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
理想反应器特点
理想反应器特点
理想的反应器应具备以下特点：
1.高效性：理想反应器具有高效的转化率和选择性，能够最大限度地转化反应物为所需的产物，并尽量减少或避免副产物的生成。
2.安全性：理想反应器应具备良好的安全性能，能够有效地控制和处理反应过程中可能产生的高温高压、易燃易爆等危险情况，并确保操作人员和设备的安全。
3.可控性：理想反应器应具备良好的可控性，能够根据反应条件的需要精确控制温度、压力和反应速率等参数，以实现对反应过程的精确控制。
4.可扩展性：理想反应器应具备良好的可扩展性，能够根据需要进行反应规模的放大或缩小，以满足不同产量要求，并实现经济效益的最大化。
5.操作方便：理想反应器的操作应简便易行，能够方便地进行装填和催化剂的更换，以及反应产物的收取和分离。
6.环保性：理想反应器应具备良好的环保性能，能够最大限度地减少或避免对环境的污染，以及产生有害副产物的生成。
7.经济性：理想反应器应具备良好的经济性能，能够以较低的成本实现高效的反应转化，并在长期运行中具备稳定的性能和寿命。
综上所述，理想的反应器应在高效、安全、可控、可扩展、操作方便、环保和经济性等方面具备优秀的特点。
1理想反应器的概念
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。
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__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：
理想反应器CSTR-1..
各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应：
x A,i x A,i 1 Vi C A,i 1 C A,i i n n n 1 v0 k i C A,i k i C A0 1 x A,i
若n=1，则：
Vi C A,i 1 C A,i i v0 k i C A,i
若 A 0 C A0 C A xA C A0 A C A
或
C A0 1 x A CA 1 A xA
将上式代入设计方程得 : C A0 (C A0 C A ) C A0 x A (1 A ) 或 k (C A0 A C A ) k (1 A x A )
CA0 xA0=0 (或xA1) v0 FA0 CA xA (或xA2) VR CA xA (或xA2) v FA
试问化学反应速率 是固定不变的吗？ 为什么？
进入量=FA0=v0CA0
排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA) 反应量=（-rA）VR
FA0-FA0(1-xA) -（-rA）VR=0 或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -（-rA）VR=0 可以导出下列式子
对于0级反应，η=1，其物理意义是什么？请思考！
t
对于n>0的不可逆反应，CSTR的容积效率η均小于1，这是 由于“返混”造成的稀释效应使全混流的反应器的容积效 率小于1，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式 反应器的1/η倍，但要注意分批式操作的非生产性时间t0在 计算η时并没有考虑，若考虑之，则η’=（t+t0）/τ，有可能 η=t /τ小于1的情况，而η’=（t+t0）/τ大于1，这是完全可能 的。见陈甘棠教材P54例3-3-1。
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；
工学第三章间歇反应器与理想反应器
代表反应器处理物料的能力
变小，处理能力变大
对于均相反应：
空
速
1 空时
（体积空速）
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。
设计方程的应用
Vr cA0 cA cA0 X A
Q0
rA
rA
已知rA，可求得不同空时下的组成 已知rA，可求得不同转化率下的空时
dH2 HrrAVrdt （单一反应）
dH H1 dH2 H3
mt为反应物系的质量
mt c pt dT Hr rAVr dt cpt为反应物系的比热容
c pt为温度 T Tr间的平均比热容
变温间歇操作的热量衡算
又：dq UAh (TC T)dt
dT mt c pt dt UAh (Tc T ) HrVrrA
3.3 理想流动下的釜式反应器
• 连续搅拌槽式反应器，简 称 CSTR。流入反应器的 物料，在瞬间与反应器内 的物料混合均匀，即在反 应器中各处物料的温度、 浓度都是相同的。
• 全混流反应器，简称MFR。
3.3.1 全混流模型
基本假定： 反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即 完全均匀地混合，即混合程度达到最大。
图解分析
正常动力学
A
1 rA
F
0
B
E
H X A1 XA
D
单釜
Vr
Q0cA0 X A2 rA ( X A2 )
K
X A2
两釜串联
Vr
Q0cA0 X A1 rA ( X A1)
对关键组分A有：
Vr
Q0cA0 X Af (k1 k2 )cA
对目的产物P有：
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理想反应器
•在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。
根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。
•从本质上讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。
但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。
•
理想流动反应器
流体流动状况影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。
研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础.
流动模型是反应器中流体流动与返混的描述。
流动模型：理想流动模型和非理想流动模型。
理想流动模型：完全没有返混的平推流反应器和返混为极大值的全混流反应器。
非理想流动模型是对实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。
流动模型相关的重要概念
●物料质点
物料质点是指代表物料特性的微元或微团。
物料由无数个质点组成。
●物料质点的年龄和寿命
年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器算起已经停留的时间，称为年龄。
寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应器开始到离开反应器的时间。
返混
1）返混指流动反应器内不同年龄年龄质点间的混合。
在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。
在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。
2）返混的原因
a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；
b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。
造成返混的各种因素统称为工程因素。
在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。
简单混合与返混
若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。
这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单
混合。
如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。
混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。
•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
1.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。
2.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。
•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。
理想流动模型
平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动
1）模型特点
•物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；
•垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有边界层）；
•沿流动方向的截面间不相混合；
•质点的寿命相同，任一截面上的质点的年龄相同；
•返混＝0,不同年龄的质点不相混合。
2）适用范围
管式反应器：L/D较大，流速比较大。
3.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。
2.全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。
1）模型特点：
✓反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同，且等于出口处的参数；
✓同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合，
✓反应器内物料质点的年龄不同。
同一时刻离开反应器的物料中，质点的寿命也不相同。
✓返混＝∞
2）适用范围：
搅拌反应器，强烈搅拌。
非理想流反应器
•非理想流反应器。
物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。
间歇反应器
•反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。
反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。
•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
间歇反应器特点
①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。
一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。
间歇反应器设计方程
•反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积V’R作为衡算体系。
在单位
时间内，对组分A 作物料衡算：
0=0+ •整理得
•当进口转化率为0时，分离变量并积分得
•为间歇反应器设计计算的通式。
它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率x A 所需的反应时间t r 。
•在恒容条件下，
•上式可简化为：
•间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间
t r ，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。
⎥⎦⎤⎢⎣⎡'=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⎥⎦
⎤⎢⎣⎡'的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入A A A A R R R R V V V V ()1A R A s mol d d 00-⋅='---t n V r A
A dn dt V r +。