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1、反反应应工工程程第三章均相反应过程第 3 章均相反应过程3.1 概述概述目的目的：介绍工业均相反应过程开发及均相反应器设计计：介绍工业均相反应过程开发及均相反应器设计计算中有关的基本原理和方法算中有关的基本原理和方法需解决的问题需解决的问题：（1）如何通过实验建立反应的动力学方程并加以应用；）如何通过实验建立反应的动力学方程并加以应用；（2）如何根据反应的特点与反应器的性能特征选择反应）如何根据反应的特点与反应器的性能特征选择反应器型式及操作方式；器型式及操作方式； （3）如何计算等温与非等温过程的反应器大小及其生产）如何计算等温与非等温过程的反应器大小及其生产能力。能力。分类分类：按照操作方
2、式，可以分为间歇过程和连续过程，按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为相应的反应器为间歇反应器间歇反应器和和流动反应器流动反应器。9/9/20241反反应应工工程程第三章均相反应过程第 3 章均相反应过程反应器开发的任务反应器开发的任务：（1）选择合适的反应器；）选择合适的反应器；（2）确定操作方式的优化设计；）确定操作方式的优化设计；（3）确定反应器尺寸和进行经济评价。）确定反应器尺寸和进行经济评价。反应器的特性反应器的特性：流动状态流动状态混合状态混合状态传热特性传热特性这些特性因反应器的几何结构及这些特性因反应器的几何结构及几何尺寸而异几何尺寸而异9/9/20242反反
3、应应工工程程第三章均相反应过程3.1 概述1.间歇反应器间歇反应器物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的批进行的。物料在反应器内的温度和浓度温度和浓度是均一的。温度与温度是均一的。温度与温度都是均一的处处相等。都是均一的处处相等。9/9/20243反反应应工工程程第三章均相反应过程物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。物料在反应器内的流动过程不同。有的物料正常的通过反物料在反应器内的流动过程不同。有的物料正常的通过反应器，有的物料进入反应器的死角，有
4、的物料短路（即近应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。停留时间不路）通过反应器，有的物料在反应器内回流。停留时间不同的流体颗粒之间的混合，称为同的流体颗粒之间的混合，称为“返混返混”将导致反应效率的将导致反应效率的降低。降低。2.2.流动反应器流动反应器在流动反应器中物料的流动过程不相同，造成物料浓度在流动反应器中物料的流动过程不相同，造成物料浓度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反应结果。我们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。我们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。9/9
5、/20244反反应应工工程程第三章均相反应过程平推流反应器平推流反应器全混流反应器：其特点返混无穷大全混流反应器：其特点返混无穷大平推流反应器：其特点是反应器无返混平推流反应器：其特点是反应器无返混全混流反应器全混流反应器9/9/20245反反应应工工程程第三章均相反应过程流动模型分类如下：流动模型分类如下： 理想流动模型理想流动模型流动模型流动模型 非理想流动模型非理想流动模型流动模型是专指流动反应器而言的。流动模型是专指流动反应器而言的。对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况。对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况。平推流模型平推流模型全混流模型全混流模型9/9/202
6、46反反应应工工程程第三章均相反应过程平推流反应器平推流反应器（活塞流或理想排挤流等）平推流反应器（活塞流或理想排挤流等）平推流反应器是指其中物料的流动状况满足平推流的假定。平均停留是指其中物料的流动状况满足平推流的假定。平均停留时间相等，无返混。也即某一时刻进入反应器的流体，时间相等，无返混。也即某一时刻进入反应器的流体，到某一时刻同时流出反应器。到某一时刻同时流出反应器。全混流反应器全混流反应器（也称完全混合流或理想混合流）全混流（也称完全混合流或理想混合流）全混流反应器，是指反应器中的流动状况满足全混流的假定的反应器，是指反应器中的流动状况满足全混流的假定的反应器。反应器。返混返混无穷大
7、的含义，指新鲜的物料，进入反应无穷大的含义，指新鲜的物料，进入反应器，即于反应器内原有的物料达到充分完全的混合，意器，即于反应器内原有的物料达到充分完全的混合，意味着反应器中的温度和浓度处处相等。出口的温度、浓味着反应器中的温度和浓度处处相等。出口的温度、浓度同反应器内。温度和浓度不随时间变化，反应速率处度同反应器内。温度和浓度不随时间变化，反应速率处处相等并保持恒定。处相等并保持恒定。9/9/20247反反应应工工程程第三章均相反应过程平均停留时间平均停留时间：进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时：进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，间
8、可能有长有短，形成一个时间分布，称为停留时间分布，常用平均停留时间来描述。常用平均停留时间来描述。平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中平推流和全混流都是理想的连续流动反应器。实际反应器中的流动状况，介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反的流动状况，介于这两种理想流动之间。之所以研究理想反应器是为把问题简化，把接近于理想流动的过程当作该种理应器是为把问题简化，把接近于理想流动的过程当作该种理想流动来处理。想流动来处理。9/9/20248反反应应工工程程第三章均相反应过程空速空速：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个
9、反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积。容积的物料体积。空时空时：进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间：进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间 。9/9/20249反反应应工工程程第三章均相反应过程年龄年龄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。应器中的物料质点而言的。寿命寿命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。反应器的物料质点而
10、言的。返混返混又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合是时间概念上的混合9/9/202410反反应应工工程程第三章均相反应过程3.2 简单反应器理想反应器理想反应器理想理想间歇式间歇式反应器反应器简称间歇式反应器简称间歇式反应器理想理想平推流反应器平推流反应器简称平推流反应器简称平推流反应器理想理想全混流反应器全混流反应器简称全混流反应器简称全混流反应器理想反应器的分类理想反应器的分类9/9/202411反反应应工工程程第三章均相反应过程反应消耗累积流入流入流出流出反应单元反应单元间歇式反应器中的物料平衡：间歇式反应器中的物料平衡：1、
11、间歇式反应器、间歇式反应器9/9/202412反反应应工工程程第三章均相反应过程1、间歇式反应器、间歇式反应器间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡间歇反应器的性能方程首先进行物料平衡单位时间反应器A的累积量单位时间流出反应器A的量单位时间反应消失的A的量单位时间进入反应器A的量=9/9/202413反反应应工工程程第三章均相反应过程单位时间反应消失的单位时间反应消失的A的量（的量（-rA）V物料平衡：流入流出反应累积物料平衡：流入流出反应累积0 0+（-rA）V+d(VcA)/dt9/9/202414反反应应工工程程第三章均相反应过程若反应为恒容若反应为恒容也可以这样写也可以这样写9/9/20
12、2415反反应应工工程程第三章均相反应过程(对于恒容反应对于恒容反应)(一般式一般式)(恒容恒容)从而得出从而得出反应时间和转化率关系反应时间和转化率关系的理想反应的的理想反应的间歇式间歇式反应器性能方程反应器性能方程9/9/202416反反应应工工程程第三章均相反应过程一级不可逆反应一级不可逆反应在一间歇式反应器中进行，求在在一间歇式反应器中进行，求在50 反应转化率达反应转化率达70%所需的时间。所需的时间。已知：已知：例题：计算反应时间例题：计算反应时间9/9/202417反反应应工工程程第三章均相反应过程据已知条件分析：据已知条件分析：1）一级不可逆反应就可写出速率方程；）一级不可逆反
13、应就可写出速率方程；2）间歇式反应器，）间歇式反应器，50 反应转化率达反应转化率达70%指由指由070%需需要的时间，可应用间歇式反应器性能方程；要的时间，可应用间歇式反应器性能方程；3）由）由AR可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒容的；容的；4）据）据k的值，可推知活化能的值，可推知活化能E和指前因子和指前因子5）反应温度）反应温度50 转换为绝对温度转换为绝对温度9/9/202418反反应应工工程程第三章均相反应过程解：解： 50 的反应速率常数的反应速率常数反应时间反应时间-7448.4/(273.15+50)9/9/202419反反应应工
14、工程程第三章均相反应过程计算结果计算结果t仅为仅为反应反应时间时间间歇式反应器的操作周期中还包括非反应时间，反应前的升间歇式反应器的操作周期中还包括非反应时间，反应前的升温（或降温）、反应器的清洗等非反应过程温（或降温）、反应器的清洗等非反应过程间歇式反应器的特点间歇式反应器的特点:9/9/202420反反应应工工程程第三章均相反应过程3.2 简单反应器2、平推流反应器、平推流反应器单位时间进入反应器划定体积微元的A的摩尔数单位时间流出反应器划定体积微元的A的摩尔数单位时间划定体积微元反应掉的A的摩尔数dVdl9/9/202421反反应应工工程程第三章均相反应过程FA0进入反应器反应物进入反应
15、器反应物A的摩尔流率的摩尔流率FA 单位时间流出反应器的单位时间流出反应器的A的摩尔流率的摩尔流率cA0进口浓度进口浓度cA 出口浓度出口浓度V0反应器入口的体积流率反应器入口的体积流率9/9/202422反反应应工工程程第三章均相反应过程平推流反应器的设计方程平推流反应器的设计方程-dFAV/v0初始转化初始转化率不为率不为09/9/202423反反应应工工程程第三章均相反应过程指指xA0=0时的值时的值对于恒容反应对于恒容反应式中：式中：平推流反应器的设计方程平推流反应器的设计方程9/9/202424反反应应工工程程第三章均相反应过程图35平推流反应器图解计算示意图CACA009/9/20
16、2425反反应应工工程程第三章均相反应过程一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在一级不可逆反应在一平推流反应器中进行，求在50 反应转化率达反应转化率达70%所需的空时。若所需的空时。若v0=10m3/h，求反，求反应器体积应器体积V。已知：已知：例题：计算平推流反应器中的反应时间例题：计算平推流反应器中的反应时间9/9/202426反反应应工工程程第三章均相反应过程与间歇式反应器相同与间歇式反应器相同据已知条件分析：据已知条件分析：1）一级不可逆反应就可写出速率方程；）一级不可逆反应就可写出速率方程；2）平推流反应器，）平推流反应器，50 反应转化率达反应转化率达70%指由指由070%需
17、需要的时间，可应用平推流反应器性能方程；要的时间，可应用平推流反应器性能方程；3）由）由AR可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒容可知是等摩尔反应，无论是否液相反应都是恒容的；的；4）据）据k的值，可推知活化能的值，可推知活化能E和指前因子和指前因子5）反应温度）反应温度50 转换为绝对温度转换为绝对温度9/9/202427反反应应工工程程第三章均相反应过程解：解： 50 的反应速率常数的反应速率常数反应空时和反应器体积反应空时和反应器体积9/9/202428反反应应工工程程第三章均相反应过程小 结理想反应器的分类及各自的特点理想反应器的分类及各自的特点重要概念：重要概念： 平均停留时间平
18、均停留时间 空时空时 空速空速 年龄、寿命、返混年龄、寿命、返混间歇反应器设计方程的推导及应用；间歇反应器设计方程的推导及应用；平推流反应器设计方程的推导及应用。平推流反应器设计方程的推导及应用。9/9/202429反反应应工工程程第三章均相反应过程习题2P851、21、在一等温操作的间歇反应器中进行某一液相反应，、在一等温操作的间歇反应器中进行某一液相反应，13min后反应物转化掉后反应物转化掉70%。今若把此反应移至平推流管。今若把此反应移至平推流管式反应器或全混流釜式反应器中进行，为达到相同的转化式反应器或全混流釜式反应器中进行，为达到相同的转化率，所需的空时和空速各是多少？率，所需的空
19、时和空速各是多少？2、用物料衡算式推导间歇式反应器的性能方程。、用物料衡算式推导间歇式反应器的性能方程。2、在、在555K及及3kgf/cm2下，在平推流管式反应器中进行下，在平推流管式反应器中进行AP，已知进料中含，已知进料中含30%A(摩尔数摩尔数)，其余为惰性物料，加料流量，其余为惰性物料，加料流量为为6.3mol/s，动力学方程为，动力学方程为(-rA)=0.27nAmol/(m3s)，为，为达到达到95%的转化率，试求的转化率，试求(1)所需空速为多少？所需空速为多少？(2)反应器容积反应器容积大小。大小。9/9/202430反反应应工工程程第三章均相反应过程3.2 简单反应器3、全
20、混流反应器、全混流反应器全混流反应器也是全混流反应器也是连续流动反应器其特点：连续流动反应器其特点：连续操作连续操作效率高效率高操作参数易控制，使连续反应器在稳态下运行操作参数易控制，使连续反应器在稳态下运行质量稳定质量稳定适合大规模生产适合大规模生产若要保证在稳态下生产，控制参数需要若要保证在稳态下生产，控制参数需要较多的辅助设施较多的辅助设施（如泵、压缩机、温控系统、自动化操作系统等配套设施）（如泵、压缩机、温控系统、自动化操作系统等配套设施）投资大投资大9/9/202431反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流反应器理想的内涵：全混流反应器理想的内涵：返混返混无穷大无穷大这意味着新鲜原
21、料进入反应器后这意味着新鲜原料进入反应器后与反应器内原有的物料与反应器内原有的物料瞬间达到瞬间达到均匀混合均匀混合，因而与间歇式反应器，因而与间歇式反应器一样，全混流反应器内浓度和温一样，全混流反应器内浓度和温度处处相等，且等于出口的浓度度处处相等，且等于出口的浓度和温度。和温度。因为是连续操作，所以不存在原因为是连续操作，所以不存在原料累积。料累积。图图3-6全混流釜式反应器示意图全混流釜式反应器示意图9/9/202432反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流反应器的设计方程（性能方程）全混流反应器的设计方程（性能方程）单位时间进入反应器的A的摩尔数单位时间流出反应器的A的摩尔数单位时间反
22、应掉的A的摩尔数FA0进入反应器反应物A的摩尔流率FA 单位时间流出反应器的A的摩尔流率cA0进口浓度cA 出口浓度v0反应器入口的体积流率未转化的未转化的A的量的量9/9/202433反反应应工工程程第三章均相反应过程恒容恒容9/9/202434反反应应工工程程第三章均相反应过程图图3-7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面积面积=全混流反应器设计方程全混流反应器设计方程若若xA0不为不为0则：则：9/9/202435反反应应工工程程第三章均相反应过程一级不可逆反应一级不可逆反应在一全混流反应器中进行，求在在一全混流反应器中进行，求在50 反应转化率达反应转化率达70%所需
23、的空时。若所需的空时。若v0=10m3/h,求反应求反应器体积器体积V。例：计算空时和反应器体积例：计算空时和反应器体积9/9/202436反反应应工工程程第三章均相反应过程解：解： 同间歇反应器的计算一样，首先计算同间歇反应器的计算一样，首先计算50 的反应的反应速率常数速率常数转化率已知，又因在全混转化率已知，又因在全混流浓度温度始终不变反应流浓度温度始终不变反应速率为一常数。将速率常速率为一常数。将速率常数和转化率代入已知的速数和转化率代入已知的速率方程率方程9/9/202437反反应应工工程程第三章均相反应过程前面我们求出了平推流反前面我们求出了平推流反应器的空时和体积应器的空时和体积
24、可见用平推流和全混流反应器的空时不同，显然平推流可见用平推流和全混流反应器的空时不同，显然平推流反应器效率高，单纯由反应器的设备投资的经济性角度反应器效率高，单纯由反应器的设备投资的经济性角度考虑，反应器的体积越大投资越高，平推流当然优于全考虑，反应器的体积越大投资越高，平推流当然优于全混流。混流。全混流反应器的空时和体积全混流反应器的空时和体积9/9/202438反反应应工工程程第三章均相反应过程3.3 组合反应器3.3.1 平推流反应器的串联、并串或并串联平推流反应器的串联、并串或并串联平推流反应器的串并联平推流反应器的串并联全混流反应器的串联全混流反应器的串联全混流与平推流反应器的串联全
25、混流与平推流反应器的串联平推流反应器的串联平推流反应器的串联9/9/202439反反应应工工程程第三章均相反应过程对于平推流反应器的串联，把管式反应器中间截断，再对于平推流反应器的串联，把管式反应器中间截断，再把两个反应器串联，其效果是相同的。实际生产中，限把两个反应器串联，其效果是相同的。实际生产中，限于厂房，有时平推流反应器的串联还是很有必要。于厂房，有时平推流反应器的串联还是很有必要。9/9/202440反反应应工工程程第三章均相反应过程例如将一个很高的反应器例如将一个很高的反应器A，分为两个较短的，分为两个较短的反应器反应器A、B的串联方式便于运输和安装。的串联方式便于运输和安装。反应
26、器A反应器A、B的串联9/9/202441反反应应工工程程第三章均相反应过程平推流反应器的并联平推流反应器的并联根据实际的需要，有时因单个平推流反应器的管径太粗加工根据实际的需要，有时因单个平推流反应器的管径太粗加工运输不便等实际情况，要用到平推流反应器的串并联。但应运输不便等实际情况，要用到平推流反应器的串并联。但应满足：此时总的反应器的效率最高。满足：此时总的反应器的效率最高。9/9/2024422 、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联v1v4v3v2cA0vnv0xAnxA2xA3xA1xA4cAncAicA3cA2cA1图 3-8 多釜串联操作示意图9/9/202443反反应应工工程
27、程第三章均相反应过程一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进行反应注意：全混流反应器中，一旦原料进入反应器，处处温度浓注意：全混流反应器中，一旦原料进入反应器，处处温度浓度都是恒定的，出口的浓度与反应器中一致，但入口的浓度度都是恒定的，出口的浓度与反应器中一致，但入口的浓度则是则是cA0.vvvvcA0vv0xAnxA2xA3xA1xA4cAncAicA3cA2cA1对于每个反应器，都可根据全混流反应器的设计方程，写出对于每个反应器，都可根据全混流反应器的设计方程，写出浓度、空时的关系式浓度、空时的关系式9/9/202444反反应应工工程程第三章均相反应过程2 、具有相同或不同体积的、
28、具有相同或不同体积的N个全混釜的串联个全混釜的串联一级不可逆反应在一级不可逆反应在N个串联的等体积全混流反应器中进个串联的等体积全混流反应器中进行反应行反应两个不同体积的全混流反应器的串联两个不同体积的全混流反应器的串联未知反应在串联的全混流反应器中进行反应的图解法未知反应在串联的全混流反应器中进行反应的图解法对于一级不可逆恒容反应，速率方程为对于一级不可逆恒容反应，速率方程为根据全混流反应器的设计方程根据全混流反应器的设计方程变形得变形得9/9/202445对于单个反应器：对于单个反应器：将将N个反应器串联每个反应器的体积都是个反应器串联每个反应器的体积都是V、每个反应器的空、每个反应器的空
29、时都是时都是 第第1个反应器：个反应器：第第2个反应器：个反应器：9/9/202446反反应应工工程程第三章均相反应过程若想求最终出口浓度若想求最终出口浓度CAN与第一个反应器入口浓度的关系，与第一个反应器入口浓度的关系，令令N个关系式左右相乘得：个关系式左右相乘得：1：2：N：或或9/9/202447反反应应工工程程第三章均相反应过程9/9/202448反反应应工工程程第三章均相反应过程这样就得到了转化率、反应器开始和最终的浓度、反应器这样就得到了转化率、反应器开始和最终的浓度、反应器的个数及单个反应器的空时的关系。的个数及单个反应器的空时的关系。9/9/202449反反应应工工程程第三章均
30、相反应过程设设N个全混流反应器的总空时为：个全混流反应器的总空时为：则则根据平推流反应器的设计方程，对一级不可逆反应有根据平推流反应器的设计方程，对一级不可逆反应有9/9/202450反反应应工工程程第三章均相反应过程N个全混流反应器串联，当个全混流反应器串联，当N越大，反应器总体接近平推流越大，反应器总体接近平推流9/9/202451反反应应工工程程第三章均相反应过程而平推流反应器：而平推流反应器：显见无限多个全混流反应器串联与平推流反应器一致显见无限多个全混流反应器串联与平推流反应器一致9/9/202452反反应应工工程程第三章均相反应过程而根据平推流反应器的设计方程而根据平推流反应器的设
31、计方程N个全混流反应器串联个全混流反应器串联N越大越接近平推流反应器，或者说平越大越接近平推流反应器，或者说平推流反应器可看做是无限多个全混流反应器串联的结果。推流反应器可看做是无限多个全混流反应器串联的结果。9/9/202453反反应应工工程程第三章均相反应过程根据全混流反应器的设计方程对于恒容反应根据全混流反应器的设计方程对于恒容反应两个不同体积的全混釜的串联两个不同体积的全混釜的串联v2v1cA0v0cA2cA1注意：第二个反应器计算仍用第一个反应器入口的体积注意：第二个反应器计算仍用第一个反应器入口的体积流率流率v0，是指反应开始时的流率。因为公式推导时设定，是指反应开始时的流率。因为
32、公式推导时设定的就是转化率为的就是转化率为0时的量。时的量。9/9/202454反反应应工工程程第三章均相反应过程两个不同体积的全混釜串联，两个不同体积的全混釜串联，cA1为多少时，体积的和、空时为多少时，体积的和、空时的和最小，总空时为的和最小，总空时为cA1的函数。将空时的和对的函数。将空时的和对cA1求导，令求导，令d/dcA1= 0，解出，解出cA1。再分别代入上式，求出总空时。再分别代入上式，求出总空时。解得解得V1、1和和V2、2从而求出得从而求出得V、9/9/202455反反应应工工程程第三章均相反应过程例：一级不可逆恒容反应例：一级不可逆恒容反应-rA=cA在两个串联的全混流反
33、应器中在两个串联的全混流反应器中进行，最终出口的转化率为进行，最终出口的转化率为90%。若使总空时最小，第一个反。若使总空时最小，第一个反应器出口的转化率应为多少？两个反应器的空时各为多少？应器出口的转化率应为多少？两个反应器的空时各为多少？解：总空时解：总空时9/9/202456反反应应工工程程第三章均相反应过程也即当也即当cA10.316cA0时，反应器的总空时最小。得第一个时，反应器的总空时最小。得第一个反应器的转化率为：反应器的转化率为：反应器的总空时为反应器的总空时为1+2：9/9/202457反反应应工工程程第三章均相反应过程可见，本例中当两个反应器的大小相等时，总空时最小。可见，
34、本例中当两个反应器的大小相等时，总空时最小。但多数情况下，两个反应器的大小是不一样的。但多数情况下，两个反应器的大小是不一样的。实际上，采用两个实际上，采用两个大小不等大小不等的反应器串联，使反应器总体的反应器串联，使反应器总体积最小，在经济上并没多大优势。积最小，在经济上并没多大优势。9/9/202458反反应应工工程程第三章均相反应过程v2v1cA0v0cA2cA168.4%90%图示：图示：9/9/202459反反应应工工程程第三章均相反应过程图 3-9 多釜串联操作的图解计算对给定了处理量和转化率要需选釜数和釜容积时，避免对给定了处理量和转化率要需选釜数和釜容积时，避免求解的试差。求解
35、的试差。r是是c的函数：的函数：得到以空时负倒数为斜率的得到以空时负倒数为斜率的直线，与直线，与x轴的交点为入口轴的交点为入口的浓度。的浓度。9/9/202460得到以空时负倒数为斜率的直线，得到以空时负倒数为斜率的直线，与与x轴的交点为入口的浓度。轴的交点为入口的浓度。为斜率为斜率作图直到所要求的出口浓度为作图直到所要求的出口浓度为止，有止，有 n 个阶梯，即代表所需个阶梯，即代表所需的釜数。斜率不同表示釜的大的釜数。斜率不同表示釜的大小不同。小不同。图解计算只适用于反应速率最图解计算只适用于反应速率最后能以单一组分的浓度来表达后能以单一组分的浓度来表达的简单反应。的简单反应。9/9/202
36、461反反应应工工程程第三章均相反应过程3 、不同型式反应器的串联、不同型式反应器的串联在全混混流反应器后连接两个平推流反在全混混流反应器后连接两个平推流反应器，然后再接另一个全混流反应器应器，然后再接另一个全混流反应器9/9/202462反反应应工工程程第三章均相反应过程图 3 - 10 不同型式反应器串联的图解计算9/9/202463反反应应工工程程第三章均相反应过程其相互关系以图解型式表示在图其相互关系以图解型式表示在图 3-10 中。该图可供推算系统的总转化中。该图可供推算系统的总转化率、中间阶段的转化率或已经定出率、中间阶段的转化率或已经定出各段的转化率，可利用此图求得各各段的转化率
37、，可利用此图求得各个反应器的体积大小。全混流反应个反应器的体积大小。全混流反应器中，反应速率的倒数对转化率作器中，反应速率的倒数对转化率作图，矩形的面积代表全混流反应器图，矩形的面积代表全混流反应器是是 /CA0，而平推流反应器中，曲线而平推流反应器中，曲线下的面积对应的也是下的面积对应的也是/CA09/9/202464混、平的串联平、混串联全混流全混流全混流全混流平推流平推流平推流平推流9/9/202465反反应应工工程程第三章均相反应过程对于全混流反应器与平推流反应器串联的顺序，会影响总对于全混流反应器与平推流反应器串联的顺序，会影响总体反应器的大小。若总体反应器大小一定，则平推流与全体反
38、应器的大小。若总体反应器大小一定，则平推流与全混流反应器的前后顺序会影响转化率。混流反应器的前后顺序会影响转化率。9/9/202466反反应应工工程程第三章均相反应过程例：有两个有效容积均为例：有两个有效容积均为V1L的平推流和全混流反应器，的平推流和全混流反应器，反应器内进行的是二级不可逆反应器内进行的是二级不可逆液相液相反应。已知反应的速率方反应。已知反应的速率方程程,初始转化率为初始转化率为0，A的初始浓度，反应器入口原料的体积的初始浓度，反应器入口原料的体积流率。流率。已知：已知：试通过计算比较平推流与全混流反应器的顺序最终对转化试通过计算比较平推流与全混流反应器的顺序最终对转化率是否
39、有影响。率是否有影响。9/9/202467反反应应工工程程第三章均相反应过程解：解：a.平推流反应器在前、全混流反应器在后，根据平推流反平推流反应器在前、全混流反应器在后，根据平推流反应器的设计方程应器的设计方程9/9/202468反反应应工工程程第三章均相反应过程9/9/202469反反应应工工程程第三章均相反应过程根据全混流反应器的设计方程根据全混流反应器的设计方程当然转化率不可能大于当然转化率不可能大于1，所以等于，所以等于0.634。在实际计算。在实际计算要对计算结果合理取舍。要对计算结果合理取舍。X-全混流入口转化率全混流入口转化率x-全混流出口转化率全混流出口转化率出口-入口9/9
40、/202470反反应应工工程程第三章均相反应过程b.全混流反应器在前、平推流反应器全混流反应器在前、平推流反应器在后，根据全混流反应器的设计方程在后，根据全混流反应器的设计方程9/9/202471反反应应工工程程第三章均相反应过程根据平推流反应器的设计方程根据平推流反应器的设计方程据计算结果看平推流反应器在前略好于全混流反应器在前。据计算结果看平推流反应器在前略好于全混流反应器在前。9/9/202472反反应应工工程程第三章均相反应过程习题习题P854、6P85:4 均相气相反应均相气相反应A3P，服从二级反应动力学。在，服从二级反应动力学。在5kg/cm2、350和和V0=4m3/h下，采用
41、一个下，采用一个2.5cm内径、内径、2m长的实验反应长的实验反应器，能获得器，能获得60%转化率。为了设计工业规模反应器，当处理量转化率。为了设计工业规模反应器，当处理量为为320m3/h进料中含进料中含50%A，50%惰性物料时，在惰性物料时，在25kg/cm2和和350 下反应，为获得下反应，为获得80%转化率，试求转化率，试求(1)需用需用2.5cm内径、内径、2m长的管子多少根？长的管子多少根？(2)这些管子应以平行或串联？这些管子应以平行或串联？假设流动为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。假设流动为平推流，忽略压降，反应气体符合理想气体行为。9/9/202473反反应应工
42、工程程第三章均相反应过程循环料出料新鲜料总进料多管循环出料新鲜进料总进料单管循环3.3.4 循环反应器循环反应器9/9/202474反反应应工工程程第三章均相反应过程3.3.4 循环反应器循环反应器在工业生产中为了控制反应物的合适浓度以便于控制温在工业生产中为了控制反应物的合适浓度以便于控制温度、转化率和收率，同时又需使物料在反应器内有足够度、转化率和收率，同时又需使物料在反应器内有足够的停留时间并具有一定的线速度，常常采用将部分物料的停留时间并具有一定的线速度，常常采用将部分物料进行循环的操作方法。进行循环的操作方法。9/9/202475反反应应工工程程第三章均相反应过程3.3.4 循环反应
43、器循环反应器9/9/202476反反应应工工程程第三章均相反应过程有循环的平推流反应器简称有循环的平推流反应器简称循环反应器循环反应器，出口物料再循环，出口物料再循环到反应器的入口，继续反应。要求循环反应器的设计方程，到反应器的入口，继续反应。要求循环反应器的设计方程，依旧对这个体系进行物料衡算。也要划定体积微元进行衡依旧对这个体系进行物料衡算。也要划定体积微元进行衡算。算。分析：平推流反应器，循环带有产物的物料与新鲜的物料分析：平推流反应器，循环带有产物的物料与新鲜的物料混合后进入反应器，只是入口的转化率不为混合后进入反应器，只是入口的转化率不为0。循环比循环比 ：循环的体积流循环的体积流量
44、量/离开的体积流离开的体积流量量9/9/202477反反应应工工程程第三章均相反应过程无循环平推流的设计方程无循环平推流的设计方程此时进入反应器的摩尔流率此时进入反应器的摩尔流率FAr与新鲜的物料与新鲜的物料FA0不同不同循环反应器的初始流率为循环反应器的初始流率为FA0循环反应器，循环回来的循环反应器，循环回来的+新鲜的物料新鲜的物料9/9/202478循环反应器的设计方程应为：循环反应器的设计方程应为：循环反应器的入口转化率循环反应器的入口转化率xA1可以通过下式进出反应器可以通过下式进出反应器的物料平衡求得：的物料平衡求得：9/9/202479反反应应工工程程第三章均相反应过程得得 9/
45、9/202480反反应应工工程程第三章均相反应过程将将 代入平推流设计方程代入平推流设计方程得得 9/9/202481反反应应工工程程第三章均相反应过程得带循环的平推流设计方程：得带循环的平推流设计方程：或或9/9/202482反反应应工工程程第三章均相反应过程当当值越大时，值越大时， 越趋近于越趋近于1当当趋近无穷大时，反应趋近无穷大时，反应器趋近于全混流反应器。器趋近于全混流反应器。 越大，积分上下线越接近，整越大，积分上下线越接近，整个积分项接近一个常数，就越接近全混流反应器。个积分项接近一个常数，就越接近全混流反应器。9/9/202483反反应应工工程程第三章均相反应过程值变化对面积的
46、值变化对面积的的的影响影响，当然若循，当然若循环比越小越接近平环比越小越接近平推流。推流。图3-129/9/202484反反应应工工程程第三章均相反应过程小小 结结平推流反应器的串联、并联平推流反应器的串联、并联全混流反应器的串联（等体积、不等体积）全混流反应器的串联（等体积、不等体积）全混流反应器串联的图解法全混流反应器串联的图解法不同反应器的混联不同反应器的混联循环反应器循环反应器9/9/202485反反应应工工程程第三章均相反应过程3.3.5 半连续操作的反应器自学：自学：不作要求不作要求9/9/202486反反应应工工程程第三章均相反应过程3.4 非等温过程非等温过程温度是影响化学反应
47、速率最敏感的因素，而化学反应又总是伴随一定的热效应的，因此热效应的不均，将导致反应器中有不同的温度分布。反应器按其温度条件可分为等温和非等温两大类。所谓等温过程或等温操作的反应器，指的是反应所发生的热量全部由载热体带走或由系统向周围环境传出，从而维持反应的温度恒定不变。一般说来，这种等温操作要求传热好，单位反应器体积有很大的传热面，从而使热交换能力足够适应反应的放热速率。或者是全混式装置，如强烈搅拌的釜、鼓泡塔或流化床等。3.4.1温度的影响温度的影响9/9/202487反反应应工工程程第三章均相反应过程(1)反应热反应热(2)化学平衡温度对反应平衡常数的影响化学平衡温度对反应平衡常数的影响在
48、等温条件下反应的热焓变化称为热效应在等温条件下反应的热焓变化称为热效应想要精确的控制在某一温度条件操作是不现实的，只能够控制在某一温度范围内操作。为维持反应体系的热量在某一范围，首先就要对反应过程的热量进行衡算（或称能量衡算）9/9/202488反反应应工工程程第三章均相反应过程9/9/202489反反应应工工程程第三章均相反应过程3.4非等温操作非等温操作间歇式反应器的热量衡算间歇式反应器的热量衡算用盘管或夹套给反应器供热或取热，控制反应器温度在一定用盘管或夹套给反应器供热或取热，控制反应器温度在一定范围内。范围内。反应器的热量衡算：反应器的热量衡算：单位时间环境传给反应器的热量单位时间反应
49、放出的热量反应器内热量的累积速度因为我们对反应速率的定义是，单位时间单位反应器有效因为我们对反应速率的定义是，单位时间单位反应器有效体积摩尔数的变化量。体积摩尔数的变化量。9/9/202490反反应应工工程程第三章均相反应过程T 反应温度反应温度Tm (环境环境)传热介质的温度传热介质的温度TmT 传热介质传热介质(环境环境)和反应器的温度差和反应器的温度差U 传热系数传热系数A 传热面积传热面积Hr 反反应热 放热反应为负、吸热反应为正值放热反应为负、吸热反应为正值rA 反反应速率速率V 反反应器的有效体器的有效体积cV 恒容摩恒容摩尔尔热容容 流体密度流体密度9/9/202491反反应应工
50、工程程第三章均相反应过程对于恒容反应对于恒容反应对于恒容绝热过程对于恒容绝热过程（恒容反应一般式）间歇反应操作方程（恒容反应一般式）间歇反应操作方程9/9/202492反反应应工工程程第三章均相反应过程简化为：一个常数乘以单位时间对转化率的变化量简化为：一个常数乘以单位时间对转化率的变化量我们想要明确的是不同温度下对应的转化率是多少？我们想要明确的是不同温度下对应的转化率是多少？就要对微分式进行积分，所以要知道起始条件。就要对微分式进行积分，所以要知道起始条件。9/9/202493反反应应工工程程第三章均相反应过程对于恒容反应对于恒容反应对于恒容绝热过程对于恒容绝热过程单位时间环境传给反应器的
51、热量单位时间反应放出的热量反应器内热量的累积速度9/9/202494反反应应工工程程第三章均相反应过程起始条件起始条件积分得积分得9/9/202495反反应应工工程程第三章均相反应过程代入到下式性能方程中可计算绝热操作条件下的反应代入到下式性能方程中可计算绝热操作条件下的反应时间时间对于不可逆对于不可逆放热放热反应，只要不超过允许的温度上限，那么反应，只要不超过允许的温度上限，那么采用这种绝热操作就可以不必浪费能量继续加热，节省燃采用这种绝热操作就可以不必浪费能量继续加热，节省燃料。反应温度就会升高，以降低生产成本，反应速率加快，料。反应温度就会升高，以降低生产成本，反应速率加快，提高生产效率
52、，所以绝热就是有利的。提高生产效率，所以绝热就是有利的。间歇式反应器的优化：转化率升高反应速率会下降，无论间歇式反应器的优化：转化率升高反应速率会下降，无论生产效率还是经济效益的角度，都存在最佳转化率的问题。生产效率还是经济效益的角度，都存在最佳转化率的问题。9/9/202496反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流反应器的热量衡算全混流反应器的热量衡算单位时间流体带入反应器的热量单位时间流体带出反应器的热量单位时间反应放出的热量 + 0单位时间通过热面传出的热量v0质量流率(体积流率密度)cP,in原料的比热T0 绝对温度(都以绝对温度0作为热量衡算的基准点)V 反应有效体积反应放出的热量
53、(U传热系数A传热面积Tm传热介质的温度)向外传出的热量全混流反应器是稳态流动反应器，不存在热量的累积。全混流反应器是稳态流动反应器，不存在热量的累积。9/9/202497反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流反应器是稳定流动型的反应器，也即，在反应过全混流反应器是稳定流动型的反应器，也即，在反应过程中，温度和组成不变反应速率恒定。因此不存在热量程中，温度和组成不变反应速率恒定。因此不存在热量的累积，否则温度将发生变化。的累积，否则温度将发生变化。反应过程中有反应过程中有 原料进入和产物流出带入和带走热量。原料进入和产物流出带入和带走热量。注意：注意：cP恒压摩尔热容也是温度的函数，这里忽略
54、它随恒压摩尔热容也是温度的函数，这里忽略它随温度的变化，视作恒定，或在计算中取进出口的平均值。温度的变化，视作恒定，或在计算中取进出口的平均值。与间歇反应器热量衡算的区别与间歇反应器热量衡算的区别9/9/202498反反应应工工程程第三章均相反应过程(绝热)忽略恒压摩尔热容随温度和组成变化，视作恒定时：忽略恒压摩尔热容随温度和组成变化，视作恒定时：反应热全部被产物带走，维持反应热量平衡反应热全部被产物带走，维持反应热量平衡9/9/202499反反应应工工程程第三章均相反应过程(绝热)忽略恒压摩尔热容随温度和组成变化，视作恒定时：忽略恒压摩尔热容随温度和组成变化，视作恒定时：全混流反应器的三个热
55、量衡算式全混流反应器的三个热量衡算式9/9/2024100反反应应工工程程第三章均相反应过程小小 结结循环反应器循环反应器非等温操作非等温操作 间歇式反应器的热量衡算间歇式反应器的热量衡算 全混流反应器的热量衡算全混流反应器的热量衡算9/9/2024101反反应应工工程程第三章均相反应过程平推流反应器的热量衡算平推流反应器的热量衡算反应放出的热量物料带入的热量物料带出的热量传到环境的热量dl9/9/2024102单位时间进入微元带入的热量单位时间流出微元带走的热量单位时间反应放出的热量单位时间通过热面传出的热量S-为平推流的截面积“+”=+反应放出的热量物料带入热量物料带出热量传到环境的热量d
56、l9/9/2024103反反应应工工程程第三章均相反应过程根据平推流的设计方程根据平推流的设计方程整理得出温度随径向管长变化的关系式整理得出温度随径向管长变化的关系式9/9/2024104反反应应工工程程第三章均相反应过程积分式积分式对于绝热操作还可简化为：对于绝热操作还可简化为：9/9/2024105反反应应工工程程第三章均相反应过程3.4非等温操作小结非等温操作小结间歇式间歇式反应器反应器全混流全混流平推流平推流流体带入热流体带出热反应热通过环境传热反应热通过环境传热反应热通过环境传热累积热进出微元的热变化9/9/2024106反反应应工工程程第三章均相反应过程习题习题P866根据实际反应
57、根据实际反应(可选已知的典型的化学反应可选已知的典型的化学反应)的例子，说明如何的例子，说明如何优化设计使得空时最小，转化率最高，反应热利用率最高。优化设计使得空时最小，转化率最高，反应热利用率最高。6 ，理想气体分解反应，理想气体分解反应 AP+ S ，在初始温度为，在初始温度为 348K 的间的间歇恒容反应器中进行，压力为歇恒容反应器中进行，压力为 5kgf cm2，反应器容积为，反应器容积为 0 . 25m3，反应的热效率在，反应的热效率在 348K 时为时为-5815 J / mol ，假定各，假定各物料的比热容在反应过程中恒定不变，且分别为：物料的比热容在反应过程中恒定不变，且分别为
58、：cpA= 126 J/ ( mol K ) ，cpP105J / ( mol K ) ；反应速率常数如下表；反应速率常数如下表所示。所示。试计算在绝热情况下达到试计算在绝热情况下达到90转化率所需的时间。转化率所需的时间。9/9/2024107反反应应工工程程第三章均相反应过程3 . 5 反应器类型和操作方法的评选反应器类型和操作方法的评选评选评选反应过程反应过程动力学特征动力学特征生产规模生产规模设备投资设备投资安全、稳定、灵活性安全、稳定、灵活性目的产物的收率目的产物的收率反应器的大小反应器的大小(目的目的)产物的分布产物的分布（选择性、收率）（选择性、收率）经济性经济性诸如原料的净化、
59、成品的处理诸如原料的净化、成品的处理9/9/2024108反反应应工工程程第三章均相反应过程反应类型反应类型复合反应复合反应单一反应单一反应不存在产物的分布问题不存在产物的分布问题选择反应器应主要考虑反应器选择反应器应主要考虑反应器体积越小越好体积越小越好(两个或两个以上计量方程才能两个或两个以上计量方程才能描述的反应描述的反应)首先考虑的是主反首先考虑的是主反应和副反应，而主反应中也有应和副反应，而主反应中也有的包含副产物，因此要考虑尽的包含副产物，因此要考虑尽可能多地生产目的产物。可能多地生产目的产物。9/9/2024109反反应应工工程程第三章均相反应过程单一反应单一反应：只用一个化学反
60、应和一个动力学方程能代表的反：只用一个化学反应和一个动力学方程能代表的反应应复合反应复合反应：是有几个反应同时进行的用几个动力学方程才能：是有几个反应同时进行的用几个动力学方程才能描述的反应描述的反应对于复合反应又分平行反应、连串反应、平行串联反应对于复合反应又分平行反应、连串反应、平行串联反应ARSARSASRT9/9/2024110反反应应工工程程第三章均相反应过程3 .5 .1 单一反应单一反应因为单一反应是用一个计量方程就可以描述的反应，也就因为单一反应是用一个计量方程就可以描述的反应，也就一个速率方程，反应物与产物的计量关系是确定的。假若一个速率方程，反应物与产物的计量关系是确定的。
61、假若产物有几种而我们所需要的目的产物只有一种，那样也没产物有几种而我们所需要的目的产物只有一种，那样也没有办法调整目的产物和非目的产物的比例。比如不能通过有办法调整目的产物和非目的产物的比例。比如不能通过调节反应条件和改变反应器型式来提高目的产物的收率。调节反应条件和改变反应器型式来提高目的产物的收率。那么只考虑反应器的体积。若要判断一个设计的经济性还那么只考虑反应器的体积。若要判断一个设计的经济性还不能单单考虑反应器的大小，还要综观全过程。不能单单考虑反应器的大小，还要综观全过程。9/9/2024111反反应应工工程程第三章均相反应过程间歇式间歇式全混流全混流平推流平推流9/9/202411
62、2反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流与平推流空时全混流与平推流空时 之比之比全混流的空时全混流的空时平推流的空时平推流的空时9/9/20241131011000.010. 11.0n=3n=2n=1=2 =1 =0 =-1/2 =-2/3n=1/2n=1/41-xAxA0 体积比体积比xA1 体积比体积比对高转化率反对高转化率反应宜用应宜用n体积比体积比n体积比体积比n=0体积比体积比=1思考：当反应级数大时应采用什么样的反应器？思考：当反应级数大时应采用什么样的反应器？1大大平推流平推流9/9/2024114反反应应工工程程第三章均相反应过程1/(-rA)xA单调递增平推流优于全混流单
63、调递增平推流优于全混流1/(-rA)xA平推流平推流全混流全混流反应速率的倒数随转化率单调递增的情况：反应速率的倒数随转化率单调递增的情况：9/9/2024115反反应应工工程程第三章均相反应过程平推流平推流全混流全混流由图看出，若由图看出，若反应速率的倒数随转化率单调递增反应速率的倒数随转化率单调递增，则平，则平推流的空时比全混流小的多。推流的空时比全混流小的多。反之反应速率的倒数随转化率单调递减，则全混流反反之反应速率的倒数随转化率单调递减，则全混流反应器优于平推流反应器。应器优于平推流反应器。9/9/2024116反反应应工工程程第三章均相反应过程随着转化率的增加，浓度在不断降低，反应速
64、率的倒数随着转化率的增加，浓度在不断降低，反应速率的倒数还可以对浓度作图：还可以对浓度作图：1/(-rA)cA平推流平推流1/(-rA)cA全混流全混流由速率倒数对浓度的作图也可直观的看到由速率倒数对浓度的作图也可直观的看到转化率单调递增转化率单调递增(浓浓度单调递减度单调递减)，平推流反应器空时比全混流反应器小的多平推流反应器空时比全混流反应器小的多。9/9/2024117反反应应工工程程第三章均相反应过程1/(-rA)xA单调单调递减递减全混全混流优于平推流流优于平推流平推流平推流全混流全混流结论：反应速率的倒数随转化率单调递减时全混流优结论：反应速率的倒数随转化率单调递减时全混流优于平推
65、流反应器。于平推流反应器。反应速率的倒数随转化率单调递减的情况：反应速率的倒数随转化率单调递减的情况：9/9/2024118反反应应工工程程第三章均相反应过程对于不可逆反应：单调递增意味着反应级数对于不可逆反应：单调递增意味着反应级数n0（转化率（转化率 ） 单调递减意味着反应级数单调递减意味着反应级数n0也即：也即：对于不可逆反应：对于不可逆反应：当当n0时选用平推流优于全混流时选用平推流优于全混流当当n0时则应选用全混流反应器。时则应选用全混流反应器。当当n0时反应速率不随浓度的变化而变化时反应速率不随浓度的变化而变化,故用平推故用平推流或全混流均可。流或全混流均可。9/9/2024119
66、反反应应工工程程第三章均相反应过程1/(-rA)cA同样用反应速率的倒数对浓度作图，得到方向相反的曲同样用反应速率的倒数对浓度作图，得到方向相反的曲线图。线图。反应级数反应级数n=0cA1/(-rA)与前面以反应器体积推导的结果是一致的。与前面以反应器体积推导的结果是一致的。9/9/2024120反反应应工工程程第三章均相反应过程对于反应速率的倒数对转化率不是单调函数，对于反应速率的倒数对转化率不是单调函数，有极值有极值的情况的情况1/(-rA)xA1/(-rA)xA平推流平推流全混流全混流平推流平推流全混流全混流9/9/2024121反反应应工工程程第三章均相反应过程1/(-rA)xA两个全
67、混流串联两个全混流串联由图中看出，显然用由图中看出，显然用1/(-rA)xA先平推流后全混流先平推流后全混流单一全混流反应器比用任何形式都好单一全混流反应器比用任何形式都好9/9/2024122反反应应工工程程第三章均相反应过程1/(-rA)xA1/(-rA)xA可见若用单一反应器，平推流优于全混流可见若用单一反应器，平推流优于全混流9/9/2024123反反应应工工程程第三章均相反应过程1/(-rA)xA1/(-rA)xA先全混流后平推流先全混流后平推流以最小值为分界点，用以最小值为分界点，用两个不同类型的反应器串连先全混两个不同类型的反应器串连先全混流后平推流，可使空时最小。流后平推流，可
68、使空时最小。反之若平推在前全混在后，反之若平推在前全混在后，则效果差。则效果差。先平推流后全混流先平推流后全混流9/9/2024124反反应应工工程程第三章均相反应过程虽比不得两个不同类型的反应器的串联，却只用一个反应器虽比不得两个不同类型的反应器的串联，却只用一个反应器就可实现，工艺过程的复杂性就降低，操作会简便、投资将就可实现，工艺过程的复杂性就降低，操作会简便、投资将会减小。会减小。对于反应速率的倒数有极对于反应速率的倒数有极小值的情况，也可考虑采小值的情况，也可考虑采用循环反应器。虽然平均用循环反应器。虽然平均高度与速率负倒数数的乘高度与速率负倒数数的乘积为矩形面积，若要找到积为矩形面
69、积，若要找到最佳循环比，空时也可很最佳循环比，空时也可很小。小。9/9/2024125反反应应工工程程第三章均相反应过程往往在反应工程中，我们只从单一计算的角度看如何才往往在反应工程中，我们只从单一计算的角度看如何才能使反应器的体积最小，而忽略了全过程的经济性，上能使反应器的体积最小，而忽略了全过程的经济性，上面的例子就可发现，当选用一个循环反应器时，找到最面的例子就可发现，当选用一个循环反应器时，找到最佳循环比，一个反应器会比用不同类型的两个反应器的佳循环比，一个反应器会比用不同类型的两个反应器的组合来的更经济。组合来的更经济。因此具体问题，还要全面综合考虑。因此具体问题，还要全面综合考虑。
70、9/9/2024126反反应应工工程程第三章均相反应过程3 .5 .2 复合反应复合反应复合反应，要考虑主反应和副反应，主反应就是生成目的产复合反应，要考虑主反应和副反应，主反应就是生成目的产物的反应，但主反应有可能也伴随有非目的产物的生成；而物的反应，但主反应有可能也伴随有非目的产物的生成；而副反应中则根本不存在目的产物，所以要尽可能促进主反应，副反应中则根本不存在目的产物，所以要尽可能促进主反应，抑制副反应。抑制副反应。复合反应复合反应主反应主反应副反应副反应目的产物目的产物非目的产物非目的产物非目的产物非目的产物(促进促进)(抑制抑制)9/9/2024127反反应应工工程程第三章均相反应
71、过程总收率总收率瞬时收率瞬时收率全混流瞬时收率全混流瞬时收率与总收率的关系与总收率的关系平推流瞬时收率与平推流瞬时收率与总收率间的关系总收率间的关系P为目的产为目的产物，物，cP00下标下标p、m分别代表平推流和全混流，全混流反应总收率分别代表平推流和全混流，全混流反应总收率瞬时收率，因为在全混流中，温度浓度不随反应时间改瞬时收率，因为在全混流中，温度浓度不随反应时间改变。变。9/9/2024128反反应应工工程程第三章均相反应过程1、一级不可逆串联反应、一级不可逆串联反应3 .5 .2 复合反应复合反应中间产物是我们所需要的目的产物时，可以根据总收率与中间产物是我们所需要的目的产物时，可以根
72、据总收率与瞬时收率的关系，求出最大浓度。瞬时收率的关系，求出最大浓度。平推流，平推流，P所能达到的最大浓度所能达到的最大浓度全混流，全混流，P所能达到的最大浓度所能达到的最大浓度9/9/2024129反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流与平推流所能达到的最大浓度之比，对作全混流与平推流所能达到的最大浓度之比，对作图，目的产物的图，目的产物的104或或104也就是也就是k2或或k1时，它时，它们的比值才接近们的比值才接近1，否则都小于，否则都小于1，用平推或全混流结果相，用平推或全混流结果相似。显而易见，似。显而易见，用平推流比全混流要好用平推流比全混流要好。9/9/2024130反反应应工
73、工程程第三章均相反应过程全混流全混流平推流平推流只有当转化率只有当转化率接近接近0和和1时，时，全混流的总收全混流的总收率才接近平推率才接近平推流反应器，所流反应器，所以平推流总是以平推流总是优于全混流。优于全混流。对于其他级数对于其他级数的反应同样适的反应同样适用。用。9/9/2024131反反应应工工程程第三章均相反应过程结论：对于一级不可逆反应，且当中间产物为目的产物时结论：对于一级不可逆反应，且当中间产物为目的产物时选用平推流反应器有助于提高目的产物的选择性。潜在的选用平推流反应器有助于提高目的产物的选择性。潜在的好处当反应级数好处当反应级数0时，平推流反应器可能体积还要小。时，平推流
74、反应器可能体积还要小。实际上同样适用于其它级数的反应。实际上同样适用于其它级数的反应。对于中间产物为目的产物的反应，平推流反应器总是优于对于中间产物为目的产物的反应，平推流反应器总是优于全混流反应器，可以提高目的产物的选择性。全混流反应器，可以提高目的产物的选择性。9/9/2024132反反应应工工程程第三章均相反应过程2、平行反应、平行反应全混流全混流平推流平推流当瞬时收率随浓度单调递当瞬时收率随浓度单调递增时增时平推流最优平推流最优平推流平推流多个全混流多个全混流单个全混流单个全混流APS9/9/2024133反反应应工工程程第三章均相反应过程全混流全混流平推流平推流当瞬时收率随浓度单调递
75、增当瞬时收率随浓度单调递增时时平推流最优平推流最优平推流平推流多个全混多个全混单个全混单个全混9/9/2024134反反应应工工程程第三章均相反应过程当瞬时收率随浓度单调递当瞬时收率随浓度单调递减时减时全混流最优全混流最优平推流平推流多个全混多个全混单个全混单个全混9/9/2024135反反应应工工程程第三章均相反应过程当瞬时收率随浓度的变化有最大值时选择使用组合反当瞬时收率随浓度的变化有最大值时选择使用组合反应器：应器：“全混流平推流全混流平推流”最优最优1/(-rA)xA先全混流后平推流先全混流后平推流9/9/2024136反反应应工工程程第三章均相反应过程作业：作业：P86 10归纳：归
76、纳：2、对于不同的复合反应况，选择反应器的首要原则是、对于不同的复合反应况，选择反应器的首要原则是什么？为什么？又该如何选用反应器？什么？为什么？又该如何选用反应器？1、对于单一反应分别几种情况，该如何选用反应器？、对于单一反应分别几种情况，该如何选用反应器？9/9/2024137反反应应工工程程第三章均相反应过程对有两个组分的反应对有两个组分的反应P仍然为目的产物。仍然为目的产物。若比值越大，越利于目的产物的生成。若比值越大，越利于目的产物的生成。瞬时选择性瞬时选择性9/9/2024138反反应应工工程程第三章均相反应过程影响反应速率的因素：影响反应速率的因素：温度和浓度温度和浓度我们先来从
77、我们先来从浓度浓度的角度分析，想多生成目的产物，的角度分析，想多生成目的产物，也就是提高目的产物的选择性，从反应级数的角度也就是提高目的产物的选择性，从反应级数的角度考虑：考虑：cA、cB高有利；cA高，cB低有利；cA低，cB高有利；cA、cB低有利。当然浓度过低将影响效率，此时就要全面考虑效率和选择性。9/9/2024139表 3 一 5 间歇操作时不同竞争反应动力学的接触模型先加入全部A，后缓慢加B缓慢加入A和B瞬间加入所有的 A 和 B加料方法操作示意图CA高CB低都低都高控制浓度要求动力学特点9/9/2024140表 3 一 6 连续操作时不同竞争反应动力学的接触模型及其浓度分布瞬间
78、迅速加入A、B缓慢加入A、B一次加入A，分级加入Bor或及时移走产物回流A9/9/2024141反反应应工工程程第三章均相反应过程来从来从温度温度的角度分析的角度分析越高越有利于目的产物的生成；越低越有利；则不易通过调整T来明显改变目的产物的选择性。温度过低也会降低效率，同样存在速率和选择性的关系9/9/2024142反反应应工工程程第三章均相反应过程例：苯在过量的氯气作用下进行一级不可逆串联反例：苯在过量的氯气作用下进行一级不可逆串联反应，其中一氯代苯为目的产物。应，其中一氯代苯为目的产物。反应速率为：反应速率为：反应在恒温、恒容下进行。求（反应在恒温、恒容下进行。求（a）平推流反应器，）平
79、推流反应器，（b）全混流反应器内进行反应时，目的产物）全混流反应器内进行反应时，目的产物P的收率？的收率？已知：已知：9/9/2024143反反应应工工程程第三章均相反应过程代入中，得代入中，得解解（a）平推流反应器）平推流反应器9/9/2024144反反应应工工程程第三章均相反应过程总收率：总收率：设初始条件：设初始条件：t=0cP0=09/9/2024145反反应应工工程程第三章均相反应过程总收率总收率（b）全混流反应器）全混流反应器9/9/2024146反反应应工工程程第三章均相反应过程例：例：A分解成分解成P、R、S三种产物，计量方程和速率方程为三种产物，计量方程和速率方程为rP=1
80、rR=2cA rS=cA2已知已知cA05。确定反应在（。确定反应在（a）平推流和（）平推流和（b）全混流反）全混流反应器中进行时目的产物应器中进行时目的产物S能达到的最大浓度。能达到的最大浓度。APSRS为目的产物为目的产物9/9/2024147反反应应工工程程第三章均相反应过程对于连串反应要对收率求解，需要对总收率和瞬时收率对于连串反应要对收率求解，需要对总收率和瞬时收率求解，先求浓度；对于平行反应，就可直接求总收率。求解，先求浓度；对于平行反应，就可直接求总收率。解：对于产物解：对于产物A，其瞬时收率和总收率分别为：，其瞬时收率和总收率分别为：（a）如果反应在平推流反应器中进行，则瞬时收
81、率）如果反应在平推流反应器中进行，则瞬时收率和总收率间存在如下关系和总收率间存在如下关系9/9/2024148反反应应工工程程第三章均相反应过程求求cS的最大值，可对上式进行微分，并令的最大值，可对上式进行微分，并令dcS/dcA=0解得解得cA0也即当也即当cA的值降为零时，的值降为零时，cS取得最大值：取得最大值：9/9/2024149反反应应工工程程第三章均相反应过程（b）如果在全混流反应器中进行）如果在全混流反应器中进行对对cA微分，并令微分，并令dcS/dcA=0，解得解得cA2，代入求得代入求得cS,max=1.33显然还是在平推流反应器目的产物的收率高。显然还是在平推流反应器目的
82、产物的收率高。9/9/2024150反反应应工工程程第三章均相反应过程例：反应物例：反应物A在间歇式反应器中进行等温分解反应，生成在间歇式反应器中进行等温分解反应，生成目的产物目的产物R和副产物和副产物T。已知。已知cA0100，实验结果如下表所，实验结果如下表所示：示：cA（100）908070605040302010（0）cR（0）149162535455564（71）在反应的中加入在反应的中加入R和和T，不影响产物的分布。此外，在反应，不影响产物的分布。此外，在反应过程中，过程中，A、R和和T的摩尔数总和保持不变。的摩尔数总和保持不变。（a）画出瞬时收率随）画出瞬时收率随cA变化曲线；变
83、化曲线；（b）若）若cA0100，cA10，试求在全混流和平推流反应中，试求在全混流和平推流反应中cR的值。的值。9/9/2024151（b）若）若cA0100，cA10，试求在全混流和平推流反应中，试求在全混流和平推流反应中cR的值。的值。RTA反应瞬时收率：反应瞬时收率：为为cR对对cA曲线的负导数。曲线的负导数。cA（100）908070605040302010（0）cR（0）149162535455564（71）（0.160）.17.44.66.83.94.991.0.95.84（.68）解：因加入解：因加入R、T不影响产物分布可知反不影响产物分布可知反应为不可逆，应为不可逆， A、R
84、和和T的摩尔数总和保的摩尔数总和保持不变，则应为平行反应。持不变，则应为平行反应。9/9/2024152400206080100400206070cAcR4002060801000.60.20.40.81.0p：曲线下的面积：曲线下的面积：CRm：矩形面积：矩形面积cA9/9/2024153反反应应工工程程第三章均相反应过程（b）若）若cA0100，cA10，在全混流和平推流反应中，在全混流和平推流反应中cR的值。在全混流反应器中反应，瞬时收率与总收率相同，的值。在全混流反应器中反应，瞬时收率与总收率相同，则：则：9/9/2024154反反应应工工程程第三章均相反应过程在平推流反应器中反应，总
85、收率与瞬时收率有如下关系：在平推流反应器中反应，总收率与瞬时收率有如下关系：平推流平推流9/9/20241554002060801000.60.20.40.81.0曲线下的面积：曲线下的面积：CRcA4002060801000.60.20.40.81.0矩形面积：矩形面积：CRcA9/9/2024156反反应应工工程程第三章均相反应过程工业反应器的设计，不仅设计反应器的规格，且要考虑在实工业反应器的设计，不仅设计反应器的规格，且要考虑在实际反应中温度的控制。选择反应器及操作方法时，要考虑到际反应中温度的控制。选择反应器及操作方法时，要考虑到系统温度失控的可能。对于反应迅猛的热敏感程度高的反应，
86、系统温度失控的可能。对于反应迅猛的热敏感程度高的反应，在设计反应器时必须充分注意这种强放热反应的定态热稳定在设计反应器时必须充分注意这种强放热反应的定态热稳定性问题。性问题。3 . 6 全混流釜式反应器的热稳定性全混流釜式反应器的热稳定性能否将温度稳定在某一范围操作，这与反应本身有关，有些能否将温度稳定在某一范围操作，这与反应本身有关，有些还很难人为控制。还很难人为控制。9/9/2024157反反应应工工程程第三章均相反应过程根据全混流反应器的热平衡方程：根据全混流反应器的热平衡方程：将热量衡算式变换两边同除以将热量衡算式变换两边同除以整理得：整理得：9/9/2024158反反应应工工程程第三
87、章均相反应过程Qg QR 放热速率取热速率放热速率取热速率 常数常数上式中上式中中入口温度中入口温度T0及传热介质温度及传热介质温度Tm都可看做常数。都可看做常数。若想使反应温度恒定在某一范围：放热速率若想使反应温度恒定在某一范围：放热速率Qg 取热速率取热速率QR等号左边就是放热速率，等号右边第二项相当于一个常数等号左边就是放热速率，等号右边第二项相当于一个常数等号右边就是取热速率。等号右边就是取热速率。9/9/2024159反反应应工工程程第三章均相反应过程对于一级不可逆放热反应，根据全混流反应器的设计方对于一级不可逆放热反应，根据全混流反应器的设计方程，有程，有对于对于n级不可逆放热反应
88、级不可逆放热反应(等号左右同等号左右同+1)整理得：整理得：9/9/2024160反反应应工工程程第三章均相反应过程当忽略温度对反应热的影响，当忽略温度对反应热的影响，Qg则可看做是温度的则可看做是温度的函数函数Qgf(T)和分别对和分别对T作图作图9/9/2024161斜率:截距:定常态操作点不可逆放热曲线可逆放热Qg123459/9/2024162定常态操作点12345图中曲线是一级不可逆反应的放热线；图中曲线是一级不可逆反应的放热线；蓝色直线蓝色直线QR为取热线为取热线,且取热线不止一且取热线不止一条，由斜率看，它受条，由斜率看，它受v0的影响，而由截的影响，而由截距看，除受距看，除受v
89、0的影响，还受原料预热温的影响，还受原料预热温度和传热介质温度的影响，我们可以通度和传热介质温度的影响，我们可以通过过v0T0Tm调整取热直线的斜率和截距；调整取热直线的斜率和截距；QR直线与直线与Qg曲线的交点，最多曲线的交点，最多3个，个，就是可能的全混流反应器的温度操作点，我们称做就是可能的全混流反应器的温度操作点，我们称做定常态操作定常态操作点点；操作点；操作点2，当反应器温度低于操作控制温度时，它能自动恢，当反应器温度低于操作控制温度时，它能自动恢复；复；操作点操作点3，是个不可能自动维持温度的操作点；，是个不可能自动维持温度的操作点；操作点操作点4，也是可以自动恢复的操作点；，也是
90、可以自动恢复的操作点；假若反应器确定了，可调参数只有温度和进料流率可调。假若反应器确定了，可调参数只有温度和进料流率可调。49/9/2024163反反应应工工程程第三章均相反应过程我们把能够自动恢复的操作点我们把能够自动恢复的操作点称做稳定的定常态操作点称做稳定的定常态操作点，不能自动恢复的称做不能自动恢复的称做不稳定的定常态操作点不稳定的定常态操作点。图中图中1、2、4、5，这些点都是稳定的定常态操作点。，这些点都是稳定的定常态操作点。3、是不稳定的定常态操作点。、是不稳定的定常态操作点。对于一级可逆放热反应，为虚线。对于一级可逆放热反应，为虚线。9/9/2024164反反应应工工程程第三章
91、均相反应过程全混流反应器的热稳定性的判据全混流反应器的热稳定性的判据怎样判断是否稳定的定常态操作点？怎样判断是否稳定的定常态操作点？要看交点处总热量随温度的变化率。要看交点处总热量随温度的变化率。稳定的定常态操作点：稳定的定常态操作点：不不(非非)稳定的定常态操作点：稳定的定常态操作点：取热速率变化率大于放热速率取热速率变化率大于放热速率取热速率变化率小于放热速率取热速率变化率小于放热速率9/9/2024165反反应应工工程程第三章均相反应过程对反应器系统的温度控制对反应器系统的温度控制 采用全混流反应器利于控制温度，因为搅拌混合的作用，有利于采用全混流反应器利于控制温度，因为搅拌混合的作用，
92、有利于消除温差。由于要求出消除温差。由于要求出 口口 流具有较高的转化率，釜内反应物的浓流具有较高的转化率，釜内反应物的浓度必然较低，因而反应速率也较低，放热速率较小，整个反应器度必然较低，因而反应速率也较低，放热速率较小，整个反应器内的温差也就较小。内的温差也就较小。 采用多段床层，在段间注入冷料，或是沿着反应路程加入一种反采用多段床层，在段间注入冷料，或是沿着反应路程加入一种反应物或冷回流，以强化热交换速率，从而更有效地控制温度，因应物或冷回流，以强化热交换速率，从而更有效地控制温度，因这种冷热反应混合物的直接接触换热比通过器壁的间接换热更有这种冷热反应混合物的直接接触换热比通过器壁的间接
93、换热更有效。效。 采用稀释剂降低反应速率，它可直接用惰性物料稀释反应物浓度。采用稀释剂降低反应速率，它可直接用惰性物料稀释反应物浓度。对固定床反应器，也可以在床层进口处用惰性固体物料稀释催化对固定床反应器，也可以在床层进口处用惰性固体物料稀释催化剂，以降低反应速率。剂，以降低反应速率。9/9/2024166反反应应工工程程第三章均相反应过程l 若产品之一或系统中的某一惰性溶剂能在反应过程中连若产品之一或系统中的某一惰性溶剂能在反应过程中连续地汽化，带走反应热，亦可使系统的温度易于控制。续地汽化，带走反应热，亦可使系统的温度易于控制。l 采用自热操作，即将放热反应放出的热量直接用于预热采用自热操
94、作，即将放热反应放出的热量直接用于预热进料以达到所需的反应温度，如全混流反应器内的情况就进料以达到所需的反应温度，如全混流反应器内的情况就是自热操作的一种。通过列管式换热器使进出料进行热交是自热操作的一种。通过列管式换热器使进出料进行热交换也是自热操作的一种形式。换也是自热操作的一种形式。l 对伴有较严重串联副反应的快速反应过程，通常应该设对伴有较严重串联副反应的快速反应过程，通常应该设计成计成“淬冷系统淬冷系统”，在反应达到某一较佳转化率后及时予，在反应达到某一较佳转化率后及时予以淬冷，以防止进一步发生副反应，从而提高所需产物的以淬冷，以防止进一步发生副反应，从而提高所需产物的收得率。收得率
95、。9/9/2024167反反应应工工程程第三章均相反应过程3 . 7 搅拌釜中的流动与传热搅拌釜中的流动与传热自学：自学：不做要求不做要求9/9/2024168反反应应工工程程第三章均相反应过程小结小结平均停留时间、空时、空速、年龄、寿命、返混、循环比平均停留时间、空时、空速、年龄、寿命、返混、循环比 理想反应器的概念理想反应器的概念理想间歇反应器理想间歇反应器理想连续反应器理想连续反应器间歇反应器的性能方程间歇反应器的性能方程平推流反应器的性能方程平推流反应器的性能方程全混流反应器的性能方程全混流反应器的性能方程理想反应器的组合理想反应器的组合间歇式反应器、平推流反应器、全混流反应器的热量衡算间歇式反应器、平推流反应器、全混流反应器的热量衡算单一反应与复合反应反应器的评选单一反应与复合反应反应器的评选全混流反应器的定常态操作稳定性全混流反应器的定常态操作稳定性9/9/2024169
