全混流反应器设计
(完整版)《化学反应工程》试题及答案
《化学反应工程》试题一、填空题1. 质量传递 、 热量传递 、 动量传递 和化学反应 称为三传一反.2. 物料衡算和能量衡算的一般表达式为 输入-输出=累积 。
3. 着眼组分A 转化率x A 的定义式为 x A =(n A0-n A )/n A0 。
4. 总反应级数不可能大于 3 。
5. 反应速率-r A =kC A C B 的单位为kmol/m 3·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kmol ·h 。
6. 反应速率-r A =kC A 的单位为kmol/kg ·h ，速率常数k 的因次为 m 3/kg ·h 。
7. 反应速率2/1A A kC r =-的单位为mol/L ·s ，速率常数k 的因次为 (mol)1/2·L -1/2·s 。
8. 反应速率常数k 与温度T 的关系为2.1010000lg +-=Tk ，其活化能为 83.14kJ/mol 。
9.某反应在500K 时的反应速率常数k 是400K 时的103倍，则600K 时的反应速率常数k时是400K 时的 105 倍。
10. 某反应在450℃时的反应速率是400℃时的10倍，则该反应的活化能为（设浓度不变） 186.3kJ/mol 。
11. 非等分子反应2SO 2+O 2==2SO 3的膨胀因子2SO δ等于 -0.5 。
12. 非等分子反应N 2+3H 2==2NH 3的膨胀因子2H δ等于 –2/3 。
13. 反应N 2+3H 2==2NH 3中（2N r -）= 1/3 （2H r -）= 1/2 3NH r14. 在平推流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为C A0，转化率为x A ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度为 C A0(1-x A )n ，转化率为 1-(1-x A )n 。
15. 在全混流反应器中进行等温一级不可逆反应，反应物初浓度为C A0，转化率为x A ，当反应器体积增大到n 倍时，反应物A 的出口浓度为A Ax n x )1(11-+-，转化率为AA x n nx )1(1-+。
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.反应器设计的基本内容
(1) 选择合适的反应器形式
(2) 确定最佳的工艺条件
(3) 计算所需反应器体积
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
全混流反应器最佳反应体积
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
UAT Tm 0
若反应器没有设置传热面，在绝热条件下操作，则：
V rA H r v0 C p T T0
故变温操作的CSTR设计就是操作方程、设计方程、动力 学方程联立求解的过程，即：
I)全混流反应器的热平衡
单位时间内的热量衡算：
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
以Qg表示放热速度，则：Qg V rA H r 以Qr表示移热速率，则： Qr v0 C p T T0 UAT Tm 定常态下：Qg=Qr
解上式得： xA1=0.702
VR1 VR 2
v0 x A 2 x A1 3 3.88m 2 k CA0 (1 x A 2 )
3
v0 x A1 3 2.77 m 2 k CA0 (1 x A1 )
VRT 6.65m
Return
§3.7 全混流反应器的热量衡算与热稳定性 (1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） 忽略反应流体的密度和定压比热CP随温度的变化，在 定常态下，对反应器作热量衡算有：
★Qr~T是呈直线关系
Qg、Qr都是温度T的函数，当Qg=Qr时，在Q-T图上就表 示两条曲线的交点，交点体现的状态为定常态，但处于 定常态操作的反应器不一定是稳定的。 Qg Qr Qr b c
对于微小的干扰：
a
Qg
△T>0，对a, c两点，Qr>Qg， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qg>Qr，则使反 应温度进一步升高，直到a点； △T<0，对a, c两点，Qg>Qr， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qr>Qg，则使反 应温度进一步降低，直到c点；
《化学反应工程》综合复习资料
《化学反应工程》综合复习资料一、填空题1、全混流反应器的E 函数表达式为 ，其无因次方差= ，而平推流反应器的无因次方差＝ 。
2、工业催化剂性能优劣的三种最主要的性质是 、 、和 。
3、在间歇反应器中进行一恒压气相反应，原料为A 和B 的混合物，其中A 含量为20%(mol)，若物料初始体积为2升，则A 转化50％时，物料的总体积为 。
4、基元反应的分子数 （可能/不可能）是小数。
5、某液相反应于50℃下在间歇反应器中进行，反应物A 转化80％需要10min ，如果于相同条件下在平推流反应器中进行，则达到同样的转化率需要的空时为 ；如果同样条件下在全混流反应器中进行，达到同样的转化率需要的空时 。
6、测定非理想流动的停留时间分布函数时，两种最常见的示踪物输入方法为 和 。
7、完全混合反应器（全混流反应器）内物料的温度和浓度 ，并且 （大于/小于/等于）反应器出口物料的温度和浓度。
8、多级混合模型的唯一模型参数为 ，轴向扩散模型的唯一模型参数为： 。
9、对于单一反应，在相同的处理量和最终转化率条件下，选择反应器时主要考虑 ；而对于复合反应，选择反应器时主要考虑的则是 。
2θσ2θσ32A B R +→A R →10、对于反应23A B R +→，各物质反应速率之间的关系为：(-r A ):(-r B ):r R ＝ 。
11、某重油催化裂化装置处理量为100吨重油/h ，未转化重油为6吨/h ，汽油产量为42吨/h ，则重油的转化率为_ _，工业上汽油的收率及选择性为_ _和_ _。
12、某反应的计量方程为A R S →+，则其反应速率表达式 。
13、反应级数 （可能/不可能）大于3， （可能/不可能）是0，基元反应的分子数 （可能/不可能）是0。
14、在一个完整的气—固相催化反应的七大步骤中，属于本征动力学范畴的三步为 、 和 。
15、在均相反应动力学中，利用实验数据求取化学反应速率方程式的两种最主要的方法为 和 。
全混流反应器
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
级不可逆放热反应有： 对n级不可逆放热反应有： 级不可逆放热反应有
V (−∆H r )C A0 n QG = k (1 − x A ) n v0 ρ c p
对于n=1的情况，有 的情况， 对于 的情况
QG = V (−∆H r )C A0 k ( ) v0 ρ c p 1 + kτ
UATm V (−rA )(−∆H r ) UA = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p v0 ρ c p ρ c p v0
则：
放热速率 移热速率
QG =
V ( − rA )( −∆ H r ) v0 ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
全混流反应器的热衡算及热稳定性
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
三、全混流反应器的热衡算及热稳定性
1．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） ．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） 随温度的变化， 若忽略反应流体的密度和定压比热 c p 随温度的变化，反应器在 定常态下操作对反应器作热量衡算， 定常态下操作对反应器作热量衡算，有：
或
E ] RT QG = E v0 ρ c p + V ρ c p k0 exp[− ] RT V (−∆H r )C A0 k0 exp[−
当 T 时，有 →∞
QG = ( −∆H r )C A0 / ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
单位时间 内反应的 放热量
+
多级串联全混流反应器的设计与应用
一、引言全混流反应器作为一种重要的化工反应器，其在化工生产过程中发挥着重要作用。
在许多化工生产过程中，多级串联全混流反应器的设计与应用可以提高反应器的效率和产量，降低能耗和生产成本，具有重要的理论和实际意义。
二、多级串联全混流反应器的原理及结构1. 多级串联全混流反应器的原理多级串联全混流反应器是通过将多个全混流反应器串联连接，使反应物料在多个反应阶段中不断进行反应，从而提高反应程度和完全程度。
2. 多级串联全混流反应器的结构多级串联全混流反应器通常由多个全混流反应器、加料装置、搅拌装置、控制系统等组成。
在设计中需要考虑反应物料的流动性、热量传递、控制调节等问题，以保证反应器的正常运行。
三、多级串联全混流反应器的设计1. 反应器型号的选择在设计多级串联全混流反应器时，需要根据反应物料的性质、反应边界条件等因素选择合适的反应器型号，如循环流化床反应器、管式反应器、搅拌式反应器等。
2. 反应器的工艺参数选择反应器的工艺参数包括反应温度、压力、流速、搅拌速度等，需要根据反应物料的特性、反应过程的要求等因素进行合理选择，以保证反应器的正常运行和最佳效果。
3. 多级串联结构的设计在设计多级串联全混流反应器的结构时，需要考虑反应物料的流动性、热量传递、控制调节等问题，合理设计反应器的结构，以提高反应器的效率和产量。
四、多级串联全混流反应器的应用1. 化学工业中的应用多级串联全混流反应器在化学工业中可以用于合成反应、裂解反应、氧化反应等多种化工生产过程中，具有广泛的应用前景。
2. 生物工程中的应用多级串联全混流反应器在生物工程中可以用于发酵反应、生物转化等生物学过程，提高了生物工程的生产效率和产量。
3. 环保工程中的应用多级串联全混流反应器在环保工程中可以用于废水处理、废气处理等环境保护领域，具有重要的应用价值。
五、多级串联全混流反应器的发展趋势1. 新型反应器材料的应用随着新型材料的不断涌现，多级串联全混流反应器将面临新的发展机遇，新型材料的应用将提高反应器的稳定性和耐腐蚀性。
全混流反应器(CSTR)
例题
对于一级不可逆反应方程：
A → B , rA = kcA
在全混流反应器完成上述一级反应，如k＝ 0.01s－1，体积流量为10-3 m3s-1，试计算转化 率达到30%时所用的反应时间。
间歇反应器t＝35.7s 平推流反应器τ＝35.7s 全混流反应器τ＝42.9s
全混流反应器对完成同样的转化率所需的反应器 体积和停留时间都比平推流和间歇反应器大。 体积和停留时间都比平推流和间歇反应器大。
FA0 = vT c A0
FA = vT c A
rAV
0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FA0 = FA + rAV
FA0 − FA rA = V
全混流反应器的设计方程不是微分格式，这不 同于平推流反应器和间歇反应器。平推流需要 微分形式来描述组分随空间的变化，间歇反应 器组分随反应时间的变化。相反，CSTR方程 其组分不随时间和空间变化。因此，反应组分 不随时间和空间变化，那么全混流行为还是反 应器？回答呢：问题在于新鲜的物料是连续的 引入到反应器内，因为完全混合是一个瞬间变 化，因此反应组分也是瞬间发生变化的。
CSTR的体积计算 的体积计算
n n FA0 − FA FA0 x A FA0 x AvT FA0 x AvT V= = = = n n n n rA kc A kFA kFA0 (1 − x A )
反应为一级反应
V 1 xA τ= = vT k 1 − x A
kτ xA = 1 + kτ
全混流反应器
全混流反应器（CSTR）
操作特点
反应物料和产物流速恒定； 反应流体在反应器内是完全混合的，故在反应 器内时具有均一的温度和组成，且与从反应器 流出的物料的温度和组成是一致的 当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入 反应器的容积流速v是相同的 反应器内的反应速率亦维持恒定。
完全混合与推流式反应器对比
完全混合与推流式反应器的原理与对比1. 连续流完全混合反应器1.1 基本原理连续流完全混合反应器如图1所示意，物料进入反应器内后迅速被水体稀释至出水浓度。
反应器作物料衡算：VdC rVd FCd d FC F =--θθθ在稳态情况下，反应器内积累量为零，即VdC=0，得： θ=V/F=(C F -C)/(-r) （1）式中，V 代表有效反应容积，r 代表反应速度，θ代表反应时间。
由式（1）中可以看出，连续流完全混合反应器设计反应时间应与进出水物料浓度差成正比；当对出水的要求很高（即C<<C F ）时，在反应速率不变的情况下，设计反应时间趋向于与进水物料浓度成正比。
图2显示了完全混合反应器的空间利用情况：阴影部分为所需总停留时间，与后文中推流式或间歇式求解图相比，在达到同样去除率的条件下所需时间要长。
由式(1)可以得出以下结论：①对零级反应：(-r A )=k ，则有：k XC k C C FF =-=θ ②对一级反应：(-r A )=kC ，则有：XXk -=11θ③对二级反应：(-r A )=kC 2，则有：2)1(1X C Xk F -=θ以上各式中，X=(C F -C)/C F 。
1.2 在实际应用上，该反应方式具有如下特点：● 进入反应器的污水能得到稀释，使波动的进水水质得到均化，故能耐冲击负荷，对毒物浓度高的工业废水特别适合；● 能直接处理较高浓度的有机废水，无需稀释，只需控制曝气时间；● 能把整个池子的工作情况控制在良好的同一条件下进行，微生物的活性能够充分发挥，污泥负荷率高；● 操作灵活，通过改变污泥负荷可使工作点处于污泥增长曲线上所期望的某一点，从而得到期望的水质。
2.推流式反应器2.1基本原理推流式反应器如图3所示意，物料进入反应器内后浓度呈梯度变化。
对反应器微元体dVr作物C F －进料浓度；F －进料的体积流量 C －反应器内物料浓度(等于出料浓度)X －转化率 图1 连续流完全混合反应器示意图CC FC)(1r -1/(-r)C图2 完全混合反应时间的图解法示意料衡算，在稳态情况下，得：⎰⎰-=--=A fA A f C C X AAA A A r dX C r dC 000)()(τ (2) 式中，C 代表物料浓度，r 代表反应速度，τ代表反应时间，X 代表转化率。
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FA0 xAf kcA0 (1 xAf )
xAf 0.989; k 8103 s1
cA0 3.2kmol/ m3;
VR
10 0.989 36008103 3.2 (1 0.989)
9.756(m3 )
全混釜设计方程应用举例
（2）BSTR 间歇釜恒容过程设计方程
0
(rA ) f
（一般方程）
rA
f
VR
cAf
（CSTR）
全混釜一般设计方程讨论
1. 下列说法正确吗？
稳态条件下，流入CSTR的物料体积流量一定等于流出的
物料体积流量，即
0 f
0
答案：不一定。因为稳态流动
c A0
是对某一流道截面上的参量是 否随时间变化而言的，对于不
rA
f
VR
cAf
第3章 理想流动均相反应器设计
间歇（搅拌）釜式反应器（BSTR）
理想反应器 全混流（连续搅拌釜式）反应器（CSTR）
平推流（活塞流）反应器（PFR）
3.2 稳态全混流反应器——内容指南
◆ 全混釜的结构特点 ◆ 全混釜的操作特点 ◆ 物料流动特征 ◆ 全混釜一般设计方程 ◆ 简单反应全混釜设计 ◆ 复杂反应全混釜设计 ◆ 简单反应多釜串联反应器设计 ◆ 复杂反应多釜串联反应器设计
cAf xAf
连续搅拌釜式反应器 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
3.2 稳态全混流反应器——操作特点
● 连续操作 ● 搅拌均匀
cA0 cA; cA cAf
T0 T; T Tf ;
温度、浓度等既不随时间改 变，也不随空间位置点的改 变。
cA — —釜内浓内
1
1
1000
1
t ln
ln
9.4(min)
k (1 xAf ) 8 1 0.989
VR
0 (t
t)
FA0 c A0
(t
t)
10 (9.4 30) 60 3.2
2.052(m3 )
(
FA0
0cA0 0
FA0 c A0
)
全混釜设计方程应用举例
3.2 稳态全混流反应器——结构特点
进口物料
● 同间歇釜
出 口
进口物料
物
料
出口物料
（装置图）
（示意图）
3.2 稳态全混流反应器——流动特征
稳态 1 ——器内物料的流动状态 （同化工原理稳态流动）
全混流
——器内物料的返混程度 达到最大，4 温度、浓度等
参量在器内5 空间各点上分 布均匀。
cA0
xA0
xA
0 （全混釜） xAf
梯形面积
xA
0 （间歇釜） xAf
矩形面积 梯形面积空间时间 反应时间
全混釜设计方程应用举例
3.2.2 简单反应单个全混釜设计
【例3-2】P35， 过氧化异丙苯在全混流反应器中分解生产苯酚和丙酮 （A→B+C），反应温度为50℃，初始过氧化异丙苯溶液浓度为 3.2kmol/m3。该反应为一级，反应温度下的反应速率常数为8×10-3s-1，最 终转化率为98.9%。若加料速率为10kmol/h，则需多大体积的全混流反应 器？若在一个体积为1m3的等温间歇釜中进行，辅助操作时间为30min，求 苯酚的产量和处理10kmol/h过氧化异丙苯时的反应体积？并与全混釜比较。 【思考123】① 恒容过程？变容过程？② 求反应器体积？反应体积?
VR
9.756
BSTR：产量 0cA0 xAf 10 0.989 4.819(kmol h1 m3 )
VR
2.052
全混釜设计方程应用——作业布置
作业：P61，T3-3
cA0 2.8mol/ L
A0 B0
VR0
cA0 xAf
0 (rA ) f (1 A xAf )
因此，对于变容过程，往往选择标准状况下的体积流量 作为计算空时的基准。
全混釜一般设计方程讨论
5. 动力学特征
1 rA
1 rAf
cA0
1 (rA ) f
xAf
1 rA
t xAf dxA
cA0 0 rA
矩形面积
空间时间是同一股物料中所有物料粒子的平均停留
时间；而反应时间是每个物料粒子的实际停留时间。
全混釜一般设计方程讨论
4. 恒容、变容过程设计方程
① 恒容过程
② 变容过程
VR constant
VR VR0 (1 A xAf )
VR cA0 xAf 0 (rA ) f
③ 怎样从设计方程到反应体积？
b.p=97.4℃；b.p=182℃；b.p=56.48℃
全混釜设计方程应用举例
【解】（1）CSTR 由分析可知，选用恒容过程设计方程求解
VR cA0 xAf 0 (rA ) f
其中: FA0 10kmol/ h;
VR
0cA0 xAf
(rA ) f
（3）结果比较
① 体积比较： VR,CSTR 9.756(m3 ) VR,BSTR 2.052(m3 )
（返混程度最大） （不存在返混现象）
② 产量比较：产量——单位时间单位反应体积的转化量
CSTR：产量 0cA0 xAf 10 0.989 1.014(kmol h1 m3)
同截面是可以不同的。
（CSTR）
全混釜一般设计方程讨论
2 cAf 一定是CST R 的出口浓度吗？
从一般方程的推导过程来看 由此可以看出
0cA0 FAf (rA ) f VR
① 对于恒容过程
方程两边同除以0 ，得
c A0
FAf
0
(rA ) f
VR
0
此时令
c Af
FAf
0
,
R
0
c Af
FAf
0
出口浓度
② 对于变容过程
c Af
FAf
0
出口浓度
全混釜一般设计方程讨论
3. 空间时间的定义与意义
① 定义式:
VR
0
反应体积 物料体积流量
② 物理意义：在连续流动体系中，按反应器进口流量
计算的反应物在反应器内的平均停留时间。
③ 注意：空间时间不同于反应时间
T — —釜内温度
cA0 T0
cA
cAf T Tf
（示意图）
3.2.1 全混釜的一般设计方程
以反应器为衡算范围，以物料中的 A 组分为衡算内容
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
FA0 FAf (rA ) f VR
0
c A0
0cA0 FAf (rA ) f VR
VR cA0 cAf