均相化学反应器

1、均相化学反应器第1页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第十三章 均相化学反应器第一节 间歇与半间歇反应器第二节 完全混合流反应器第三节 平推流反应器本章主要内容第2页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二一、间歇反应器二、半间歇反应器第一节 间歇与半间歇反应器本节的主要内容第3页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二1. 间歇反应器的操作方法 将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅拌，使反应器内物料的浓度和温度保持均匀。反应一定时间，反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。之后再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。一、

2、间歇反应器2. 间歇反应器的设计计算 设计计算的目的(1)确定达到一定的反应率时需要的反应时间(2)根据反应时间确定转化率或反应后的各组分浓度第一节 间歇与半间歇反应器第4页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二间歇反应器设计的基本方程及设计方法 (12.2.4)（恒容反应） (12.2.6)（恒容反应） (12.2.1)(12.2.2)(12.2.3)第一节 间歇与半间歇反应器第5页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第6页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【】间歇反应器中发生一级反应A B(恒容反应)，反应速率常数k为0.35 h

3、-1，要使A的去除率达到90，则A在反应器中需反应多少小时？ 解：设xA为转化率，则cA的值为 cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根据设计方程：cA/cA0=e-kt 有0.10cA0/cA0=e-0.35t 解得t=6.58h第一节 间歇与半间歇反应器第7页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二间歇反应器的图解设计法(12.2.4)(12.2.6)第一节 间歇与半间歇反应器1/rA1/rA第8页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二 (1)将两种或两种以上的反应物、或其中的一些组分一次性放入反应器中，然后将某一种反应物连续

4、加入反应器。 特点：可控制加入成分在反应器中的浓度，便于控制反应速率。 (2)将反应物料一次性加入反应器，在反应过程中将某个产物连续取出。 特点：可以使反应产物维持在低浓度水平（利于可逆反应向生成产物的正方向进行；防止分泌产物对微生物生长的抑制作用）。二、半间歇反应器（一）半间歇反应器的操作方法第一节 间歇与半间歇反应器第9页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二半间歇操作的特点(1)与间歇操作一样，是一个非稳态过程(2)与间歇操作不同之处：反应混合液的体积随时间而变化。第一节 间歇与半间歇反应器反应量-rAVA的流入量第10页，共69页，2022年，5月20日，11点40分

5、，星期二nA(nA0qnA0t)(1xA) （二）半间歇反应器的设计计算1. 转化率的定义第一节 间歇与半间歇反应器第11页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二2. 半间歇反应器的设计方程单位时间内A的加入量：qnA0qVcA0单位时间内A的排出量：0反应量：(rA)V积累量：dnA/dtd(cAV)/dtcA(dV/dt)+V(dcA/dt)物料衡算式：qVcA0=(rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) (13.1.2)qVcA0=(rA)V+ cAqV+V(dcA/dt) (13.1.3)VV0qVt第一节 间歇与半间歇反应器反应量-rAVA的流入量第12

6、页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【例题13.1.2】对于由反应(a)和(b)构成的反应系统，试定性说明在下述半间歇操作时的反应系统中各组分的浓度变化。(1)先向反应器中加入A，之后连续加入B。(2)先向反应器中加入B，之后连续加入A。A+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b) 第一节 间歇与半间歇反应器第13页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(a)先加入A，连续加入B时的变化(b)先加入B，连续加入A时的变化tctcA+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b)第一节 间歇与半间歇反应器第14页，共69页

7、，2022年，5月20日，11点40分，星期二(1) 对于一个实际规模的均相连续反应器，影响反应物转化率的主要因素有哪些？(2) 间歇反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？(3) 半间歇反应器有哪几种操作方式？(4) 半间歇反应器与间歇反应器相比有哪些异同点？(5) 对于半间歇反应器，转化率是如何定义的？本节思考题第一节 间歇与半间歇反应器第15页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二一、单级反应器二、多级串联反应器第二节 全混流反应器 本节的主要内容第16页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二一、单级反应器（一）操作方法与特点操作方法

8、：连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应液排出反应器，并采取搅拌等手段使反应器内物料浓度和温度保持均匀。全混流反应器是一种理想化的反应器。应 用：污水的pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反应器（常称曝气池）第二节 全混流反应器 第17页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二（二）设计方法(cA0 xA)/rA (12.3.5) 恒容反应(cA0cA)/rA(12.3.7) 第二节 全混流反应器 第18页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第19页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【例题13.2.1】完全混合流反

9、应器中发生一级反应A B，反应速率常数k为0.35 h-1，要使A的去除率达到90，则A需在反应器中停留多少小时？ 解：设xA为转化率，则cA的值为 cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根据反应平衡方程：=(cA0-cA)/kcA 有=(cA0-0.10cA0)/(0.350.10cA0)=25.7h 第二节 全混流反应器 第20页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第二节 全混流反应器 第21页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二全混流反应器的图解设计法(cA0 xA)/-rA(cA0cA)/rA（恒容反应） 第二节 全

10、混流反应器 -1/rA-1/rA第22页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二二、多级串联反应器（一）多级串联全混流反应器的基本方程c0c1c212ncn第二节 全混流反应器 1/rA第23页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：(13.2.1)第二节 全混流反应器 第24页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二（二）多级串联反应器的逐步计算法一级恒容反应：rAikcAi第二节 全混流反应器 第25页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二（二）多级串联反应器的逐步计算法二级恒容反

11、应：rAikcAi2第二节 全混流反应器 第26页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【例题】乙酸的水解反应，可以近似地看作一级反应，该反应在300K时的速率方程为：rA=2.7710-3cAmol/(m3s)。将乙酸浓度为600mol/m3的液体以0.050m3/min的速度送入一完全混合流反应器。试求以下几种情况时的乙酸的转化率。(1)反应器的体积为0.80m3时；(2)0.40m3的反应器，二个串联使用时；(3)0.20m3的反应器，四个串联使用时。第二节 全混流反应器 第27页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(1)反应器的体积为0.80m3时

12、平均空间时间第二节 全混流反应器 第28页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(2)0.40m3的反应器，二个串联使用时每个槽的平均空间时间第二节 全混流反应器 第29页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(3)0.20m3的反应器，四个串联使用时每个槽的平均空间时间第二节 全混流反应器 第30页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二（三）图解计算法操作方程速率方程反应曲线第二节 全混流反应器 rA第31页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二反应曲线图解计算法的步骤第二节 全混流反应器 rA第32页，共69页，202

13、2年，5月20日，11点40分，星期二【例题13.2.3】已知一级反应A B在10个串联的完全混合流反应器(CSTR)中进行，假设反应速率常数k为0.35 h-1，反应物A的初始浓度为150 mg/L，10个CSTR完全相同，A在每个CSTR中的停留时间是1/1.5 h，分别采用公式法和图解法求A的转化率。 第二节 全混流反应器 第33页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二公式法：当n=10时, 有 所以10个串联的CSTR反应器的转化率为：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。对于完全混合流反应器，基本方程为第二节 全混流反应器 第34页，共69页，20

14、22年，5月20日，11点40分，星期二图解法：如图所示，以rA对cA作图得反应曲线，以1/的斜率构造三角曲线图得10个CSTR反应器的反应曲线，从图中读出第10个CSTR的出口浓度cA为18mg/L。所以10个串联的CSTR反应器的转化率为：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。一级反应速率方程为第二节 全混流反应器 rA /(mgL1h1)cA/(mgL1)第35页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(1) 全混流连续反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？(2) 与间歇反应器相比，对于同一反应，在同样的反应条件下，达到同样的转化率，

15、所需全混流连续反应器的体积有何不同？为什么？本节思考题第二节 全混流反应器 第36页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(3) 对于一简单不可逆反应，在反应器总有效体积和反应条件不变的条件下，随着全混流反应器的级数的增加，反应物的转化率如何变化？为什么？转化率的极限值是什么？(4) 简述多级全混流反应器的解析计算法。(5) 简述多级全混流反应器的图解计算法。本节思考题第二节 全混流反应器 第37页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二一、简单的平推流反应器二、具有循环操作的平推流反应器第三节 平推流反应器 本节的主要内容第38页，共69页，2022年，5月

16、20日，11点40分，星期二一、简单的平推流反应器平推流反应器的特点：在连续稳态操作条件下，反应器各断面上的参数不随时间变化而变化。反应器内各组分浓度等参数随轴向位置变化而变化，故反应速率亦随之变化。在反应器的径向端面上各处浓度均一，不存在浓度分布。（一）操作方式 将物料连续流入、并连续取出，在反应器内使物料沿同一方向、以同样的速度流动 活塞流(piston flow) 第三节 平推流反应器 第39页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第三节 平推流反应器 第40页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二（二）设计计算方法恒温恒容反应的设计方程：与间歇反应相

17、同（表13.1.1）第三节 平推流反应器 第41页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第42页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【例题13.3.1】在例题13.2.3中，假如反应在1个平推流反应器中进行，且停留时间与10个串连CSTR的总停留时间相同，试计算A的转化率，并与例题13.2.3中的结果比较。对于平推流反应器，基本方程为 于是有所以1个平推流反应器的转化率为：xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。解：第三节 平推流反应器 第43页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二xA88.0%第三节 平推流反应器 第4

18、4页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【例题13.3.2】平推流反应器中发生一级反应A B，反应速率常数k为0.35 h-1，要使A的去除率达到90，则A需在反应器中停留多少小时？ 设xA为转化率，则cA的值为cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0根据反应平衡方程：cA/cA0=e-k有(0.10cA0)/cA0=e-0.35解得=6.58h 解：第三节 平推流反应器 第45页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第46页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【例题13.3.3】乙酸的水解反应，可以近似地看作

19、一级反应，该反应在300K时的速率方程为： rA=2.7710-3cA mol/(m3s) 将乙酸浓度为600 mol/m3的液体以0.050 m3/min的速度送入一有效体积为0.80 m3的平推流反应器，求反应器出口处的转化率。 第三节 平推流反应器 第47页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二对于一级反应，在恒容条件下：rA=kcA=kcA0(1-xA) 解：第三节 平推流反应器 根据题意，k=2.7710-3 s1s根据题意，k=2.7710-3 s1s第48页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二第三节 平推流反应器 图解计算法(12.3.18)

20、(12.3.19) 1/rA1/rA第49页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(1)将排出反应器的混合物的一部分不经任何处理直接返送到入口处。二、具有循环操作的平推流反应器（一）循环反应器的操作方法反应器反应物料产物循环(a)反应器反应物料产物未反应物料循环(b)分离器(2)在反应器出口设一分离装置，将反应产物分离取出，只把未反应的物料返送到反应器入口处。第三节 平推流反应器 第50页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(3)微生物培养中常用的一种形式。在反应器出口设置菌体分离器，将反应产生的菌体浓缩，把浓缩后的菌体的一部分或全部返送到反应器 生成物营

21、养物质菌体分离器菌体浓缩液第三节 平推流反应器 第51页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二（二）循环反应器的设计方法MN(a) 平推流循环反应器第三节 平推流反应器 第52页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二1. 循环反应器的物料衡算反应器系统外围，即虚线部分的转化率xAe(qnA0qnAe)/ qnA0 (13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/ qnA0(13.3.3) MN第三节 平推流反应器 第53页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二 反应器出口点(2)A的物质流量 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xA

22、e) (13.3.4) N点出的物料衡算 qnA3qnAeqnA0(1xAe) (13.3.5) 混合点M处的物料衡算式为： qnA1qnA0qnA3 (13.3.6)由(13.3.5)和(13.3.6)式可得： qnA1qnA01(1xAe) (13.3.7)MN第三节 平推流反应器 第54页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二1. 进入反应器的物质流量不是qnA0而是qnA1 qnA1qnA01(1xAe)(13.3.7)2. 进入反应器的物料是新鲜物料与反应后物料的混合物。故对反应器本身进行物料衡算时，不能使用qnA0定义的转化率xA。 几点说明与注意点第三节 平推流

23、反应器 第55页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe) (13.3.4)qnA0 qnA2qnA0(1xAe) (13.3.10)不难理解xAe可以视为与qnA0，即qnA0(1)为基准的反应器出口(2)处的xA2相等。 第三节 平推流反应器 第56页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二2. 循环反应器的等价反应器M(b) 与(a)等价的反应器(a) 平推流循环反应器第三节 平推流反应器 MN第57页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二等价反应器系统的特点(1)物料流的体积流量qV0qV

24、0(1)，组成与原物料流相同，所以qnA0qnA0(1)。(2)原物料流与循环流在M点处混合所产生的组成变化，被假设为是在反应器M内所发生的。进入反应器M的物料流为未反应物料qV0，A的进入量为qnA0，假想是由于在该反应器内产生反应， A的排出量变为qnA1。第三节 平推流反应器 M第58页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二(3)反应器M出口处的转化率xA1为：(13.3.13)第三节 平推流反应器 M第59页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二系统b的主反应器与原系统有相同的反应体积和转化率，因此可以利用该系统对原系统进行设计计算。(4)以qnA0

25、为基准的反应器出口处的转化率xA2为：(5)主反应器内的质量流量与体积流量分别为：qnAqnA0(1)(1xA) (13.3.15)qV qV0(1)(1+AxA) (13.3.16) 第三节 平推流反应器 第60页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二设计方程3. 循环反应器的设计方法等价反应器的设计(12.3.15)参照第十二章 积分反应器的设计方程第三节 平推流反应器 第61页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二设计方程ABCDEFG图解解析法第三节 平推流反应器 1/rA第62页，共69页，2022年，5月20日，11点40分，星期二【】对于如图13.3.3所示的平推流循环反应器，试推导出恒温、恒容条件下的设计方程。 对于恒容反应，反应过程中体积恒定，故反应器的设计方程可简单地表示为：混合点M处的A的物料衡