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1、化学反应工程,6.2 典型反应器,0,0,进料,出料,出料,进料,气体,气体,液体,液体,气体,气体,反应釜,管式反应器,鼓泡塔,固定床,回转筒式反应器 (蒸气煅烧炉),理想流动和理想反应器,在连续操作的反应器中，流体流动的两种极端情况：,理想排挤：当物料在反应器内流动通过时，沿着物料的流动方向（轴向），由于发生了化学反应，物料的浓度，流速。转化率等都随着轴向距离的延伸不断地发生变化，但在不同截面上并没有任何物料的混合；而在与流动方向垂直的截面上（径向），各质点的流速完全相同、温度均匀、浓度均匀、流速相等，即径向混合均匀。也叫做平推流或活塞流。,理想混合：在一连续操作的反应器中，由于有良好的搅
2、拌，致使进入反应器的物料立即与反应器内的物料充分混合，反应器内各点处处均匀，而且出口物料的浓度与器内的浓度也完全一样。,间歇釜式反应器,一、理想间歇操作釜式反应器（BSTR）的特点：,由于剧烈的搅拌，均相反应物可达到分子尺度上的均匀。因而排除了物质传递过程对化学反应的影响。,当反应器具有足够快的传热速率时，可使反应器内的温度均匀一致，因而也排除温度对化学反应的影响。,理想的间歇操作釜式反应器中的反应结果，唯一地由化学反应本征动力学所确定。,由于釜式反应器是间歇操作，釜内的物料的组成和反应进程均随时间而变。如果没有严格的操作规程可能使不同批次的反应产物的质量不一。,二、反应器容积的计算,对间歇操
3、作的釜式反应器进行物料衡算：,输入的物料量=输出的物料量+反应掉的物料量+物料的积累量,对于着眼组分A：,单位时间内由于反应而消耗的A物料量 = 单位时间内A物料的积累量,间歇反应器基本方程式,对于定容过程：,0,t,cA,cA0,0,t,xA,xA=1,0,t,(-rA),0,cA0,1/(-rA),cA,面积=t,0,xA,1/(-rA),面积=t/ cA0,理想间歇操作釜式反应器中简单级数的反应的表达式,间歇操作，除反应所需的时间t，还有加料、出料和清洗等操作步骤所需的辅助时间t,每小时处理的物料体积为v，反应器的有效容积为VR：,装料系数为：它是反映器有效容积占总容积的比值，通常根据经
4、验选定。对不发生泡沫不沸腾的液体，采用0.70.85，反之，只可采用0.40.6。,管式反应器,一、管式反应器（PFR）的特点:,理想的管式反应器也称作平推流反应器(plug flow reactor,PFR)：,在反应器轴向不同位置上，物料浓度、反应速率、转化率等均不相等；,在轴向的每一个截面上，物料浓度、反应速率、转化率均相等，且不随时间而变化；,在径向不存在浓度差。,二、反应器容积的计算,在等温定态条件下，对反应物A进行物料衡算:,单位时间内A的输入量=单位时间内A的输出量+单位时间内反应掉A的量,对整个反应器，其边界条件为：,若反应过程中流体体积流量不发生变化,空间时间：反应器的有效容
5、积与进口处的体积流量之比。,0,cA,cA0,0,xA,xA=1,0,(-rA),0,cA0,1/ (-rA),cA,面积= =VR/qV，0,0,xA,1/ (-rA),面积= / cA0=VR/qn，A0,理想管式反应器中简单级数的反应的表达式,理想管式反应器的反应结果与理想间歇反应器的反应结果完全相同，只是在理想管式反应器中， 是空间时间，而间歇反应器中，t为反应时间。为什么在两种结构和操作情况都不相同的反应器中，它们的表达式却是一致的呢？,在理想管式反应器中浓度和转化率随空间时间（管长）而变，在间歇反应器中浓度和转化率随时间而变。他们的变迁史是相同的，反应的推动力也是一致的。,全混流反
6、应器,0,0,进料,出料,全混流（理想混合）反应器（Continuous Stirred Tank Reactior，CSTR）的特点：,（1）物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。,（2）由于充分的搅拌，反应釜内物料的浓度、温度处处相等并且等于反应器出口物料的浓度和温度。,在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：,设反应过程中，物料体积不变,进入量=引出量+反应量+累积量,0,cA0,1/(-rA),cA,面积= =VR/qV0,0,xA,1/(-rA),面积= / cA0=VR/qn，A0,物料出口时情况,间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流
7、反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物的温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程)也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀的)。,与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务(即流量相等，反应物的转化率相等)全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。,全混流反应器中简单级数的反应的表达式,同样是连续流动，为什么全混流反应器与平推流反应器的结果会不一样呢?,1、某液相反应 A+B R+S，其反应动力学表达式为(-rA) =k1CACBk2CRCS ，式中k1=7m3.kmol-1.min-1，k2=3m3.kmol-1.min-
8、1。今要完成一生产任务，采用0.12m3的全混流反应器，物料A、B两股物流等体积加入，进料浓度为CA0=2.8 kmol3. m -1，CB0=1.6 kmol3. m -1，要求B的转化率达到75%，试求反应物A、B的进料流量。,多釜串联反应器,1、多釜串联反应器中的每一个釜都是一个连续操作的全混流反应器。,2、反应器之间流体不相互混合。,如果忽略釜间物料流动所需的时间，则可用全混流反应器的处理方法。,假定多釜串联反应器是由N个容积相等的全混流釜组成,对其中一个釜中的A组分进行物料衡算：,对于等温的定态过程，上式除以qV0，,多釜串联反应器的计算方程式,对于一级反应：,若为等温定容反应过程，且反应器的各釜容积相等，则：,0,用图解法求最终转化率是容易的。,如果各个釜的容积不等，则斜率也不等，各操作线亦不平行。,此法的优点：既可用于已知动力学方程式的反应，也可以用于动力学方程式形式复杂而必须直接利用实验数据作图的场合。,局限性：只有当反应速率能用单一组分的浓度来表示时才能画出xA对rA的曲线。对于平行、联串等复杂反应，图解法不适用。,
