1、反应工程全册配套完整课件反应工程全册配套完整课件2第一章第一章 绪论绪论 化学工程与化学工程师化学工程与化学工程师 反应工程学的历史及发展反应工程学的历史及发展 反应工程的用途反应工程的用途 相关概念相关概念 反应器的类型与操作方式反应器的类型与操作方式 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 及工业反应器的设计方法及工业反应器的设计方法本章内容1化学工程与化学工程师n化学工程与化学n化学工程师与化学家n化学工程师的具体任务与目标 解决实际问题 追求效率最大化 追求资源利用最大化 经济评价指标Engineering & EngineersnSolve practical problemsnS
2、cientists solve the problems they can, but Engineers try to solve the problems they have to;nProblem-orientednSolve practical problems efficientlynEngineers do for a penny what any fool can do for a pound.nSolve practical problems efficiently with limited resourcesnWillingness to make estimates and
3、assumptionsnMust be constantly aware of the difference between the idealized conditions under which the basic knowledge was obtained and the real conditions of their design and its environmentnFearless, embraces new challengesEngineering & EngineernQuantitative reasoningnReadiness to face open-end q
4、uestionnA habit of visualizing the solutionnInventHamlet was created;The telephone was invented;Structure of DNA was discoveredWhether you believe you can, or whether you believe you cant, you are absolutely right!Henry FordChemical EngineeringnI shall use the phrase of Chemical Engineering Science
5、to mean the aspects of science developed by chemical engineers for their own purpose in field not covered by other branch of technology.nP. V DanckwertsEducation: Winchester College; Balliol College, Oxford University; Massachusetts Institute of Technology. BA (chemistry) Oxon, 1938; SM (Chemical En
6、gineering Practice), MIT, 1948; MA Cantab 1948.Held a post in the small chemical company of Fullers Earth Union Ltd, Redhill, 1939-1940.Trends in ChemE and Chem. IndustrynDiversified application areasnRelying on broader and deeper science knowledgeChemical EngineeringUnit OperationsTransport process
7、esReaction EngineeringFundamental SciencesPhysicsChemistryBiologyMathematicsApplicationsEnergyInorganic IndustryPetrochemicalsBiochemicalsPharmaceuticalsMaterialsElectronicsTrends in ChemE and Chem. IndustrynGlobalization:nCompetitionnJob Security The ability to find another jobnSpeed is the keynSus
8、tainability: energy and environmentalRequirement for ChemE EducationnVersatilitynBe PracticalnUse fundamental theories and knowledge to solve practical problemsnMulti-scale analysis and SynthesisnAnalysis of complex systemnComprehensive usage of a broad range of knowledge Chemical Reactor: Definitio
9、nGeneral: nAn equipment or device that serves to conduct chemical reactions, i.e. convert molecules from one form to anotherNarrowed: nChemical conversion is performed for the purpose of producing or eliminating pre-determined molecular compound(s) Purpose: making or eliminating Control: safe, selec
10、tivity, performance optimization1.2 Chemical Reactor: ScaleMulti-scale AnalysisScale, mReferenceChem. Eng.107Earth diameterGlobal Scale103 105Golden Gate Bridge System Scale10 102HouseEquipment Scale10-3 10-1FrogParticle Scale10-6 10-4BacteriaColloid Scale10-10 10-7Carbon AtomMolecular ScaleJames We
11、i, Chem. Eng. Sci., 59(2004), 1641-1651 Reactor DesignnDesign tasknType nSizenOperation conditionsnScale-upnProcedurenInitial estimationnSelectionnDesign calculation20世纪世纪30年代年代 -丹克莱尔丹克莱尔(Damhhler) -梯尔梯尔(Thiele)和史尔多维奇和史尔多维奇()20世纪世纪40年代末年代末 -霍根霍根(Hougen)和华生和华生(Waston) 法兰克法兰克-卡明斯基卡明斯基(- -) )1 反应工程学的历史
12、及发展反应工程学的历史及发展化学反应与传递现象的相互关系化学反应与传递现象的相互关系 1957年年 - 首次使用首次使用“化学反应工程化学反应工程”术语术语 Amsterdam，ESCRE 60年代年代 - 快速发展期快速发展期 石油化工的大发展石油化工的大发展 计算机的发展与应用计算机的发展与应用 80年代年代 - 形成新的分支：形成新的分支： 生化反应工程生化反应工程 聚合反应工程聚合反应工程 电化学反应工程电化学反应工程1 反应工程学的历史及发展反应工程学的历史及发展International Symposia on Chemical Reaction Engineering (ISCR
13、E) NamePlaceCountryYearCo-Sponsoring OrganizationsESCRE 1AmsterdamNetherlands1957EFChEESCRE 2AmsterdamNetherlands1960EFChEESCRE 3AmsterdamNetherlands1964EFChEESCRE 4BrusselsBelgium1968EFChEISCRE 1WashingtonUSA1970ACS/AIChEISCRE 2AmsterdamNetherlands1972EFChEISCRE 3EvanstonUSA1974ACS/AIChEISCRE 4Heid
14、elbergGermany1976EFChEISCRE 5HoustonUSA1978ACS/AIChEISCRE 6NiceFrance1980EFChEISCRE 7BostonUSA1982ACS/AIChEISCRE 8EdinburghGreat Britain1984EFChEISCRE 9PhiladelphiaUSA1986ACS/AIChEISCRE 10BaselSwitzerland1988EFChEISCRE 11TorontoCanada1990ACS/AIChE/CSCEISCRE 12TorinoItaly1992EFChEISCRE 13BaltimoreUSA
15、1994ACS/AIChEISCRE 14BruggeBelgium1996EFChEISCRE 15NewportUSA1998ACS/AIChEISCRE 16CracowPoland2000EFChEISCRE 17 Hong Kong China 2002 Asia Pacific CRE 2 反应工程的用途、作用、研究内容反应工程的用途、作用、研究内容 反应动力学反应动力学 反应模式反应模式 速率方程速率方程 活化能活化能 反应器的设计与分析反应器的设计与分析 各因素（各因素（T, P, c）的变化规律）的变化规律 最佳工况最佳工况3 化学反应的转化率和收率化学反应的转化率和收率3.
16、1 反应进度 RBARBARRRBBBAAARBARRBBAAnnnnnnnnnnnn000000:)( : )( : )(即：iiinn0普遍化：Mjjijiinn10对多个反应：3.2 转化率 X该反应物的起始量某一反应物的转化量X0iinX注意： 按关键组分计 反应物的起始态3 化学反应的转化率和收率化学反应的转化率和收率3.3 收率 Y与选择性S关键组分的起始量反应产物的生成量RARY关键组分的起始量关键组分量生成某一产物所消耗的或：Y 已转化的关键组分量关键组分量生成目的产物所消耗的SXSY3 化学反应的转化率和收率化学反应的转化率和收率进入进入SO2氧化器的气体组成（摩尔分数）为：
17、氧化器的气体组成（摩尔分数）为： SO2: 3.07%; SO3: 4.6%; O2: 8.44%; N2: 83.89%离开反应器的气体中离开反应器的气体中SO2的含量为的含量为1.5%，试，试计算计算SO2的转化率。的转化率。例例13 化学反应的转化率和收率化学反应的转化率和收率丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二丁二烯是制造合成橡胶的重要原料。制取丁二烯的工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气烯的工业方法之一是将正丁烯和空气及水蒸气的混合气体在磷钼铋催化剂上进行氧化脱氢。的混合气体在磷钼铋催化剂上进行氧化脱氢。除生成丁二烯的主反应外，还有许多副反应，除生成丁二烯的主反应外，还有许多副反
18、应，如生成酮、醛及有机酸的反应。反应在温度如生成酮、醛及有机酸的反应。反应在温度350、压力、压力0.2026MPa下进行。得到反应前下进行。得到反应前后的物料组成如下。根据表中的数据计算正丁后的物料组成如下。根据表中的数据计算正丁烯的转化率、丁二烯的收率和反应的选择性。烯的转化率、丁二烯的收率和反应的选择性。例例2组分组分反应前反应前%反应后反应后%组分组分反应前反应前%反应后反应后%正丁烷正丁烷0.630.61氧气氧气7.170.64正丁烯正丁烯7.051.70氮气氮气27.026.10丁二烯丁二烯0.064.45水蒸气水蒸气57.4462.07异丁烷异丁烷0.500.48-1.20异丁烯
19、异丁烯0.130CO2-1.80正戊烷正戊烷0.020.02有机酸有机酸-0.20醛、酮醛、酮-0.10反应前后物料组成反应前后物料组成4 反应器的类型反应器的类型4 反应器的类型反应器的类型管式反应器釜式反应器4 反应器的类型反应器的类型塔式反应器塔式反应器板式塔填料塔4 反应器的类型反应器的类型固定床反应器流化床反应器床式反应器床式反应器4 反应器的类型反应器的类型移动床反应器滴流床反应器浆态床反应器4 反应器的类型反应器的类型5 反应器的操作方式反应器的操作方式AB5 反应器的操作方式反应器的操作方式间歇操作间歇操作(batch reactor, BR)连续操作连续操作(continuo
20、us stirred tank reactor, CSTR) 连续操作连续操作(PFR reactor)质量衡算：质量衡算：（关键组分（关键组分i 的输入速率）的输入速率） （i 的输出速率）（的输出速率）（i 的转化速率）（的转化速率）（i 的累积速率）的累积速率）热量衡算：热量衡算：（输入的热量）（输入的热量） （输出的热量）（反应热）（累积的热量）（输出的热量）（反应热）（累积的热量）动量衡算：动量衡算：（输入的动量）（输入的动量） （输出的动量）（动量消耗）（累积的动量）（输出的动量）（动量消耗）（累积的动量）6 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程6 反应器设计的基本方程反应器设
21、计的基本方程控制体积控制体积：可以把反应速度视为定值的最大空间范围状态变量状态变量：浓度 （质量衡算） 温度 （能量衡算） 压力 （动量衡算）自变量自变量：时间 空间 *定态过程：无时间变量7 工业反应器的放大工业反应器的放大实验室规模实验室规模实验实验小型小型试验试验中间中间试验试验大型冷模大型冷模试验试验工厂工厂设计设计建立化学模型考察物理过程对反应的影响建立物理模型检验并修正模型考察催化剂性能考察设备腐蚀情况数学模型法的步骤数学模型法的步骤w第二章第二章 反应动力学基础反应动力学基础天津大学化工学院反应工程教研组化学反应动力学化学反应动力学2.1 化学反应速率化学反应速率定义：单位时间，
22、单位体积反应物系中某一反应组分定义：单位时间，单位体积反应物系中某一反应组分的反应量。的反应量。RBARBAdtdnVrdtdnVrdtdnVrRRBBAA1,1,11. 反应速率恒为正值反应速率恒为正值 2. 按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此按不同组分计算的反应速率数值上不等，因此一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的一定要注明反应速率是按哪一个组分计算的此式并非反应速率定义式，只是在间歇反应系统中的表达方式RBARBAdndndn:不同反应组分反应速率之间关系不同反应组分反应速率之间关系 及反应速率普遍定义式及反应速率普遍定义式RBARBArrr: )( : )(rRrrrRBBA
23、A常数dtdnVrii1dtdVr1反应速率普遍表达式反应速率普遍表达式反应速率的几种表示形式反应速率的几种表示形式dtdVVcdtdcdtVcdVrAAAA)(1dtdcrAA恒容过程恒容过程间歇反应器主要用于液相反应，体积变化可忽略，视为恒容。VrFA0MdVrFAFA-dFAFA流流动动体体系系rAAdVdFr多相反应系统反应速率表示形式多相反应系统反应速率表示形式以相界面积定义反应速率dWdFrAA 以催化剂重量定义反应速率AbAVArrar 对于采用固体催化剂的反应dadFrAA例题2.1 在在350度等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应，测度等温恒容下纯丁二烯进行二聚反应，测得反应系统总
24、压得反应系统总压 p 与反应时间与反应时间 t 的关系如下：的关系如下： t/min 0 6 12 26 38 60 p/kPa 66.7 62.3 58.9 53.5 50.4 46.7 试求时间为试求时间为26min时的反应速率。时的反应速率。解： 2.2 反应速率方程反应速率方程理想气体例题例题2.1图解法2.2 反应速率方程反应速率方程影响因素温度浓度压力溶剂催化剂固定固定速率方程或动力学方程定量描述反应速率和温度定量描述反应速率和温度及浓度的关系及浓度的关系式式 反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法1 基元反应2 非基元反应BABAAckcrRvBvAvRBA质量作用定律 反
25、应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法例如对于反应 反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法机理1：机理2：机理机理速率方程速率方程速率方程速率方程机理机理？ 机理未明反应机理未明反应反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法3、反应机理未知反应机理未知幂函数形速率方程可逆反应正逆反应速率常数及反应级数之间的关系？ 机理未明可逆反应机理未明可逆反应反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法对于反应对于反应 机理未明反应机理未明反应反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法根据热力学分析，反应达到平衡时：例如针对于此反应机理化学计量系数为 2 反应速率方程的确定方法反应速率方程的确
26、定方法 反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法实验测得不同时刻醋酸转化量如下表实验测得不同时刻醋酸转化量如下表 反应速率方程的确定方法反应速率方程的确定方法解： 因为丁醇大大过量，因此在此反应条件下可不考虑 丁醇浓度的影响，同时不考虑逆反应，则可假设：ktAoAeCC图解法参数拟合法图解法参数拟合法 2.3 温度对反应速率的影响温度对反应速率的影响气相反应理想气体 正逆反应活化能的关系正逆反应活化能的关系等压反应Vant Hoff 方程Relationship?可逆反应 正逆反应活化能的关系正逆反应活化能的关系 温度对可逆反应速率的影响温度对可逆反应速率的影响可逆反应 温度对可逆反应速率
27、的影响温度对可逆反应速率的影响 温度对可逆反应速率的影响温度对可逆反应速率的影响温度低温度高最佳温度 可逆放热反应的最佳反应温度可逆放热反应的最佳反应温度0反应达到平衡时 可逆放热反应的最佳反应温度可逆放热反应的最佳反应温度可逆放热反应的最佳反应温度确定实例可逆放热反应的最佳反应温度确定实例求可逆放热反应在不同反应条件下的最佳反应温度已知：可逆放热反应的最佳反应温度确定实例可逆放热反应的最佳反应温度确定实例解: (1) 混合气的组成为：可逆放热反应的最佳反应温度确定实例可逆放热反应的最佳反应温度确定实例（2）（3）2.4 复合反应复合反应反应中任何一个反应都不可能由其他反应经过线性组合而得到例
28、如：（2）（1）（3）（1）（3）（2）独立反应数为2复合反应体系独立方程数的确定方法复合反应体系独立方程数的确定方法复合反应的基本类型复合反应的基本类型各个反应独立进行，互相不影响但变容反应过程速率会受一定影响A的反应速率P的瞬时选择性：复合反应的基本类型复合反应的基本类型ACSACS浓度高有利于反应级数大的反应S与温度T无关TS TS温度升高有利于活化能大的反应复合反应的基本类型复合反应的基本类型瞬时选择性综合选择性综合收率AXAASdXXSY00复合反应的基本类型复合反应的基本类型例如：422222ONNOONO连串反应中各组分浓度随时间变化2.4.3 反应网络反应网络实际的反应体系中既
29、有连串反应，又有平行反应，往往构成一个网络，因此称之为反应网络反应网络例如：萘氧化反应反应体系的简化方法主要取决于反应物系的特性针对于反应组分十分复杂的物系，一般是将性质相近的物质合并为一种虚拟物质进行对待：例如催化裂化反应：2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分反应过程中经常伴随着反应体积的变化，对此体系浓度的变化对反应速率的影响如何处理？2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分*根据上述两式
30、就可以对方程进行积分，得出转化率随时间的变化普遍化的浓度、分压、摩尔分率表达式（变容系统）2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分例如：针对气相反应 ABP11/12.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分)(BXfrB2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分解：)(BXfrB2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分独立反应数为M2.5 反应速率方程的变换与积分反应速率方程的变换与积分2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附催化剂的作用：改变化学反应的速度（提高主反应速率、改善反应选择性）例如：2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附多相催
31、化反应反应物的吸附表面反应产物的脱附例如多相催化反应2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附 十分 重要2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附 单分子吸附2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附 双分子吸附 多分子吸附2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附 解离吸附平衡时2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附(考虑到吸附表面吸附的不均匀性的模型)daEEq2.6 多项催化与吸附多项催化与吸附另外一种吸附等温式：0, 0AAp1可能大于A2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学1.例如：反应2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学2. 速率控速率控制制 步骤并非步骤并非 一成不变一成不变其他各步近似认
32、为达到平衡2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学反应速率由表面反应速率决定其他各步达到平衡活性位分率归一性2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学其中：2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学反应速率由A吸附净速率决定其他各步达到平衡活性位分率归一性2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学反应速率由R脱附净速率决定其他各步达到平衡活性位分率归一性BAPRBBAAPRBAppKKPKpKKpppk1)/(2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学2.7 多项催化反应动力学多项催化反应动力学2.8 动力学参数的确定动力学参数的确定吸附
33、平衡常数（吸附热和指前因子）反应速率常数（活化能和指前因子)反应因子2.8 动力学参数的确定动力学参数的确定2.8 动力学参数的确定动力学参数的确定例题：29 ， 2102.8 建立速率方程的步骤建立速率方程的步骤（1）设想各种反应机理，导出不同的速率方程（2）进行反应动力学实验，测定所需的动力学数据（3）根据实验数据对可能的速率方程进行筛选 和参数估值，确定合适的速率方程*反应级数不能大于3，反应速率常数和吸附平衡常数 不能为负*速率方程形式力求简单，不求普遍，实验过程中注意 消除扩散影响w第三章第三章 釜式反应器釜式反应器天津大学化工学院反应工程教研组第三章：釜式反应器特征：反应器内各处温
34、度特征：反应器内各处温度和浓度均一且与出口一致和浓度均一且与出口一致3.1釜式反应器的物料衡算式连续釜式反应器间歇釜式反应器代代数数方方程程微微分分方方程程3.2等温间歇釜式反应器的计算单一反应单一反应3.2等温间歇釜式反应器的计算反应时间 t辅助时间 t0反应体积反应器体积对于反应产量以单位时间内产量最大为优化目标3.2等温间歇釜式反应器的计算3.2等温间歇釜式反应器的计算图解法求解3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）A物料衡算P物料衡算3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）多个平行反应3.3等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）解：解：t=3hCA0=2kmol/m33.3等温间歇
35、釜式反应器的计算（复合反应）积分3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）以目的产物P的收率最大为优化目标可得最佳反应时间反应时间3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）例例3.3 在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应在间歇釜式反应器中等温下进行下列反应NH3 + CH3OH CH3NH2 + H2Ok1(A)(M)(B)CH3NH2 + CH3OH (CH3)2NH + H2Ok2(B)(M)MAcckr11MB22cckr k2/k1=0.68,计算一甲胺的最大收率和与其相计算一甲胺的最大收率和与其相应的氨转化率。应的氨转化率。(A)(B)3.3
36、等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）解：氨的转化速率为解：氨的转化速率为MAAAcckdtdcr11)(R一甲胺的生成速率为一甲胺的生成速率为MBMABBcckcckdtdcrr2121R 112ABABcckkdcdcBABAAAYccXcc00 ),1 ()1 (112ABABXkYkdXdY0 , 0BAYXIC: )1 ()1(/1112/12AkkABXXkkY3.3等温间歇釜式反应器的计算（连串反应）当YBYBmax时0ABdXdY )1 ()1(/1112/12AkkABXXkkY)1/(12112)/(1kkAkkX7004. 0)68. 0/1 (1)168. 0/(1AXk
37、2/k1=0.684406. 07004. 01 ()7004. 0168. 01168. 0max,BY实际上第二个反应生成的二甲胺还可和甲醇反应实际上第二个反应生成的二甲胺还可和甲醇反应生成三甲胺，若考虑这个反应，对上述一甲胺的生成三甲胺，若考虑这个反应，对上述一甲胺的最大收率是否有影响，试分析原因？最大收率是否有影响，试分析原因？3.4连续釜式反应器的反应体积对稳态操作，有：对稳态操作，有：0dtdni 单一反应AAArrccQV)(00)()(000AfAAfAAfAAfArXrXcXrXcQV 等温等温CSTR 的计算的计算 空时与空速的概念空时与空速的概念进料体积流量反应体积0QV
38、r空时（因次：时间）rAArVcFVQ0001空速-1:时间因次 空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。空速越大，反应器的原料处理能力越大。*工业上有许多不同的空速定义，使用时注意3.4.2 等温连续釜式反应器的计算（复合反应）等温连续釜式反应器的计算（复合反应） 平行反平行反应应（主反应）（主反应）（副反应）（副反应）PAQAAPckr1AQckr2AAfArckkXcQV)(2100AprckcQV10Vr、XA、YP三者关系三者关系3.4.2 等温连续釜式反应器的计算（复合反应）等温连续釜式反
39、应器的计算（复合反应） 连串反应连串反应QPAkk21AAfArckXcQV100pAprckckcQV210Vr、XA、YP三者关系三者关系等温等温CSTR 的计算的计算例题3.4 和例题3.5 思考：针对于一正级数的反应，如果不考虑间歇操作时的辅助时间，同时当连续操作时的空时与间歇操作时的操作时间相等时，哪种操作的转化率高？Why?3.5 CSTR的串联与并的串联与并联联 思考：思考： 1.用一个大反应器好还是几个小反应器好？用一个大反应器好还是几个小反应器好？ 2.若几个小反应器，是串联好还是并联好若几个小反应器，是串联好还是并联好 ？ 3.若几个小反应器，则各釜的体积是多少？若几个小反
40、应器，则各釜的体积是多少？3.5 CSTR的串联与并的串联与并联联 简单分析1/(-RA）XA0XA1XA2ABDEFHK1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP正常动力学正常动力学反常动力学反常动力学CSTR反应体积几何图示反应体积几何图示BR正常动力学正常动力学反常动力学反常动力学反应体积几何图示反应体积几何图示1/(-RA）XA0XA1XA2AB1/(-RA）XA0XA1XA2GMNEFHP间歇釜式反应器反应体积的图示3.5 CSTR的串联与并的串联与并联联 1.正常动力学，转化速率随转化率增加而降低，多釜串联 优于单釜操作，总反应体积小；2.反常动力学，转化速率随转化率增加而增加
41、，单釜操作 优于多釜串联，总反应体积小；单釜过大，难于加工时，需要用若干小釜。对于单釜过大，难于加工时，需要用若干小釜。对于具有正常动力学的反应采用串联方式；反常动力具有正常动力学的反应采用串联方式；反常动力学，则应各釜单独操作，即采用并联方式。学，则应各釜单独操作，即采用并联方式。Vr1Q01XA1c1Vr2XA2c2Q02Q0cA0XAf3.5 CSTR的串联与并的串联与并联联 两釜并联，如何分配两釜并联，如何分配各釜的进料量呢？各釜的进料量呢？分配原则是保证各釜分配原则是保证各釜的空时相同，也就是的空时相同，也就是说各釜的出口转化率说各釜的出口转化率相等。这就需要各釜相等。这就需要各釜的
42、进料量与各釜的反的进料量与各釜的反应体积成正比。应体积成正比。3.5.2 串联釜式反应器计算串联釜式反应器计算0Q0iC1rV1 iC2iC1ipC1iNCiNCipC2rVrpVrNV12pN图图3.7 串联釜式反应串联釜式反应器器MjKiNprvccQVPjMjijipiprp, 2 , 1, 2 , 1, 2 , 1)(10 物料衡算式：逐釜计算逐釜计算3.5.2 串联釜式反应器计算串联釜式反应器计算1、 一级不可逆反应)1 (0AAXkcrNpXkXXQVApApAprp, 2 , 1 ,)1 ()(10各釜空时相同，且反应温度相同)1 ( 10ApApAprXkXXQVApApXXk
43、1111NNpApApkXX11111NANkX1113.5.2 串联釜式反应器计算串联釜式反应器计算 11111NANXk单个单个CSTR空时空时 总空时总空时总反应体积总反应体积NtNQ0当釜数一定，由上式即可算出达到最终转化率当釜数一定，由上式即可算出达到最终转化率X XANAN所需的空时所需的空时，从而算出所需的反应体积，从而算出所需的反应体积3.5.2 串联釜式反应器计算串联釜式反应器计算2、 二级不可逆反应222)1 (0AAAXkckcrA)()(100ApApApApArpXXXcQV201)1 (ApAApApXkcXX01210020ApAApAApAXckXckXck和和
44、XAF已知，逐釜计算可确定已知，逐釜计算可确定釜数釜数N。N已知，则要假设已知，则要假设，逐釜计算求，逐釜计算求XAF。不符，重。不符，重新假定新假定，直到达到要求，直到达到要求。3.5.2 串联釜式反应器计算串联釜式反应器计算3、 任意反应)()(100ApApApApArpXXXcQV100AppAAppAApAXcXcXR(-RA）XA0XA1XA2MNPXA3XA4Q例题3.6 和3.7自学自学3.5.3 串联釜式反应器各釜最佳反应体积串联釜式反应器各釜最佳反应体积比比w 当釜数及最终转化率已规定情况下当釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的为使总的反应体积最小反应体积最小,各釜反应体
45、积存在以最佳比例。各釜反应体积存在以最佳比例。ANANANApApApApApApAAAAAAArNrrrXXXXXXXXXXcQVVVVRRRRR111121210100210AprXV3.5.3 串联釜式反应器各釜最佳反应体积串联釜式反应器各釜最佳反应体积比比1, 2 , 1)(1)()(1)(11100NpXXXcQXVApApApApApApAAprRRR=0 1, 2 , 1 11111NpXXXApApApApApApRRR总反应体积最小的必要条件3.5.3 串联釜式反应器各釜最佳反应体积串联釜式反应器各釜最佳反应体积比比对于一级不可逆反应：)1 ()(0AAAXkcR20)1 (
46、1)(1ApAApApXkcXR 1, 2 , 1 11111NpXXXApApApApApApRRR1, 2 , 111111NPXXXXXXAPAPAPAPAPAP3.5.3 串联釜式反应器各釜最佳反应体积串联釜式反应器各釜最佳反应体积比比121 )1 ()()1 ()(010010100,N-, pXkcXXcQXkcXXcQApAApApAApAApApA1, 2 , 1,1NpVVrprp对于一级不可逆反应而言，当串联各釜的体积相同时，对于一级不可逆反应而言，当串联各釜的体积相同时，总反应体积最小总反应体积最小对于非一级不可逆反应而言，需要采用图解法求取，对于非一级不可逆反应而言，需
47、要采用图解法求取，本课程不作要求，自己根据书中介绍自学本课程不作要求，自己根据书中介绍自学3.5.3 串联釜式反应器各釜最佳反应体积串联釜式反应器各釜最佳反应体积比比结论：串联釜式反应器中进行结论：串联釜式反应器中进行 级反应：级反应： 1，各釜体积依次增大，小釜在前，大釜在后。，各釜体积依次增大，小釜在前，大釜在后。 =1，各釜体积相等。，各釜体积相等。0 1，各釜体积依次减小。，各釜体积依次减小。 =0，串联总体积等于单釜操作的体积。，串联总体积等于单釜操作的体积。 多釜串联多釜串联单一单一CSTR 当当S随随XA增加而单调下降时增加而单调下降时3.6 釜式反应器中复合反应的收率与选择釜式
48、反应器中复合反应的收率与选择性性XASADBEF0HXAfGM当当S随随XA增加而单调上升时增加而单调上升时AfXApfBATCHSdXY0AfpfCSTRSXY达到相同转化率下的收率：达到相同转化率下的收率：间歇釜间歇釜多釜串联多釜串联 XAm ，则，则 Vrp Vrm若：若：XAf XAm ，则，则 Vrp XAm ，则，则 Vrp Vrm若：若：XAf XAm ，则，则 Vrp Vrm管式与釜式反应器反应体积的比较管式与釜式反应器反应体积的比较此时，可以：此时，可以：釜式与管式的串联釜式与管式的串联AXAmXAfX0)(1ARAfX 4.4 循环反应器循环反应器 对于单程转化率不高的情况
49、，为提高原料的利用率，将对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率，将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口，反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口，与新鲜原料一起进行反应。与新鲜原料一起进行反应。0Q0AcrV0AXAfXN0QQrReactorMAfXAAArdXcV?0)(?AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：0QQr00)1 (QQQr故故,反应器的物料处理量为：反应器的物料处理量为：在混合点处对在混合点处对A做物料衡算：做物料衡算：)1 ()1 ()1 (0000000AAAfA
50、AXcQXcQcQ10AfAXX化简后得：化简后得：用用(1)Q0 代替代替 Q0，用用 XA0代替代替 0，即，即AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00 循环反应器循环反应器分析：分析：0,00AX 时结果相当于无循环管式反应器结果相当于无循环管式反应器AfAXX0时, 结果相当于恒定转化率下结果相当于恒定转化率下的操作，即的操作，即CSTR反应器反应器 循环反应器循环反应器10AfAXX在实际操作中,只要 足够大，如： 则可认为是等浓度操作。25AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (001 1. .管式反应器的热量衡算管式反应器的热量衡算假设：假设： 管式反应器内流体流动符
