化学反应工程-第三章 非理想流动反应器
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
反应工程题库
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.（)和（）一起,构成了化学反应工程的核心。
〔三传；反应动力学〕3。
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）4.化学反应和反应器的分类方法很多，按反应系统涉及的相态分类，分为：（)和( ）。
5.化学反应和反应器的分类方法很多，按操作方法分为（）操作、( ）操作和（）操作.6.化学反应和反应器的分类方法很多，按传热条件分为（）、（）和（）.选择1. （）“三传一反”是化学反应工程的基础，其中所谓的一反是指。
A 化学反应B 反应工程C 反应热力学D 反应动力学,2. （）“三传一反”是化学反应工程的基础，下列不属于三传的是。
A能量传递B质量传连C 热量传递D 动量传递3. （)按反应器的型式来分类,高径比大于30的为A。
管式反应器B槽式反应器C塔式反应器D釜式反应器三、判断1.物理过程不会改变化学反应过程的动力学规律，即化学反应速率与温度浓度之间的关系并不因为物理过程的存在而发生变化。
（）2.流体流动、传质、传热过程不会影响实际反应的温度和参与反应的各组分浓度在时间、空间上的分布，最终影响反应结果。
( )四、简答1.利用数学模型解决化学反应工程问题的步骤？第一章均相单一反应动力学和理想反应器1.均相反应是指（）。
2。
如果反应体系中多于一个反应物，在定义转化率时，关键组分A的选取原则是（）。
3. 当计量方程中计算系数的代数和等于零时，这种反应称为( ），否则称为( ) .4. 化学反应速率式为，如用浓度表示的速率常数为,用压力表示的速率常数则＝（）。
5。
活化能的大小直接反映了（）对温度的敏感程度。
6。
化学反应动力学方程有多种形式。
对于均相反应,方程多数可以写成（）或（).7。
对于反应器的开发根据（）来选择合适的反应器，结合( )和（）两方面特性来确定操作方式和优化操作条件。
《化学反应工程》填空题
(1)化学反应速率可以表为dtdC r A A ±=,前提是▁▁▁▁。
(2)固体催化剂的主要组成有▁▁▁▁▁▁，▁▁▁▁▁▁和▁▁▁▁▁▁(3)多孔性球形颗粒10克，半径1cm ，系由密度为4.0克／cm 3的材料制成。
则孔容积Vg=▁▁▁▁▁ ,孔隙率θ=▁▁▁ 假密度ρ=▁▁▁(4)气相反应A ＋3B →2C ，则δA = ▁▁▁ δΒ= ▁▁▁(5)F(0)= ▁▁▁,F(∞)＝▁▁▁，⎰∞=0)(dt t E ▁▁▁,(6)Thiele 模数φ的定义是▁▁▁▁▁内扩散效率因子ζ和φ的关系（φ大于5）是：▁▁▁▁▁▁(7)气固相催化反应器主要分为▁▁▁▁▁和▁▁▁▁两大类。
其中，如果根据气体流动方向，又可以分为▁▁▁▁▁和▁▁▁▁▁(8)一级不可逆反应，D L =1.5×10-9m 2/s ，k L =10-4m/s ，则关于反应速率常数k ，当▁▁▁▁▁时相当于快反应，当▁▁▁▁▁时属于慢反应。
(9)快速的气液反应是指▁▁▁▁的反应，这时反应区主要在▁▁▁▁，工业上可选用▁▁▁▁▁反应器；缓慢气液反应是指▁▁▁▁▁▁的反应，这时反应区主要在▁▁▁▁，工业上可选用▁▁▁▁▁▁反应器。
瞬间反应是指▁▁▁▁▁的反应，适用的反应器有▁▁▁▁▁▁▁。
(10)环流反应器是 ▁▁▁▁▁▁▁▁的一种。
根据环流的方式不同，可以分为▁▁▁▁▁和▁▁▁▁▁两种；根据环流的动力不同，可以分为▁▁▁▁▁和▁▁▁▁▁两种。
(11)空间速度是指▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁接触时间是指▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁▁(12)测定逗留时间分布的实验通常有▁▁▁▁法和▁▁▁▁▁法第一章 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。
非理想流动反应器设计
实验验证与优化
总结词
实验验证与优化是检验数学模型和数值模拟结果准确 性的重要步骤，也是改进和完善非理想流动反应器设 计的必要环节。
详细描述
在非理想流动反应器的设计中，实验验证与优化是必 不可少的环节。通过实验验证，可以检验数学模型和 数值模拟结果的准确性，发现存在的问题和不足之处 。同时，实验优化也是改进和完善非理想流动反应器 设计的必要步骤。通过实验优化，可以找到最佳的反 应条件和操作参数，提高反应器的性能和效率。实验 验证与优化是实现非理想流动反应器设计的重要保障 。
对未来研究的建议与展望
针对非理想流动反应器设计的研究，我 们提出以下建议和展望
4. 结合人工智能和大数据技术，建立非 理想流动反应器的智能控制系统，实现 自动化和智能化操作。
3. 加强非理想流动反应器在实际生产中 的应用研究，以提高生产效率和经济效 益。
1. 深入研究非理想流动反应器的内部流 动特性，揭示其复杂的流动和反应机制 ，为优化设计提供理论支持。
环境工程领域的应用
在环境工程领域，非理想流动反应器被广泛应用于废水处理、废气处理和固体废弃物处理等环保工程 中。这些处理过程需要高效地进行化学反应和物理分离，因此需要非理想流动反应器具有较高的反应 速度和分离效率。
非理想流动反应器的应用，可以提高环保工程的处理效果和处理能力，降低处理成本，减少二次污染 ，为环境保护做出贡献。
数值模拟方法
总结词
数值模拟方法是通过计算机模拟反应器的运行过程，预测其性能和优化设计方案的有效 手段。
详细描述
在建立了数学模型之后，需要采用数值模拟方法进行求解。数值模拟方法能够模拟反应 器的实际运行过程，预测其性能，并优化设计方案。常用的数值模拟软件包括Fluent、 ANSYS等，这些软件能够模拟复杂的流体动力学、化学反应和热量传递等现象，为非
化学反应工程知识点梳理
化学反应工程知识点梳理第一章化学反应工程简介化学反应工程是研究化学反应和工程问题的科学动量传递、热量传递、质量传递及化学动力学，可概括为“三传一反”－－第三个里程碑。
第二章均相反应动力学反应进度：转化率：膨胀因子：不可逆反应A(-)-()()AAdnrVdt==（由于反应而消耗的的摩尔数）单位反应区域单位时间RSBARSBAαααα+=+1()AAdnrV dt-=-dtdnVr SS1=PPPRRRBBBAAAnnnnnnnnααααξ0-=-=-=-=K KKKn nxn-==某反应物的转化量该反应物的起始量KiKKiixnnxαα=0000KK K K Kn n n nn n n xδ--==-00()KK Kn nn y xδ-=KKKKiKKiiKKKiii xyxyyyxyxyy1)1(1)1(δααδ+-=+-=000(1)(1)(1)(1)A AA AA AA A A A A An xn xC CV V y x y xδδ--===++()A A Br kC Cαβ-=()C Pk RT kαβ+=ERTk k e-=RTEkk-=lnlnSBASBAααα→+bBaAAACkCdtdCr=-=-)(⎰=0AACC bBaAACCdCkt均相催化反应 CC 为催化剂浓度自催化反应A + C → 2C + R …串联反应总收率瞬时收率得率yield总选择性 目的产物P 所生成的摩尔数与副产物S 生成的摩尔数之比，用S0表示：平行反应串联反应()()AA C A dC r kC C dt-=-=CA A A C kCdt dCr =-=-)(A + B P R+S 00PP P A A n n n n -Φ=-/()/p P P A A A r dC dt dC P A r dC dt dC φ====---单位时间内生成的摩尔数单位时间内消耗的摩尔数00/)(A P P P n n n X -=000PP S S n n S n n -=-αA2A αS S （副）αA1A αP P （主）,11A A r k C -=（）,22A A r k C -=（）,1,212()()AA A A A dC r r r k k C dt-=-+-=+=（）（）A A P A A p P P C k r dt dC r 11,1,1,)(αααα-=--==AA S S S C k dt dC r 22,αα-==tk k A A eC C )(021+-=A P S （均为一级反应）k 1k 2P A P P C k C k dt dC r 21-==PSS C k dt dC r 2==第三章 理想均相反应器 间歇反应器(BSTR)反应时间实际操作时间(operating time)= 反应时间(t) + 辅助时间auxiliary time (t') 反应体积V 是指反应物料在反应器中所占的体积 V = v0 (t + t')为装料系数(the volume charge coefficient)，通常在0.4～0.85平推流反应器PFR 空时全混流反应器(CSTR)绝热操作恒容间歇反应器的设计式为：变温平推流反应器⎰⎰--=-=A A A C C A Ax A A A r dC r dx C t 0)()(00等容过程，液相反应 VV ϕ=实际实际的反应器体积为：0V v τ==反应器的容积进料的体积流量0R V dV t v ==⎰反应器中物料反应期的容积的体积流量000()()A A A AA A C C C x V v r r τ-===--0()A A A x V F r =-005000024R R R F v C M ==⨯00000000()(1)A A A A A A x x x A AA A A A E nx x x n n A ART A A dx dx dx t C C C r kC k e C x -===--⎰⎰⎰1001()A A x A A n xA t I x dx k C -=⎰20()()4A A A P A F dx r dV r D dl π=-=-20()4A A A dx D r dl F π-=00000()A x A A A A A dx V V F r v C C τ===-⎰化学反应工程研究的目的是实现工业化学反应过程的优化 全混流平推流多级CSTR 串联的优化对于一级不可逆反应应有PFR： 同间歇釜ＣＳＴＲ：全混流反应器的热衡算方程第四章 非理想流动 停留时间分布()⎰-==A x AAA B A B r dx C t F V 000BR ： ()⎰-==Ax A AA P A P r dxCF V 000τPF R: ()000m m A A A A V x F C r τ-==-CST R: 112100010200...(1)(1)(1)Am Am A A A R A A A A A A Am x x x x x V v C kC x kC x kC x -⎛⎫---=+++ ⎪---⎝⎭0121110(1,2,.....1)(1)1Ai RAi Ai Ai v x V i m x k x x -+⎡⎤-∂=-==-⎢⎥∂--⎣⎦11111Ai Ai Ai Ai Ai Ai x xx x x x -++--=--221max 1max 02()k k k P P A C k X C k -==max max 1202211[(/)1]P P A C X C k k ==+1212ln(/)opt k k k k τ=-121opt k k τ=)()1())((0000Pm P P r A c v UAT T c v UA T c v H r V ρρρ+-+=∆--)()1(000P m P r c v UAT T c v UAT Q ρρ+-+= (){}E t P t residence time t t ∆=<<+停留时间分布函数 (){}=<F t P residence time t方差PFRCSTR最大层流流动 轴向扩散模型 0()()d t F t E t t=⎰22222()()()()()()t t t E t dtt t E t dt t E t dt tE t dtσ∞∞∞∞-==-=-⎰⎰⎰⎰0 t t () t t 0 t t E t <⎧⎪=∞=⎨⎪>⎩2220()()()0t t t E t dt t t σ∞=-=-=⎰0 t t () 1 t tF t <⎧=⎨≥⎩()11()t tt tF t e E t et---=-=222 1.0ttθσσ==22()()[2()]r r F t R R =-222/222()2()(1)212()(1)Z t uL E z z Pe tE Ee uL uL e Pe Peθσσ--==--=--。
化学反应工程第三章反应器内的流体流动
物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型， 则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当 为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示 意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即 ，则上 c F ( t ) 式可以改写成： （3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输 入法，输入的示踪剂浓度 ，在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系： 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ，关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
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
化学反应工程例题
例 1。
1 在350℃等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应，测得反应系统总压 p 与反应时间 t 的 关系如下:t/min 0612263860p/kPa66 。
762 。
358 。
953 。
550.446 。
7试求时间为 26min 时的反应速率.解：以 A 和 R 分别代表丁二烯及其二聚物,则该二聚反应可写成： 2A → R 反应体系中各组分的浓度关系如下：由理想气体定律得： (A ) p0 为 t = 0 时物系的总压, 整理上式为： (B ) 将(B )式代入速率式中,得：) (c )理想气体：将 CA0 代入 (C ) 式,为： D解析法：对 p-t 关系进行回归分析,得: 图解法:以 p 对 t 作图，如图所示.于 t ＝26 min 处作曲线的切线，切线的斜率为 dp/dt ，该值等于 ‐0.32 kPa/min. 将有关数据代入 (D ) 式，即得到丁二烯转化量表示的反应速率值.若以生成二聚物表示反应速率，则： 1， 2例 1 。
2 等温进行醋酸(A )和丁醇(B )的酯化反应醋酸和丁醇初始浓度为 0 。
2332 和 1. 16kmol/m3。
测得不同时间下醋酸转化量如下表，试求 该反应的速率方程.解：由题中数据可知醋酸转化率较低，且丁醇又大量过剩,可以忽略逆反应的影响, 同时可以 不考虑丁醇浓度对反应速率的影响。
所以，设正反应的速率方程为：(a )以 0 级、 1 级、 2 级反应对上式进行积分式得:当 n = 0 时,当 n=1 时，当 n=2 时，(b (c)(d )采用图解法和试差法， 假设反应级数， 将实验数据分别按 0 级、 1 级、 2 级反应动力学 积分式做图，得到其 f (CA)—t 的关系曲线图，然后再根据所得的 f(CA ) —t 的关系曲线 图进行判断其动力学形式。
不同时间下 f (CA) –t 的变化关系CA0-CA0 0.01636CA0 。
2332 0 。
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0
tc c0
2 t
t t 2Etdt
0
t 2Etdt t 2
0
t 2c t 2 c0
19
具体计算结果如表
时间 t/s
0 15 25 35 45 55 65 75 85 95
出口浓度 c/kg·m-3
0 0.5 1.0 2.0 4.0 5.5 6.5 7.0 7.7 7.7
2 t
。
17
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规 律，采用阶跃示踪法，输入的示踪剂浓 度c0=7.7kg﹒m-3，在出口处测定响应曲 线如表所示。
时间／s
0 15 25 35 45 55 65 5 85 95
出口示踪剂浓 0 0.5 1.0 2.0 4.0 5.5 6.5 7.0 7.7 7.7
2 t
t2Etdt t 2
0
12
3.3.2 停留时间分布规律的实验测定
目的：判定反应器内流体的流动状态 方法：示踪（激励－响应） 对示踪剂的要求： ①与流体互溶，且无化学反应； ②加入示踪剂不影响流型； ③易于检测； ④无害且价廉。
13
⑴阶跃输入法
本法的工作要点是输入物料中示踪剂浓度 从一种稳态到另一种稳态的阶跃变化。也 就是说，原来进料中不含或含低浓度的示 踪剂，从某一时间起，全部切换为示踪物 （或提高示踪物浓度），使进料中示踪物 的浓度有一个阶跃式突变。
物料占总流出物的分率： Ft Nt
N
F(t)为时间t的停留时间分布概率；Nt为停留 时间小于t的物料量；N∞为流出物料的总量， 也是流出的停留时间在0与无限大之间的物 料量。
8
⑵概率密度函数
Et dFt
dt
则存在
F
t
t
0
E
t
dt
及
F
0
E
t
dt
1
9
F(t)
0 0.065 0.130 0.260 0.520 0.714 0.844 0.909 1.000 1.000
E(t)
0 0.00433 0.00650 0.01300 0.02600 0.01940 0.01300 0.00650 0.0091
0
tc
c0
0 0.934 1.623 4.545 11.688 10.714 8.442 4.870 8.636
Vc Vc0 Ft Vc0 1 Ft
16
可得
F
t
c c0 c0 c0
如果阶跃输人前进口物流中不含示踪剂，
即
c，0 上0式可以写成：
F
t
c c0
有了实测的不同时间t下的c值，即可绘出
F(t)-t曲线和E(t)-t曲线，并求出特征值 t
和
dt
1
t0
而将截至到t时刻之前所流出的A的分率表示为F(t)，
称停留时间分布函数。
t
Ett F(t)
t 0
t
0
Et
dt
F
(t)
反过来说：
dFt Et
dt
3.2.1 停留时间分布的定量描述
⑴概率函数 当物料以稳定的流量流入反应器而不发生 化学变化时，在流出物料中停留时问小于t
14
C/C0
C/C0
1
1
t=0 激励曲线
t
t=0
响应曲线
图3-3 阶跃法测定停留时间分布函数
t
15
进口物料以体积流量V送入反应器，在时 间为t时，出料的示踪剂总量应该是Vc，它 将由两部分示踪剂组成的，一部分是阶跃 输入后的物料（量为Vc+）中停留时间小于 t的示踪剂，其量应是Vc+F(t)；另一部分是 阶跃输入前的物料（量为Vc0-）中时间大 于t的示踪剂，其量为Vc0-(1-F(t))即：
(1)完全不返混型反应器 (2)充分返混型反应器 (3)部分返混型反应器
3
3.2 流体在反应器内的停留时间分布
随机过程，用停留时间分布函数F(t)和 停留时间分布密度函数E(t)表示。 假设有一个连续流动反应器如图：
4
考察一个小的流体团A，流入反应器后如何 流出
(nA/nA0)/Δt
经历充分长的时间后，A全部流出 t
第三章
非理想流动反应器
1
3.1.1 返混定义
返混： 物料在反应器内不仅有空间上的混合而且有时间上的混合，这种混合过程 称为返混。 ①任何实际的流动都存在返混。 ②管内流体的流动返混较小。 ③容器内流体的流动返混较大。 ④返混与混合的区别：混合是不同空间位 置的粒子的混合。
2
3.1.3 按返混程度对反应器的分类
度／(kg﹒m-3)
求在此条件下F(t)，E(t)及
t
与
2 t
值。
18
解：本实验测定的数据并非连续曲线而
是离散型的。则F(t)，E(t)，t
，
2 t
的计算
式如下：
Ft c
c0
Et dFt Ft c
dt
t c0t
t
0
tEt
dt
tEt t
得到的曲线称为流体在反应器内的停留时
间分布密度函数曲线，表示为E(t)。如果Δt 充分小，则成为一条连续曲线。 Δt－>0时，
nA亦趋近于0，但它们的比例一般是有限值。
1 dnA nA0 dt
t
如果将所有Δt时间中流出的nA全部叠加，得到的就
是nA0，因此有：
Ett 1
0
Et
0
t 2c
c0
0 14.6l 40.58 159.09 525.97 589.29 548.70 365.26 820.45
0
t tc 51.49s
0 c0
2 t
t 2c t 2 412.7s2 c0
20
21
⑵脉冲输入法
瞬间注入示踪剂，观察响应曲线
Vc/m
10
⑶特征值一
平均停留时间，即数学期望 t 。变量（时
间t）对坐标原点的一次矩。
t
0
tEt
dt
1
0
tdF
t
11
⑷特征值二
散度，即方差
2 t
。变量（时间t）对数学期
望的二次矩。
2 t
0
t
t
2 Et dt
1t
0
t
2dF t
为了运算方便，可改换成如下形式：
Vc/m
t=0
t
t=0
t
激励曲线
响应曲线
22
t
mt
Vcdt
0
示踪剂的总量显然是：
m
Vcdt
0
t
Ft mt m
Vcdt
0
Vcdt
t Vc dt
0 m
0
Et dFt Vc
dt m
23
例3.2在稳定操作的连续搅拌式形反应器
的进料中脉冲注入染料液(m∞=50g)，测 出出口液中示踪剂浓度随时间变化关系