化學反應工程第三章第1頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一第三章均相反應過程2§3.4§3.5§3.6§3.7第2頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一教學目標掌握等溫間歇反應器反應時間、反應體積的計算方法；理解流動反應器空時和空速的概念及其應用；掌握定態(tài)下連續(xù)釜式反應器反應體積及產物組成的計算方法；掌握連續(xù)釜式反應器串聯(lián)或并聯(lián)操作的計算及熱量衡算與應用；根據不同的反應類型能正確地選擇釜式反應器的加料方式、連接方式、原料配比及操作溫度；理解全混流反應器的多定態(tài)特性、著火現(xiàn)象和熄火現(xiàn)象；了解半間歇反應器的計算方法教學重點等溫間歇反應器反應時間、反應體積的計算；流動反應器空時的概念；連續(xù)釜式反應器（全混流反應器）反應體積及產物分布的計算；連續(xù)釜式反應器串聯(lián)或并聯(lián)操作的計算；釜式反應器的加料方式、連接方式、原料配比及操作溫度的選擇3第3頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一§3.1概述均相反應工業(yè)化過程中要解決的問題大致有三：4反應動力學方程的建立與應用；反應器型式與操作方式的選擇；反應器大小及其生產能力的計算流動與混合a)層流（一）層流與湍流b)湍流第4頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一5c)理想排擠流反應物料以一致的方向與流速向前運動，在流動方向上象活塞一樣有序向前移動。（二）理想排擠流與理想混合流1）任一徑向截面上各處的流速完全相等；2）所有物料顆粒在反應器中的停留時間均相同第5頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一6反應原料以穩(wěn)定流率v0流入反應器，剛進入的新鮮物料與存留在反應器中的物料瞬間達到完全混合，反應器出口處反應物料以同樣的穩(wěn)定v0流量流出d)理想混合流1)釜內物料的濃度和溫度處處相等，且等于出口處的物料的濃度與溫度；2)返混達到最大限度，物料在釜內停留時間有長有短。第6頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一7空時、空速、停留時間與反應時間空時，又稱為空間時間，定義為反應器體積VR與流體進反應器的體積流量v0的比值空時的單位是時間，是度量連續(xù)流動反應器生產強度的一個參數。如空時為1min，表明每分鐘可以處理與反應器體積相等的物料量。空時越大，反應器生產強度越小第7頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一

空速，為空時的倒數，定義為空速的單位是[時間]-1，其物量意義是單位時間通過單位反應器容積的物料體積。如空速為10min-1，表示每分鐘能處理進口物料的體積為反應器體積的10倍。第8頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一停留時間，指的是從反應物料進入反應器時算起到離開反應器時為止所經歷的時間，定義為：對于恒容過程，系統(tǒng)物料的密度不隨反應轉化率而變，即v=v0，所以空時和停留時間兩者相等。對于非恒容過程，反應器內物料的體積流率v隨反應轉化率而變化，因此空時和停留時間兩者就有差異。反應時間，指的是從反應物料加入反應器后實際進行反應時算起至反應到某一時刻所需的時間。第9頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一10§3.2簡單反應器反應器的分類（緒論）操作方式的分類（緒論）反應器設計的基本內容和基本方程（緒論）【前景知識回顧】第10頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一11§3.2.1間歇(攪拌)反應器(BatchReactor)反應物料按一定配比同時投入反應器，經過一定時間達到額定轉化率后，停止反應并排出物料，完成一個生產周期，——所有物料具有相同的反應時間；劇烈攪拌，器內物料濃度達到分子尺度上的均勻，濃度處處相等，排除物質傳遞對反應的影響；足夠的傳熱條件，器內各處溫度始終相等，無需考慮反應器內的熱量傳遞；第11頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)點：操作靈活，易于適應不同操作條件和不同產品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產，特別是精細化工、生物化工產品的生產缺點：裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時間；產品質量不易穩(wěn)定12間歇（攪拌）反應器的優(yōu)點與缺點第12頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一13在間歇反應器中，劇烈攪拌，器內物料的濃度和溫度達到均一，對整個反應器中關鍵組分A進行物料衡算，則有：間歇操作中，物料A輸入量和流出量都等于零，故有可導出，§3.2.1.1間歇反應器性能的數學描述第13頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一14當反應總體積不變時，，則有分離變量和積分運算后，可得到在間歇反應器中，反應物料達到一定轉化率所需的反應時間，只取決于過程的速率，而與反應器的大小無關；上式對大型或小型設備均適用。第14頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一15圖間歇反應過程t/cA0的圖解積分圖間歇反應過程t的圖解積分第15頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一16第16頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一17間歇反應器的反應體積是指反應物料在反應器中所占的體積，取決于單位生產時間所處理的物料量和每批生產所需的操作時間；式中，v0—體積流率，

單位時間所處理的物料量，m3/h；tT

—每批物料的操作時間，等于反應時間t與輔助時間t0之和。反應器的實際體積應大于反應體積，即：式中，?—裝料系數，對不沸騰不起泡的物系取0.7~0.8，對沸騰或起泡的物系取0.4~0.6第17頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一18【例1】某廠生產醇酸樹脂是使己二酸和己二醇以等摩爾比在70℃用間歇釜并以H2SO4作催化劑進行縮聚反應而生產的，實驗測得反應的動力學方程式為：（1）求己二酸轉化率分別為xA=0.5、0.6、0.8、0.9所需的反應時間為多少？（2）若每天處理2400kg己二酸，轉化率為80%，每批操作的非生產時間為1hr，計算反應器體積為多少？設反應器的裝料系數為0.75。第18頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一19解：(1)達到所需要求的轉化率所需的反應時間為：第19頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一20隨著轉化率的增加，所需的反應時間將急劇增加；在確定最終轉化率時應該考慮這一因素。第20頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一21(2)反應器體積的計算：每批操作的非生產時間轉化率達80%時所需的生產時間，反應體積裝料系數為0.75第21頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一22【例2】：用間歇反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質量比為：A:B:S=1：2：1.35，反應液體的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程如下:100℃時，k1=4.76×10-4L/min，平衡常數K=2.92。試計算乙酸轉化35%時所需的反應體積。若反應器填充系數取0.75，則反應器的實際體積是多少？第22頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一23解：首先計算原料處理量FA0，——根據題給的乙酸乙酯產量，可算出每小時乙酸需用量為：由于原料液中乙酸:乙醇:水(質量比)=1:2:1.35，所以1+2+1.35=4.35kg原料液中含1kg乙酸；由此可求單位時間的原料液量(體積)為：原料液的起始組成如下:第23頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一24則有：代入速率方程：其中第24頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一25則反應時間為：將a、b、c的值代入上式，得：所需反應體積為：反應器實際體積為：xA0第25頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一26對于間歇反應器內的簡單反應和可逆反應(沒有副產物生成)，優(yōu)化的目標是單位時間、單位反應體積的產量最大。設反應時間為t時的產物濃度為cP，輔助時間為t0，則單位時間的產物生成量為求導得：§3.2.1.2間歇反應器的最優(yōu)反應時間第26頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一27當時，F(xiàn)P將取最大值；故單位時間反應量最大條件為：圖間歇反應器最優(yōu)反應時間的圖解法第27頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一28【例3】欲用一間歇反應器在為100℃、催化劑硫酸的質量分數為0.032%的條件下，由乙酸和丁醇生產乙酸丁酯經研究當丁醇過量時，此反應可視為乙酸濃度為二級反應，在上述反應條件下，其反應速率方程為,反應速率常數為，若原料中丁醇和乙酸的物質量比為5：1，要求乙酸丁酯的生產速率為100kg/h，兩批反應時間之間裝、卸料等輔助操作時間為30min。試問為完成上述生產任務，反應器的最小容積為多少？(因為丁醇大大過量，反應混合物的密度可視為恒定，等于0.75g/cm3)第28頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一29解：丁醇和乙酸相對分子質量分別為74和60，所以反應混合物中乙酸的初始濃度為：乙酸丁酯的相對分子質量為116，要求的生產速率為：對二級反應，轉化率和反應時間的關系為：根據化學計量關系可知，乙酸丁酯濃度和反應時間的關系為第29頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一30令上兩式相等，可得化簡得第30頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一31此時乙酸丁酯的濃度為于是反應器容積為此即為完成該生產任務所需的反應器最小容積。第31頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一—常稱為活塞流式(或理想排擠式)反應器，多指假想反應器內徑向不存在濃度梯度與溫度梯度，軸向沒有任何混合的管式反應器平推流流體反應物料以穩(wěn)定的流率進入反應器，在流動方向上象活塞一樣有序向前移動，任一徑向截面上各處的流速完全相等§3.2.2平推流反應器(Plug/PistonFlowReactor)第32頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一垂直于物料流動方向的任一截面上物料的所有參數，如溫度、濃度、壓力、流速都均勻；即：徑向任一截面上的流速均勻，且不存在濃度或溫度分布；連續(xù)定態(tài)下，垂直于物料流動方向的各個截面上的各種參數是位置的函數；即：徑向不同截面上的各種參數均與截面所在的位置有關；軸向不存在流體質點間的混合；故所有物料質點在反應器中具有相同的停留時間，且不存在返混。PFR具有的特點：第33頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一34圖平推流反應器軸向濃度分布示意圖第34頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一沿反應器軸向位置取長度為dl的一個微元管段作為反應器的體積微元，對其中關鍵組分A作物料衡算有：平推流反應器的數學模型第35頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一，只要滿足平推流這一假定前提，無論是等溫、變溫或反應過程中反應物料的總物質的量是否發(fā)生變化均可適用對整個反應器而言，以邊界條件：l=0，xA=0；l=L，xA=xAf進行積分，則有第36頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一37圖平推流反應器圖解示意圖與間歇反應器圖解具有完全相同的形式，PFR的反應結果也唯一地由化學反應動力學所確定第37頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一38【例4】在均相氣體反應在185oC和壓力4kgf/cm2下按照反應式在平推流反應器中進行，已知其在此條件下的動力學方程為：當進料含50%惰性氣體時，求A的轉化率為80%時所需的時間。第38頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一39解：由平推流反應器的基礎設計式開始構思，第39頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一40xA01.000.21.2240.41.5250.62.000.83.00第40頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一41用圖解法積分或辛普森數值積分法可解上式，如辛普森法：故有：第41頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一【例5】在容積為2.5m3的間歇反應器中進行均相反應，反應維持在等溫操作，實驗測得反應速率方程為：k=2.78L/(kmol.s)，當cA0=cB0=4mol/L，而A的轉化率xA=0.8時，該間歇反應器平均可處理0.684kmol/min的反應物A。今若將反應移到一個管內徑為125mm的理想流動管式反應器中進行，仍維持75℃等溫操作，且處理和所要求轉化率相同，求所需要反應器的管長。第42頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一解：cA0=cB0，且是等物質的量反應，所以反應速率方程為此反應在間歇反應器中達到要求轉化率所需反應時間為：此反應時間等于理想流動管式反應器中的空時，即第43頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一令FA0為摩爾進料流率，按題意可知反應器體積VR為管長為第44頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一一、全混流假定反應原料以穩(wěn)定流率v0流入反應器，剛進入的新鮮物料與存留在器內的物料瞬間達到完全混合，器內物料的濃度與溫度處處相等且等于出口處的溫度與濃度，反應物料以同樣的穩(wěn)定v0流量流出45§3.2.3全混流反應器(ContinuousStirred-TankReactor)第45頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一二、CSTR的特點反應器中的各種操作參數(如濃度、溫度等)不隨時間變化，也不隨位置變化；出口處物料的濃度、溫度等于反應器內物料的濃度、溫度；物料質點在反應器內停留時間有長有短，存在不同停留時間物料的混合(即返混)，且返混程度無窮大；器內的反應速率在各點均相同，且不隨時間變化，即為等速反應器全混流反應器，定態(tài)操作*時具有以下特點：46第46頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一三、CSTR的基本設計方程在全混流反應器內進行等溫恒容液相反應，對關鍵組分A在整個反應器內進行定常態(tài)物料衡算：47第47頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一48圖CSTR圖解計算示意圖第48頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一均相反應動力學方程常以冪函數的形式表示為：全混流動釜式反應器的基本設計方程為：聯(lián)合兩式，可解得在一定處理量和反應轉化率的情況下所需要反應器體積的大小，或者對某一反應器在確定生產能力條件下所能達到的反應程度等。49四、CSTR中的均相反應第49頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一50表PFR和CSTR中反應結果比較第50頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一【例6】液相反應在120℃時正、逆反應速率常數分別為k1=8L/(mol·min)，k2=1.7L/(mol·min)反應在全混流釜反應器中進行，其中物料容量為100L，兩股進料流同時等流量倒入反應器，其中一股含A3.0mol/L，另一股含B2.0mol/L，求當組分B的轉化率為80%時，每股料液的進料流量應為多少？51第51頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一解：假定在反應過程中物料的密度恒定不變，當B的轉化率為0.8時，在反應器中和反應器出口流中各組分的濃度應為52第52頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一由于是可逆反應，有對于連續(xù)流動釜式反應器：所以，兩股進料流中每一股進料流量為：53第53頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一【例7】在全混流反應器中進行丁二烯(A)和丙烯酸甲酯(B)反應生成環(huán)已烷甲酸甲酯(C)的液相反應：，以氯化鋁(P)為催化劑，反應溫度20℃，液料的體積流率0.5m3/h，丁二烯和丙烯酸甲酯的初始濃度分別為CA0=96.5mol/m3和CB0=184mol/m3，催化劑的濃度CP=6.63mol/m3，速率方程(-rA)=kCACP，式中k=1.15×10-3m3/(mol.ks)，若要求丁二烯轉化率為40%，求反應器體積。54第54頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一解：55第55頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一【例8】在全混流反應器中一級不可逆反應液相反應，已知反應速率、速率常數與原料起始組成分別為：若轉化率xA=0.7，裝置的日生產能力為50000kg產物R，求50℃等溫操作時進料容積流速v0？所需反應器的有效容積？56第56頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一解：57第57頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一58§3.3組合反應器并聯(lián)：擴大生產能力。通常要求每個平行支線上的τ或V/F均相同。串聯(lián)：提高xA；降低cA。PFR：避免反應管過長而受到設備制造、安裝、操作等限制；CSTR：降低返混的影響，提高過程推動力。循環(huán)反應器：使原為PFR具有CSTR的某種特征。多個簡單反應器常見的組合操作方式：第58頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一59§3.3.1

PFR的串聯(lián)、并聯(lián)或并串聯(lián)1.串聯(lián)：設x1、x2、…、xN為反應組分A離開反應器1#、2#、…、N#時的轉化率，作物料衡算有：PFR-1PFR-2PFR-n…——若每個反應器內的溫度相同、(-rA)在[0，xN]區(qū)間連續(xù)變化時，則總體積為VT的N個PFR的串聯(lián)操作，與一個具有體積為VT的單個PFR獲得的轉化率相同。第59頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一602.并聯(lián)與并串聯(lián)：對單個反應器中的反應組分A作物料衡算仍有：，此外對每個并行線上要求V/F或τ相同【例9】在如下圖所示的PFR的并串組合，求總進料流中進入支線A的分率為多少？解：即：總進料流中進入支線A的分率為2/3。第60頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一61圖單釜和多釜串聯(lián)操作時的反應物濃度水平§3.3.2

CSTR的串聯(lián)第61頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一62圖單釜和多釜串聯(lián)操作時的反應器體積比較----在相同操作條件下，達到相同轉化率要求時，三釜相串聯(lián)的陰影面積較小，即三釜串聯(lián)的總反應體積要比單釜的反應體積小；也就是說，三釜串聯(lián)時單位反應體積的生產能力比單釜的單位反應體積的生產能力大。cA0cAfτa)單釜cA0cAfτ1τ2τ3b)三釜第62頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一63定態(tài)操作時，對第i釜做物料衡算：導出，只要知道反應動力學方程就可進行多釜串聯(lián)操作的計算。如反應為一級不可逆反應，且各釜的體積和操作溫度均相同，則有：或或第63頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一64圖多釜串聯(lián)操作時的圖解法第64頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一65【例10】：應用串聯(lián)全混流反應器進行一級不可逆反應，假設各釜的容積和操作溫度均相同，已知在該溫度下的速率常數k=0.92h-1，原料的進料速率v0=10m3/h，要求最終轉化率為0.90。試計算當串聯(lián)釜數N分別為1、2、3、4、5、10、50和100時的反應器總體積。如果應用間歇反應器操作，計算不考慮輔助生產時間條件下所需間歇釜的體積。第65頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一66解：由，可導出可得相應于N值下的總體積，其計算結果列于下表：N個123451050100V(m3)97.847.037.633.831.828.125.625.3第66頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一67對間歇操作，所需反應時間t為：根據處理能力要求，其反應器體積為：串聯(lián)釜數N愈多時，所需反應器體積愈小，當N>50時，已接近間歇反應器所需的體積；在N<5時增加反應器數對降低反應器總體積的效果顯著，而當N>5后，增加釜數的效果不明顯，且N愈大，效果愈??；考慮到反應器的制造、維修、操作和控制方面的原因，實際生產中的釜數常以3～4個為宜。第67頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一68【思考】下圖中(a)和(b)兩種組合方式的意義有何不同？第68頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一69§3.3.3

PFR與CSTR間的串聯(lián)圖不同型式反應器串聯(lián)的圖解計算第69頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一70圖管式循環(huán)反應器示意圖1.循環(huán)比§3.3.4循環(huán)反應器B第70頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一712.物料衡算(一)當循環(huán)比等于零時，cA1=cA0，簡化為PFR;循環(huán)比愈大，循環(huán)返回量愈多，入口濃度下降得愈厲害;當循環(huán)比趨于無窮大時，入口濃度接近于出口濃度，這時循環(huán)反應器中各處的反應物濃度接近于反應器出口濃度，具有CSTR的特征。對反應器入口前的物料匯合點A作物料衡算，可得第71頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一72對循環(huán)反應器可按理想管式反應器進行物料衡算2.物料衡算(二)由，導出又因為對循環(huán)管式反應器入口處的物料流分析可知：故有：進而推出：和第72頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一73圖不同循環(huán)比時循環(huán)反應器的性能——當循環(huán)比R=0時，與PFR相同；——隨著循環(huán)比的增大，且當循環(huán)比足夠大時，循環(huán)反應器的性能趨于CSTR的性能第73頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一74【例11】：有一自催化反應已知cA0=1mol/L，cP0=0，F(xiàn)A0=1mol/s，k=1L/(mol.s)；今在一循環(huán)反應器中進行此反應，要求達到的轉化率為98%，求：當循環(huán)比分別為R=0，R=3，R=∞時，所需要的反應器體積為多少？第74頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一75解：對于自催化反應，其反應動力學方程式為：對于任意循環(huán)比R，反應器計算的基礎設計式為：把動力學方程式代入基礎設計式，并積分可得：第75頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一761)當R=0時，即平推流反應器的情況，由于進料中沒有產物，該反應無法啟動，所以V=∞2)當R=3時，3)當R=∞時，即連續(xù)流動釜式反應器的情況，第76頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一77§3.3.5半連續(xù)操作反應器考慮反應：設在反應開始前，預先加入物料量為nB0和nA0(少量)，此時體積為V0；以穩(wěn)定流率v連續(xù)加入濃度為cA0的料液(含少量B，濃度為cB0)，液面不斷上升，體積由V0上升到V，一段時間t后，器內A、B的含量分別為nA和nB，若器內全混且等溫，并定義轉化率為：第77頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一78則有：或在微元時間dt內對組分A作物料衡算：輸入量=輸出量+反應量+累積量vcA0dt0(-rA)VdtdnA故有：vcA0dt-

(-rA)Vdt=dnA而代入得：(半連續(xù)操作反應器的基礎設計方程，自學其求解方法）第78頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一溫度是化學反應速率最敏感的影響因素。79§3.4非等溫過程溫度是化學反應速率最敏感的影響因素。為使反應器的性能達到最優(yōu)級，應該采用怎樣的反應溫度或溫度系列?§3.4.1溫度的影響圖不同反應的xA~T關聯(lián)圖（圖3-15，P53）第79頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一80對一級可逆放熱反應，在恒容過程純A加料時，有：而：當轉化率一定時，要使(-rA)最大，求d(-rA)/dT=0時的反應溫度即為最優(yōu)溫度，故有：----使反應速率最大的溫度控制軌跡(紅線)稱最優(yōu)操作溫度線。第80頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一81§3.4.2非等溫操作根據不同的反應特點和溫度效應，采用不同的操作方式，如等溫、絕熱或非等溫操作。其一般原則是：ΔrH不大、反應選擇性隨溫度變化也小的反應，常采用既不供熱也不除熱的絕熱操作；ΔrH中等的反應，先考慮絕熱操作；但應對收率、反應器大小、操作費用等衡算后，確定采用絕熱或變溫的方式；ΔrH較大的反應，在整個反應過程中進行有效的熱交換；極為快速的反應，考慮采用絕熱操作或利用溶劑的蒸發(fā)來控制溫度。第81頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一82物料衡算式熱量衡算式動力學方程聯(lián)立求解濃度分布溫度分布圖非等溫過程設計思路示意圖第82頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一83一、BR中非等溫過程的計算定容操作的BR中熱量衡算可簡化為：即，或若為絕熱操作，則(絕熱溫升λ，隨著xA增大，T線性變化)第83頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一84【例12】：有等容下的二級液相反應在間歇操作的反應釜內進行，已知ΔrH=11800kJ/kmol，nA0=nB0=2.5kmol，V=1m3，U=1836kJ/(m2.h.K)。在70oC的恒溫條件下進行試驗，經過1.5h后，轉化率達到90%，若加熱介質的最高溫度為Tm=200oC，為達到75%轉化率，傳熱面積應如何配置？第84頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一85解：間歇反應釜中的熱量衡算式為：因過程恒溫，即dT/dt=0，故有：進而導出，又恒溫等容下二級反應速率方程為：第85頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一86由恒溫等容下的二級反應動力學方程可知：又cA0=nA0/V=2.5kmol/m3，且當t=1.5h時，xA=0.9，故有：所需傳熱表面積A的計算則為：xA00.20.40.50.60.70.75A/m20.2950.1900.1050.0740.0540.0270.0185第86頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一87二、PFR中非等溫過程的計算物料帶進的熱量：物料帶走的熱量：因反應而放出的熱量：傳向周圍環(huán)境的熱量：對微元管段dl的熱量衡算為：第87頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一88對上式整理可分別得：——變溫操作時PFR內溫度隨轉化率或管長變化的關系式。（*）熱量衡算式：第88頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一89若為絕熱操作，并略去反應熱和定壓熱容隨溫度的變化，則（*）式可簡化積分為：對恒容過程，F(xiàn)A0/Ft=yA0；當反應物全部轉化時，xA2-xA1=1，則有：（極限絕熱熱升，物系溫度可能上升或下降的極限）第89頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一90【例13】：在絕熱固定床催化反應器中進行二氧化硫氧化反應。入口溫度為420oC，入口氣中SO2物質的量為0.07mol；出口溫度為590oC，出口氣中SO2物質的量為0.021mol。在催化劑床層A、B、C三點進行測定，測得A點的溫度為620oC，正確嗎？為什么？測得B點的轉化率為80%，正確嗎？為什么？測得C點的轉化率為50%，經再三檢驗結果正確無誤，估計一下C點的溫度。第90頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一91解：1)絕熱床內溫度是線性上升的，出口處溫度最高，器內任何一點的溫度不會高于出口處的溫度，故A點620oC不可能。2)出口處SO2的轉化率為：(0.07-0.021)×100%/0.07=70%，床內任何一點的轉化率不會高于70%，故B點轉化率80%是不可能的。3)對絕熱操作有：故當xA=50%時，C點溫度為：Tc=420+242.9×0.5=541.1oC第91頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一92三、CSTR中非等溫過程的計算熱量衡算式為：物料衡算式為：反應動力學方程式為：——可解出xA與T的關系，進而求出達到額定xAf時所需的V第92頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一93§3.5反應器類型和操作方式的評選Q：工業(yè)生產中進行反應器類型和操作方式的設計或選擇時，該考慮哪些因素？A：需要考慮許多因素，如反應本身的動力學特征，生產規(guī)模的大小，設備和操作費用，操作的安全性、穩(wěn)定性和靈活性，等等。最終取決于所有過程的經濟性，而過程的經濟性，主要受兩個因素所影響：(1)達到額定生產能力所要求的反應器的大??；(2)產物分布(選擇性、收率等)。

第93頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一94反應器生產操作特點常用物系適宜反應BR間歇、小批量、多品種液相正級數、簡單、復合PFR連續(xù)、大批量、單品種氣、液相正級數、簡單、復合CSTR連續(xù)、大批量、單品種液相低級數、自催化N-CSTR連續(xù)、大批量、單品種液相任意級數、簡單、復合一、各類反應器的綜合比較第94頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一95二、簡單反應器中單一反應1)BR：2)PFR：3)CSTR：第95頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一圖PFR和CSTR不同反應級數、不同轉化率時的空時比較

(圖3-22，式3-75及式3-76)在高反應級數和高反應轉化率條件下，CSTR的生產能力將會大幅度下降96第96頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一圖PFR和CSTR的空時比較-釜式-管式在PFR和CSTR中進行同一反應，在同樣的操作條件下，前者所需的空時總比后者要小，或者說理想管式反應器所需的體積總比連續(xù)釜式反應器要小97第97頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一圖PFR和CSTR對不同級數反應的空時比較——反應級數越高，在同樣操作條件下兩種反應器中的同一反應的空時相差越大98第98頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一——在相同的初始濃度下，在同樣操作條件下兩種反應器中的同一反應，轉化率越高時，則兩者的空時相差越大99圖PFR和CSTR對不同轉化率的空時比較第99頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一對于簡單反應器中的單一的反應，在確定反應器型式時，不但要考慮反應級數n，而且要考慮所要求的轉化率的高低。級數越高，要求的轉化率也高時，宜采用平推流反應器或多釜串聯(lián)式反應器。100小結對于簡單反應器中的單一的反應，在確定反應器型式時，不但要考慮反應級數n，而且要考慮所要求的轉化率的高低。第100頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一101三、組合反應器中單一反應1.不同大小的CSTR串聯(lián)操作第101頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一102圖長方形法面積法求最優(yōu)中間轉化率xA和反應器體積最優(yōu)大小比率兩個不同大小CSTR串聯(lián)時，其體積大小比率最優(yōu)值出現(xiàn)在速率曲線斜率等于空白矩形對角形斜率的B點，同時B點也預示著最優(yōu)中間轉化率。用串聯(lián)CSTR進行n級反應時，n>1時，沿物料流動方向，各釜體積依次增大，即小釜在前，大釜在后；2)0<n<1時，大釜在前，小釜在后；3)n=1時，各釜體積相等；4)n≤0時，串聯(lián)無必要。第102頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一1032.PFR與CSTR串聯(lián)操作(僅討論(-rA)隨cA單調變化的反應）需維持高濃度反應時需維持低濃度反應時第103頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一104四、復合反應的反應器選擇1.平行反應或平行反應優(yōu)化的目標不僅是反應過程的速率，而且必須考慮反應的選擇性；在多數情況下，矛盾的主要方面是反應的選擇性。第104頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一105單組分A的平行反應，產物P瞬時選擇率的溫度效應第105頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一106單組分A的平行反應，產物P瞬時選擇率的濃度效應第106頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一107雙組分A的平行反應，若有：則為得到最大的產物P，應使rP/rS比值最大，可通過控制物料進料方式方法和合適的反應器流動模型來實現(xiàn)。（見表3-5和表3-6，P68）第107頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一108若各步反應均為一級反應，則有（其中，求解的邊界條件：t=0時，cA=cA0,cP0=cS0=0）聯(lián)合求解2.串聯(lián)反應第108頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一109圖串聯(lián)反應的濃度與時間的關系示意圖cAcAcAcPcPcPcScScS(a)(b)(c)第109頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一110串聯(lián)反應的選擇率串聯(lián)反應的收率（當cP0=0時）第110頁，共122頁，2023年，2月20日，星期一1113.

串聯(lián)反應選擇率的溫度效應串聯(lián)反應選擇率的溫度效應取決于比值k1/k2的大小，即選擇率的高低取決于主、副反應活化能的相對太?。簧邷囟葘罨芨叩姆磻欣?，降低溫度則有利于活化能低的反應，活化能相等則選擇率與溫度無關。4.串聯(lián)反應選擇率的濃度效應cP