反应器理论1
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
(完整版)化学反应工程习题
化学反应工程习题第一部分：均相反应器基本理论1、试分别写出N 2+3H 2=2NH 3中用N2、H 2、NH 3的浓度对时间的变化率来表示的该反应的速率；并写出这三种反应速率表达式之间的关系。
2、已知某化学计量式为S R B A 2121+=+的反应，其反应速率表达式为B AA C C r 5.02=，试求反应速率B r =？；若反应的化学计量式写成S R B A +=+22，则此时反应速率A r =？为什么？3、某气相反应在400 oK 时的反应速率方程式为221061.3AA P d dP -⨯=-τh kPa /，问反应速率常数的单位是什么？若将反应速率方程改写为21AA A kC d dn V r =⨯-=τh l mol ./，该反应速率常数k 的数值、单位如何？4、在973 oK 和294.3×103Pa 恒压下发生下列反应：C 4H 10→2C 2H 4+H 2 。
反应开始时，系统中含丁烷为116kg ，当反应完成50%时，丁烷分压以235.4×103Pa /s 的速率发生变化，试求下列项次的变化速率：（1）乙烯分压；（2）H 2的摩尔数；（3）丁烷的摩尔分率。
5、某溶液反应：A+B →C ，开始时A 与B 摩尔数相等，没有C ，1小时后A 的转化率为75%，当在下列三种情况下，2小时后反应物A 尚有百分之几未反应掉？ （1）对A 为一级、B 为零级反应； （2）对A 、B 皆为一级反应； （3）对A 、B 皆为零级反应。
6、在一间歇反应器中进行下列液相反应： A + B = R A + R = S已知原料组成为C A0 = 2 kmol/m 3，C B0 = 4 kmol/m 3，C R0 = C S0 = 0。
反应混合物体积的变化忽略不计。
反应一段时间后测得C A = 0 .3 kmol/m 3，C R = 1.5 kmol/m 3。
计算这时B 和S 的浓度，并确定A 的转化率、生成R 的选择性和收率。
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。
反应器设计的基本方程
反应器设计的基本方程反应器设计是工程学中一个非常重要的领域，它是指将反应器容积及其他重要参数如反应温度、反应时间、速率常数等综合考虑，从而确定不同反应物浓度在反应器内部及数学上达到一种理想状态的工程学设计理论。
基于此，反应器设计的基本方程能够为相关的反应器设计和优化工作提供帮助。
反应器设计的基本方程构建在一般热力学反应器原理基础上，它要求反应器必须维持守恒的非热力学条件，以便系统可以实现平衡状态。
根据守恒的非热力学条件和初始条件，可以给出基础的反应器设计方程，如：总容积：Vt = V + Vd，反应物浓度：C = C0 + [C(t)-C0]V/Vt，反应器温度：T = T0 + [T(t)-T0]V/Vt，反应器压力：P = P0 + [P(t)-P0]V/Vt，反应速率常数：K = [C0/C(t)]K0，反应器运行状态：F = F0 + [F(t)-F0]V/Vt，反应器转速：N = N0 + [N(t)-N0]V/Vt，反应器流动模式：M = M0 + [M(t)-M0]V/Vt。
综上所述，反应器设计的基本方程是一种用于描述反应器容积、反应物浓度、反应温度、反应时间、速率常数等多种参数之间关系的表达式。
它可以有效地根据实际应用场景，优化反应器容积及其关联参数，以达到理想的反应物浓度。
关于应用反应器设计的基本方程，应该把握一个原则：反应器容积及其关联参数的计算结果受守恒的非热力学条件及初始条件的影响，所以正确使用反应器设计的基本方程时，要根据实际开展的设计工作，结合操作条件及实际原料特性，仔细计算反应器容积及其关联参数，确保反应系统可以得到最佳效果。
另外，也可以通过实验进行反应器设计，将实验反应器容积及其他参数，以实验方法确定，通过控制反应温度、反应时间、速率常数等参数，以达到设计中指定的试验效果，最终根据实验结果，反推反应器容积及其关联参数，以实现有效的反应器设计和优化。
总的来说，反应器设计的基本方程是为反应器设计和优化提供帮助的重要工具，它可以有效地准确计算出反应器容积及其关联参数，以达到有效的反应物浓度，但是要记住，它仅仅是一种计算工具，并不能代替实验和经验，在实际应用中，仍需要根据实际情况，综合考虑守恒的非热力学条件和初始条件，结合多种因素，综合运用反应器设计的基本方程，以达到最佳的反应物浓度。
化学反应过程第一章(1)
全混流模型
2021/1/9
平推流模型
有关反应器操作的几个工程概念 ➢ 流体的质点或粒子（微元）
代表一堆分子所组成的流体，它的体积比 反应器的体积小到可以忽略，但其中所包 含的分子足够多，具有确切的统计平均性 质，如组成、温度、压力、流速； ➢ 停留时间（Retention time） 指连续操作中一物料“微元”从反应器 入口到出口经历的实际时间。
• 基本特征∶连续反应过程是一个稳态过程，反应器 内各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可 能随位置变化而变化。）
• 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度 与产品质量较稳定。规模大或要求 严格控制反应条件的场合，多采用 连续操作。
• 主要缺点∶灵活性小，设备 投资高。
2021/1/9
半间歇操作/半连续操作
全混流模型——返混程度为无穷大，反应物料的稳定流量流入反应器，
新鲜物料与存留在反应器中的物料达到瞬间完全混合。出口处物料的 浓度、温度等参数与反应器中物料相同。停留时间分布中有的很长， 有的很短；举例——强烈搅拌的连续釜式反应器。
非理想流动模型——偏离上述两种理想流动模型，偏 离程度可通过测定停留时间分布来确定。
2021/1/9
（三）按反应器结构类型分类
型式
适用的反应
特征
釜（槽）式，一级 液相，液-液相，液-固相，气- 适用性大，操作弹性大。连续操作时温度、
或多级串联
液相，气-液-固三相
浓度易控制，返混严重。
均相管式
气相，液相
比传热面大，长径比很大，压降大，近平 推流。
固定床
气-固相催化（绝热式或连续换 催化剂不易磨损，但装卸难，传热控温不
一. 化学反应的分类 （1）按反应的化学特性分类 （2）按化学反应单元的分类
制药工程原理与设备-02反应器基本理论1
6
第二节 等温等容过程的计算 •
1 dnA 一、反应速 ( rA ) V d 率 nA0 nA xA nA0
• 转化率
nA nA0 (1 x A ) dnA nA0 dx A dxA 1 nA0 dxA (rA ) C A0 V d d
7
如：Ａ→Ｒ
• 边界条件: VR= 0 XA = 0 dVR dx A VR=VR XA=XA 0 FA ( rA )
dFA FA0 dxA
16
dVR dx A FA0 (rA )
x A dx VR A 0 (r ) FA0 A
VR
0
dVR FA0
xA
0
dx A ( rA )
③ n=2时 二级反应
2 (rA ) kC A0 (1 x A ) 2
C A0
xA
0
dxA xA 1 xA dxA 1 2 2 0 (1 xA )2 kC A0 1 xA kC A0 (1 x A ) kC A0
12
作业：
推导：对于n级反应，A初始浓度为CA0 ，反应速率方程： 推导反应转化率xA为时，反应釜内反应时间τ的表达式： τ＝f (xA，n，k，CA0)
整 x 理： x
Ai
1 xAi 1
2
1 1 xAi 1
1 xAi 1 1 xAi 1 xAi 1 xAi 1 x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1
1 xAi 1 1 xAi 1 1 1 xAi 1 xAi 1
• 选择性
s 生成目的产物所消耗的关键组分的量 已转化的关键组分的量
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
反应器一(绪论+釜式)
7、其它工艺接管:进料管、出料管、仪表接管
二、釜式反应器的搅拌装置
1、搅拌的目的
使物料混和均匀,强化传热和传质。
包括：（1）加快互溶液体的混合；
（2）使一种液体以液滴形式均匀分散于另一种不互溶的液体中；
（3）使气体以气泡的形式分散于液体中；
（4）使固体颗粒在液体中悬浮；
（5）加强冷、热液体之间的混合以及强化液体与器壁的传热。
②压力试验有两种，液压试验和气压试验。
致密性试验：
①符合下列情况时，容器应考虑进行致密性试验：
a.介质为易燃、易爆和极度危害或高度危害时；
b.对真空有较严格要求时；
如有泄漏将危及容器的安全性和正常操作者。
②致密性试验方法有：气密性试验、煤油渗漏试验和氨渗漏试验方法等
2、壳体的材质
壳体的材质主要为钢制反应釜、铸铁反应釜及搪玻璃反应釜。
C搪玻璃反应釜性能如下：
①耐腐蚀性：能耐大多数无机酸、有机酸、有机溶剂等介质的腐蚀。
搪玻璃设备不宜用于下列介质的储存和反应：任何浓度和温度的氢氟酸；PH＞12且温度大于100℃的碱性介质；温度大于180℃、浓度大于30%的磷酸；酸碱交替的反应过程；含氟离子的其他介质。
②耐热性：允许在- 30～+240℃范围内使用
釜式反应器的壳体结构包括：
筒体、底、盖（或称封头）、手孔或人孔、视镜及各种工艺接管口等。
1、釜式反应器的筒体
作用：主要用来提供容积，是完成介质的物理、化学反应的容器。
釜式反应器的筒体皆制成圆筒形。
A筒体一般按外压容器考虑。
原因（1）、搅拌釜通常适用于低压或常压反应
（2）、筒体外夹套内通常通水蒸气作为热源
二、化学反应器的分类
第一章 反应器基本理论-1
3. 返混产生的原因
涡流与扰动
沟流、填料 或催化剂装 填不均匀 速度分布
死角 短路
4.返混对化学反应的影响
1) 总的来说，使产品的收率、质量降低。
2) 返混使反应物的浓度降低。
3) 返混使系统中的温度分布和浓度分布趋于平坦，对 要求有较大温度差或浓度差的场合不利。
冲稀的 作用
思考
？返混对化学反应一定是不利的吗？
计算基准：起始状态选择问题（分母部分的计量） 使用的原则：对于连续反应器，进口处的状态 间歇反应器，开始反应时的状态 串联使用的反应器，进入第一个反应器的原料 为准这样有利于计算和比较
单程转化率和全程转化率的区别
如图1.2所示的甲醇合成流程简图，生产中采用循环操作，一部分 未能转化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全转化反应物的循 环，在计算全程转化率时，计算基准为新鲜原料进入反应系统到离 开所达到的转化率。而单程转化率是一次性从反应器进入到离开所 达到的转化率。两者相比较，全程转化率必定大于单程转化率。
自催化反应 复杂反应 可控制在最佳浓度下操作 反应物浓度高有利于副 反应进行时
有利！
返混对连串副反应是有利还是不利的因素？
5. 各种不同反应器中时间的概念 （1）平均停留时间 物料流过反应器所需要的时间
连续反应器中 的液相反应
反应器的有效容积
物料的体积流量
反应器几何容 积中，用于反 应的体积。
反应器内（T、P） 下的体积流量
（2）空间时间 简称空时， 用
表示
意义：处理一个VR的物料所需要的时间。
（3）空间速度 简称空速 Sv=1/ =v/VR=入口体积流量/反应器有效体积
意义：单位反应体积、单位反应时间内所处理的物料量
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均相反应：
气固相催化反应：
根据反应特性，决定 催化剂结构、尺寸； 催化剂传递特性实验； 决定工业反应操作方 式，中试；
• 冷模实验，确定中试 • 反应器停留时间分布 特性； • • 根据反应动力学方程， • 选择适当的反应器进 行中试；
9
• • • • • •
建立数学模型，对反应器进行放大； 反应器机械结构、控制方案等工程设计； 开工投产，完善反应器设计； 积累生产数据，摸索最佳操作条件； 修正数学模型，改进反应器设计； 完成整个上述过程，需要数年的时间和 巨大的付出。
30.0
25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0 25 50 75 100 125 150
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50
Frequency density (%)
Frequency density (%)
Particle size (nm)
NO2
主反应：
+
H2O
NO2
副产物 1：
NO2
OH
副产物 2：
O2N
2
发展精细化工产品-需要过程强化技术 发展精细化工产品如矿石资源 （石灰石，CaCO3矿） 石灰石，
普通沉淀碳酸钙 石灰石 10-50元 10-50元/吨 500元/吨 500元 附加值大幅度提高 纳米级超细碳酸钙 5000元/吨 5000元 CO2 + Ca (OH ) 2 → CaCO3 + H 2O 搅拌釜传统技术 超重力反应沉淀技术
• • • • • • • • • • • • 搅拌式：适用于液相、液－液相、气液相 管式：气相、液相 空塔或搅拌塔：液相、液－液相 鼓泡塔或挡板鼓泡塔：气－液、气－液－固 填料塔：液相、气－液相 板式塔：气－液相 喷雾塔：气－液相快速反应 湿壁塔：气－液相 固定床：气－固相 流化床：气－固相、气－液－固相 移动床：气－固 滴流床：气－液－固
Particle size (nm)
3
日本公司生产产品 超重力法制备产品
超重力过程强化效果－ 超重力过程强化效果－工业化实例
单元操作设备强化——设备小型化
塔设备 直径6米 直径 米 高30米 米 RPB 直径3米 直径 米 高3米 米
•反应式：Cl2 (g) + NaOH (l) = 反应式： 反应式 NaCl (l) + HOCl (l) （目标产 目标产 快反应） 物，快反应） 2HOCl (l) +2NaOH(l) = NaClO3 (l) +NaCl＋H2O (副反 ＋ 副反 应，快） 100万吨/ 100万吨/年（原料处理能力） 万吨 原料处理能力） 产品收率提高10％ 产品收率提高10％ 10 投资节省70％，能耗节省30％ 投资节省70％，能耗节省30％ 70％，能耗节省30 实施单位:DOW化学公司 实施单位:DOW化学公司 :DOW
关键科学技术问题分析
三 传 反 一 反 反应动力学和热力学平衡受限的反 应过程 传递过程与动力学匹配的反应过程 传递、 传递、混合受限的反应过程
二大类反应 过程、 过程、急需 强化的反应 体系
分子混合限制－反应过程分析
背景：液相复杂快速反应 背景：
A＋B＝R （瞬间反应，目标产物） ＋ ＝ 瞬间反应，目标产物） R＋A＝S （快速反应） ＋ ＝ 快速反应） 反应物配比： 反应物配比：A:B=1：1 (mol比) ： 比
化学反应： 化学反应：分子尺度的物质碰撞产生新物质过程 选择性： 选择性：XR－两种极端情况 • XR=0％ ％ • XR=100％ ％
高能耗、 高能耗、 高物耗、 高物耗、 高污染、 高污染、 安全问题
1
吉化爆炸案分析－ 吉化爆炸案分析－ 需要反应混合过程强化
硝基苯合成
[H2SO4] + HNO3 快
13
本科生《化学反应工程》主要内容
• • • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 绪论 均相反应动力学 均相理想反应器 非理想流动反应器 气固相催化反应本征动力学 气固相催化反应宏观动力学 气固催化反应固定床反应器 气液相反应过程及反应器 反应器热稳定性和参数的灵敏性
4
反应过程耦合强化技术 — 醋酸甲酯生产
过程强化后设备数目从28减少到3 过程强化后设备数目从28减少到3 28减少到
传 统 装 置 与 流 程
强 化 后 的 装 置 和 流 程
美国Eastman公司
5
结构化催化剂技术
不同类型催化剂上反应 速率的对比关系
——
蒽醌加氢，装置体积减小10倍，物料消耗降低2.5倍 6
14
10
1.3 化学反应器研究与设计方法论与实践论 • 实验测定：动力学模型与传递过程规律 模型 • 数学模型：（动力学、物料衡算、热量 衡算、动量衡算、参数衡算) • 制定实验方案，中间试验 • 验证修正模型 • 工业化装置设计与试验 • 验证完善数学模型 • 应用于新生产线的设计
11
1.4 化学反应器型式
1.2 化学反应器研究范畴与基本内容
• 反应动力学 • 反应器型式、操作和流程 反应器型式、 • 反应器内流体力学 • 反应器内传递过程 • 反应器内混合过程 • 反应器动态特性与控制 • 反应器开发与设计
7
工业反应器设计的全过程
• 从热力学上证明反应是可以发生的； • 在实验室经小试确定大致需要的反应条 件； • 选择适当的催化剂； • 在实验室确定反应动力学，即温度、浓 度、压力、催化剂与反应速率之间的关 系；
12
学过化学反应器的研究生，应当具有技能 学过化学反应器的研究生，
－ 改进和强化现有反应技术与设备，挖潜降耗、增效 改进和强化现有反应技术与设备，挖潜降耗、 － 开发新的技术、工艺和设备 开发新的技术、 － 指导和解决反应器及反应过程放大问题 － 实现反应过程最优化 － 发展反应工程学的理论和方法