第二章理想反應(yīng)器

IdealFlowReactor第一節(jié)間歇反應(yīng)器(BR)第二節(jié)平推流反應(yīng)器(PFR)第三節(jié)全混流反應(yīng)器(CSTR)16十一月2022第二章理想反應(yīng)器

IdealFlowReactor第一16十一月2022反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容1）根據(jù)化學反應(yīng)的動力學特性來選擇合適的反應(yīng)器形式；2）結(jié)合動力學和反應(yīng)器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化的操作設(shè)計；3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應(yīng)裝置進行設(shè)計計算，確定反應(yīng)器的幾何尺寸并進行某些經(jīng)濟評價。09十一月2022反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容16十一月2022（無返混）（返混程度最大）理想反應(yīng)器全混流反應(yīng)器（理想混合）

（完全混合）

平推流反應(yīng)器（活塞流、理想置換反應(yīng)器）PlugFlowReactor(PFR)（無返混）間歇式完全混合連續(xù)式完全混合BatchReactor(BR)ContinuousStirredTankReactor(CSTR)09十一月2022（無返混）（返混程度最大）理想反應(yīng)器全16十一月2022

返混：不同停留時間的粒子間的混合

平推流：反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進行移動，所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。09十一月2022返混：不同停留時間的粒16十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間1物料衡算第一節(jié)間歇反應(yīng)器2熱量衡算3反應(yīng)容積的計算09十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間1物料衡16十一月2022

間歇式完全混合反應(yīng)器09十一月2022間歇式完全混合反應(yīng)器16十一月2022特點：

反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，無需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞問題所有物料具有相同的反應(yīng)時間

優(yōu)點：

操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量，多品種，反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)

缺點：

裝料，卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定09十一月2022特點：16十一月2022對于間歇釜式反應(yīng)器：

假設(shè)釜的有效反應(yīng)容積為VR

，單位時間內(nèi)反應(yīng)掉的A量為：積累

1物料衡算單位時間輸入的物料A量單位時間輸出的物料A量單位時間內(nèi)反應(yīng)掉的A量

A在反應(yīng)器內(nèi)積累速率__=輸入=輸出=009十一月2022對于間歇釜式反應(yīng)器：假設(shè)16十一月2022積分得：——間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程09十一月2022積分得：——間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計等溫操作等溫操作（動力學k為常數(shù)）可將速度方程直接代入操作方程直接積分求解t。例1：一級反應(yīng)A產(chǎn)物，單位時間需處理的物料體積為v，動力學方程為：

（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反應(yīng)所需時間（轉(zhuǎn)化率為xA）t及反應(yīng)器的有效容積。Return等溫操作等溫操作（動力學k為常數(shù)）例1：一級反應(yīng)A產(chǎn)物，單

2熱量衡算變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱））要求反應(yīng)時間，需要對反應(yīng)器進行熱量衡算。由于間歇反應(yīng)器任何瞬間都具有相同的溫度，可就整個反應(yīng)器進行熱量衡算：

UA(Tm-T)(-△Hr)(-rA)V

2熱量衡算變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱））UUA(Tm-T)+(-△Hr)(-rA)V=符號說明：U----總括傳熱系數(shù)（KJ/m2.h.℃）；A----傳熱面積(m2)；Cv、ρ----分別為反應(yīng)流體的定容比熱和密度(KJ/Kg.℃、Kg/m3)；△Hr----反應(yīng)焓變(KJ/Kmol)；Tm----冷卻（或加熱）介質(zhì)的溫度（K）UA(Tm-T)+(-△Hr)(-rA)V=符號說明對于恒容過程：（操作方程）式中：（物理意義：最大溫升）對于恒容變溫操作的間歇反應(yīng)器的設(shè)計計算，就是聯(lián)立設(shè)計方程、操作方程及動力學方程式求解的過程。即：一般采用圖解法或數(shù)值法求解。對于恒容過程：（操作方程）式中：特例：絕熱操作（與外界的熱交換為零）：UA（Tm-T）=0則：(-△Hr)(-rA)V=即：初始條件：t=0T=T0xA=xA0將上式積分得：T=T0+β(xA-xA0)（使對t的積分變?yōu)閱螀?shù)）將上式代入動力學方程式，再代入設(shè)計方程即可采用圖解法或數(shù)值法求解。Return特例：Return16十一月20223反應(yīng)容積的計算：反應(yīng)時間：輔助時間：單位時間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積09十一月20223反應(yīng)容積的計算：反應(yīng)時間：輔助時間16十一月2022

實際反應(yīng)器的體積

裝填系數(shù)，0.4-0.85

。一般由實驗確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)不同而選擇。

對于沸騰或起泡沫的液體物料，可取0.4-0.6

對于不起泡或不沸騰的液體，可取0.7-0.8509十一月2022實際反應(yīng)器的體積16十一月2022例題2-

1用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應(yīng)式為：原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35,反應(yīng)液的密度為1020kg/m3,并假定在反應(yīng)過程中不變，每批裝料，卸料及清洗等輔助操作時間為1h，反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：12kk09十一月2022例題2-1用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇16十一月2022100℃時：

平衡常數(shù)K=2.92，試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應(yīng)體積，根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)為0.75，則反應(yīng)器的實際體積是多少？09十一月2022100℃時：平衡常數(shù)K=2.92，試16十一月2022分析：求求已知求和設(shè)計方程已知09十一月2022分析：求求已知求和設(shè)計方程已知16十一月2022解：

首先計算原料處理量

每小時的乙酸用量為：由于原料液中A:B:S=1:2:1.35原料液中含1kg乙酸原料液量為：09十一月2022解：首先計算原料處理量每小時的乙酸16十一月2022原料液的起始組成：由求反應(yīng)時間09十一月2022原料液的起始組成：由求反應(yīng)時間16十一月2022

先將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)：代入速率方程，整理后得：式中：09十一月2022先將題給的16十一月202209十一月202216十一月2022所需的反應(yīng)體積為：反應(yīng)器的實際體積為：

09十一月2022所需的反應(yīng)體積為：反應(yīng)器的實際體積為：例題2-2：工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70℃下進行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，實驗測得該反應(yīng)的速率方程式為：

（-rA）=kCACB式中：（-rA）----以已二酸組分計的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1

k----反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1

CA、CB----分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1

CA0、CB0均為0.004kmol.L-1例題2-2：求：●已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的反應(yīng)時間分別為多少？●若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的輔助時間為1小時，試計算確定反應(yīng)器的體積大小，裝填系數(shù)φ=0.75，單釜生產(chǎn)。求：解：●求達到一定的轉(zhuǎn)化率所需時間：計量方程式中，A、B的初始濃度相同，則反應(yīng)動力學方程可寫為：

由于反應(yīng)為液相等溫過程，故可按恒容處理，可將已知數(shù)據(jù)代入設(shè)計方程求解：解：

計算結(jié)果

xA=0.5t=2.10hxA=0.6t=3.18hxA=0.8t=8.47h計算結(jié)果●反應(yīng)器體積的計算VR=v(t+t0)

FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生產(chǎn)周期=反應(yīng)時間+輔助時間=t+t0=8.47+1=9.47h反應(yīng)有效體積：

VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考慮裝填系數(shù)，則反應(yīng)器的實際體積：

V=VR/φ=1619/0.75=2160L=2.16m3●反應(yīng)器體積的計算[練習題]

試計算轉(zhuǎn)化率達到90%時，所需間歇反應(yīng)器的有效容積是多少?[練習題]例題2-3在間歇反應(yīng)釜中進行下列液相一級不可逆反應(yīng)：AB，其反應(yīng)速率方程為（-rA）=kCA，反應(yīng)初始溫度為163℃,求絕熱操作下，日產(chǎn)150kg（B）所需反應(yīng)器的體積。已知數(shù)據(jù)如下：163℃下,k=0.8h-1，反應(yīng)的活化能E=121.25kJ/mol，反應(yīng)熱：△Hr=-347.5kJ/kg，A與B的定容比熱均為2.093J/kg.K，A與B的密度均為900kg/m3，A的最終轉(zhuǎn)化率xAf=0.97，非生產(chǎn)性操作時間為1h。例題2-3解：絕熱操作時有:T=T0+β(xA-xA0)xA0=0所以，T=T0+βxA=T0+=

=(273+163)-T=436+166xA解：T=436+166xAT=436+166xA

（操作方程）（1）（設(shè)計方程）（2）-rA=kCA0(1-xA)

（動力學方程）（3）式中k是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系式可用下式表示：（4）聯(lián)立（1）-（4）式可得反應(yīng)時間t。T=436+166xA（操作方程）求解過程：用式（1）給定xA后求T，用參數(shù)計算式求k，然后將（2）（3）式聯(lián)立即得：

其中：利用數(shù)值法求解（梯形公式）：列表作圖：求解過程：化學反應(yīng)工程__第2章_理想反應(yīng)器全解課件t=0.12hVR=v(t+t0)=Returnt=0.12hReturn16十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間一定目標函數(shù)增大減小減小09十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間一定目標函16十一月2022以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物R的濃度為，單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為：09十一月2022以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標反應(yīng)，反應(yīng)16十一月2022

——單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件

09十一月2022——單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿16十一月2022圖解法McRt0At009十一月2022圖解法McRt0At016十一月20222.以生產(chǎn)費用最低為目標：輔助操作費用：單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用：固定費用：單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用09十一月20222.以生產(chǎn)費用最低為目標：輔助操作費用16十一月2022——生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件09十一月2022——生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件16十一月2022用圖解法求解NBcRt009十一月2022用圖解法求解NBcRt016十一月2022第二節(jié)平推流反應(yīng)器(PFR)平推流反應(yīng)器的特征：

在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分布，即徑向混合均勻在流體流動的方向不存在流體質(zhì)點間的混合，即軸向不返混09十一月2022第二節(jié)平推流反應(yīng)器(PFR)平推流16十一月2022對于恒容反應(yīng)：——平均停留時間．反應(yīng)時間和空時是一致的09十一月2022對于恒容反應(yīng)：——平均停留時間．反應(yīng)時16十一月20221物料衡算-設(shè)計方稱輸入：

輸出：

積累=0A的反應(yīng)量：0ll09十一月20221物料衡算-設(shè)計方稱輸入：輸出：16十一月2022分離變量積分

:09十一月2022分離變量積分:16十一月2022即：——平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程對于恒容過程有：代入設(shè)計方程：09十一月2022即：——平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程對于恒容16十一月2022或：

可見，恒容時平推流反應(yīng)器與分批式完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程一致09十一月2022或：可見，恒容時平推流反應(yīng)器16十一月20222熱量衡算——操作方程輸入輸出注：A為周長09十一月20222熱量衡算——操作方程輸入輸出注：A16十一月2022積累反應(yīng)放熱兩邊除△l，求極限取平均摩爾熱容09十一月2022積累反應(yīng)放熱兩邊除△l，求極限取平均摩16十一月2022若反應(yīng)器為直徑為D的圓柱形09十一月2022若反應(yīng)器為直徑為D的圓柱形16十一月2022對于絕熱過程由設(shè)計方程得即：若以平均組成下的熱容表示注：P86絕熱溫升或絕熱溫降09十一月2022對于絕熱過程由設(shè)計方程得即：若以平均組16十一月2022若為等分子反應(yīng)時，09十一月2022若為等分子反應(yīng)時，55

例題2-4條件同例題2-2，計算轉(zhuǎn)化率分別為80％、90％時所需平推流反應(yīng)器的大小。

解：對PFR55例題2-4條件同例題2-2，計算轉(zhuǎn)化率分別為8056代入數(shù)據(jù)xA=0.8時：xA=0.9時：56代入數(shù)據(jù)xA=0.8時：xA=0.9時：3變?nèi)莘磻?yīng)過程

活塞流反應(yīng)器是一種連續(xù)流動反應(yīng)器，可以用于液相反應(yīng)，也可以用于氣相反應(yīng)。用于氣相反應(yīng)時，有些反應(yīng)，反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反應(yīng)會引起系統(tǒng)物流體積發(fā)生變化。物流體積的改變必然帶來反應(yīng)物濃度的變化，從而引起反應(yīng)速率的變化。573變?nèi)莘磻?yīng)過程活塞流反應(yīng)器是一種連續(xù)4膨脹因子和膨脹率

（ExpandedFactorandExpandedRatio)

膨脹因子和膨脹率的作用：為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來的影響。584膨脹因子和膨脹率

（ExpandedFactoran膨脹因子59反應(yīng)式：計量方程：膨脹因子59反應(yīng)式：計量方程：60定義膨脹因子：

即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反應(yīng)計量系數(shù)的代數(shù)和除以A組分計量系數(shù)。60定義膨脹因子：即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反應(yīng)計量

膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個定值，與其它因素無關(guān)。61膨脹因子的物理意義關(guān)鍵組分A消耗1mol時，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)的變化導致反應(yīng)體積變化。膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是δA=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。62δA>0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加。δA<0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)體積減小。δA=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。62δA>0是摩爾膨脹率63

物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關(guān)，因此引入第二個參數(shù)膨脹率。膨脹率63物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)64膨脹率的概念：

即A組分的膨脹率等于物系中A組分完全轉(zhuǎn)化所引起的體積變化除以物系的初始體積。64膨脹率的概念：即A組分的膨脹率等于物系中A組分完全膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導出：65其中：

膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導出：65其中：

5變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系66

恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率可以由以下推導得到。5變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系66恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃67對于A組分：67對于A組分：

例題2-5均相氣相反應(yīng)A→3R，其動力學方程為-rA=kcA，該過程在185℃，400kPa下在一平推流反應(yīng)器中進行，其中k=10-2s-1，進料量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達80％，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大?68例題2-5均相氣相反應(yīng)A→3R，其動力學方程為-rA69解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A→3R

已知yA0=0.5，因此εA=yA0·δA=1

平推流反應(yīng)器設(shè)計方程69解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A→3R已知yA0=0.5，70707171

例2-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進料裂解制乙烯。年設(shè)計生產(chǎn)能力為14萬噸乙烯。反應(yīng)是不可逆的一級反應(yīng)，要求乙烷轉(zhuǎn)化率達到80％，反應(yīng)器在1100K等溫，恒壓600kPa下操作，已知反應(yīng)活化能為347.3kJ·mol-1

，溫度1000K時，k=0.0725s-1

。設(shè)計工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器。72例2-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進料裂解制乙烯。反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：73解：設(shè)A為乙烷，B為乙烯，C為氫氣反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：73解：設(shè)A為乙烷，B為乙烯，74進料乙烷的摩爾流率是：74進料乙烷的摩爾流率是：75計算1100K時反應(yīng)速率常數(shù)：75計算1100K時反應(yīng)速率常數(shù)：76膨脹因子：膨脹率：76膨脹因子：膨脹率：進口體積流量：77

平推流反應(yīng)器設(shè)計方程進口體積流量：77平推流反應(yīng)器設(shè)計方程78786流體在平推流反應(yīng)器中的真實停留時間

由平推流反應(yīng)器的定義可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實停留時間都等于平均停留時間。796流體在平推流反應(yīng)器中的真實停留時間由平推流反應(yīng)器的

●如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時間將大于空間時間。80

恒壓變?nèi)莘磻?yīng)，由于反應(yīng)物系體積隨轉(zhuǎn)化率而變化，其真實停留時間與空間時間τ不同。

●如果反應(yīng)物系體積膨脹，流體流速將逐漸加快，停留時間將小于空間時間；●如果反應(yīng)物系體積縮小，停留時間將大于空間時間。808181恒容條件下，εA=0，上式還原為：82恒容條件下，εA=0，上式還原為：82第三節(jié)全混流反應(yīng)器（CSTR)全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)流動充分攪拌槽式反應(yīng)器，簡稱CSTR。流入反應(yīng)器的物料，在瞬間與反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，即在反應(yīng)器中各處物料的溫度、濃度都是相同的。83第三節(jié)全混流反應(yīng)器（CSTR)全混流反應(yīng)器又稱全混釜或連續(xù)84841全混流反應(yīng)器特性④連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程。85

①物料在反應(yīng)器內(nèi)充分返混；

②反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一；

③反應(yīng)器的出口組成與器內(nèi)物料組成相同；1全混流反應(yīng)器特性④連續(xù)、穩(wěn)定流動，是一定態(tài)過程。8516十一月20222、反應(yīng)器中其他時間表示方法

反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后，從實際發(fā)生反應(yīng)的

時刻起到反應(yīng)達某一程度的時間。指反應(yīng)物粒子從進入到離開反應(yīng)器的時間對于間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時間和停留時間相同對于全混流反應(yīng)器，由于可能有短路，死區(qū)和循環(huán)流，物料在器內(nèi)停留時間不同，具有停留時間的分布，此時常用平均停留時間來表征。1）反應(yīng)時間：2）停留時間：09十一月20222、反應(yīng)器中其他時間表示方法16十一月2022反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速之比。

3）平均停留時間與空時和含義不同:非恒容過程，兩者不同。平均停留時間：恒容過程兩者是一致的09十一月2022反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料的體積流速33設(shè)計方程

全混釜中各處物料均一，故選整個反應(yīng)器有效容積VR為物料衡算體系，對組分A作物料衡算。883設(shè)計方程全混釜中各處物料均一，故選整個反應(yīng)器有效89整理得到：89整理得到：恒容條件下又可以簡化為：90恒容條件下又可以簡化為：90例題2-7條件同例題2-2的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用CSTR反應(yīng)器，求己二酸轉(zhuǎn)化率分別80％、90％時，所需反應(yīng)器的體積。91解：由例題2-2已知：例題2-7條件同例題2-2的醇酸樹脂生產(chǎn)，若采用CSTR92由設(shè)計方程92由設(shè)計方程代入數(shù)據(jù)，xAf=0.9時93代入數(shù)據(jù)，xAf=0.8時代入數(shù)據(jù)，xAf=0.9時93代入數(shù)據(jù)，xAf=0.8時94將例題2-2，2-4，2-7的結(jié)果匯總94將例題2-2，2-4，2-7的結(jié)果匯總

（2）CSTR比PFR、BR所需反應(yīng)體積大得多，由于CSTR的返混造成反應(yīng)速率下降所致。95可見：（1）達到同樣結(jié)果BR反應(yīng)體積略大PFR，由于間歇過程需輔助工作時間。（2）CSTR比PFR、BR所需反應(yīng)體積大得多，由于CST16十一月20224間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的比較BA09十一月20224間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的比較BA16十一月2022對于間歇反應(yīng)器，不考慮輔助操作時間時，其有效容積：全混流反應(yīng)器，有效容積：當時:

即間歇反應(yīng)器的容積與所需全混流反應(yīng)器的容積之比等于相應(yīng)的反應(yīng)時間和空時之比。09十一月2022對于間歇反應(yīng)器，不考慮輔助操作時間時，16十一月2022令:------全混流反應(yīng)器的容積系數(shù)即:09十一月2022令:------全混流反應(yīng)器的容積系數(shù)16十一月2022設(shè)反應(yīng)級數(shù)為n對于各種n值求解，結(jié)果列于下表中:09十一月2022設(shè)反應(yīng)級數(shù)為n對于各種n值求解，結(jié)果列16十一月2022

n

-1

0

1

0.5

1

2

3表達式09十一月2022n16十一月2022應(yīng)用結(jié)果計算出n值下隨的變化，如圖:10.80.60.1000.20.40.60.81.009十一月2022應(yīng)用結(jié)果計算出n值下隨的變化，如圖:1第二章理想反應(yīng)器

IdealFlowReactor第一節(jié)間歇反應(yīng)器(BR)第二節(jié)平推流反應(yīng)器(PFR)第三節(jié)全混流反應(yīng)器(CSTR)16十一月2022第二章理想反應(yīng)器

IdealFlowReactor第一16十一月2022反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容1）根據(jù)化學反應(yīng)的動力學特性來選擇合適的反應(yīng)器形式；2）結(jié)合動力學和反應(yīng)器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化的操作設(shè)計；3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對反應(yīng)裝置進行設(shè)計計算，確定反應(yīng)器的幾何尺寸并進行某些經(jīng)濟評價。09十一月2022反應(yīng)器設(shè)計的基本內(nèi)容16十一月2022（無返混）（返混程度最大）理想反應(yīng)器全混流反應(yīng)器（理想混合）

（完全混合）

平推流反應(yīng)器（活塞流、理想置換反應(yīng)器）PlugFlowReactor(PFR)（無返混）間歇式完全混合連續(xù)式完全混合BatchReactor(BR)ContinuousStirredTankReactor(CSTR)09十一月2022（無返混）（返混程度最大）理想反應(yīng)器全16十一月2022

返混：不同停留時間的粒子間的混合

平推流：反應(yīng)物料以相同的流速和一致的方向進行移動，所有的物料在器內(nèi)具有相同的停留時間。09十一月2022返混：不同停留時間的粒16十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間1物料衡算第一節(jié)間歇反應(yīng)器2熱量衡算3反應(yīng)容積的計算09十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間1物料衡16十一月2022

間歇式完全混合反應(yīng)器09十一月2022間歇式完全混合反應(yīng)器16十一月2022特點：

反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，無需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞問題所有物料具有相同的反應(yīng)時間

優(yōu)點：

操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量，多品種，反應(yīng)時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)

缺點：

裝料，卸料等輔助操作時間長，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定09十一月2022特點：16十一月2022對于間歇釜式反應(yīng)器：

假設(shè)釜的有效反應(yīng)容積為VR

，單位時間內(nèi)反應(yīng)掉的A量為：積累

1物料衡算單位時間輸入的物料A量單位時間輸出的物料A量單位時間內(nèi)反應(yīng)掉的A量

A在反應(yīng)器內(nèi)積累速率__=輸入=輸出=009十一月2022對于間歇釜式反應(yīng)器：假設(shè)16十一月2022積分得：——間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程09十一月2022積分得：——間歇完全混合反應(yīng)器的設(shè)計等溫操作等溫操作（動力學k為常數(shù)）可將速度方程直接代入操作方程直接積分求解t。例1：一級反應(yīng)A產(chǎn)物，單位時間需處理的物料體積為v，動力學方程為：

（-rA）=kCA=kCA0(1-xA)求反應(yīng)所需時間（轉(zhuǎn)化率為xA）t及反應(yīng)器的有效容積。Return等溫操作等溫操作（動力學k為常數(shù)）例1：一級反應(yīng)A產(chǎn)物，單

2熱量衡算變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱））要求反應(yīng)時間，需要對反應(yīng)器進行熱量衡算。由于間歇反應(yīng)器任何瞬間都具有相同的溫度，可就整個反應(yīng)器進行熱量衡算：

UA(Tm-T)(-△Hr)(-rA)V

2熱量衡算變溫操作（絕熱操作和變溫（非等溫非絕熱））UUA(Tm-T)+(-△Hr)(-rA)V=符號說明：U----總括傳熱系數(shù)（KJ/m2.h.℃）；A----傳熱面積(m2)；Cv、ρ----分別為反應(yīng)流體的定容比熱和密度(KJ/Kg.℃、Kg/m3)；△Hr----反應(yīng)焓變(KJ/Kmol)；Tm----冷卻（或加熱）介質(zhì)的溫度（K）UA(Tm-T)+(-△Hr)(-rA)V=符號說明對于恒容過程：（操作方程）式中：（物理意義：最大溫升）對于恒容變溫操作的間歇反應(yīng)器的設(shè)計計算，就是聯(lián)立設(shè)計方程、操作方程及動力學方程式求解的過程。即：一般采用圖解法或數(shù)值法求解。對于恒容過程：（操作方程）式中：特例：絕熱操作（與外界的熱交換為零）：UA（Tm-T）=0則：(-△Hr)(-rA)V=即：初始條件：t=0T=T0xA=xA0將上式積分得：T=T0+β(xA-xA0)（使對t的積分變?yōu)閱螀?shù)）將上式代入動力學方程式，再代入設(shè)計方程即可采用圖解法或數(shù)值法求解。Return特例：Return16十一月20223反應(yīng)容積的計算：反應(yīng)時間：輔助時間：單位時間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積09十一月20223反應(yīng)容積的計算：反應(yīng)時間：輔助時間16十一月2022

實際反應(yīng)器的體積

裝填系數(shù)，0.4-0.85

。一般由實驗確定，也可根據(jù)反應(yīng)物料的性質(zhì)不同而選擇。

對于沸騰或起泡沫的液體物料，可取0.4-0.6

對于不起泡或不沸騰的液體，可取0.7-0.8509十一月2022實際反應(yīng)器的體積16十一月2022例題2-

1用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應(yīng)式為：原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35,反應(yīng)液的密度為1020kg/m3,并假定在反應(yīng)過程中不變，每批裝料，卸料及清洗等輔助操作時間為1h，反應(yīng)在100℃下等溫操作，其反應(yīng)速率方程如下：12kk09十一月2022例題2-1用間歇反應(yīng)器進行乙酸和乙醇16十一月2022100℃時：

平衡常數(shù)K=2.92，試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應(yīng)體積，根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)為0.75，則反應(yīng)器的實際體積是多少？09十一月2022100℃時：平衡常數(shù)K=2.92，試16十一月2022分析：求求已知求和設(shè)計方程已知09十一月2022分析：求求已知求和設(shè)計方程已知16十一月2022解：

首先計算原料處理量

每小時的乙酸用量為：由于原料液中A:B:S=1:2:1.35原料液中含1kg乙酸原料液量為：09十一月2022解：首先計算原料處理量每小時的乙酸16十一月2022原料液的起始組成：由求反應(yīng)時間09十一月2022原料液的起始組成：由求反應(yīng)時間16十一月2022

先將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)：代入速率方程，整理后得：式中：09十一月2022先將題給的16十一月202209十一月202216十一月2022所需的反應(yīng)體積為：反應(yīng)器的實際體積為：

09十一月2022所需的反應(yīng)體積為：反應(yīng)器的實際體積為：例題2-2：工廠采用間歇反應(yīng)器以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70℃下進行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，實驗測得該反應(yīng)的速率方程式為：

（-rA）=kCACB式中：（-rA）----以已二酸組分計的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1

k----反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1

CA、CB----分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1

CA0、CB0均為0.004kmol.L-1例題2-2：求：●已二酸的轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5、0.6、0.8所需的反應(yīng)時間分別為多少？●若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，每批操作的輔助時間為1小時，試計算確定反應(yīng)器的體積大小，裝填系數(shù)φ=0.75，單釜生產(chǎn)。求：解：●求達到一定的轉(zhuǎn)化率所需時間：計量方程式中，A、B的初始濃度相同，則反應(yīng)動力學方程可寫為：

由于反應(yīng)為液相等溫過程，故可按恒容處理，可將已知數(shù)據(jù)代入設(shè)計方程求解：解：

計算結(jié)果

xA=0.5t=2.10hxA=0.6t=3.18hxA=0.8t=8.47h計算結(jié)果●反應(yīng)器體積的計算VR=v(t+t0)

FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生產(chǎn)周期=反應(yīng)時間+輔助時間=t+t0=8.47+1=9.47h反應(yīng)有效體積：

VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考慮裝填系數(shù)，則反應(yīng)器的實際體積：

V=VR/φ=1619/0.75=2160L=2.16m3●反應(yīng)器體積的計算[練習題]

試計算轉(zhuǎn)化率達到90%時，所需間歇反應(yīng)器的有效容積是多少?[練習題]例題2-3在間歇反應(yīng)釜中進行下列液相一級不可逆反應(yīng)：AB，其反應(yīng)速率方程為（-rA）=kCA，反應(yīng)初始溫度為163℃,求絕熱操作下，日產(chǎn)150kg（B）所需反應(yīng)器的體積。已知數(shù)據(jù)如下：163℃下,k=0.8h-1，反應(yīng)的活化能E=121.25kJ/mol，反應(yīng)熱：△Hr=-347.5kJ/kg，A與B的定容比熱均為2.093J/kg.K，A與B的密度均為900kg/m3，A的最終轉(zhuǎn)化率xAf=0.97，非生產(chǎn)性操作時間為1h。例題2-3解：絕熱操作時有:T=T0+β(xA-xA0)xA0=0所以，T=T0+βxA=T0+=

=(273+163)-T=436+166xA解：T=436+166xAT=436+166xA

（操作方程）（1）（設(shè)計方程）（2）-rA=kCA0(1-xA)

（動力學方程）（3）式中k是溫度的函數(shù)，與溫度的關(guān)系式可用下式表示：（4）聯(lián)立（1）-（4）式可得反應(yīng)時間t。T=436+166xA（操作方程）求解過程：用式（1）給定xA后求T，用參數(shù)計算式求k，然后將（2）（3）式聯(lián)立即得：

其中：利用數(shù)值法求解（梯形公式）：列表作圖：求解過程：化學反應(yīng)工程__第2章_理想反應(yīng)器全解課件t=0.12hVR=v(t+t0)=Returnt=0.12hReturn16十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間一定目標函數(shù)增大減小減小09十一月20224間歇反應(yīng)器的最優(yōu)操作時間一定目標函16十一月2022以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物R的濃度為，單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為：09十一月2022以單位時間的產(chǎn)品產(chǎn)量為目標反應(yīng)，反應(yīng)16十一月2022

——單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿足的條件

09十一月2022——單位時間產(chǎn)物產(chǎn)量最大所必須滿16十一月2022圖解法McRt0At009十一月2022圖解法McRt0At016十一月20222.以生產(chǎn)費用最低為目標：輔助操作費用：單位時間內(nèi)反應(yīng)操作費用：固定費用：單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費用09十一月20222.以生產(chǎn)費用最低為目標：輔助操作費用16十一月2022——生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件09十一月2022——生產(chǎn)費用最小所必須滿足的條件16十一月2022用圖解法求解NBcRt009十一月2022用圖解法求解NBcRt016十一月2022第二節(jié)平推流反應(yīng)器(PFR)平推流反應(yīng)器的特征：

在與流動方向是垂直的截面上沒有流速分布，即徑向混合均勻在流體流動的方向不存在流體質(zhì)點間的混合，即軸向不返混09十一月2022第二節(jié)平推流反應(yīng)器(PFR)平推流16十一月2022對于恒容反應(yīng)：——平均停留時間．反應(yīng)時間和空時是一致的09十一月2022對于恒容反應(yīng)：——平均停留時間．反應(yīng)時16十一月20221物料衡算-設(shè)計方稱輸入：

輸出：

積累=0A的反應(yīng)量：0ll09十一月20221物料衡算-設(shè)計方稱輸入：輸出：16十一月2022分離變量積分

:09十一月2022分離變量積分:16十一月2022即：——平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程對于恒容過程有：代入設(shè)計方程：09十一月2022即：——平推流反應(yīng)器的設(shè)計方程對于恒容16十一月2022或：

可見，恒容時平推流反應(yīng)器與分批式完全混合反應(yīng)器的設(shè)計方程一致09十一月2022或：可見，恒容時平推流反應(yīng)器16十一月20222熱量衡算——操作方程輸入輸出注：A為周長09十一月20222熱量衡算——操作方程輸入輸出注：A16十一月2022積累反應(yīng)放熱兩邊除△l，求極限取平均摩爾熱容09十一月2022積累反應(yīng)放熱兩邊除△l，求極限取平均摩16十一月2022若反應(yīng)器為直徑為D的圓柱形09十一月2022若反應(yīng)器為直徑為D的圓柱形16十一月2022對于絕熱過程由設(shè)計方程得即：若以平均組成下的熱容表示注：P86絕熱溫升或絕熱溫降09十一月2022對于絕熱過程由設(shè)計方程得即：若以平均組16十一月2022若為等分子反應(yīng)時，09十一月2022若為等分子反應(yīng)時，156

例題2-4條件同例題2-2，計算轉(zhuǎn)化率分別為80％、90％時所需平推流反應(yīng)器的大小。

解：對PFR55例題2-4條件同例題2-2，計算轉(zhuǎn)化率分別為80157代入數(shù)據(jù)xA=0.8時：xA=0.9時：56代入數(shù)據(jù)xA=0.8時：xA=0.9時：3變?nèi)莘磻?yīng)過程

活塞流反應(yīng)器是一種連續(xù)流動反應(yīng)器，可以用于液相反應(yīng)，也可以用于氣相反應(yīng)。用于氣相反應(yīng)時，有些反應(yīng)，反應(yīng)前后摩爾數(shù)不同，在系統(tǒng)壓力不變的情況下，反應(yīng)會引起系統(tǒng)物流體積發(fā)生變化。物流體積的改變必然帶來反應(yīng)物濃度的變化，從而引起反應(yīng)速率的變化。1583變?nèi)莘磻?yīng)過程活塞流反應(yīng)器是一種連續(xù)4膨脹因子和膨脹率

（ExpandedFactorandExpandedRatio)

膨脹因子和膨脹率的作用：為了表征由于反應(yīng)物系體積變化給反應(yīng)速率帶來的影響。1594膨脹因子和膨脹率

（ExpandedFactoran膨脹因子160反應(yīng)式：計量方程：膨脹因子59反應(yīng)式：計量方程：161定義膨脹因子：

即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反應(yīng)計量系數(shù)的代數(shù)和除以A組分計量系數(shù)。60定義膨脹因子：即關(guān)鍵組份A的膨脹因子等于反應(yīng)計量

膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是一個定值，與其它因素無關(guān)。162膨脹因子的物理意義關(guān)鍵組分A消耗1mol時，引起反應(yīng)物系摩爾數(shù)的變化量。對于恒壓的氣相反應(yīng)，摩爾數(shù)的變化導致反應(yīng)體積變化。膨脹因子是由反應(yīng)式?jīng)Q定的，一旦反應(yīng)式確定，膨脹因子就是δA=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。163δA>0是摩爾數(shù)增加的反應(yīng)，反應(yīng)體積增加。δA<0是摩爾數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)體積減小。δA=0是摩爾數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)體積不變。62δA>0是摩爾膨脹率164

物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)，而且與其它因素，如惰性物的存在等有關(guān)，因此引入第二個參數(shù)膨脹率。膨脹率63物系體積隨轉(zhuǎn)化率的變化不僅僅是膨脹因子的函數(shù)165膨脹率的概念：

即A組分的膨脹率等于物系中A組分完全轉(zhuǎn)化所引起的體積變化除以物系的初始體積。64膨脹率的概念：即A組分的膨脹率等于物系中A組分完全膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導出：166其中：

膨脹因子與膨脹率的關(guān)系可以推導出：65其中：

5變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系167

恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃度、摩爾分率可以由以下推導得到。5變?nèi)葸^程轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系66恒壓變?nèi)蒹w系中各組分濃168對于A組分：67對于A組分：

例題2-5均相氣相反應(yīng)A→3R，其動力學方程為-rA=kcA，該過程在185℃，400kPa下在一平推流反應(yīng)器中進行，其中k=10-2s-1，進料量FA0=30kmol/h，原料含50％惰性氣，為使反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率達80％，該反應(yīng)器體積應(yīng)為多大?169例題2-5均相氣相反應(yīng)A→3R，其動力學方程為-rA170解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A→3R

已知yA0=0.5，因此εA=yA0·δA=1

平推流反應(yīng)器設(shè)計方程69解：該反應(yīng)為氣相反應(yīng)A→3R已知yA0=0.5，1717017271

例2-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進料裂解制乙烯。年設(shè)計生產(chǎn)能力為14萬噸乙烯。反應(yīng)是不可逆的一級反應(yīng)，要求乙烷轉(zhuǎn)化率達到80％，反應(yīng)器在1100K等溫，恒壓600kPa下操作，已知反應(yīng)活化能為347.3kJ·mol-1

，溫度1000K時，k=0.0725s-1

。設(shè)計工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器。173例2-6在一個平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進料裂解制乙烯。反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：174解：設(shè)A為乙烷，B為乙烯，C為氫氣反應(yīng)器流出的乙烯的摩爾流率是：73解：設(shè)A為乙烷，B為乙烯，175進料乙烷的摩爾流率是：74進料乙烷的摩爾流率是：176計算1100K時反應(yīng)速率常數(shù)：75計算1100K時反應(yīng)速率常數(shù)：177膨脹因子：膨脹率：76膨脹因子：膨脹率：進口體積流量：178

平推流反應(yīng)器設(shè)計方程進口體積流量：77平推流反應(yīng)器設(shè)計方程179786流體在平推流反應(yīng)器中的真實停留時間

由平推流反應(yīng)器的定義可知，流體在反應(yīng)器內(nèi)不存在任何返混，所有流體微元的真實停留時間都等于平均停留時間。1806流體在平推流反應(yīng)器中的真實停留時間由平推流反應(yīng)器的

●如果反應(yīng)物系