1、第3章 理想流动均相反应器设计理想反应器间歇（搅拌）釜式反应器（BSTR）全混流（连续搅拌釜式）反应器（CSTR）平推流（活塞流）反应器（PFR）1ppt课件引引 言言 反应器的开发设计，主要有三个任务：反应器的开发设计，主要有三个任务：1）根据化学反应动力学特性，选择合适的反应器型式；）根据化学反应动力学特性，选择合适的反应器型式；2）结合动力学和反应器两方面特性，确定操作方式和）结合动力学和反应器两方面特性，确定操作方式和 优化操作条件；优化操作条件；3）根据给定的生产任务进行设计计算，确定反应器的几）根据给定的生产任务进行设计计算，确定反应器的几 何尺寸并进行评价。何尺寸并进行评价。本章
2、的目的：讨论各类理想反应器模型，理想反应器的本章的目的：讨论各类理想反应器模型，理想反应器的设计分析，讨论复杂反应系统等温及非等温反应器的选设计分析，讨论复杂反应系统等温及非等温反应器的选择性和最佳化问题。择性和最佳化问题。1ppt课件3.1.1 反应器的分类反应器的分类本质上讲，反应器的类型不会影响化学反应动力学，但不同类型的反应本质上讲，反应器的类型不会影响化学反应动力学，但不同类型的反应器，物料在其中的流动情况不同，物料在反应器内的流动必然引起物料器，物料在其中的流动情况不同，物料在反应器内的流动必然引起物料之间的混合。之间的混合。简单混合：简单混合：若相互混合的两部分物料在相同时间进若
3、相互混合的两部分物料在相同时间进入反应器，则这两部分物料的组成是相同的，混合入反应器，则这两部分物料的组成是相同的，混合后形成的新物料其组成必然与原物料的组成相同，后形成的新物料其组成必然与原物料的组成相同，这种混合称简单混合。这种混合称简单混合。返混：返混：若处于不同进料时间的两股物料之间发生混若处于不同进料时间的两股物料之间发生混合，两者的组成不同，混合后形成的新物料其组成合，两者的组成不同，混合后形成的新物料其组成与原物料的组成不同，化学反应的速率亦随之变化与原物料的组成不同，化学反应的速率亦随之变化，这种混合称为返混。，这种混合称为返混。1ppt课件3.1.1 反应器的分类反应器的分类
4、 反应器：发生化学反应过程的装置反应器：发生化学反应过程的装置 根据化学反应的要求，反应器的形式和操作根据化学反应的要求，反应器的形式和操作方式有很大差异，在反应器的分类上也存在方式有很大差异，在反应器的分类上也存在不同的方案。不同的方案。从反应器的外形：管式、釜式、塔式、列管式换热反应器等从反应器的外形：管式、釜式、塔式、列管式换热反应器等从操作方式：间歇、半间歇半连续、连续操作反应器从操作方式：间歇、半间歇半连续、连续操作反应器从物料受热情况：等温、非等温、绝热反应器等从物料受热情况：等温、非等温、绝热反应器等1ppt课件3.1.1 反应器的分类反应器的分类根据返混情况，反应器又可分为：根
5、据返混情况，反应器又可分为：1）间歇反应器：简单混合，不返混反应器）间歇反应器：简单混合，不返混反应器 2）活塞流反应器：径向简单混合、轴向无返混）活塞流反应器：径向简单混合、轴向无返混 3）全混流反应器：最大返混）全混流反应器：最大返混 4）非理想反应器：一定程度返混）非理想反应器：一定程度返混1ppt课件反应器选型、反应器选型、设计和优化设计和优化反应器中的反应器中的流动状况影流动状况影响反应结果响反应结果数学数学模型模型流动流动模型模型对实际过程对实际过程的简化的简化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第一节第一节 流动模型概述流动模型概述建立模型的建立模型的基本方法基本方法理想气体理想
6、气体状态方程状态方程1ppt课件间歇反应器间歇反应器平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器完全没有返混完全没有返混返混极大返混极大(a)(b)(c)1ppt课件间歇搅拌反应器间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor(BSTR)特点特点:1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；响；2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内具有足够强的传热条
7、件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；的热量传递问题；3 3 物料同时加入并同时停止反应，物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。所有物料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、操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定 1ppt课件BSTR结构特点釜式结构电动机减速箱夹套排料口疏水阀桨叶搅拌轴测温管档版固体进料液体进料加热蒸气入口1ppt课件 平推流反应器 Piston Flow
8、Reactor(PFR)1.连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2.径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；3.反应物料具有相同的停留时间。1ppt课件 全混流反应器 Cont inued Stirred Tank Reactor(CSTR)连续搅拌槽式反应器连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器或理想混合反应器假设假设：反应物料以稳定流量流入反应：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。全混合。特点：特点：反应器中所有空间位置的物料反应器中所有空间位
9、置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。有的很短，形成一个停留时间分布。1ppt课件第一节 流动模型概述反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型物料质点、年龄、寿命及其返混物料质点、年龄、寿命及其返混物料质点 物料质点是指代表物料特性的微团。物料由无数个质点组成。年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。是对仍留在反
10、应器中的物料质点而言的。1ppt课件寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。是对已经离开反应器的物料质点而言的。返混返混：又称逆向返混，又称逆向返混，不同年龄不同年龄的质点之间的混合。的质点之间的混合。是时间概念上的混合是时间概念上的混合在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。1ppt课件 返混的原因（1）机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；（2）反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。造成返混的各种因素统称为工
11、程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性。在流动反应器中都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。1ppt课件 BSTR PFR CSTR1投料投料 一次加料一次加料(起始起始)连续加料连续加料(入口入口)连续加料连续加料(入口入口)2年龄年龄 年龄相同年龄相同(某时某时)年龄相同年龄相同(某处某处)年龄不同年龄不同3寿命寿命 寿命相同寿命相同(中止中止)寿命相同寿命相同(出口出口)寿命不同寿命不同(出口出口)4返混返混 全无返混全无返混 全无返混全无返混 返混极大返混极大反应器特性分析反应器特性分析 1ppt课件浓度分布-推动力反应器特性分析反应器特性分析反应推动力随反应
12、推动力随反应时间逐渐反应时间逐渐降低降低反应推动力反应推动力随反应器轴随反应器轴向长度逐渐向长度逐渐降低降低反应推动力反应推动力不变，等于不变，等于出口处反应出口处反应推动力推动力1ppt课件非理想流动模型非理想流动模型1.实际反应器存在着程度不一的工程因素，造成流动状况不同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。2.非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型，称为非理想流动模型。1ppt课件 偏离平推流的情况非理想流动模型非理想流动模型 漩涡运动：涡漩涡运动：涡流、湍动、碰流、湍动、碰撞填料撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填沟流、短路：填料或催化剂装填料或催化
13、剂装填不均匀不均匀1ppt课件非理想流动模型非理想流动模型 偏离全混流的情况死角死角短路短路搅拌造成搅拌造成的再循环的再循环1ppt课件 流动状况对化学反应的影响 -由物料停留时间不同所造成由物料停留时间不同所造成非理想流动模型非理想流动模型 短路、沟流短路、沟流停留时间减少停留时间减少转化率降低转化率降低死区、死区、再循环再循环停留时停留时间过长间过长A+BP：有效反应体积减少：有效反应体积减少A+BPS 产物产物P减少减少 停留时间的不均停留时间的不均1ppt课件 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 反应动力学特性反应动力
14、学特性+反应器的流动特征反应器的流动特征+传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 最大反应效果最大反应效果+反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积 规定任务规定任务+反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化1ppt课件1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程物料衡算方程某组分流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+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反
15、应器反应器反应单元反应单元流入量流入量流出量流出量反应量反应量累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程热量衡算方程带入的热焓带入的热焓=带出的热焓带出的热焓+反应热反应热+热量的累积热量的累积+传给环境的热量传给环境的热量反应热反应热累积累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应器反应单元反应单元带入量带入量带出量带出量反应热反应热累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜
16、(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境1ppt课件反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程动量衡算方程气相流动反应器的压降大时，需要考虑压气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常采用估算法。时为了简化计算，常采用估算法。1ppt课件 间歇操作间歇操作 指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。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、夹套组成。装置、夹套组成。器内还可以根据器内还可以根据需要设置盘管。需要设置盘管。第二节第二节
17、理想流动反应器理想流动反应器1ppt课件 间歇反应器特点特点:1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；了物质传递对反应的影响；2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；虑器内的热量传递问题；3 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。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
18、操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产产品生产 精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定1ppt课件理想化条件理想化条件 反应物料在反应器内搅拌均匀；反应物料各参量只随时间改变。如果是非理想工业规模反应器，则经理想化后的浓度、温度函数则为Designequation；),(tzyxfcA),(tzyxfT；)(tfcA)(tfT 1ppt课件间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 对整个反应器进行物料衡算：对整个反应器进行物料衡算：)1(00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流
19、入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量00单位时间内反应量单位时间内反应量 =单位时间内消失量单位时间内消失量AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt0000AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000等容过程，液相反应等容过程，液相反应1ppt课件间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间(t)+辅助时间辅助时间(t)反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积 V VR R=V(t+t=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt1ppt课件图解积分示意图图解积分示意
20、图t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA000AfxAAAdxtCr00AfxAAAdxtCr1ppt课件反应速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应1ppt课件反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n1AArkCArk2AArkCAnArkC0AACktlnC0AAktCC0AAktCx0ktAACC e1ktAxe 11Aktlnx011AAktCC011AAAxktCx0AACCkt0AAktxC001A
21、AACCC kt001AAAktxCC kt1101()1nnAAktCCn11011(1)nnAAxktnC ）（表表3 31 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式1ppt课件k k增大增大(温度升高）温度升高）t t减少减少反应体积减小反应体积减小间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应2.反应浓度反应浓度的影响的影响1.k的影响的影响零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3.残余浓
22、度残余浓度零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化反应后期的速度很小；反应机理的变化1ppt课件第三章 均相反应过程 间歇反应器所需的实际操作时间包括反应时间间歇反应器所需的实际操作时间包括反应时间t 与辅助时间与辅助时间t0,t0包括加料、调温、卸料、清洗等时间。则间歇反应器的体积为：包括加料、调温、卸料、清洗等时间。则间歇反应器的体积为：式中，式中，v0为单位时间需要加工的物料量；为单位时间需要加工的物料量；为反
23、应器的装料系数，为反应器的装料系数，一般在一般在0.650.85间。间。/00ttvV1ppt课件（3）BSTR一般设计方程应用举例【例3-1】在拟等温间歇釜中进行氯乙醇的皂化反应CH2Cl-CH2OH+NaHCO3 CH2OH-CH2OH+NaCl+CO2生产乙二醇，产量为 20kg/h。以 15%（质量分数）的NaHCO3水溶液及 30%（质量分数）的氯乙醇水溶液为原料，反应釜装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为 1:1，混合液的相对密度为 1.02。该反应对氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在该反应温度下反应速率常数为：5.2 L /(molh)。要求转化率达到 98%，若辅助时间为 0.5 h，装
24、填系数取0.75。试计算反应釜的实际体积。1ppt课件（3）BSTR一般设计方程应用举例【问题思考】（1）该反应过程是等容还是变容过程？（2）该反应是几级反应？（3）反应级数与速率常数单位有何联系？（4）该物料体系是难发泡体系还是易发泡体系？（5）该反应的动力学方程有几种表达形式？（6）各反应物的初始浓度是多少？1ppt课件 根据动力学方程计算反应时间：因氯乙醇的初始浓度为1.232 kmol/m3，所以2AAAkcdtdcr)1(10AAAxcxkt)1(0AAAxcc注意：)(649.7)98.01(232.198.02.51)1(10hxcxktAAA【设计计算步骤】（3）BSTR一般设
25、计方程应用举例1ppt课件 查阅辅助时间计算每批次的操作时间，即 操作时间 根据物料处理量计算单位时间内处理物料的体积量，即 计算反应体积5.0649.7)(tt)/(2673.0)/(3.26702.1684.272)/(330hmhLhmWv)(178.2)5.0649.7(2673.0)(30mttvVR（3）BSTR一般设计方程应用举例1ppt课件 根据物料特性确定装料系数，计算反应器体积)(904.275.0178.23mfVVRt对于沸腾或鼓泡的物料：6.04.0f对于不沸腾或不鼓泡的物料：85.07.0f 对设备结构如搅拌装置进行合理放大（化工原理）。依据反应物系的腐蚀性能、操作
26、压强的大小和环保要求，选用不同材质的反应器（设备与防腐）。作业：P61，T3-1.（3）BSTR一般设计方程应用举例1ppt课件（4）BSTR反应时间优化 问题分析0tt 操作时间单位时间产量最优操作时间0t不变；t延长；Ac降低Ar减小；ctoptt1ppt课件 建立目标函数0ttCVPRRR存在极值的必要条件：0)()(200ttcVdtdcttVdtdPRRRRR即:0ttcdtdcRR（最优条件式）对于反应：RA总操作时间最终总产量单位产量（4）BSTR反应时间优化1ppt课件ADMDttcdtdcRR0根据 确定 A 点，由A点作直线与曲线相切，得切点M，由M点作D点，由D点确定 最
27、佳操作时间 。0tOAD0tRctMADMD邻边对边斜率C图解法优化t)(tfcR（4）BSTR反应时间优化1ppt课件 若以生产费用最低为目标，设单位时间内操作费用为 ，辅助操作费用为 ，固定费用为 ，则单位质量产品的总费用设为 ，则a0afaTA 注意：目标函数不同，结果也不同RRfTcVataatA000dtdATaatatcdtdcfRR/)(00极值条件：（4）BSTR反应时间优化1ppt课件OBEaataf/)(00NFtRc图解法优化根据 确定 B 点，由B点作直线与曲线相切，得切点N，由N点坐标确定 E，从而确定最佳操作时间 t。aataf/)(00（4）BSTR反应时间优化同
28、样用图解法确定最优操作时间1ppt课件第三章 均相反应过程 1ppt课件1.连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2.径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；3.反应物料具有相同的停留时间。平推流反应器平推流反应器一一.特点：特点：1ppt课件0AcAfc0AxAfx轴向无混合，无返混；径向达全混 均相管式反应器内物料的流动特点：均相管式反应器内物料的流动特点：与BSTR比较：相同于无返混；不同点于无混合且连续操作与CSTR比较：相同于连续操作；不同点于无混合，无返混1ppt课件3.3.1 一般设计方程一般设计方程流入量流入量 =反应量反应量 +流出量流出量 +累积量累积
29、量RAAAAAAdVrdxxcxc)1()1(0000微元法：微元法：在一不均匀体系中取一微小单元dVR作为衡算范围，以建立微分方程的方法。1ppt课件RAAAdVrdxCV00AfxAAARrdxCVV000二二.基本公式：基本公式：1.k与与xA的关系的关系等温时等温时k k为常数为常数2.V0与与xA的关系的关系等分子反应？变分子反应？等分子反应？变分子反应？3.等容过程等容过程AfxAAARrdxCVV000与间歇反应器的公式相同与间歇反应器的公式相同1ppt课件 等温平推流反应器的计算等温平推流反应器的计算AfxAAARrdxCVV000)1(0AAAxCCAfAfAxCCnAAnA
30、nAARkCdCVxkCdxVV001000)1(与BSTR一般方程比较：在方程左边存在空间时间与反应时间的区别；在方程右边不存在任何差异。1ppt课件 空时（空时（），平均停留时间），平均停留时间，反应时间（，反应时间（t）间的区别）间的区别 对于返混为对于返混为0的反应器，停留时间等于反应时间的反应器，停留时间等于反应时间 对于返混不为对于返混不为0的反应器，停留时间不等于反应时间的反应器，停留时间不等于反应时间 对于平推流反应器，平均停留时间等于反应时间对于平推流反应器，平均停留时间等于反应时间 （恒容的时候两者相等）（恒容的时候两者相等）即，空时，平均停留时间和反应时间相同即，空时，平
31、均停留时间和反应时间相同Vt0V1ppt课件 1.比较恒容条件下进行某一反应，要达到同一转化率，在间歇比较恒容条件下进行某一反应，要达到同一转化率，在间歇 釜中经历的时间长，还是平推流？釜中经历的时间长，还是平推流？2.比较恒容条件下进行某一反应，要在相同的反应时间达到同比较恒容条件下进行某一反应，要在相同的反应时间达到同 一转化率，所一转化率，所需的平推流反应器体积大，还是间歇釜？需的平推流反应器体积大，还是间歇釜？（反应器的处理能力）（反应器的处理能力）AA0AA0CACACACAdCt()(r)dC()(r)恒 容 条 件 下，间 歇 釜平 推 流1ppt课件反应级数反应速率反应器体积转
32、化率式n=0n=1n=2n级n1AArkCArk2AArkCAnArkC1kAfxe 0AfAkxC001AAAfC kxC k01111 1(1)nAnAfxCkn 表表3 32 2 等温等容平推流反应器计算式等温等容平推流反应器计算式00(1)(1)(1)1AAkfCkCASxeS eABArkC C000BAACCSC00RAAfVVCxk011RAfVVlnkx001RAfAAfVVxCkx（）001(1)(1)AfAAfRSxCSxVVlnSk111001(1)(1)(1)nAfnARnAfVVk nxCx1ppt课件 全混流反应器 Cont inued Stirred Tank R
33、eactor(CSTR)连续搅拌槽式反应器连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器或理想混合反应器假设假设：反应物料以稳定流量流入反应：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。全混合。特点：特点：反应器中所有空间位置的物料反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。有的很短，
34、形成一个停留时间分布。连续搅拌釜式反应器连续搅拌釜式反应器Continuous Stirred Tank Reactor(CSTR)0AcAfcAfx0Ax1ppt课件 连续操作连续操作 搅拌均匀搅拌均匀 温度、浓度等既不随时间改温度、浓度等既不随时间改 变，也不随空间位置点的改变，也不随空间位置点的改 变。变。3.2 稳态全混流反应器操作特点操作特点（示意图）0AcAfcfT0TAcT釜内浓内Ac釜内温度T;0AAccAfAcc;0TT;fTT 1ppt课件全混流反应器全混流反应器反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。于反应
35、器流出物料的浓度和温度。流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0RfAAfAAVrxCVCV)()1(0000fAAfAfAAARrxCrCCVV)()(000fAAfARrxCVV)(00fAAAfARrxxCVV)()(000进口中已有产物进口中已有产物（或者进口转化（或者进口转化率不为零）率不为零）1ppt课件 衡算范围：衡算范围：V VR R 衡算对象：反应物衡算对象：反应物A A 输入量：输入量：FA0=V0CA0 输出量：输出量：FA 反应量：反应量：rAfVR 累积量：累积量：0根据物料衡算方程，得：根据物料衡算方程，得：0AA0A0AA0A0AxVFCrC
36、 xVrAAAF xrV 整理得：或1ppt课件0000A000CVAAAAAfAAfAAAAfAfCCxVFrCrxCCrr或恒容条件下，全混流的设计方程恒容条件下，全混流的设计方程1ppt课件全混釜一般设计方程讨论动力学特征动力学特征Ax0Afr1AfxAr1（全混釜）AffAAxrc)(10矩形面积矩形面积Ax0AfxAr1（间歇釜）AfxAAArdxct00梯形面积梯形面积反反应应时时间间空空间间时时间间梯梯形形面面积积矩矩形形面面积积60ppt课件平推流反应器与全混流反应器的比较平推流反应器与全混流反应器的比较1ppt课件用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙用全混流
37、反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯酯12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为(/)AABRSrk C CC CK原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度，反应液的密度为为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在，并假定在反应过程中不变。反应在100下等下等温操作，其反应速率方程为温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。时所需的反应体积。3263252CH COOH(A)+C H O
38、H(B)CH COOC H(R)+H O(S)=例题：例题：1ppt课件分析：分析：fVVR求RV求V00ttQVR0t已知求0Q和t0Qt设计方程已知1ppt课件由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2:1.35，当乙酸为，当乙酸为1kg时，加入的时，加入的总原料为总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为首先计算原料处理量首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为乙酸需用量为1200016.23/88 24 0.35kmol h316.
39、23 60 4.354.155(/)1020mh其次计算原料液的起始组成。其次计算原料液的起始组成。0316.23/3.908/4.155/Amol hCmol Lmh通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为醇和水的起始浓度为03.908 60 210.2(/)46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/)18SCmol L1ppt课件0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC000000/1/1 1/BABASAaCCbCCC
40、C KcK 将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为代入速率方程，整理后得代入速率方程，整理后得式中式中 0000322014.68()()AAfAAfRAfAfAfAV CxV CxVmrk abxcxC所以所以 1ppt课件用间歇式反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙用间歇式反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯酯12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为(/)AABRSrk C CC CK原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度，反应液的密度为为1020kg/m3，并假定在反
41、应过程中不变。反应在，并假定在反应过程中不变。反应在100下等下等温操作，其反应速率方程为温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。时所需的反应体积。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H(R)+H O(S)=例题：例题：1ppt课件由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，
42、可算出每小时乙酸需用量为1200016.23/88 24 0.35kmol h316.23 60 4.354.155(/)1020mh其次计算原料液的起始组成。0316.23/3.908/4.155/Amol hCmol Lmh通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为03.908 60 210.2(/)46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/)18SCmol L1ppt课件0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。代入速率方程，整理
43、后得代入到基本公式中式中 0000004/2.611/5.151 1/0.65754.76 10/()BABASAaCCbCCCC KcKkLmol min 2001AfxAAAAdxtkCabxcx得：t=118.8min30()4.155(118.8/60 1.0)12.38RVV ttm实际反应器体积：12.38m3/0.7516.51m31ppt课件用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯酯12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为(/)AABRSrk C CC CK原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比
44、为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度，反应液的密度为为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在，并假定在反应过程中不变。反应在100下等下等温操作，其反应速率方程为温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。时所需的反应体积。3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H(R)+H O(S)=例题：例题：1ppt课件由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等容过程。等由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等容过程。
45、等容下平推流反应器的空时与条件相同的间歇反应器反应时间相容下平推流反应器的空时与条件相同的间歇反应器反应时间相等，已求出达到题给要求所需的反应时间为等，已求出达到题给要求所需的反应时间为t=118.8min。改用平推流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空改用平推流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空时时=t=118.8min。原料处理理为。原料处理理为V0=4.155m3/h因此，反应体积因此，反应体积VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3解：解：1ppt课件例题中三种反应器体积比较BSTR：VR 12.38m3 (实际体积为实际体积为16.51m3）PFR：V
46、R8.227m3CSTR：VR14.68m3反应器体积反应器体积:BSTR CSTR PFR 间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器1ppt课件例题 2-2：工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸工厂采用间歇反应器以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在与已二醇以等摩尔比在70下进行缩聚反应生下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：（-rA）=kCACB式中：式中：（-rA）-以已二酸组分计的反应速率，以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k-反应速率常数，反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA
47、、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为均为0.004 kmol.L-11ppt课件求：求：已二酸的转化率分别为已二酸的转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8所需的所需的反应时间分别为多少？反应时间分别为多少？若每天处理已二酸若每天处理已二酸2400kg，转化率为，转化率为80%，每，每批操作的辅助时间为批操作的辅助时间为1小时，试计算确定反应器小时，试计算确定反应器的体积大小，装填系数的体积大小，装填系数=0.75，单釜生产。，单釜生产。1ppt课件解：求达到一定的转化率所需时间：计量方程式中，A、B的初始浓度相同，则反应动力学方
48、程可写为：由于反应为液相等温过程，故可按恒容处理，可将已知数据代入设计方程求解：1BA2AAkC)r(AA0Ax1xkC1t1ppt课件 计算结果 xA=0.5 t=2.10h xA=0.6 t=3.18h xA=0.8 t=8.47h1ppt课件反应器体积的计算反应器体积的计算VR=v(t+t0)FA0=2400/(24*146)=0.685kmol/hv=0.685/0.004=171L/h生 产 周 期=反 应 时 间+辅 助 时 间=t+t0=8.47+1=9.47h反应有效体积：VR=v(t+t0)=171*9.47=1619L考虑装填系数，则反应器的实际体积：V=VR /=1619
49、/0.75=2160L=2.16m300AACFv 1ppt课件全混釜设计方程应用举例3.2.2 简单反应单个全混釜设计【例3-2】P35，过氧化异丙苯在全混流反应器中分解生产苯酚和丙酮（AB+C），反应温度为50，初始过氧化异丙苯溶液浓度为3.2kmol/m3。该反应为一级，反应温度下的反应速率常数为810-3s-1，最终转化率为98.9%。若加料速率为10kmol/h，则需多大体积的全混流反应器？若在一个体积为1m3的等温间歇釜中进行，辅助操作时间为30min，求苯酚的产量和处理10kmol/h过氧化异丙苯时的反应体积？并与全混釜比较。【思考123】恒容过程？变容过程？求反应器体积？反应体
50、积?怎样从设计方程到反应体积？b.p=97.4；b.p=182；b.p=56.481ppt课件全混釜设计方程应用举例【解】（1）CSTR 由分析可知，选用恒容过程设计方程求解 其中:fAAfARrxcV)(00)1()(0000AfAAfAfAAfARxkcxFrxcV;/100hkmolFA;989.0Afx13108sk;/2.330mkmolcA)(756.9)989.01(2.31083600989.01033mVR78ppt课件全混釜设计方程应用举例（2）BSTR 间歇釜恒容过程设计方程(min)4.9989.011ln81000)1(1ln1Afxkt)(052.2)304.9(2
