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1、1,第二章 反应器基本理论,第一节 理想反应器类型 第二节 等温等容过程反应器的计算 第三节 反应器型式及操作方式的选择 第四节 停留时间分布及测定 第五节 流动模型与停留时间的应用,2,第一节 理想反应器类型,一、反应器的基本类型1.间歇搅拌釜 特点:物料一次加入，反应结束一次放出，物料反应时间完全相同，温度和物料浓度都完全相同。反应釜内反应物和产物浓度的变化：,3,.连续操作搅拌釜,特点：物料随进随出，连续进行，定常态下，物料温度和物料浓度都不变出口物料浓度和釜内物料浓度相同。 物料出口浓度随时间变化规律： 优点：连续操作，和恒定；缺点：反应物浓度低，反应慢，达到同样的转化率需要的反应时间
2、长。,4,3.连续操作管式反应器,特点:反应物从管一端进入，产物从另一端流出。管内反应物浓度随停留时间变化曲线：,5,二、理想反应器,.概念 停留时间分布：连续反应器中 平均停留时间：返混：不同停留时间的物料混合在一起的现象。返混与停留时间分布的关系：对应关系。 返混的原因：涡流、扰动、速度分布、沟流、倒流、短路、死角。 返混对反应的影响返混降低了反应物的浓度，从而降低了反应速率，使得反应时间延长；停留时间长的粒子可能进一步反应成为副产物；产品的收率和选择性都降低，产品质量降低。,6,.理想反应器,根据：返混程度的大小 （）平推流反应器（Plug Flow Reactor, PFR）特点:不存
3、在返混，在垂直于流动方向的截面上性质（如流速、物料浓度等）完全相同，在轴向上无混合和扩散。典型实例：管式反应器。 （）全混流反应器（Continuous Stirred Tank Reactor , CSTR）特点：物料立刻均匀分散在整个反应器，成为均相反应，物料的和在整个反应器内完全相同。典型实例：连续搅拌釜为典型。 （）中间流反应器 存在部分返混,7,第二节 等温等容过程的计算,一、反应速率转化率,8,如：,n= 零级反应 n= 一级反应 n= 二级反应 k为反应速率常数，根据Arrhenius:其中：k0为频率因子a为活化能为气体常数,9,关键组分-不过量的反应物,收率选择性收率、 转化
4、率、选择性之间的关系:,10,二、间歇釜式反应器的计算,条件：等温条件对物料A作物料衡算间歇反应釜的基础计算式:,11,药物合成过程中多为液相反应，恒温V变化很小，视为恒容,结论：同温度、同原料浓度下，反应达到同样转化率的时间是相同的，与物料的量是无关的。 讨论：反应速率方程：,12, n=0时 零级反应, n=1时 一级反应 n=2时 二级反应,13,作业：,推导：对于n级反应，A初始浓度为CA0 ，反应速率方程：推导反应转化率xA为时，反应釜内反应时间的表达式： f (xA，n，k，CA0) 注意：求导数时的意义。,14,基本关系：,假设反应器加料、出料、 清洗等辅助时间为 每批物料操作时
5、间为+ 单位时间处理量为 v（L/h） 每批操作物料量为R v (+)A+BR 生产要求的产量为w（kmol/h）与为等摩尔反应，则：,15,若为 a A + b B r R,装料系数一般情况下：,16,三、PFR的计算,边界条件: VR= 0 XA= 0VR=VR XA=XA,17,PFR基础式形式在间歇反应器中已详细解释过。,18,若为等容过程，v为常数,普通形式反应：,19,四 CSTR等容液相反应计算,反应速率形式:,20, n=0时 零级反应, n=1时 一级反应 n=2时 二级反应 n=N时 N级反应,21,五 三种反应器反应时间和反应器容积的比较,同一反应，同样条件下，达到相同转
6、化率和产量，CSTR需要的容积最大。原因： CSTR返混程度大，反应物浓度低，反应速度小，达到相同转化率，反应时间就长，所以同样产量反应器容积最大。,22,分析：,间歇,PFR,CSTR,解决办法：采用多釜串联使用。,23,六 多釜串联反应器的计算及其优化,多釜串联反应器基础公式,24,对于等温等容一级反应,25,若每个釜的容积相等，则,26,优化：,多釜串联：,规定：xAi为以CA0为基准的转化率。则：,优化目标：反应转化率是任意分配的无限多个分配方案最佳分配方案为VR最小。,27,以N级理想混合，各级等温进行一级不可逆反应为例,VR最小的条件：,28,整理：,29,结论：,多釜串联时总体积最小的方案为：串联的各个釜的体积相等！,30,等温等容反应釜计算公式：,31,小 结,1 反应器的基本型式及各自的特点； 2 停留时间、返混等基本概念； 3 理想反应器的类型； 4 反应速率、收率、选择性； 5 间歇釜、PFR、CSTR反应器的计算公式； 6 各种反应器的比较； 7 多釜串联反应器的计算及优化。,32,作业,P44-45：7、8（药厂反应设备及车间工艺设计）,预习,P17-24,
