术目标联系起来，再进行过程的优化计算以确定最 优的反应设备和操作条件。 工业反应过程的技术目标： ①反应速率：涉及反应器的尺寸，亦即设备的设资费用； ②反应选择性（选择率） ：涉及生产过程的原料消耗费用； ③能量消耗：生产过程操作费用的重要组成部份。 由于能量消耗是从整个车间基至整个工厂作为一个系统而加以考虑 的，所以下面以反应速率和选择性两个目标加以讨论。
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；
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q
dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
第三章-均相理想反应器(1)PPT课件
5
•4.空间时间（空时）τ－－反应器有效体积
VR和反应流体入口条件下体积流率V0之比。
VR
V0
•5.空间速度（空速）Sv[时间－1]－－单位时 间内投入到反应器中的物料的体积流量与反
应器有效容积之比。
Sv
VO VR
标准空速
Sv
V ON VR
6
•6 空时与反应时间和平均停留时间的区别 •（1）空时与反应时间： •空时用于连续流动反应器，反映生产强 度的大小； •反应时间用于间歇反应器，反映化学反 应进行快慢的量度，并不反映反应器的生 产强度。
14
• 按物料在反应器内返混情况作为反应器 分类的依据将能更好的反映出其本质上 的差异。
• 按返混情况不同反应器被分为以下四种 类型
15
间歇反应器
• 间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称 间歇反应器）。在反应器中物料被充分 混合，但由于所有物料均为同一时间进 入的，物料之间的混合过程属于简单混 合，不存在返混。
16
平推流反应器
• 理想置换反应器（又称平推流反应器或 活塞流反应器）。在连续流动的反应器 内物料允许作径向混合（属于简单混合 ）但不存在轴向混合（即无返混）。典 型例子是物料在管内流速较快的管式反 应器。
17
全混流反应器
• 连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称 全混流反应器）。在这类反应器中物料 返混达最大值。
• 例1 某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己 二 醇 以 等 摩 尔 比 在 70℃ 用 间 歇 釜 并 以 H2SO4作催化剂进行缩聚反应而生产的， 实验测得反应动力学方程为：
(rA )
kc
2 A
k 1.97 103
kmol m 3min1
化学反应工程第三章理想流动反应器1
rA kCA
t
CA dCA CA0 kCA
CA CA0ekt
kt ln CA0 CA
kt ln(1 xA )
xA 1 ekt
实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’) 反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积
VR=V(t+t’) 据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算
Tubular reactor and stirred tank
purge
1500-3000bar
LP-compressor HP-compressor
Wax separation
150-300at
HP-stripper LP-stripper
compression
polymerisation
deposition
3－1反应器中流体的流动模型 一、理想流动模型
Outlet = f(inlet, kinetics, contacting pattern)
Stirred tank cascade
流动模型：简化，抽象 平推流模型（Plug-Flow Reactor ，PFR) 全混流模型 (Continuous stirred tank reactor， CSTR)
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 反应器设计的基本方程
the kinetic equation the mass balance equation the energy balance equation
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三章理想反应器1.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]2.具有良好搅拌装置的釜式反应器按_______反应器处理，而管径小，管子较长和流速较大的管式反应器按_______反应器处理。
（理想混合反应器、平推流）3.分批式完全混合反应器操作的优化分析是以_______、_______为目标进行优化的。
（平均生产速率R Y 最大、生产经费最低）4.全混流反应器的空时τ是_______与_______之比。
（反应器的有效容积、进料流体的容积流速）5.全混流反应器的容积效率η为_______与_______之比。
（反应时间t、空时τ）6.全混流反应器的放热速率G Q =______________。
（pr A C v H r V ρ0))((∆--）7.全混流反应器的移热速率r Q =______________。
（)()1(000P m P c v UAT T c v UAT ρρ+-+）8.全混流反应器的定常态操作点的判据为_______。
（r G Q Q =）9.全混流反应器稳定的定常态操作点的判据为_______、_______。
（r G Q Q =、dT dQ dT dQ Gr 〉）10.全混流反应器的返混_______。
（最大）11.平推流反应器的返混为_______。
（零）12.对于恒容的平推流管式反应器_______、_______、_______一致。
（平均停留时间、反应时间、空时）13.对于恒容的_______管式反应器平均停留时间、反应时间、空时一致。
（平推流）14.如果将平推流反应器出口的产物部分的返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为_______的平推流反应器。
（循环操作）15.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
（平推流、全混流）16.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时反应器内返混为_______，而当β→∞时则反应器内返混为_______。
（零、最大）17.对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器类型为_______。
（全混流串平推流）18.对于反应级数n＜0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。
（全混流）19.对于反应级数n＞0的反应，为降低反应器容积，应选用_______反应器为宜。
（平推流）20.对于自催化反应，最合适的反应器为_______。
（全混流串平推流）21.对于可逆的放热反应，使反应速率最大的反应温度=opt T _______。
（)()1(ln )(002'001012A A R A A C C E k C E k R E E χχ+---）22.对于可逆的放热反应，达到化学反应平衡时的温度=e T _______。
（)()1(ln )(00'00012A A R A A C C k C k R E E χχ+---）23.分批式操作的完全混合反应器非生产性时间0t 不包括下列哪一项_______。
（B）A.加料时间B.反应时间C.物料冷却时间D.清洗釜所用时间24.在间歇反应器中进行等温二级反应A →B，s l mol C r A A ⋅=-/01.02，当l mol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=_______秒。
（D）A.8500B.8900C.9000D.990025.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lmol C A /10=时，求反应至l mol C A /01.0=所需时间t=_______秒。
（B）A.400B.460C.500D.56026.在全混流反应器中，反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比为_______。
（A）A.空时τB.反应时间tC.停留时间tD.平均停留时间t27.全混流反应器的容积效率η大于1.0时，且随着A χ的增大而增大，此时该反应的反应级数n_______。
（A）A.＜0 B.=0C.≥0D.＞028.全混流反应器的容积效率η小于1.0时，且随着A χ的增大而减小，此时该反应的反应级数n_______。
（D）A.＜0 B.=0 C.≥0 D.＞029.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.＜0 B.=0 C.≥0 D.＞030.全混流釜式反应器最多可能有_______个定常态操作点。
（C）A.1 B.2 C.3 D.431.全混流反应器中有_______个稳定的定常态操作点。
（B）A.1 B.2 C.3 D.432.对于_______的反应器在恒容反应过程的平均停留时间、反应时间、空时是一致的。
（D）A.间歇式反应器 B.全混流反应器 C.搅拌釜式反应器 D.平推流管式反应器33.一级不可逆液相反应A2R ，30/30.2m kmol C A =，出口转化率7.0=Ax ，每批操作时间h t t 06.20=+，装置的生产能力为50000kg 产物R/天，R M =60，则反应器的体积V 为_______3m 。
（C）A.19.6B.20.2C.22.2D.23.434.对于自催化反应，最合适的反应器为_______。
（D）A.全混流反应器 B.平推流反应器C.循环操作的平推流反应器 D.全混流串接平推流反应器35.对于绝热操作的放热反应，最合适的反应器为_______。
（D）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36.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_______。
（B）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37.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38.对于可逆放热反应，为提高反应速率应_______。
（C）A.提高压力 B.降低压力 C.提高温度 D.降低温度39.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 增大而单调增大，则最适合的反应器为_______。
（A）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40.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41.简述理想反应器的种类？答：通常所指的理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。
所谓完全混合流反应器是指器内的反应流体瞬间达到完全混合，器内物料与反应器出口物料具有相同的温度和浓度。
所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，不存在不同停留时间的物料的混合，所有的物料在器内具有相同的停留时间。
42.简述分批式操作的完全混合反应器？答：反应物料一次性投入反应器内，在反应过程中，不再向器内投料，也不出料，待达到反应要求的转化率后，一次性出料，每批操作所需生产时间为反应时间与非生产性时间之和，非生产性时间包括加料、排料和物料加热、冷却等用于非反应的一切辅助时间。
43.简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系？答：空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。
反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。
停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。
由于平推流反应器内物料不发生返混，具有相同的停留时间且等于反应时间，恒容时的空时等于体积流速之比，所以三者相等。
44.对于可逆放热反应如何选择操作温度？答：1）对于放热反应，要使反应速率尽可能保持最大，必须随转化率的提高，按最优温度曲线相应降低温度；2）这是由于可逆放热反应，由于逆反应速率也随反应温度的提高而提高，净反应速率出现一极大值；3）而温度的进一步提高将导致正逆反应速率相等而达到化学平衡。
45.对于反应，21A R C k r =，1E ；A S C k r 2=，2E ，当1E ＞2E 时如何选择操作温度可以提高产物的收率？答：对于平行反应ARTE E A RTE RTE S R R C e k k C e k e k r r S 12212010/20/10---===，所以，当1E ＞2E 时应尽可能提高反应温度，方可提高R 的选择性，提高R 的收率。
46.在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应A →2R，A A kC r =-kmol/m 3·h，k=9.52×109exp[-7448.4/T]h -1，=0A C 2.3kmol/m 3，=R M 60，=0R C 0，若转化率=A x 0.7，装置的生产能力为50000kg 产物R/天。
求50℃等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间t 0=0.75h）解：反应终了时R 的浓度为)/(22.3230m kmol x C C A A R ==Ax A A x A A A x k x dx k kC dx C t A A-=-==⎰⎰11ln11100092.0502734.7448exp 1052.99=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-⨯=k )(31.17.011ln 92.01h t =-=24500000=+t t M VC R R )(2.226022.32406.2500003m V =⨯⨯⨯=47.CH 2 = CHCH = CH 2(A) + CH 2 = CHCOOCH 3(B)COOCH 3(C)该反应在全混流反应器中进行，以AlCl 3为催化剂，反应温度20℃，液料的体积流速为0.5m 3/h，丁二烯和丙烯酸甲酯的初始浓度分别为=0A C 96.5mol/m 3，=0B C 184mol/m 3，催化剂的浓度为=D C 6.63mol/m 3。
速率方程D A A C kC r =-，式中k=1.15×10-3m 3/mol·ks，若要求丁二烯转化率为40%。
求：1）反应器的体积V；2）容积效率η。
解：1）A +B →CD A A D A AA C x kC C kC dtdC r )1(0-==-=-对于全混流反应器∵DA AD A A A A A A A C x k x C x kC x C r x C )1()1(000-=-=-=τ∴)(28.24)(4.8763.6)4.01(1015.14.03h ks ==⨯-⨯⨯=-τ∵v V =τhm v /5.030=∴3014.125.028.24mv V =⨯==τ2）在分批式反应器内的反应时间为)(67114.000ks x dx kC r dx C t A x AADA A A =-=-=⎰⎰766.04.8767===τηt48.在全混流反应器中一级不可逆反应，液相反应A →2R，A A kC r =-kmol/m 3·h，k=9.52×109exp[-7448.4/T]h -1，=0A C 2.3kmol/m 3，=R M 60，=0R C 0，若转化率=A x 0.7，装置的生产能力为50000kg 产物R/天。