1、第三章第三章 间歇反应器及间歇反应器及理想流动反应器理想流动反应器Chapter 3 Batch Reactor and Ideal Flow Reactor 釜式反应器的组合3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器3.3 3.3 理想流动下的理想流动下的釜式反应器釜式反应器3.4 3.4 理想流动下的管理想流动下的管式反应器式反应器3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较本章内容本章内容 反应器中是化工厂的心脏，同一化学反应即使在相同反应器中是化工厂的心脏，同一化学反应即使在相同的操作条件下进行，其反应结果往往是不同的，与反应器的操作条件下进行，其反应结果往往是不
2、同的，与反应器的型式有关。的型式有关。反应器的操作有反应器的操作有间歇操作间歇操作和和连续操作连续操作 。连续操作其物料连续流入和连续流出，其流动又分为连续操作其物料连续流入和连续流出，其流动又分为稳态流动稳态流动和和非稳态流动。非稳态流动。稳态流动稳态流动是指物料在同一空间位置各质点的流量、浓是指物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和温度等不随时间而变，除此之外，为非稳态流动。在度和温度等不随时间而变，除此之外，为非稳态流动。在稳态流动下连续流动反应器内物料浓度的变化不随反应时稳态流动下连续流动反应器内物料浓度的变化不随反应时间而变。间而变。3.1 3.1 概述概述表述如下：表述如下：（1
3、1）质量平衡）质量平衡 质量输入量质量输入量-质量输出质量输出+产生量产生量-消耗量消耗量=累积量累积量 对于有扩散影响的过程，上式中的输入和输出项应包对于有扩散影响的过程，上式中的输入和输出项应包括由扩散在边界上所引起的输入和输出。括由扩散在边界上所引起的输入和输出。（2 2）热量平衡）热量平衡 热量净变化量热量净变化量+热量产生量热量产生量=热量累积量热量累积量（3 3）动量平衡）动量平衡 动量输入量动量输入量-动量输出动量输出+净作用力项净作用力项=动量累积量动量累积量 对于稳态流动，上述累积量为零。对于稳态流动，上述累积量为零。反应器的设计基于反应器的设计基于“三传一反三传一反”。“三
4、传三传”指质量、指质量、热量和动量传递，其质量平衡、热量平衡和动量平衡热量和动量传递，其质量平衡、热量平衡和动量平衡3.1 3.1 概述概述3.1 3.1 概述概述基于反应器设计方程可得结果基于反应器设计方程可得结果反应动力学方程反应动力学方程质量衡算方程质量衡算方程热量衡算方程热量衡算方程动量衡算方程动量衡算方程浓度、转化率等浓度、转化率等与反应时间关系与反应时间关系反应体积反应体积温度变化温度变化压力变化压力变化3.1 3.1 概述概述建立反应数学模型的通式建立反应数学模型的通式反应消耗反应消耗累积累积流入流入流出流出反应单元反应单元举例：举例：物料衡算方程物料衡算方程某组分流入量某组分流
5、入量=某组分反应消耗量某组分反应消耗量 +某组分累积量某组分累积量某组分流出量某组分流出量+流入流入反应单元反应单元流出流出 间歇操作间歇操作 物料一次投入反应器，待反应完成后，物料一次卸出物料一次投入反应器，待反应完成后，物料一次卸出的操作过程。的操作过程。最常用最常用釜式釜式反应器反应器，主要结，主要结构由筒体、搅拌构由筒体、搅拌装置、传动装置、装置、传动装置、轴密封装置及工轴密封装置及工艺接管组成。器艺接管组成。器内还可以根据需内还可以根据需要设置盘管。要设置盘管。Batch Reactor Batch Reactor3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器3.2 3.2 间歇反应器间歇反应
6、器特点：特点：1、由于搅拌的剧烈，反应器内物料浓度达到分子尺度的均匀，且反应、由于搅拌的剧烈，反应器内物料浓度达到分子尺度的均匀，且反应器内浓度处处相等，排除物质传递对反应的影响；器内浓度处处相等，排除物质传递对反应的影响；2、同样由于搅拌的影响，温度始终相等，无需考虑器内热量传递问题；、同样由于搅拌的影响，温度始终相等，无需考虑器内热量传递问题；3、物料同时加入且同时停止反应，具有相同的反应时间、物料同时加入且同时停止反应，具有相同的反应时间优点：优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，特别操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，特别是精细化工产品是精细
7、化工产品缺点：缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量波动大装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量波动大非稳态操作非稳态操作?000000001AAArAAAAAAAArAtxArAArAAAAdnr Vdtdxnnxdnndxr Vndtdxtdtnr V 单位时间单位时间单位时间单位时间内积流入的 流出的 反应掉的 累在反应器内物质量物质量物质量的物质量分离变量积分：3.2.1 3.2.1 等温间歇反应器的设计计算等温间歇反应器的设计计算3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器 恒容条件下（多数情况），上式可以简化成：恒容条件下（多数情况），上式可以简化成：0(1)nnnAAAArkckcX1
8、001(1)AfXAnnAAdXtkcX1ln(1)AftXk 011AAAXtkcX 例如，对于例如，对于n n级不可逆反应级不可逆反应代入间歇反应器的通用设计方程，并整理结果，得：代入间歇反应器的通用设计方程，并整理结果，得：由于由于n n为已知，上式可解析积分。例如，若为已知，上式可解析积分。例如，若n=1n=1，积分结果为，积分结果为若若n=2n=2，则积分结果为，则积分结果为3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器 如果反应速度比较复杂，即使在等温条件下设计方程也如果反应速度比较复杂，即使在等温条件下设计方程也可能无法解析积分，这时可以采用图解法或数值方法求解。可能无法解析积分，这时可以
9、采用图解法或数值方法求解。AfXArAAVdXnt00rAfXAAArdXct003.2 3.2 间歇反应器间歇反应器)(0ttQVr1.1.反应体积反应体积 t t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键定转化率时所经历的时间。计算关键t t为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和操作时间操作时间2.2.反应器的体积反应器的体积 fVVrf：装填系数：装填系数 ，由经验确定，由经验确定,一般为一般为 0.40.40.850.853.2 3.2 间歇反应器间歇反应器3.2 3.2
10、间歇反应器间歇反应器3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器 间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到；近似等温可以办到，如果热效应大时，很难做到；温度会影响到温度会影响到和反应器的生产强度等和反应器的生产强度等,很多时候变温的效果更好。很多时候变温的效果更好。,pAXYr温间歇反应器的设计计算温间歇反应器的设计计算3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器2121212T221T22331212121ab Tc Tab Tc TdTbcaTTTTTT23TrrPTPrr
11、rHHC dTCHHH 则：1、温度对反应热、温度对反应热（H Hr r）的影响）的影响 2 2、温度对化学平衡的影响、温度对化学平衡的影响212212r1211lnH11lnRTTTrTKHdTKRTKK根据第二章动力学内容：若反应热在所考虑温度范围内为常数则：由公式可得：由公式可得：平衡常数只与系统的温度有关，而与系统的压力及惰性物质是否存在平衡常数只与系统的温度有关，而与系统的压力及惰性物质是否存在等因素无关。等因素无关。虽然平衡常数不受压力及惰性物质的影响，但物料的平衡浓度和反应虽然平衡常数不受压力及惰性物质的影响，但物料的平衡浓度和反应物的平衡转化率是受这些变量的影响。物的平衡转化率
12、是受这些变量的影响。对于气体反应，压力增加，对反应后分子数减小的反应使对于气体反应，压力增加，对反应后分子数减小的反应使x xAeAe增加；对增加；对反应后分子数增加的反应反应后分子数增加的反应x xAeAe下降。下降。对所有反应，惰性组成减小所产生的影响，与压力增加的影响一样对所有反应，惰性组成减小所产生的影响，与压力增加的影响一样 对吸热反应，温度增加，平衡转化率对吸热反应，温度增加，平衡转化率x xAeAe也增加；对放热反应，温度增也增加；对放热反应，温度增加，平衡转化率加，平衡转化率x xAeAe下降下降 对对K K1 1，说明反应物可以接近完全转化，故可视为不可逆反应，说明反应物可以
13、接近完全转化，故可视为不可逆反应 变温间歇操作的热量衡算变温间歇操作的热量衡算根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：根据热力学第一定律，反应器的热量衡算为：Uq即：与环境交换的热即：与环境交换的热=内能的变化内能的变化HqdHdq 间歇釜式反应器间歇釜式反应器用焓变代替内能的变化用焓变代替内能的变化 CBACBArTHHT31 2dHTrTr298K298K为计算的基准温度为计算的基准温度3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器)(1TTcmdtcmHrpttTTpttr)(3rpttdTTTpttTdtTcmdtcmHr（单一反应）2dtVrHdHrAr123 pttr ArdHHdHHm c
14、 dTH r V dt 3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器间的平均比热容间的平均比热容为温度为温度rptTTc 为反应物的比热容为反应物的比热容ptc为反应物的质量为反应物的质量tmdtTTUAdqCh)(又：式中：式中：U U为总传热系数为总传热系数 A Ah h为传热面积为传热面积 TcTc为环境温度为环境温度ArrchpttrVHTTUAdtdTcm)(ArrchrVHTTUA)(讨论讨论等温反应等温反应绝热反应绝热反应ApttrAXcmHnTT)(00dtdXHnTTUAdtdTcmArAchptt0)(rAAAVrdtdXn03.2 3.2 间歇反应器间歇反应器0()ArptcHc
15、对于吸热反应，对于吸热反应，H Hr r00，00，温度随反应进行，温度随反应进行(或或X XA A增大增大)而降低；而降低；对于放热反应，对于放热反应，H Hr r000，温度随反应进行而升高，温度随反应进行而升高绝热温升指数（绝热温升指数（K）3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器 选择等温或非等温操作的原则选择等温或非等温操作的原则：（1 1）如反应的热效应不大，而且在一定的温度范围内，反应的选）如反应的热效应不大，而且在一定的温度范围内，反应的选择性变化很小，可采用绝热操作，但操作温度范围不得超过工艺择性变化很小，可采用绝热操作，但操作温度范围不得超过工艺许可的范围许可的范围（2 2）对
16、中等热效应的反应，一般考虑采用绝热操作，但应对收率）对中等热效应的反应，一般考虑采用绝热操作，但应对收率操作费用、反应器大小等的衡算，确定采用绝热或变温的方式操作费用、反应器大小等的衡算，确定采用绝热或变温的方式（3 3）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换，）对于热效应较大的，要求整个反应过程进行有效的热交换，例如采用列管式换热器例如采用列管式换热器（4 4）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作）对极为迅速的反应，一般考虑绝热操作3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器此原则也适用于其它类型反应器此原则也适用于其它类型反应器3.2 3.2 间歇反应器间歇反应器3.2 3.2 间歇反应
17、器间歇反应器 理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器，理想流动下的釜式反应器是指物料连续进出的釜式反应器，有的称为连续搅拌槽反应器（有的称为连续搅拌槽反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，简称简称CSTR），），CSTR是从操作形式上命名的；有的称为全混流是从操作形式上命名的；有的称为全混流反应器（反应器（Mixed Flow Reactor，简称，简称MFR），），MFR是从反应器是从反应器内物料的混合程度上命名的。内物料的混合程度上命名的。3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器 基本假定：基本假定：反应器中的物料，包括刚进
18、入的物料，都能立即完反应器中的物料，包括刚进入的物料，都能立即完全均匀地混合，即混合程度达到最大全均匀地混合，即混合程度达到最大。特点：特点：1、反应器有效容积中任意点处的组成、温度等状态反应器有效容积中任意点处的组成、温度等状态完全相同；完全相同；2、出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同。全混流反应器特征全混流反应器特征3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3.2 3.3.2 等温连续釜式反应器的设计等温连续釜式反应器的设计计算计算AfAAfArrAfAfAAArxxFVVrxFxF00000011整理得：积累量反应量
19、排出量进入量0000AAAcQxFAAfArrccQV)(000)()(00000AAfAAfArAfAAfArxxrxcQVxrxcQV基本设计方程：基本设计方程：3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器 空时与空速的概念：空时与空速的概念：空时：空时：进料体积流量反应体积0QVr（因次：时间）（因次：时间）,Q o处理能力表明rAArVcFVQ0001 空速：空速：3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器（因次：时间（因次：时间-1-1）3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器注意：空间速度不是空间时间的倒数。注意：空间速度不是空
20、间时间的倒数。001vP Ts P T0)()(00000AAfAAfArAfAAfArxxrxcQVxrxcQV全混流反应器图解计算示意图全混流反应器图解计算示意图 3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3.3 3.3.3 釜式釜式反应器的组合与设计计算反应器的组合与设计计算3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3.3.2 3.3.3.2 多级釜式反应器串联的计算
21、多级釜式反应器串联的计算假设：假设：各釜体积相同，且各釜各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，的进料可近似认为相等，则各釜的空时则各釜的空时 相等。相等。各釜操作温度相同，则各釜操作温度相同，则各釜的速率常数各釜的速率常数 k k 相等。相等。)()(r)(10010ApApApApAApApAprpXrXXcQccQV对第对第P P釜作组分釜作组分A A的物料衡算：的物料衡算：3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器对对一级不可逆反应：一级不可逆反应：)1(0AAXkcrNPXkXXQVApApAprp,2,1,)1()(10 )(r)(r)(10010ApApApA
22、pAApApAprpXXXcQccQV)1(10ApApAprXkXXQV ANNXk11)1(1)11(11NANXkN个釜个釜ApApXXk1111注意：注意：其中的其中的 为单釜空时，总空时为为单釜空时，总空时为N N 。3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器连续釜式反应器的图解计算连续釜式反应器的图解计算3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器 若反应系统处理物料量为若反应系统处理物料量为1m3/s，反应速度常数，反应速度常数k=1s-1，要求，要求最终转化率最终转化率XAN=0.9 在处理物料量和要求达到的最终转化率相同的情况下，增在处理物料
23、量和要求达到的最终转化率相同的情况下，增加级数可以减少所需的反应器总容积。同时，达到一定级数加级数可以减少所需的反应器总容积。同时，达到一定级数后，再增加级数反应器总体积减小趋势变缓，级数过多导致后，再增加级数反应器总体积减小趋势变缓，级数过多导致操作控制和维修困难等问题操作控制和维修困难等问题 工业上一般采用二级或三级串联。上述结论虽然是对工业上一般采用二级或三级串联。上述结论虽然是对一级反应导出的，但原则上同样适用于其它反应体系。一级反应导出的，但原则上同样适用于其它反应体系。3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器应用举例应用举例串联釜式反应器体积最优化串联釜式反应器
24、体积最优化 即：在釜数及最终转化率已规定情况下即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使为使总的反应总的反应体积最小体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。各釜反应体积存在一个最佳比例。.12121010021ANANANAAAAAArXXrXXrXXArNrrrcQVVVV 对单一反应，总反应体积为：对单一反应，总反应体积为：1,2,1,0NPXVApr 据此求得各釜的转化率，从而求得据此求得各釜的转化率，从而求得 ,此时此时 最小。最小。rpVrV3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下
25、的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器1.1.全混流反应器的变温操作全混流反应器的变温操作定态操作热量衡算式为：定态操作热量衡算式为：Hq3.3.5 3.3.5 釜式反应器的定态操作釜式反应器的定态操作)()()(000TTUAVrHTTcQchrATrptqH)()()(0000TTUAXcHTTcQchAATrptptTrAAcHXcTT0)(00对绝热反应，有对绝热反应，有AXTT0ptrAcHc)(0：绝热温升，表示当反应物：绝热温升，表示当反应物A A全部转化时物系温度的变化。全部转化时物系温度的变化。3.3 3.3 理想流动下
26、的釜式理想流动下的釜式反应器反应器2.2.全混流反应器的定态操作点全混流反应器的定态操作点 全混流反应器操作的定态点是由物料衡算和热量衡算联立全混流反应器操作的定态点是由物料衡算和热量衡算联立求解来确定的。以求解来确定的。以一级不可逆放热反应一级不可逆放热反应为例，其动力学方程可为例，其动力学方程可写为写为/exp1/expRTEARTEAXA0exp(/).1exp(/)rAVAE RTXAE RTQ000()()exp(/)(1)()pTrrTAoAhcQcTTVHAERT cXUA TT0000()exp(/)()()1exp(/)rArTptrhcgV cHAE RTqQcTTUA T
27、TqAE RT热量衡算式：热量衡算式：0exp(/)exp(/)(1)AAAAArkcAE RT cAE RT cX3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3.连续釜式反应器的定态热稳定性连续釜式反应器的定态热稳定性 定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。转化率应满足物料及热量衡算式。)1(/exp0AArXRTEAXQV0exp(/).1exp(/)rAVAE RTXAE RTQ000()()exp(/)(1)()pTrrTAoAhcQcTTVHAERT cXUA TT0000()
28、exp(/)()()1exp(/)rArTptrhcgV cHAE RTqQcTTUA TTqAE RT物料衡算式：物料衡算式：热量衡算式：热量衡算式：3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器4.4.定态点的热稳定性分析定态点的热稳定性分析grdQdQdTdT3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器放热反应的定态操作点：放热反应的定态操作点：若产生超温，可出现烧坏催化剂或爆炸，若出现低若产生超温，可出现烧坏催化剂或爆炸，若出现低温，易产生突然降温以致反应终止温，易产生突然降温以致反应终止。吸热反应的定态操作点：吸热反应的定态操作点：唯一唯一影响定态操作点
29、的因素：影响定态操作点的因素：改变进料或换热介质温度，进料量，进料中反应物浓改变进料或换热介质温度，进料量，进料中反应物浓度，以及传热面积或传热温差等度，以及传热面积或传热温差等，使用尽可能大的传热面使用尽可能大的传热面积，和尽可能小的传热温差积，和尽可能小的传热温差。3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器3.3 3.3 理想流动下的釜式理想流动下的釜式反应器反应器 活塞流模型活塞流模型 Plug Flow ModelsPlug Flow Models（
30、平推（平推流）：流）：基本假定：基本假定：(1)(1)径向流速分布均匀，所有粒子以径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。相同的速度从进口向出口运动。(2)(2)轴向上无返混轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时间相同。器，所有粒子在反应器内停留时间相同。特点：径向上物料的所有参数都特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。相同，轴向上不断变化。层流层流湍流湍流活塞流活塞流3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器
31、3.4.2 3.4.2 等温连续流动管式反应器的设计计算等温连续流动管式反应器的设计计算3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器AAAAArdnFFdFr dVdt(输入量)(输出量)（消耗量）（累积量)BRXPFRtA，时间相等等容，等000()AfXArAAAdXVQ crX000()AfXrAAAAVdXcQr X 表达式相似，但意义不同，表达式相似，但意义不同，指连续操作的反应空时，指连续操作的反应空时，t t指间歇釜内物料的反应时间。指间歇釜内物料的反应时间。00()AfXAAAAdXtcrX间歇3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器rVAZ
32、00000AAAFQ cu Ac00rVZQu00AAAdXu crdz0AAdcurdz 对于管式平推流反应器，由于对于管式平推流反应器，由于所以所以式式(3.24)(3.24)则可写为则可写为恒容下恒容下3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器 平推流反应器的串联与单个同体积的平推流反应器效平推流反应器的串联与单个同体积的平推流反应器效果一样，因此无串联的问题。当动力学较复杂时，也可用果一样，因此无串联的问题。当动力学较复杂时，也可用图解计算。图解计算。3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器/000AAWcWQF/1AAdnrW dt/0/0AXA
33、AAdXcr0/0AXAAAdXWFr对于气固催化反应，通常定义对于气固催化反应，通常定义其中其中W W为催化剂的重量，则设计公式可写为为催化剂的重量，则设计公式可写为 3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器平推流反应器的串联、并联或并串联平推流反应器的串联、并联或并串联平推流反应器并联：平推流反应器并联：在提高生产能力的同时保持尽量平推流状态，加在提高生产能力的同时保持尽量平推流状态，加强传热，保持反应器径向的温度均匀。强传热，保持反应器径向的温度均匀。示意：示意：显然，各个反应器出口的转化率应当相同，这意显然，各个反应器出口的转化率应当相同，这意味着各个反应器中流体的
34、停留时间应当相同。即味着各个反应器中流体的停留时间应当相同。即1=2=1=2=。3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4.3 3.4.3 变温连续流动管式反应器的设计计算变温连续流动管式反应器的设计计算000(,)AXrAAAAVdXcQr T X00(,)AAcrAcAAVdcQr T c 根据热量平衡，取一圆柱状微元体作热量衡算，在稳态下可得根据热量平衡，取一圆柱状微元体作热量衡算，在稳态下可得21()()4rpttrTArctGC dTdHr
35、dVU TTd dZ 其中，其中，G G为单位横截面积单位时间的混合物质量，为单位横截面积单位时间的混合物质量，d dt t为管子的为管子的直径。因为直径。因为24rtdVd dZ4()()rcptArTtU TTdTGCrHdZd平推流管式反应器的热量衡算式平推流管式反应器的热量衡算式3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器00AAArdXQ crdV20001()4tAAAGd WQ cM24rtdVd dZ0AAAAGWdXrMdZ又物料衡算式为又物料衡算式为因为因为所以，物料衡算式可写为所以，物料衡算式可写为0()4()rArTcAptAtGWHU TTdXdTGC
36、dZMdZd3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器在绝热操作下，将上式进行积分在绝热操作下，将上式进行积分 000()ArTXArTptATAGWHGC dTdXM0ATTX0()rArTptAWHC M3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.4 3.4 理想流动下的管式理想流动下的管式反应器反应器3.5.1 3.5.1 反应过程浓度水平分析反应过程浓度水平分析3.5 3
37、.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5.2 3.5.2 反应性能指标比较反应性能指标比较3.5.2.13.5.2.1反应器体积、转化率的比较反应器体积、转化率的比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较1.1.反应器体积比较反应器体积比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较()()()()rMFRrrPFRrBRVVVV有限个MFR串联()()rPFRrBRVV在相同的转化率下，当操作条件相同时，为完成同一化学反在相同的转化率下，当操作条件相同时，为完成同一化学反应，不考虑间歇反应器的辅助生产时间时，应，不考虑间歇反应器的辅助生产时间时，若考虑间歇反应器的辅助生产时
38、间，则若考虑间歇反应器的辅助生产时间，则3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较2.2.反应器转化率的比较反应器转化率的比较 对于正常动力学，平推流反应器和间歇反应器的反应速对于正常动力学，平推流反应器和间歇反应器的反应速度高于全混流反应器，有限个度高于全混流反应器，有限个MFRMFR串联反应器其次，所以上串联反应器其次，所以上述反应器体积大小的关系是成立的，同时根据上述各反应器述反应器体积大小的关系是成立的，同时根据上述各反应器的设计公式，在体积要求一定时，的设计公式，在体积要求一定时，()()()()AfMFRAfAfPFRAfBRXXXX有限个MFR串联3.5 3.5 反应器的性
39、能比较反应器的性能比较以一级不可逆反应为例，以一级不可逆反应为例，N N个釜串联时，总体积可表示为个釜串联时，总体积可表示为 01/1()1(1)rNMFRrtNANNQVVkX平推流反应器的总体积为平推流反应器的总体积为 000000()()ln(1)(1)ANANXXAArNPFRrPFRAAANAAAQdXdXVVFFXrkCXk 1/()(1)1()ln(1)NrNMFRANrNMFRANVNXVX 3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较N 时，有时，有当当()lim1()rNMFRNrNMFRVV因此，对于正常动力学，当转化率要求相同，其它操作条件因此，对于正常动力学，当转
40、化率要求相同，其它操作条件也相同时，无穷个全混流反应器串联所需的总体积相当于一也相同时，无穷个全混流反应器串联所需的总体积相当于一个平推流反应器。个平推流反应器。()()()()rMFRrrPFRrNMFRNVVVV有限个MFR串联()()()()AfMFRAfAfPFRAfNMFRNXXXX有限个MFR串联3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较当不考虑间歇反应器的辅助操作时间时，当不考虑间歇反应器的辅助操作时间时，()()rPFRrBRVV()()AfPFRAfBRXX当考虑间歇反应器的辅助操作时间时，当考虑间歇反应器的辅助操作时间时，()()rPFRrBRVV()()AfPFRA
41、fBRXX 如果动力学关系较为复杂，如反应速率随转化率的如果动力学关系较为复杂，如反应速率随转化率的提高先上升后下降或先下降后上升，上述关系不一定成提高先上升后下降或先下降后上升，上述关系不一定成立，要视具体情况而定，如对于先下降后上升或先上升立，要视具体情况而定，如对于先下降后上升或先上升后下降，往往采用不同反应器的组合时总体积较小。后下降，往往采用不同反应器的组合时总体积较小。3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的
42、性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5.2.2 3.5.2.2 反应收率的比较反应收率的比较微分选择性微分选择性/RS/RRRRRARAAAArdndYSrdndX/0AXRRAYS dX反应器中反应的收率反应器中反应的收率一般与反应的动力学、反应器的型式一般与反应的动力学、反应器的型式以及加料方式有关。以及加料方式有关。001AAfACdSCCY3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较（1 1）反应动力学）反应动力学3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较（2 2）反应器的型式）反应器的型
43、式3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较（3 3）反应物的加料方式）反应物的加料方式-1-13.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较当要求当要求CA、CB均高时。采用间歇反应器时，均高时。采用间歇反应器时，A、B同时加入到反应器中，同时加入到反应器中，A、B浓度均高。若采用连续操作，平推流反应器中浓度均高。若采用连续操作，平推流反应器中A、B浓度均高，其次是浓度均高，其次是有限个串联的全混流反应器，且体积依次增大较好。有限个串联的全混流反应器，且体积依次增大较好。3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较（3 3）反应物的加料方式）反应物的加料方式-2-2当要求当要求C
44、A、CB均低时。均低时。A、B同时加入到全混流反应器中，此时同时加入到全混流反应器中，此时A、B浓浓度均低。若采用多级操作，则有限个串联的全混流反应器体积依次减小为度均低。若采用多级操作，则有限个串联的全混流反应器体积依次减小为好。好。当要求当要求c cA A低、低、c cB B高时，如图所示。采用半间歇反应器高时，如图所示。采用半间歇反应器时，先在釜中加入时，先在釜中加入B B，然后边反应边滴加，然后边反应边滴加A A。采用平推流反。采用平推流反应器时应器时A A分股加入反应器，采用等体积串联全混流反应器时分股加入反应器，采用等体积串联全混流反应器时 A A也分股加入反应器，此时也分股加入反
45、应器，此时c cA Ac0），反应），反应器应以串联操作，若器应以串联操作，若n1，反应速率，反应速率-浓度曲线呈凹形时，其排列次序浓度曲线呈凹形时，其排列次序应满足反应物浓度尽可能高，相反若应满足反应物浓度尽可能高，相反若n1，其最优排列是先，其最优排列是先为平推流反应器、较小的全混流、最后是较大的全混流；而当为平推流反应器、较小的全混流、最后是较大的全混流；而当n1，排列次序正相反。排列次序正相反。2、对反应速率、对反应速率-浓度曲线出现最大或最小值的反应，装置的排列取决浓度曲线出现最大或最小值的反应，装置的排列取决于实际的曲线形状，所希望达到的转化率和装置的效率，没有简单的于实际的曲线形
46、状，所希望达到的转化率和装置的效率，没有简单的原则可以遵循。原则可以遵循。3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较Solution3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较Solution3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较对平推流反应器
47、作物料恒算得：21211010A1A0A31A10A03A2A10A010A21A0A231011V1,FFFCCCCCC/CC(1)AAAACACACACAdCVrdCr 则：循环物料的体积流量进反应器的总体积流量3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较带循环的平推流反应器计算带循环的平推流反应器计算21210AAA10AA2A10A010A21A0A2A0A2kV1rkCCV11lnkCkCCCC/CCC:CeAAAACACACACdCrdC 对于一级不可逆反应解得带循环的平推流反应器计算带循环的平推流反应器计算结论可以推广到多管循环的情况结论可以推广到多管循环的情况1 1 122
48、 21 1 122 2i1A0A2k112A212A01A2k2kk212A01A2Nk1NA0A2NNkCCeCCCeeeCC,eCC,eiiNiiNii 对于一级不可逆反应有：设各管等温，等容，等循环比则：带循环的平推流反应器计算带循环的平推流反应器计算表征循环反应器性能的物理量-循环比3A32A2FF循环物料的体积流量离开反应器物料体积流量=0，为平推流反应器；=，相当于全混流反应器它可以使平推流反应器调整到具有不同返混程度的混合流动02A0A2A21,113 4CCktln11C恒容时，和及 的关系代入表-中的计算式中，例如一级反应：带循环的平推流反应器计算带循环的平推流反应器计算 2
49、2100)1(AAxxAAArdxCvV 带循环的平推流反应器计算带循环的平推流反应器计算3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较3.5 3.5 反应器的性能比较反应器的性能比较 本章回顾本章回顾-1-1 等温间歇釜式反应器的设计计算。等温间歇釜式反应器的设计计算。P12P12 连续釜式反应器的设计计算。连续釜式反应器的设计计算。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。连续釜式反应器的串联和并联。连续釜式反应器的串联和并联。P38P38 釜
50、式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和 加料方式的选择。加料方式的选择。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。本章回顾本章回顾-2-2 等温连续管式反应器设计方程的设计计算。等温连续管式反应器设计方程的设计计算。P45P45 管式和釜式反应器的对比。管式和釜式反应器的对比。变温连续管式反应器的分析与计算。变温连续管式反应器的分析与计算。P47P47 反应器的性能比较。反应器的性能比较。P49P49)()(000AfAAAfArCSTRxrxxcQV000()AfXrAAAAVdXcQr X00()Af
