第九章均相反應過程5/3/20231第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三均相反應是指所有參加反應的物質處于同一相內的化學反應。

間歇操作釜式反應器連續(xù)操作管式反應器連續(xù)操作釜式反應器多釜串連反應器本章重點研究在均相反應器內物料流動狀態(tài)對于反應過程的影響。

5/3/20232第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§1均相反應動力學5/3/20233第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三均相反應動力學的描述多采用冪函數模型簡單反應：可逆反應：平行反應：k1RSAk2Ak1k2R5/3/20234第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三串連反應：不同的反應器如何影響濃度與溫度？化學反應速率受反應物料濃度和反應溫度的影響，分別稱為“溫度效應”和“濃度效應”，其它條件絕大多數都是通過濃度或溫度的改變來影響化學反應速率的。

5/3/20235第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§2間歇操作反應器（BSTR）5/3/20236第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三分批操作，所有物料的停留時間相同，物料在反應器內混合均勻，不存在濃度梯度和溫度梯度。

反應轉化率隨時間的變化規(guī)律取t~t+dt的時間間隔進行衡算：VRCA原有A的量＝剩余A的量+反應消耗A的量特點：5/3/20237第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三解析法：簡單一級反應簡單二級反應5/3/20238第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三數值積分圖解法方法：由實驗測出多組xA與(-rA)或CA與(-rA)數據，繪出變化曲線，根據積分區(qū)間，陰影部分的面積即為所需的反應時間。反應動力學模型不知或太復雜，難以分析求解5/3/20239第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三計算反應器有效容積VRt：反應時間，ht′：每批加料、出料、清洗等操作的輔助時間日處理量：生產任務所規(guī)定，[m3/天]裝料系數不沸騰沸騰5/3/202310第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§3連續(xù)操作管式反應器5/3/202311第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

特點：物料流動處于湍流狀況時接近平推流。

反應轉化率隨時間的變化規(guī)律對微元體積dVR中的組分A物料衡算進入微元體A的量＝離開微元體A的量+反應消耗A的量與BSTR形式一樣5/3/202312第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

解析法：一級反應：二級反應：當反應前后物質的量發(fā)生變化，對于氣相n級反應：5/3/202313第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三數值積分圖解法P349例9-25/3/202314第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§4連續(xù)操作釜式反應器（CSTR）5/3/202315第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三操作特性：定常態(tài)操作物料在反應器內被充分攪拌，混合均勻時接近于全混流反應器。5/3/202316第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三對反應器內的組分A物料衡算：進入反應器量＝

離開反應器量+反應消耗量

反應轉化率隨空間時間的變化規(guī)律:5/3/202317第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三解析法：簡單一級反應：

簡單二級反應：5/3/202318第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

數值積分圖解法全混流反應器因其解析式簡單，一般不需要圖解法。VRVR（CSTR）>VR（BSTR、PFR）VR5/3/202319第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三對于復雜化學反應，用解析法求解較復雜時，也可采用圖解法求反應釜的轉化率。CSTR反應器操作線，k=1/τ反應動力學曲線5/3/202320第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三宏觀混合與微觀混合以上我們所講的是微觀混合。宏觀混合：凝集微團尺度的均勻混合，反應器出口濃度是不同停留時間物料微團的濃度平均值。微觀混合：分子尺度的均勻混合，物料濃度均一。5/3/202321第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三兩者停留時間分布函數相同，但反應結果可能不同？設有濃度分別為CA1和CA2的兩個容積為V的物料微團：微觀混合：宏觀混合：反應結果比較當n=1時，當n>1時，當n<1時，5/3/202322第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§5多釜串連反應器（n-CSTR）5/3/202323第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

操作特性：由幾個全混流反應器串聯而成。假設：有N個連續(xù)操作攪拌釜串聯，釜內物料流動狀況均為全混流，各釜有效容積VR相同，定常態(tài)流動，反應前后無物質的量變化。

反應轉化率隨空間時間的變化規(guī)律5/3/202324第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三i級對任意一級組分A做物料衡算：物料流經整個反應器的空間時間：多釜串連的總有效容積：VRCA5/3/202325第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三解析法：一級反應：因為各級有效容積相同,且做定常態(tài)流動：第N級N釜出口最終轉化率第1級第2級5/3/202326第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三圖解法說明N=1，CSTR；級數越大，越接近平推流；N→∞=PFR。一般不超過5級。已知轉化率圖解容積或空間時間:①（三個面積相等）VR相同時；②5/3/202327第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三已知τ圖解各釜出口轉化率和串連釜數:原理：步驟：-rA圖9-11多釜竄聯圖解計算法用已知動力學數據作-rA對xA的曲線MN。在xA軸上標出最終轉化率xA,N從原點出發(fā)逐級做全混流操作線，逐級圖解，直至求出最終一釜出口轉化率≥xA,N為止，在MN曲線上的交點數，即為串聯釜數。5/3/202328第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§6均相反應過程優(yōu)化和反應器選擇絕大多數是恒溫恒壓下進行，因此返混程度對反應結果影響很大。5/3/202329第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6-1以生產強度為優(yōu)化目標

生產強度：單位容積反應器的處理物料能力。若處理量和要求達到的最終轉化率一定時，V越小，生產能力越大。5/3/202330第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

說明反應級數愈高，要求的反應轉化率越高，返混對反應速率的影響也愈大，有效容積差別也愈大，可見圖9－13。間歇操作攪拌釜從圖示看與平推流相同，但因為批式操作，輔助時間長，故所需V>V平。N=0，(-rA)與CA無關，返混對反應速率不產生影響，各種型式反應器所需容積相同。自催化反應：(－rA)與生成物濃度有關，返混程度越大越有利于反應，此時全混流反應器所需容積最小。5/3/202331第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三圖9-13不同轉化率不同級數5/3/202332第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三6-2以產率和選擇性為優(yōu)化目標對于復雜反應，應考慮返混對產物分布的影響：平行反應過程優(yōu)化降低CA可抑制副反應，全混流反應器對選擇性最有利;(1)n1<n2升高CA可抑制副反應，活塞流反應器或間歇攪拌釜較合適；選擇性與CA無關，各種連續(xù)操作的反應器皆可應用。(2)n1>n2(3)n1=n2k1k25/3/202333第33頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三E1>E2時，溫度升高，k2/k1下降，有利于提高反應選擇性；反之，則不利于提高反應選擇性。在反應過程中，凡提高cR/cA的操作皆不利于提高反應選擇性。

串連反應過程優(yōu)化5/3/202334第34頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三存在一個最優(yōu)操作時間，所以控制時間很關鍵。CSTR存在很寬的停留時間分布，故一般不采用，多采用PFR或BSTR。5/3/202335第35頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三活化能較大、反應溫度較高的化學反應，對溫度十分敏感，為了強化傳熱，減少溫差，宜采用全混流反應器；反應物濃度較高易發(fā)生劇烈反應時，宜采用全混流反應器；反應速率慢、反應時間較長的化學反應，宜選用間歇操作攪拌釜或連續(xù)操作攪