3 理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
{教育管理}化学反应工程三理想间歇反应器 精品 精品
{教育管理}化学反应工程三理想间歇反应器3.1 理想反应器类型3.2 反应器设计基本方程3.3 理想间歇反应器3.4 动力学方程的实验测定3.1 理想反应器类型3.2 反应器设计基本方程3.2.1 基本内容选择合适的反应器型式反应动力学特性+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3.2.2 基本方程物料衡算方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量反应消耗累积流入流出反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√热量衡算方程带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√反应热累积带入带出反应单元传给环境动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。
但有时为了简化计算，常采用估算法。
3.3 理想间歇反应器3.3.1 特征和数学描述特点:1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。
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，产品质量不稳定对整个反应器进行物料衡算：00流入量= 流出量+ 反应量+ 累积量实际操作时间（t T )=反应时间(t) + 辅助时间(t C )反应体积V 是指反应物料在反应器中所占的体积1/r A —x At/C A01/r A —C tTt V ⋅=0νsm /30物料量，单位生产时间所处理的--νt 的计算（直接计算和图解法）3.3.2 简单反应简单一级反应简单二级反应简单零级反应简单n级反应反应速率r A=kC A r A=kC A2AACCkt0ln=⎰=Af xAAA rdxCtAxkt-=11ln11AACCkt-=AAA xxktC-=1⎰-=AACCAArdCt反应后期的速度很小；反应机理的变化末期动力学反应后期转化程度（从弱到强）二级>一级>零级采用非关键组分过量，可提高转化程度。
第三章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
( − rA ) = k ′C A
反应转化为拟一级反应，从而遵守一级反应的规律，减 反应转化为拟一级反应，从而遵守一级反应的规律， 少了后期转化时间占总转化时间的分率。 少了后期转化时间占总转化时间的分率。
利用公式，解决反应时间、转化率，残余浓度之间的 关系的例题应用例题
蔗糖在稀水溶液中水解生成葡萄糖和果糖的， A（蔗糖）+B（水）→P(葡萄糖)+S（果糖） H当水大量时反应准寻一级反应动力学即 ( − rA )V = kcA ， 当催化剂HCl浓度为0.01mol·L-1，反应温度为48℃时，反应的 速率常数为k=0.0193min-1。当蔗糖溶度为0.1mol·L-1和 0.5mol·L-1时计算： ⑴反应20min后，上述两初始浓度下的蔗糖、葡萄糖和果糖 的浓度分别为多少？ ⑵计算两初始浓度下的蔗糖转化率？ ⑶若蔗糖浓度降低到0.01mol·L-1，两种初始浓度下所需的反 应时间各位多少？
CA
代入数据求解：t1=0.0193-1ln0.1/0.01=120 t2=0.0193-1ln0.5/0.01=203 一般的解题方法是根据问题，找出应用公式，求出公 式中的已知项和未知项，应用化学计量关系和数学 公式导出未知项后，就可以代入公式求解了。
自催化反应
自催化反应的产物有催化剂的作用，一般自催化 反应式表示为
1 1 − xA 1 xA 2级反应 kt = 级反应： 级反应 cA0 1 − xA
1级反应 kt = ln 级反应： 级反应
，与cA0 无关 t ，与cA0 成反比 t
利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数， 利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确 的关系，判别反应级数 判别反应级数。 定 xA，然后测定 t与cA0 的关系 判别反应级数 然后测定
3-间歇与理想反应器
3.2 间歇反应器
变温间歇操作的热量衡算
A B T C H 1 H 3 Tr A B C
dH2
根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：
q U
q H
即：与环境交换的热=内能的变化
基本设计方程：
进入量 排出量 反应量 积累量 ＋ ＋ rAf Vr 0 FA0 1 x A0 FA0 1 x Af 整理得： x Af x A0 Vr FA0 rAf
FA0 xA0 Q0cA0
用焓变代替内能的变化
dq dH
间歇釜式反应器 Tr＝298K为计算的基准温度
3.2 间歇反应器
H1 mt c pt dt mt c pt (Tr T )
T Tr
H 3 mt
Tr dT
T
c pt dt mt c pt (T dt Tr )
dH2 H r rAVr dt （单一反应）
（3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换， 例如采用列管式换热器
（4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作
此原则也适用于其它类型反应器
3.2 间歇反应器
3.2 间歇反应器
3.3 理想流动下的釜式反应器
理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器， 有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor， 简称CSTR），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流 反应器（Mixed Flow Reactor，简称MFR），MFR是从反应器 内物料的混合程度上命名的。
第3章理想间歇反应器与典型化学反应的基本特征
反应级数大于1的反应，后期的速度很小，高转化率或低残 余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增长。
例：试对一级和二级反应分别计算转化率 从90％提高到99％时，转化所需的时间是 其转化率为90％时所需时间的倍数。
解:(1)对一级反应
t 1 ln 1 k 1 x
t99%
1 k
ln 1 1 99%
反应器设计的基本内容
选择合适的反应器型式
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
反应器设计的基本内容
操作型的计算：根据反应特征及反应器的体积，
决定最优化操作条件，使反应过程达到优化目标。 已知反应器的体积，求反应在该反应器内反应所 能达到的转化率？
(rA ) (rA )
k dnA
Vdt
k
dc cA
cA,0
A
k
t
dt
0
t
cA,0 cA k
cA,0 xA k
间歇反应器中的简单反应
反应速率
t CA dCA
CA0 (rA )
t CA0
xAf 0
dxA (rA )
（－rA）=k kt CA0 CA
解：由题条件： rA kCA2
t
CA0
xA 0
dxA rA
CA0
xA 0
dxA kCA20 1 xA
理想反应器
间歇反应器 (a) 连续流动反应器
平推流反应器 全混流反应器
完全没有返混
化学反应工程学反应器基本原理
有时也用质量收率表示：
所得目的产物的质量 yw 输入某反应物的质量
（二）、反应器的分类 1、按反应物料的相态分类：
反应器的种类
反应类型
均相 气相 液相
燃烧、裂解 中和、硫化、水解
非
气-液相
氧化、氯化、加氢
均
液-液相
磺化、硝化、烷基化
相
气-固相
燃烧、还原、固相催化
液-固相 还原、离子交换 固-固相 水泥制造 气-液-固相 加氢裂解、加氢硫化
对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：
xA
cA,0 cA cA,0
3、反应的选择性
pP （目的产物） aA
qQ （副产物）
反应的选择性是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。
s a np p nA,0 nA
收率：生成目的产物的量比加入反应物的量
y a np p nA,0
收率、转化率与选择性之间的关系为：
判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性
1、反应速率
反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生
成物的变化量。
ri
1 V
dni dt
如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。
则上式可写成：
riV 1d din td(n d i V t)d dict
正号----表示产物的生成速率 负号----表示反应物的消失速率
输入动量 = 输出动量 + 动量损失 （5）、参数计算式 主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。
三、化学反应工程学与相关学科的关系
传递工程
反应器中流体 流动与传热
化学反应工程 反 测
化 学
化化
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
化学反应工程知识点~讲义
知识点7. 反应器设计概述一、主要讲解内容本讲主要介绍三种理想反应器——理想的间歇式反应器、全混流反应器及平推流反应器的含义及基本设计思路。
二、学习要求掌握三种理想反应器的内涵，理解各种反应器理想型的联系与区别。
三、视频（已录制完成）四、讲义本章主要给大家介绍的是如何进行反应器的设计，何种反应器又是最优的反应器？反应器按照其操作方式可分为间歇式反应器、连续流动式反应器及半连续（或半间歇式）反应器，而从反应器理想性的角度分，可将反应器分为理想反应器及实际反应器，本讲要介绍的就是三种理想反应器的概念，包括理想的间歇式反应器（BR）、平推流反应器（PFR）及全混流反应器（MFR）。
1. 理想的间歇式反应器理想的间歇式反应器如图1所示，物料一次性投入反应器中，其特点为在任何时刻反应器中均具有均一的温度和均一的浓度，但是温度和浓度可能会随时间而变，属于一种非稳态操作。
图1 理想的间歇式反应器2. 全混流反应器全混流反应器是一种连续流动式反应器，物料连续流入流出，反应器中具有均一的温度和均一的浓度，且不随时间而变，反应器中温度和浓度与出口一致。
图2 全混流反应器提到全混流反应器需要介绍一个新的概念——返混，指的是不同停留时间物料之间的混合。
对于全混流反应器，其返混是一种极端的情况，刚刚进入反应器的物料和停留时间无限长的物料之间存在混合，且反应器中物料的状态和出口完全一致，其返混记为∞。
全混流具有温度浓度恒定的特性，所以其中反应速率是一个常数。
3. 平推流反应器平推流反应器是一种管式反应器，物料连续流动，流体在管内作平推流流动具有如下两特征：（1）在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布，在同一轴向位置具有均一的温度和浓度。
浓度和温度等会随轴向位置而变，因此反应速率是轴向位置的函数。
（2）在流体流动的方向不存在流体质点间的混合，即无返混现象，或者返混为0。
因此，各质点具有相同的停留时间()t，等于反应时间t。
图3平推流反应器对于各类反应器，进行反应器的设计需要反应器的设计方程，设计方程主要来源于两个方面，物料衡算方程和热量衡算方程。
化学反应工程复习题试题必考
第一章绪论1. 化学反应工程是一门研究______________的科学。
(化学反应的工程问题)2。
化学反应工程是一门研究化学反应的工程问题的科学,既以_______作为研究对象,又以_______为研究对象的学科体系。
(化学反应、工程问题）3。
_______是化学反应工程的基础。
（三传一反）4。
化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作.(分批式操作、连续式操作、半分批式）5。
化学反应工程中的“三传一反"中的三传是指_______、_______、_______。
（传质、传热、动量传递）6。
不论是设计、放大或控制，都需要对研究对象作出定量的描述,也就要用数学式来表达个参数间的关系,简称_______.(数学模型）7. 在建立数学模型时，根据基础资料建立物料、热量和动量衡算式的一般式为_______。
(累积量=输入量-输出量）8。
“三传一反”是化学反应工程的基础，其中所谓的一反是指_______.（D) A．化学反应 B。
反应工程 C。
反应热力学 D。
反应动力学9.“三传一反”是化学反应工程的基础,下列不属于三传的是_______。
（A）A. 能量传递B. 质量传递C. 热量传递D. 动量传递第二章均相反应动力学1. 均相反应是指_。
（参与反应的物质均处于同一相）2. 对于反应，则_______.（）3。
着眼反应组分K的转化率的定义式为_______。
（）4.当计量方程中计量系数的代数和等于零时，这种反应称为_______,否则称为_______。
（等分子反应、非等分子反应）5。
化学反应速率式为,用浓度表示的速率常数为，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数,则=_______.（）6.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=_______.（）7. 化学反应的总级数为n，如用浓度表示的速率常数为，用气体摩尔分率表示的速率常数，则=_______。
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kt 1 lnCB0CA CA0CB0 CA0CB
以CB0 kt～xA作图，看过量比对反应结果的影响
25
由图可见：
x低时，M影响不明显 ；
4
3.2 理想间歇反应器
3.2.1 理想间歇反应器的特征
结构及优点
操作灵活
缺点
辅助时间长 产品质量不稳定
5
Batch Reactor
Batch Reactor Stirring Apparatus
6
搅拌器设计、安装
搅拌器的型式、尺寸和安装位置都要根据物料性 质和工艺要求来选择
目的都是为了在消耗一定的搅拌功率条件下达到 反应器内物料的充分混合
装料系数
11
3.2.3 理想间歇反应器中的简单 反应
1.一级反应 AP
反应动力学方程 ( r A ) kA C kA C 0 (1 x A ) 等温条件下反应时间
t C A 00 x A( fd r A A )x C A 00 x Ak f A C 0 d (1 A x x A ) k 1 ln 1 1 x Af
9
基本方程的图解积分
t xAf dxA
CA0 xA0 (rA)
t CAf dCA
CA0 (rA)
10
BR体积计算 VR v0tT
VR—反应物料在反应器中所占的体积 0 —单位生产时间所处理的物料量
tT —每批物料的操作时间
tT ttc
反应时间
辅助时间（装料、升温、降 温、卸料、清洗）
BR体积＝VR/0.75
(rA)
1 V
dnA dt
nAnA0(1xA)
d
tnA0
dxA V(rA)
8
理想间歇釜反应器计算基本方程
t nA0
dx xAf
A
xA0 V(rA)
等容过程（液相系统）
CA
nA V
tCA0
xAf
dA x
CAf
dC A
xA0(rA)
CA0(rA)
在间歇反应器中，反应物料达到一定转化率所需的反应时 间，只取决于过程的速率，而与反应器的大小无关。反应 器的大小只决定于物料的处理量。因此，在放大过程中只 要保证化学反应速率的影响因素相同即可。
n＝1：t∝CA0
无关
xAf 1ekt
n＝2：t∝CA0 n＝0：t∝CA0
反比
xA
CA0k t 1CA0k
t
正比
kt
xA C A0
定性判别大致的反应级数
20
（3） CA0与x关系
n=1：CA0，X不变 n=2：CA0，x n=0：CA0 ，X
CA0， CA
21
（4）比较反应级数n与CA和t的关系
t
CA
f
dC A CA
fdC A
CA0(rA)
kC CA0
2
A
14
残余浓度表示
1 1 kt CA CA0
CA
CA0 1CA0k t
转化率表示
CA0k
t
xA 1 xA
xA
CA0k t 1CA0k
t
tC A 00 xA(fd rA A )xC A 00 xAk f A C 02 d (1A x xA )2
确定适合的工艺条件
确保反应器具有良好的运转特性、操作稳定 性
通过试验，通过大型的工艺模拟软件（PROII、 ASPEN Plus等等）
计算所需反应器体积
确定反应器结构和尺寸 由规定的生产能力及操作条件来确定
3
3.1.2 反应器设计基本方程
动力学方程式—化学反应器设计基础 物料衡算方程式（摩尔衡算）—计算反应器体积 某组分） ΣG入－ ΣG出 － ΣG反应消耗 =ΣG积累 热量衡算方程式—计算反应器温度变化 ΣQ入－ ΣQ出 ＋ ΣQ反应放热 － ΣQ 传出=ΣQ积累 动量衡算方程式—计算反应器压力变化
理想间歇反应器的特征
反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀 反应器内各处温度始终相等 反应器内物料同时加入并同时停止反应
反应结果将唯一地由化学动力学所确定
7
3.2.2 间歇反应过程的数学描述
物料衡算（对象：整个反应器） （某组分）ΣG入－ΣG出 －ΣG反应消耗 =ΣG积累
00(rA)VddnAt
CA
n=0
பைடு நூலகம்
n=1
n=2
t 二级反应大部分反应时间是消耗在反应的末期
22
5.双组分反应 A＋BP
动力学方程：（－rA）=kCACB
当CA0＝CB0时 方程式为： （－rA）=kCA2
当CA0《 CB0时， CB视作常数 方程式为： （－ rA）= kCACB0= k'CA
当CA0 /CB0≠1时 方程式为： （－rA）=kCACB
15
二级反应的速率、浓度、转化率 相互关系
(-rA)
(-rA)
xA
CA
(-rA)=kCA2
xA
(-rA)=kCA02 (1-xA)2
xA
CA0k t 1CA0k
t
CA
CA0kt
CA
CA0 1 CA0k
t
16
3.零级反应
动力学方程式 (rA )k CA 0
(rA )0 CA 0
反应结果
ktCA0CA
kt ln CAf CA0
CAf CA0ekt
12
一级反应的r、C、x间的关系
(rA)kCA
CAf CA0ekt
xAf 1ekt
(rA)kA C 0(1xA)
13
2.二级反应
动力学方程式
单组分：AP： (-rA)=kCA2 双组分：A＋BP：(-rA)=kCACB
单组分反应在BR中的反应结果：
23
B过量
过量浓度比：M CB0 CA0 CA0
CB与CA的关系：
C B C B 0 (C A 0 C A ) C A M A 0C
动力学方程式：
(rA)kC A(CAMA0C )
24
在BR中
tCAfdA CCAf
dA C
CA0(rA) CA0kC A(CAMA)C
CB0k tM M 1ln(1(1M M ))1(xxA A)
第三章 理想间歇反应器 与典型化学反应的基本 特征
1
3.1 反应器设计基本方程
3.1.1反应器设计的基本内容和方法
选择合适的反应器型式(依据)
反应的动力学特性（反应过程的浓度效应、温 度效应及热效应）
反应器的流动特征和传递特性（热量传递对反 应过程的影响、质量传递对反应过程的影响）
两者结合
2
xA
kt C A0
(-rA)
(-rA)
CA
xA
CA
xA
kt
17
4.反应特性分析
18
分析讨论
（1） 等式左边 乘积kt项 等式右边 由CA0、CA、xA组成
当时间t一定， xA和CA唯一地确定
反应转化率由时间决定
在体积和时间一定时，T，k， xA
19
（2）CA0对反应结果的影响与反应级数有关 达到相同的转化率所需的反应时间t：