第2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
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。
第二章 理想流动与非理想流动1
理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率， 直接影响反应结果，研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混 的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同 年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后 者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型， 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所 示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口 处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐， 有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算，基本式为 （带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的 累积）十（传向环境的热量） （2-2） 式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。
理想反应器的设计
图解法原理
C Ai 1 C Ai C Ai 1 C Ai i (rAi ) f (C Ai )
-rA
rAi f (C Ai )
C Ai 1
i
C Ai
i
x
f(CA)
y f ( x)
C Ai 1
CA1
CA0
CA
多级串联反应器体积设计
求： 已二酸的转化率分别为xA=0.5、 0.6、0.8所需的反应时间分别为 多少？ 若每天处理已二酸2400kg，转 化率为80%，每批操作的辅助 时间为1小时，试计算确定反应 器的体积大小。
苯乙烯集合设备设计参数
项目要求
年产量/吨 9000 生产时间 7200
甲苯/% 聚合率
12 79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
项目要求
年产量/ 9000 吨 生产时间 7200
甲苯/%
聚合率
12
79.5
辅助时间 /h 反应温度 /℃ 速率常数 1/kmol/1 转化率/%
1
140 0.25
装料系数 80%
70
密度（查 880 表） kg/m3
计算过程
假设是四级串联釜：第一级转化率是：30%
第二级是50%，第三级是60%，第四级是
计算过程
生产时间=XA/k*(1-XA)=0.795/0.051=15.6h
有效体积=15.6*1572.3=24509=24.5m3 实际体积=24.5/0.8=30.7m3
平推流反应器
物料衡算式：
空时：是空间时间的简称。它是指在
规定的条件下，反应器有效容积和进料 体积流量的比值，
给水工程_第四版_(范瑾初_著)_中国建筑工业出版社_课后答案
水质工程学�上�例题、思考题、习题第1章水质与水质标准1.水中杂质按尺寸大小可分为几类�了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。
水中杂质按尺寸大小分为悬浮物、胶体、溶解物三类。
悬浮物�尺寸较大�1?m-1m m��可下沉或上浮�大颗粒的泥砂、矿碴下沉�大而轻的有机物上浮�。
主要是泥砂类无机物质和动植物生存过程中产生的物质或死亡后的腐败产物等有机物。
这类杂质由于尺寸较大�在水中不稳定�常常悬浮于水流中。
当水静臵时�相对密度小的会上浮与水面�相对密度大的会下沉�因此容易去除。
胶体�尺寸很小�10n m-100n m�,具有稳定性�长时静臵不沉。
主要是粘土、细菌和病毒、腐殖质和蛋白质等。
胶体通常带负电荷�少量的带正电荷的金属氧化物胶体。
一般可通过加入混凝剂进去去除。
溶解物�主要是呈真溶液状态的离子和分子�如C a2+、M g2+、C l-等离子�H C O3-、S O42-等酸根�O2、C O2、H2S、S O2、N H3等溶解气体分子。
溶解物与水成均相�透明。
但可能产生色、臭、味。
是某些工业用水的去除对象�需要特殊处理。
有毒有害的无机溶解物和有机溶解物也是生活饮用水的去除对象。
2.各种典型水质特点。
�数值可不记�江河水�易受自然条件影响�浊度高于地下水。
江河水年内浊度变化大。
含盐量较低�一般在70�900m g/L之间。
硬度较低�通常在50�400m g/L(以C a C O3计�之间。
江河水易受工业废水和生活污水的污染�色、臭、味变化较大�水温不稳定。
湖泊及水库水�主要由河水补给�水质类似河水�但其流动性较小�浊度较低�湖水含藻类较多�易产生色、臭、味。
湖水容易受污染。
含盐量和硬度比河水高。
湖泊、水库水的富营养化已成为严重的水污染问题。
海水�海水含盐量高�在7.5�43.0g/L之间�以氯化物含量最高�约占83.7%�硫化物次之�再次为碳酸盐�其它盐类含量极少。
海水须淡化后才可饮用。
地下水�悬浮物、胶体杂质在土壤渗流中已大部分被去除�水质清澈�不易受外界污染和气温变化的影响�温度与水质都比较稳定�一般宜作生活饮用水和冷却水。
化学反应工程习题及答案二
1. 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、半间歇式）2. 反应器的型式主要为（釜）式、（管）式、（塔）式、（固定）床和（流化）床。
3. 理想流动模型是指（平推流）模型和（全混流）模型。
5.间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。
6. 对于平行反应，提高反应物浓度，有利于（级数高）的反应，降低反应物浓度有利于（级数低）的反应。
化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。
7. 平行反应AP(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。
（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！8. 如果平行反应)()(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应_____。
(提高温度)9.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]8.全混流反应器的返混_______。
（最大） 平推流反应器的返混为_______。
（零）9.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。
10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法）11.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞）12.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0）13.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1）14.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）15.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
10__第二章_反应器内流体流动与混合--非理想流动__297-2003(0)
间，调节釜数N就可以在全混釜与平推流反应
器之间确定某一种性能状态。
非理想连续流动的返混程度介于两种流动之间。
多釜串联模型把一个非理想流动的实际反
应器等价为N 个体积相同的全混釜串联反 应器，每个釜内达到完全混合，釜间没有
返混。
实际非理想流动反应器的停留时间分布等
价为釜数为 N 的串联全混釜的停留时间分
应器的管径较小、较长，物料在其中的流
速较快时，返混程度很小，此时可近似按
平推流进行分析与设计。
平推流反应器中所有物料质点的停留时间
都相同，且等于整个物料的平均停留时间。
采用脉冲示踪法测定平推流的停留时间分
布密度函数 E(t)
C(t)
C0 E(t)
t=0
t=0 t=0
t t tt
激励曲线
S
C 2 (t )
1
S
C1 (t )
1
S
(1 e
t
S
)
此一阶常微分方程可用积分因子法求解。
C 2 (t ) 1 e F2 (t ) C 2 (t ) C0
t
S
(1
t
S
t
) (1 t
C 2 (t ) 1 e
S
S
)
对第三釜作物料衡算，可得：
同样的停留时间分布可以是不同的返混造 成的。 不能直接用测定的停留时间分布来描述返 混的程度，必须借助于模型方法。
数学模型方法
分析器内复杂的实际流动状况，进行
合理的简化，通过数学方法来表述或关联 返混与停留时间分布的定量关系，然后再 进行求解。
建立流动模型的基本思想： 根据实测的停留时间分布，假设一种流动 状态，令这种流动状态下的停留时间分布 与实测结果一致，并根据假设的流动状态 的模型参数，结合在其中进行反应的特征
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A B C D E
7
8
9
3
Ta Tb Tc Td Te
rA
c Ai1 c Ai i rAi
1
1
1
2
c A2
c A1
c A0
cA
2.3.4 串联釜式反应器体积优化
对于第i个反应器，有：
c A0 c Ai c A0 x Ai x Ai1 i rAi rAi
反应流体在N个串联全混流反应器的总的空时：
c x c x x A 0 A 1 A 0 A 2 A 1 i ... rA1 rA2 i 1
反应器的空时必须相等。即：
1 2
n
2.3.6 非等温CSTR
设计方程：
Vr XA cA0 q0 rA (T , X A )
热量衡算：（找出T与XA的关系）
q0 c pt (T T0 ) (Hr )T 0 rAVr UAh (Tc T )
rAVr q0cA0 X A
可得：
1 1 1 x Ai x Ai1 kcA0 1 x Ai1 kcA0 1 x Ai
x Ai x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1 x Ai 1
c A0 两边同时乘以 ，可得： kc A0
2.4 连续搅拌釜式反应器的定态操作
1.连续釜式反应器的热量衡算式 定态操作热量衡算式为：
q H
Q0 c p t (T T0 ) (Hr )T 0 rAVr UAh (Tc T )
H
q
Q0[ c pt (T T0 ) (Hr )T 0 cA0 X A ] UAh (Tc T )
i i 1
对于非一级反应，需求解非线性代数方程组得各釜
出口转化率，然后再计算反应体积，或用图解法确定各
釜出口转化率。
结论： 总反应体积最小的条件： α>1时: 反应物流流动方向，各釜的体积依次增大，即 小 釜在前，大釜在后。 0<α<1时: 各釜反应体积依次减小。
α=1时: 各釜体积相等。
dnA 0 0 rAVr dt
mol s
1
整理得
dxA rAVr nA0 dt
mol s 1
当进口转化率为0时，分离变量并积分得
t dt nA0
0 t xA 0
dxA rAVr
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xA所需的反应时间t。
2.3 连续搅拌釜式反应器（CSTR）
2.3.1 等温单级CSTR • 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。
全混流反应器的特性
①物料在反应器内充分返混；
②反应器内各处物料参数均一； ③反应器的出口组成与器内物料组成相同； ④连续、稳定流动，是一定态过程。
0
得：
1 rAi xAi
1 1 1 xAi xAi 1 rAi 1 rAi
——满足总容积最小的条件
对于一级不可逆反应：
rAi kcAi
1 r Ai x Ai
1 2 kcA0 1 x Ai
α=0时 : 串联釜式反应器的总反应体积与单一釜式反应 器的反应体积相等，串联操作无必要。
α<0时: 单釜操作优于串联操作。
2.3.5 等温多级CSTR并联
并联的釜式反应器 XAf与Q01,Q02, XAf1, XAf2有关
多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率 使反应器体积最小，应当遵循的条件是每一个全混流
基本假设：反应器有效容积中任意点处的组成、温 度、浓度等状态完全相同；出口物料的各种状态与 反应器中相应的状态相同。
2. 理想反应器的分析与设计原理
“三传”：质量传递、热量传递、动量传递 物料衡算方程 热量衡算方程（热量平衡） 动量衡算方程（动量平衡）
衡算范围的选择
物料衡算所针对的具体体系称体积元。 体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系 统体积。 在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。 在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更 大。 在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。
rA
随XA增加而增加。
单釜的反应体积小于串联釜的总体积。
2.3.3 等温多级CSTR串联的计算
1.流程
Ci 0 Vr1
1
q0
Ci1 Vr 2
2
Ci 2
Cip1 Vrp
p
Cip
CiN 1VrN
N
CiN
串联釜式反应器
cA 对
1 rA 作图
1 rA
1 ~ cA rA
c AN c AN 1
c A0
cA
2. 多釜串联反应器的总容积
1）解析法
以一级不可逆反应为例，对于恒容系统，任意第i个反应 器有：
c Ai1 c Ai c Ai1 c Ai i rAi ki c Ai
即：
c Ai 1 c Ai 1 1 ki i
假设反应是等温反应，ki k ，有：
cAN 1 1 x AN cA0 1 k1 1 k 2 ... 1 k n
操 作 时 t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 间 t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到 一定转化率时所经历的时间。计算关键 经验给定
反应器的体积
Vr VT fm
δ：设计系数，一般取1~1.15。 m：反应器个数。
f:
装填系数，0.4-0.85 。一般由实验确定，也可根据反应物料 的性质不同而选择。 对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85 对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6
N
c A0 x Ai x Ai1 c A0 x AN x AN 1 ... rAi rAN
满足 为最小的条件:
0 x Ai
rAi rAi x Ai x Ai1 x Ai c A0 c A0 2 x Ai rAi rAi1
q0[ c pt (T T0 ) (Hr )T 0 cA0 X A ] UAh (Tc T )
对绝热反应，有
T T0 c A0 X A (H r )T0
c pt
c A0 (H r )
c pt
T T0 X A
：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。
反常动力学
M
G
1 rA
L
P
0
X A1
N
q0cA0 X A2 VrM rA ( X A2 )
XA
X A2
q0cA0 X A1 q0cA0 ( X A2 X A1 ) VrM rA ( X A1 ) rA ( X A2 )
小结
正常动力学，转化速率
rA
随XA增加而降低。
多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。 对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。 (但操作复杂程度增大，附属设备费用增大） 反常动力学，转化速率
理想反应器
非理想流动模型
非理想反应器
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合
1. 理想流动模型
（1）平推流（Plug flow）
基本假设：在流动方向上，轴向不存在混合和无扩 散效应，在径向达到完全混合。即径向流速均一、 温度均一、浓度均一。
（2）全混流（Mixed flow/Perfect mixing）
第2章 理想反应器
Chapter 2 Ideal Reactors
2.1 概述
反应器的操作
间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。 连续操作： 存在流动问题 稳态流动： 物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和 温度等不随时间而变。
稳态流动
非稳态流动
根 据 返 混 程 度 的 不 同
理想流动模型
令各釜的空时 i 相等，则：
1 x AN
1 N 1 k i
1 1 i k 1 x AN
1 N
1
N个反应器的总容积: V
R
NVRi N i q0
2）图解法 当反应级数 n 1 可用图解法计算。
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。
2.2.1 等温间歇反应器及体积的计算
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Vr作为衡算体系。在单位时间 内，对组分A作物料衡算：
单位时间进入Vr 单位时间排出Vr 单位时间Vr内反应 单位时间内Vr中 的物料 A 的量 的物料 A 的量 消失的物料 A 的量 物料 A 的积累量
2.2 间歇搅拌釜式反应器（BR）
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。
间歇反应器的特点：
①反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同； ②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；
在恒容条件下， 上式可简化为：
t cA0
xA 0
cA cA 0 1 xA
cA dc dxA A cA0 r rA A