第三章 反应器设计讲述
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-釜式反应器
3.1釜式反应器的物料衡算式
根据总的物料衡算式，则有：
写成 其中
M
i ijrj j 1
3.1釜式反应器的物料衡算式
连续釜式反应器
累积速率
代 数 方 程
间歇釜式反应器
微 分 方 程
3.2等温间歇釜式反应器的计算
特点
反应器内浓度处处相等，可排除传质的影响 反应器内温度处处相等，可排除传热的影响 物料同时加入，所有物料具有相同的反应时间
例3.1 酯化反应, 原料配比A:B:S=1:2:1.35, XAf=0.35, 密度1020kg/m3,辅助时间t0=1hr,装填 系数f=0.75,产量12000kg/Day, 求反应体积?
解: 原料处理量
FA0
12000 24M R xAf
12000 16.23 kmolA
2488 0.35
A
CA0
n=1
rA kC A
C A C A0e kt 或
kt
ln
CA0 CA
x A 1 e kt
n=2
rA
kC
2 A
CA
C A0 1 C A0kt
或
kt 1 1
xA
C A0kt 1 C A0kt
C A C A0
速率常数k值的提高将导致相应反应时间减少 即提高反应温度将使反应速率增加
Q 0.5cA2kmol /(m3 h)
反应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物 为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。 解：由题知
A p 2Q 2cA 20.5cA2 2cA cA2
将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式 可有
第三章 理想流动均相反应器设计
W
（4）计算反应体积
VR v0 (t t) 0.2673 (7.649 0.5) 2.178(m3 )
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（5） 根据物料特性确定装料系数 ，计算反应器体积
Vt
VR f 2.178 0.75 2.904(m3 )
对于沸腾或鼓泡的物料：
※ 相关问题讨论
3. 何谓物料粒子或流体微团？ 假定反应器内的物料是以粒子或微团构成的，这种粒子或微团是 大量分子的集合体，具有宏观线度，与宏观粒子相比，其大小可以说 是微不足道，但与单个原子或分子相比，又是一个很大的分子集团， 能反映出物料特性参量的统计规律。如： 单个分子 转化率
0 100%
；物料粒子
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
（1）问题分析
操作时间 t t0
不变； 单 位 时 间 产 量
t0
t
延长；
cAห้องสมุดไป่ตู้
减小；
rA
降低
最优操作时间
topt
tc
第3章 理想流动均相反应器设计
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
（2）建立目标函数 单时产量
最终总产量 总操作时间
PR VRCR t t0
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（2） 查阅辅助时间计算每批次的操作时间，即
操作时间 (t t ) 7.649 0.5
（3）根据物料处理量计算单位时间内处理物料的体积量，即
272.684 v0 (m / h) 267.3( L / h) 0.2673 ( m 3 / h) 1.02
0
dxA rAV R
化学反应工程第三章均相理想反应器
第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。
全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。
3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
第三章 反应器设计讲述
dxA rA VR
设计计算过程
（间歇反应器）
• 对于给定的生产任务，即单位时间处理的 原料量FA[kmol.h-1]以及原料组成 CA0[kmol.m-3]、达到的产品要求xAf及辅助 生产时间t’、动力学方程等，均作为给定的 条件，设计计算出间歇反应器的体积。
• • • • •
①由式 tr cA0 0 计算反应时间tr； ②处理一批料所需时间tt； tt=tr+t’ t’为辅助生产时间 ③每批投放物料总量F’A； F’A=FAtt ④反应器有效容积V’R；
反应器设计
给定生产任务（处理量） 原料浓度 动力学参数 达到的产品要求xAf
设计？
化学反应器设计基础
• 物料衡算方程 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。
dnA 0 0 rA VR dt
mol s
1
• 整理得
dnA 0 0 rA VR dt
rA VR nA 0 dxA
dt
tr xA
mol s
mol s 1
1
• 当进口转化率为0时，分离变量并积分得
t r dt nA0
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。
•搅拌釜式反应器
C A0
v0
C A1
V1
C A1
v
•循环反应器 •环流反应器
rA,1
平推流反应器
第三章 理想均相反应器设计041019155835
第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。
对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。
针对不同反应过程讲述了优化设计方法。
化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。
在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择，进而进行反应器设计和计算。
由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。
这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。
实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。
间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。
3-1 间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。
因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。
间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。
釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。
第三章 均相反应器的设计PPT课件
作，起反应速率方程如下：
r A k 1 c A c B c R c S/K
100 0C时，k1=4 .76×10-4L/(mol·min)，平衡常数 K=2.92。试计算 乙酸转化35%时所需的反应体积。
25
3.3 连续釜式反应器 CSTR
r A k 1 c A c B c R c S/K
8
3.2 间歇反应器
二、物料衡算和能量衡算方程
控制体 整个反应器体积 非定态操作 反应器内物料组成和温度随时间或反应进程而改变 可忽略压力变化（常用于液相反应） 描述反应器的数学模型包括物料衡算和能量衡算。
9
3.2 间歇反应器
三、等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）
A+B→C+D
单 位 时 间 流 入 单 位 时 间 内 单 位 时 间 内 A 在 反 应 器 内 的 物 料 A 的 量 - 流 出 的 A 的 量 - 反 应 掉 A 的 量 = 的 积 累 速 度
间歇反应器的设计步骤：
1 列与反应相同个数的设计方程， 且方程中至少包括每步反应的一 个组分；
2 根据反应条件，确定定解条件；
3 解方程（组），求出反应时间；
4 Vr = Q0 (t+t0 )
5 V = Vr / f
装料系数，常在 0.4~0.85，对于沸 腾或易发泡液体 反应物料取 0.4~0.6；对一般 液体物料，取 0.7~0.85
代入速率方程，整理后 得
rAk1a bAx cA 2 xcA 02cA 0d dAx t
其 a c B 0 / c A 0 ， b 中 [ 1 c B 0 / c A 0 c S 0 / c ， A 0 K ] ， c 1 1 / K
第三章 均相等温反应器
（3-1-6）
式中
c A0 (H r ) cV
（3-1-7）
式（3-1-4）与（3-1-6）联立，采用数值法求解，可确定反应所需时间t。
3-2-2 绝热操作
操作方程
d (VcV T ) V (rA )( H r ) dt
dn A dt
（3-1-2）
图3-1-1 间歇反应器示意图
(rA )V
dn A dx n A0 A dt dt
积分
t n A0 t c A0
xA
0
dxA (rA )V
c A dc dxA A c A 0 (r ) (rA ) A
（3-1-3）
恒容时
xA
3-1-3 BR操作的优化分析
（1）以最大平均生产率为优化目标 cV Max YR R 目标函数 t t0 上式求极值得 若一级不可逆反应
dcR c R dt t t0
（3-1-12） （3-1-13）
A + B
R
xA xA,opt
cR cA0 xA
式（3-1-13）可用转化率表示为
0.6 3.18
0.8 8.50
0.9 19.0
讨论：为何反应后期反应时间随转化率增大而急剧增加？
（2）计算反应器体积 V 辅助操作时间 t0 操作周期 t + t0 生产能力 V0 进料、出料、清洗等操作需要的时间。 处理一批物料所需总时间。
单位时间处理反应物料的体积。
V0
WA 2400 171L / h 24M Ac A0 24146 0.004
2. 热量衡算通式（操作方程） 依据：能量守恒定律。 基准：单位时间。 方程： Ⅰ = Ⅱ＋Ⅲ ＋ Ⅳ ＋ Ⅴ (B)
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单位时间进入 单位时间排出 单位时间内体积 单位时间内体积 体积元的物料 体积元的物料 元中反应消失的 元中物料 A 的积累 A量F mol s 1 A量F mol s 1 物料A量F mol s 1 量F mol s 1 in out r b
氧化沟 ＋
＋＋ ＋ － － ＋＋ ＋
A2/O-MBR －
＋ － ＋ ＋ － －
经济性
吨水耗电 工艺占地 吨水处理占 地 操作管理
操作管理
维护
方案
优点
缺点
A2/O
1.效果好、操作简便 1.流程较为复杂、需要设置单 独的二次沉淀池 2.投资少、占地少、运行费低 2.需要大量回流、电耗大 3.技术成熟、可靠 4.适应性强 5.除磷脱氮效率高、出水好 6.根据进水负荷调节鼓风机曝气量 1.工艺流程简单，运行管理方便 2.前置式厌氧池，除磷脱碳 3.投资少，处理成本低 4.机械设备少，维护管理简单 5.能够承受较大水量、水质冲击 1. 技术先进、运行稳定 2.高水质出水 3.模块化技术单元、根据要求增减 模块 4.易于实现全自动运行 1.占地面积大 2.工艺运行灵活性差
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。
间歇式完全混合（无返混） 理想混合反应器 （完全混合） 连续式完全混合（返混程度最大）
将化学和生物反应原理应用于污 染控制工程，需要借助适宜的装 置，即反应器。系统掌握反应器 的基本类型及其操作原理和设计 计算方法，对于优化反应器的结 构形式.操作方式和工艺条件以 及提高污染物去除效率有重要的 意义。
第三章 反应器设计及基本设计方程
反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容： 1.根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求， 进行反应器的选型设计； 2.根据宏观反应动力学，计算反应器的结构尺寸； 3.反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、设备 制造及运输、安装方面的要求和有关制约。
• 用符号表示： F F F F in out r b • 更普遍地说，对于体积元内的任何物料，进入、 排出、反应、积累量的代数和为0。 • 不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。
几个时间概念
• (1)反应持续时间tr 简称为反应时间，用于 间歇反应器。指反应物料进行反应达到所 要求的反应程度或转化率所需时间，其中 不包括装料、卸料、升温、降温等非反应 的辅助时间。 • (2)停留时间t和平均停留时间 t 停留时间又 称接触时间，用于连续流动反应器，指流 体微元从反应器入口到出口经历的时间。
合法性 先进性 可靠性
安全性 结合实际情况 简洁和简单性
无锡某城市污水处理厂工艺流程选择 该城市的污水处理量是3.5万吨，水质COD 200-400 mg/L,BOD 150-200mg/L,SS 100-300mg/L,NH3-N 25-40 mg/L,TN 50-60mg/L, TP6-10mg/L,pH6-10
2.生活污水厂的流程
按照处理效率，污水厂可以分为三级：
一级处理厂 一级加强处理厂 二级处理厂 。。。
一级污水处理厂
一级处理（沉淀法）
一级强化污水处理厂
一级强化处理（混凝沉淀法）
一级强化污水处理厂
一级强化处理（快速生化法）
二级生化污水处理厂
3.工艺路线的选择
工艺1
工艺2
对比
工艺4
工艺3·
A2/O ＋ ＋ －
氧化沟 ＋ ＋ ＋
A2/O-MBR ＋ － ＋＋
适应性
水质波动性
季节变化
技术先进 工艺灵活性
＋
－ － － － ＋
－
＋ ＋ ＋ － ＋＋
＋
＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋＋
工艺比较
抗冲击能力 有无污泥膨胀
处理效果
污染物去除率
比较内容
方案 工程总投资
处理成本
A2/O ＋＋
＋ ＋ － － ＋ ＋
城镇污水处理厂污染物排放标准 一级A标准 BOD COD NH3-N TN SS TP 50 10 5 15 10 0.5
重金属少
污染浓度低
生活污水
水质容易处理
难降解物质少
实际情况：无锡特殊的地理位置，在太湖流域，流域内水的总氮和总磷超标
A2/O、 氧化沟、 A2/O-MBR
比较内容
方案 水质适应性 设计
1.选择厂址或站址(在工厂、企业内，往往将污水处理 厂称为废水站)时，一般应考虑以下一些问题： （1） 厂址应选在地质条件较好的地方。地基较好， 承载力较大，地下水位较低，便于施工。 （2） 处理厂应尽量少占土地和不占良田。同时， 要考虑今后有适当的发展余地。 （3） 要考虑周围环境卫生条件。 （4） 处理厂应设在靠近电源的地方，并考虑排水、 排泥的方便。 （5） 处理厂应选择在不受洪水威胁的地方，否则 应考虑防洪措施。
理想反应器
平推流反应器
（无返混）
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。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。
反应器设计
给定生产任务（处理量） 原料浓度 动力学参数 达到的产品要求xAf
设计？
化学反应器设计基础
• 物料衡算方程 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。
氧化沟
A2/O MBR
1.基建和运行成本高 2.膜组件要求定期维护和更换， 对操作人员技术要求高 3.国内生产的膜组件不够稳定
装车外运 污水管道 污泥管道 鼓风管道 鼓风机 出水 细格栅 进水 粗格栅 沉砂池 预缺氧 厌氧 缺氧 好氧
栅渣压榨机
砂水分离器
提升泵
混合液回流 污泥回流 浓缩脱水 储泥池