化工原理：5基本反应器1

1、第五章第五章 化学反应工程及基本反应器化学反应工程及基本反应器本章学习要求本章学习要求掌握：掌握： 1、均相等温恒容条件下几种基本反应器的特性、均相等温恒容条件下几种基本反应器的特性和基础设计方程和基础设计方程 2、基础设计方程对一级和二级反应时的积分计、基础设计方程对一级和二级反应时的积分计算结果算结果 3、反应器的有效容积计算方法、反应器的有效容积计算方法了解：了解： 1、化学反应工程的基本概念，熟悉两种理想流、化学反应工程的基本概念，熟悉两种理想流动模型动模型 2、气固催化反应过程和固定床催化反应器的结、气固催化反应过程和固定床催化反应器的结构。构。 第一节第一节 概述概述 1 1、化学

2、反应工程发展简况化学反应工程发展简况 19571957年第一次欧洲反应工程会议上确定了年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化学反应工化学反应工程程”( (Chemical Reaction Engineering，CRE）这一学科名称。这一学科名称。 6060年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加工向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科工向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器的发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器设计与控制问题。设计与控制问题

3、。 8080年代后，随着高新技术的发展和应用扩大了化学工程的年代后，随着高新技术的发展和应用扩大了化学工程的研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到了一个崭新的阶段。了一个崭新的阶段。一、化学反应工程简介一、化学反应工程简介2、CRE研究的对象和内容研究的对象和内容 气液反应器中浓度分布气液反应器中浓度分布(CD) 固定床催化反应器中温度分布固定床催化反应器中温度分布(TD)反应器中停留时间分布反应器中停留时间分布(RT

4、D) CRE的的研究内容研究内容：（1）研究化学反应器的基本理论；）研究化学反应器的基本理论；（2）反应器的设计、放大、控制；）反应器的设计、放大、控制；（3）反应器设计、操作的优化。）反应器设计、操作的优化。 CRECRE的的研究对象研究对象：工业规模工业规模化学反应过程化学反应过程及其设备的共同规律。及其设备的共同规律。 反应工程与其它学科的关系反应工程与其它学科的关系反应工程反应工程 化工热力学化工热力学工程控制工程控制传递过程传递过程催化剂催化剂化学工艺化学工艺流体力学流体力学稳定性稳定性反应动力学反应动力学计量化学计量化学最优化技术最优化技术放大放大设计设计 乙酸乙酸+ +乙醇乙醇-

5、乙酸乙酯乙酸乙酯+ +水水乙酸乙酸+ +丁醇丁醇-乙酸丁酯乙酸丁酯+ +水水3. CRE的研究方法的研究方法-数学模型法数学模型法反应速率是否一样？反应速率是否一样？ 数学模型法数学模型法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。在一起，用数学公式表达出来。数学模型是

6、流动模型数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。联立代数方程、微分方程或积分方程。数学模型数学模型在化学工程中，在化学工程中，数学模型数学模型主要包括以下主要包括以下内容内容：（1）、动力学方程式）、动力学方程式 对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。一般采用宏观速率方程式。 （2）、物料衡算式）、物料衡算式 流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消耗量反应消耗量 + 累积量累积量（3）、热量衡算式）、

7、热量衡算式 物料带入热物料带入热=物料带出热物料带出热 + 反应热反应热 + 与外界换热与外界换热 + 累积热累积热 （4）、动量衡算式）、动量衡算式 输入动量输入动量 = 输出动量输出动量 + 动量损失动量损失（5）、参数计算式）、参数计算式主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。一个新技术的开发一般要经过下面三个步骤：实验数据 提出数学模型中型实验 数学模型验证数学模型的应用 大设备的设计 放大的依据：相似论 (相似准数Re、Pr、Nu、Pe、Sc等)建立动力学和传递过程模型建立动力学和传递过程模型-综合成数学模型综合成数学模型-修正和验

8、证模型修正和验证模型化工过程：化工过程：一个特定的化工产品，从原料到产品的生产过程。原料预处理化学反应后处理产品 化学反应这一步是化工过程的核心，起着主导是化工过程的核心，起着主导作用作用，它的要求和结果决定着预处理的程度和后处理的难度。化学反应器的定义：化学反应器的定义：用于化学反应的设备，是用于化学反应的设备，是化工企业的关键装置化工企业的关键装置。二、二、 化学反应器分类化学反应器分类分类特征分类特征反应过程反应过程反应特征反应特征简单反应、复杂反应（平行的、连串的等）简单反应、复杂反应（平行的、连串的等）热力学特征热力学特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相态相态均相（气、液），非均相

9、（气均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气液，气固、液固、气-液液-固）固）时间特征时间特征定态，非定态定态，非定态控制步骤控制步骤化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制控制按物料的聚集状态1按反应器的结构23（二）化学反应器的分类（二）化学反应器的分类按操作方式按反应物料的相态分类：按反应物料的相态分类：反应器的种类反应器的种类反应类型反应类型设备的结构设备的结构形式形式反应特性反应特性均相均相气相气相 液相液相燃烧、裂解燃烧、裂解中和、硫化、水解中和、硫化、水解管式管式釜式釜式无相界面，反应速无相界面，反应速率只

10、与温度或浓度率只与温度或浓度有关有关非非均均相相气气-液相液相液液-液相液相气气-固相固相液液-固相固相固固-固相固相气气-液液-固相固相氧化、氯化、加氢氧化、氯化、加氢磺化、硝化、烷基化磺化、硝化、烷基化燃烧、还原、固相催化燃烧、还原、固相催化还原、离子交换还原、离子交换水泥制造水泥制造加氢裂解、加氢硫化加氢裂解、加氢硫化釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式釜式、塔式固定床、流固定床、流化床化床釜式、塔式釜式、塔式回转筒式回转筒式固定床、流固定床、流化床化床在相界面，实际反在相界面，实际反应速率与相界面大应速率与相界面大小及相间扩散速率小及相间扩散速率有关有关2、按反应器的结构型式分类、按反应器的

11、结构型式分类 结构型式结构型式适用的相态适用的相态应用举例应用举例反应釜反应釜液相，气液相，气-液相液相液液-液相，液固相液相，液固相药物的合成、染料、中间体合药物的合成、染料、中间体合成、树脂合成成、树脂合成管式管式气相，液相气相，液相轻质油裂解，高压聚乙烯轻质油裂解，高压聚乙烯鼓泡塔鼓泡塔气气-液相，气液相，气-液液-固相固相变换气的碳化，苯的烷基化，变换气的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化二甲苯的氧化固定床固定床气气-固相固相SO2氧化，乙苯脱氢氧化，乙苯脱氢半水煤气的产生半水煤气的产生流化床流化床气气-固相固相硫铁矿焙烧，萘氧化制苯酐硫铁矿焙烧，萘氧化制苯酐回转筒式回转筒式气气-固相，固

12、固相，固-固相固相水泥生产水泥生产喷嘴式喷嘴式气相，高速反应的液相气相，高速反应的液相氯化氢的合成，天然气裂解制氯化氢的合成，天然气裂解制乙炔乙炔3、按操作方式分类、按操作方式分类 1）间歇操作）间歇操作 2）连续操作）连续操作 3）半连续半间歇操作）半连续半间歇操作 间歇式操作特点间歇式操作特点: :不稳定的过程。设备利用率不高，不稳定的过程。设备利用率不高，劳动强度大，不易自动控制，产品质量也不稳定。劳动强度大，不易自动控制，产品质量也不稳定。通常适用于小批量、多品种或需要反应时间很长通常适用于小批量、多品种或需要反应时间很长的生产中如医药、染料等工业中。的生产中如医药、染料等工业中。 连

13、续式操作特点：稳定过程。设备利用率高，节连续式操作特点：稳定过程。设备利用率高，节省劳力，产品质量稳定，易于自控，适合于大规省劳力，产品质量稳定，易于自控，适合于大规模生产。模生产。 对反应器的要求对反应器的要求1 反应器反应器 要有足要有足 够的体够的体 积积2 反应器反应器 要有适要有适 宜的结宜的结 构构4 反应器反应器 要有足要有足 够的机够的机 械强度械强度 和耐腐和耐腐 蚀能力蚀能力3 反应器反应器 要有足要有足 够的传够的传 热面积热面积5 反应器要反应器要 易操作、易操作、 易制造、易制造、 易安装、易安装、 易维修易维修第二节第二节 均相反应动力学均相反应动力学 一、化学计量

14、式一、化学计量式 物质在化学反应中质的变化和量的物质在化学反应中质的变化和量的关系关系 nnnnAAAA112211二、反应程度二、反应程度反应物或生成物变化量与各自化学反应物或生成物变化量与各自化学计量系数的比值计量系数的比值均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应均相反应是指在均一的液相或气相中进行的化学反应 rRbBaArnnbnnannRRBBAA000三、转化率三、转化率某组分参与反应物质的量与该组分初始物质的量之比某组分参与反应物质的量与该组分初始物质的量之比0000AAAAAAAAnnnnnnx恒容时恒容时 00AAAACCCx0AnAn0ACAC0AFAF -反应物反应物

15、A起始的摩尔量，起始的摩尔量，mol；-反应过程中反应过程中A的剩余的摩尔量，的剩余的摩尔量，mol；-反应物反应物A的起始浓度，的起始浓度，mol/m3；-反应过程中反应过程中A的浓度，的浓度，mol/m3；-反应物反应物A的起始摩尔流量，的起始摩尔流量， mol/s；-反应过程中反应过程中A的摩尔流量，的摩尔流量，mol/s；00AAAFFF)1 (0AAAxnn)1 (0AAAxCC)1 (0AAAxFF反应进行中某一指定的时刻反应进行中某一指定的时刻 000VCFAA其中：（V0为反应器入口处的体积流量）为反应器入口处的体积流量） 00AAAAnnnx00AAAACCCx00AAAFF

16、F四、化学反应速率四、化学反应速率指反应系统中某物质在单位指反应系统中某物质在单位时间、单位空间（体积）内物料数量的变化量。时间、单位空间（体积）内物料数量的变化量。可以用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓可以用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示度的增加来表示 dtdnVrAA1)(dtdcrAA)(恒容过程恒容过程 对于任一恒容反应对于任一恒容反应 hHgGbBaAdtdCrdtdCrdtdCrdtdCrHHGGBBAA;hrgrbrarrHGBAdtdprAA)(对于气体对于气体五、化学反应动力学表达式五、化学反应动力学表达式 基元反应基元反应：由反应物微粒（分子、原子、

17、离子或自由基：由反应物微粒（分子、原子、离子或自由基等）经碰撞一步直接生成产物的反应等）经碰撞一步直接生成产物的反应 质量作用定律质量作用定律：在恒温下，基元反应的化学反应速率与：在恒温下，基元反应的化学反应速率与各反应物浓度的乘积成正比各反应物浓度的乘积成正比 反应的速率方程反应的速率方程 对于任一均相不可逆基元反应对于任一均相不可逆基元反应 sSpPbBaABAAkckcr)( 速率常数速率常数k k：表示各反应物都为单位浓度时的反应速率。：表示各反应物都为单位浓度时的反应速率。随温度、溶剂和催化剂变化而变化，但与反应物浓度无关。随温度、溶剂和催化剂变化而变化，但与反应物浓度无关。 反应分

18、子数反应分子数：在基元反应中，同时直接参加反应的微粒：在基元反应中，同时直接参加反应的微粒（分子、原子、离子等）的数目。（分子、原子、离子等）的数目。 反应级数反应级数：在具有反应物浓度幂乘积形式的速率方程中，：在具有反应物浓度幂乘积形式的速率方程中，反应组分浓度的指数，称为该反应组分的反应组分浓度的指数，称为该反应组分的反应分级数反应分级数。所。所有反应分级数的代数和称为反应级数，或有反应分级数的代数和称为反应级数，或反应总级数反应总级数。如对反应如对反应 a a、b b分别称为对反应物分别称为对反应物A A和和B B的反应级数，的反应级数， （a+ba+b）称为反应总级数。）称为反应总级数

19、。 BAAkckcr)(hHgGbBaAbBaAAckcr)(六、均相等温恒容不可逆反应的动力学方程式六、均相等温恒容不可逆反应的动力学方程式零级反应零级反应-反应速率与反应浓度无关的反应。反应速率与反应浓度无关的反应。反应速率方程式为：反应速率方程式为：反应物浓度与时间是线性关系反应物浓度与时间是线性关系。一级反应一级反应：反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应。：反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应。二级反应二级反应反应速率与反应物浓度的平方或两种物质浓度的乘积反应速率与反应物浓度的平方或两种物质浓度的乘积成正比的反应。成正比的反应。对反应对反应 若若A、B初始浓度相等，初始浓度相等

20、，0kr AAcctk00AAckdtdcr1AAAxkcckt11ln1ln1101BAcckr222Ackr 0211AAcctk)1(102AAAxxctkPBAk20kdtdcA第三节第三节 理想流动模型和理想反应器理想流动模型和理想反应器 1、反应器中的流体混合反应器中的流体混合空混（空间上的混合）空间上的混合）流体粒子在反应器内相对位置流体粒子在反应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合。发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合。 空混导致反应器内浓度、温度的均匀。空混导致反应器内浓度、温度的均匀。 返混（返混（时间上的混合）时间上的混合）反应器内具有

21、不同停留时间的反应器内具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合粒子（微元）的逆向混合 。 返混是一个不利的因素，它影响反应器的生产能力返混是一个不利的因素，它影响反应器的生产能力。一、概述一、概述 间歇完全混合流动模型间歇完全混合流动模型 连续理想混合流动模型连续理想混合流动模型(理想混合模型理想混合模型） 连续理想排挤流动模型（连续理想排挤流动模型（理想置换模型理想置换模型） 2、理想流动模型、理想流动模型间歇完全混合流动模型间歇完全混合流动模型空间混合完全完全返混完全不完全不1） 混合情况混合情况2） 特点特点所有物料在反应器中的停留时间相同停留时间相同，并可人为地加以控制；物料在空间上各

22、点的参数是均一的，但随着时间物料在空间上各点的参数是均一的，但随着时间而变化而变化。间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器连续理想混合流动模型连续理想混合流动模型空间混合完全完全反混完全完全1） 混合情况混合情况2）特点）特点反应器内以及出口物料的组成和温度等参数均匀一致参数均匀一致，且不随时间、空间变化；各物料微元在反应器内的停留停留时间不尽相同时间不尽相同，存在停留时间分布。带强烈搅拌的连续釜式反应器带强烈搅拌的连续釜式反应器物料以稳定的流量稳定的流量进入反应器后，瞬间瞬间就在整个反应器内分散均匀并与反应器内原存留的物料完全混合连续理想排挤流动模型连续理想排挤流动模型空间混合完全不完全不反混

23、完全不完全不1）混合情况）混合情况2） 特点特点在与流动方向垂直的任意截面上各点物料的流速、浓度、温度以及停留时间等完全一样；物料的浓度、温度等个参数沿着流动方向递变；在每一截面上物料各参数都不随时间而变化。细长型的连续流动管式反应器细长型的连续流动管式反应器物料以稳定的流量稳定的流量由反应器的一端流入反应器后，各物料微元沿流动方向齐头并进，完全没有轴向混合与扩散完全没有轴向混合与扩散，就好像活塞在气缸里向前平推一样，又称“活塞流”。3 3、基本概念、基本概念 1 1）反应时间与停留时间（）反应时间与停留时间（t t） 反应时间反应时间：从物料进入反应器后实际进行反应起到反应进行：从物料进入反

24、应器后实际进行反应起到反应进行后某一时刻止。后某一时刻止。 停留时间停留时间：反应物料进入反应器起至离开反应器止所经历的：反应物料进入反应器起至离开反应器止所经历的时间。时间。间歇反应器和平推流反应器中反应时间等于停留时间间歇反应器和平推流反应器中反应时间等于停留时间 全混流反应器全混流反应器 ：量反应器中物料的体积流反应器有效容积VVtRV VR R反应器的有效容积，指反应器几何容积中，用于反应的体积反应器的有效容积，指反应器几何容积中，用于反应的体积 2 2）空时与空速）空时与空速 空时空时（空间时间）：在一定条件下进入反应器物料通过（空间时间）：在一定条件下进入反应器物料通过反应器体积所

25、需要的时间反应器体积所需要的时间 恒容过程，平均停留时间数值上等于空时恒容过程，平均停留时间数值上等于空时 空速空速S SV V：在一定条件下单位时间内通过单位反应器容积的：在一定条件下单位时间内通过单位反应器容积的物料体积物料体积 0RV物料的体积流量反应器有效容积t10RVVS4 4、设计反应器的基本方程、设计反应器的基本方程1）物料衡算：）物料衡算：进入反应器的物料量进入反应器的物料量=引出反应器的物料量引出反应器的物料量+反应消耗的物料量反应消耗的物料量+积累的物料量积累的物料量 （1） （2） （3） （4） 间歇反应器：（间歇反应器：（3）+（4）=0 连续稳定反应器：（连续稳定反

26、应器：（1）=（2）+（3） 半连续反应器：（半连续反应器：（1）=（2）+（3）+（4） 2）热量衡算）热量衡算输入物流焓输入物流焓=输出物流焓输出物流焓+反应热反应热+累积热量累积热量+传向环境热量传向环境热量 流入流入流出流出反应消耗反应消耗累积累积反应单元反应单元二、理想反应器二、理想反应器 1 1、间歇釜式反应器，间歇釜、间歇釜式反应器，间歇釜(BSTR)(BSTR)； 2 2、管式反应器，反应管、管式反应器，反应管(PFR)(PFR)； 3 3、连续釜式反应器，全混釜、连续釜式反应器，全混釜(CSTR) (CSTR) 在均相、等温、恒容、单一反应的条件下在均相、等温、恒容、单一反应

27、的条件下基本反应器有效容积的计算基本反应器有效容积的计算 （一）间歇理想釜式反应器（一）间歇理想釜式反应器（BSTR)1、结构和操作、结构和操作进料进料-升温升温-反应反应-降温降温-出料出料-清洗清洗生产总时间生产总时间=（反应时间）（反应时间）+（辅助时间）（辅助时间）装料系数装料系数=TRVV2 2、性能和特点、性能和特点性能：性能：不稳定操作，空混不稳定操作，空混，返混，返混0 0。特点：特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可以生产操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可以生产多个品种。多个品种。缺点：缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗一定时劳动强度大，

28、装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗一定时间，产品质量难以控制。间，产品质量难以控制。dtdnVrARA)(003 3、反应器有效容积、反应器有效容积V VR R的计算的计算 以以A组分为衡算基准物组分为衡算基准物流入量流入量=流出量流出量+反应消耗量反应消耗量+累积量累积量)(Ar以反应物以反应物A为基准的反应速度，负号是表示为基准的反应速度，负号是表示A的消耗速度，的消耗速度， mol/m3.sRV反应器的有效体积，反应器的有效体积， m3Ant时刻反应物时刻反应物A的量，的量， molVR=V0(+) 间歇反应器基本设计方程间歇反应器基本设计方程Ax反应物反应物A的瞬时转化率的瞬时转化率0A

29、n反应物反应物A起始的量，起始的量， molAxARAArVdxn00)(AAccAArdc0)(等容过程等容过程0AC反应物反应物A的起始浓度，的起始浓度，mol/m3ACt时刻反应物时刻反应物A的浓度，的浓度，mol/m34. 反应器总体积的计算反应器总体积的计算实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间() + 辅助时间辅助时间 ( )反应器有效体积反应器有效体积VR是指反应物料在反应器中所是指反应物料在反应器中所占的体积占的体积 VR=V0(+)V0为平均每小时处理物料体积为平均每小时处理物料体积/RTVV 反应器的总体积：反应器的总体积：装料系数装料系数，一般在，一般在0.40.85

30、之间，不起泡不沸腾的物之间，不起泡不沸腾的物料可取料可取0.70.85，易起泡或沸腾的物料可取，易起泡或沸腾的物料可取0.40.65、BSTR中的单反应的反应时间中的单反应的反应时间反应速率-rA=kCA=kCA0(1-xA)一级反应-rA=kCA2二级反应0AACCAArdCAxAAArdxC00AACCk0ln1Axk11ln1AAAxxkC110)11(10AACCk【例【例5-15-1】在间歇反应釜中进行已二酸与已二醇的缩】在间歇反应釜中进行已二酸与已二醇的缩聚反应，生产醇酸树脂。该反应以硫酸作催化剂，已聚反应，生产醇酸树脂。该反应以硫酸作催化剂，已二酸与已二醇以等摩尔比，反应在二酸与

31、已二醇以等摩尔比，反应在7070进行，已二酸进行，已二酸转化速率方程为：转化速率方程为： （-r-rA A）=kC=kCA A2 2式中：式中：（-r-rA A）-以已二酸计算的反应速率，以已二酸计算的反应速率，kmol/mkmol/m3 3hh； k-k-反应速率常数，反应速率常数，m m3 3/kmolh/kmolh；C CA A-已二酸瞬时浓度，已二酸瞬时浓度，kmol/mkmol/m3 3。7070时时k=0.118mk=0.118m3 3/kmolh/kmolh，已二酸起始浓度已二酸起始浓度C CA0A0=4kmol/m=4kmol/m3 3。若每天处理。若每天处理2400kg240

32、0kg的已二酸，要求已的已二酸，要求已二酸的转化率达二酸的转化率达90%90%，试计算所需的反应器的，试计算所需的反应器的V VT T及及V VR R。每批辅助操作时间为每批辅助操作时间为1 1小时，装料系数为小时，装料系数为0.750.75。 V VT T=4.57m=4.57m3 3V VR R=3.43m=3.43m3 3（二）活塞流反应器，（二）活塞流反应器，平推流反应器，反应管平推流反应器，反应管 （PFRPFR）2 2、性能和特点、性能和特点1 1、结构及操作、结构及操作（1 1）通常情况为连续稳定过程）通常情况为连续稳定过程（2 2） 返混返混=0,=0,空混空混=0 =0 （3

33、 3）容易实现大规模生产和自动控制。）容易实现大规模生产和自动控制。 AAxFAAAAdxxdFFdLdLL LVAAAqxcF0 ,0 ,0 ,0 ,VAAAqxcFdVdV对于定态操作的活塞流反应器，取某一微元体积对于定态操作的活塞流反应器，取某一微元体积dV，对对组分组分A进行进行物料衡算物料衡算：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消失量反应消失量 + 累积量累积量FA FA+ dFA rAdVR 0FA = FA+ dFA + rAdVR3 3、PFRPFR基础设计方程基础设计方程AAxAARrdxcV000)(4、PFR中的单反应的反应时间中的单反应的反应时间反应速率-rA=k

34、CA=kCA0(1-xA)一级反应-rA=kCA2二级反应0AACCAArdCAxAAArdxC00AACCk0ln1Axk11ln1AAAxxkC110)11(10AACCk在等温等容的过程中，同在等温等容的过程中，同一反应在相同的反应条件一反应在相同的反应条件下，为达到相同的转化率，下，为达到相同的转化率，反应组分在反应组分在BSTRBSTR中的反应中的反应时间与时间与PFRPFR内的空间时间内的空间时间相同。相同。 已二酸转化速率方程为：已二酸转化速率方程为： （-r-rA A）=kC=kCA A2 2式中：（式中：（-r-rA A）-以已二酸计算的反应速率，以已二酸计算的反应速率，km

35、ol/mkmol/m3 3hh； k-k-反应速率常数，反应速率常数，m m3 3/kmolh/kmolh；C CA A-已二酸瞬时浓度，已二酸瞬时浓度，kmol/mkmol/m3 3。7070时时k=0.118mk=0.118m3 3/kmolh/kmolh，已二酸起始浓度，已二酸起始浓度C CA0A0=4kmol/m=4kmol/m3 3。若每天处理。若每天处理2400kg2400kg的已二酸，要求已二酸的的已二酸，要求已二酸的转化率达转化率达90%90%，管长管长L L约为约为4646米米1 1、结构及操作、结构及操作 连续进料，连续出料，连续进料，连续出料，进料出料的速率是均匀的进料出

36、料的速率是均匀的 2 2、性能和特点、性能和特点（1 1）空混）空混=，釜内各点的，釜内各点的CA CA 、xAxA、(-rA)(-rA)都是相同的都是相同的（2 2）返混）返混=，存在停留时间分布，有平均停留时间，存在停留时间分布，有平均停留时间 （3 3）各参数不随时间变化，是连续稳定过程。）各参数不随时间变化，是连续稳定过程。 在定态操作条件下，进行物料衡算：在定态操作条件下，进行物料衡算： 流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消失量反应消失量 + 累积量累积量AAVAxcqF0,0,0,0,AAVAxcqF空间时间空间时间:3 3、基础设计方程、基础设计方程 RAAAVrFF)(0

37、)(00AAARrxFV恒容过程恒容过程 )()(000AAAAAARrxcrccV4、CSTR中的单反应的反应时间中的单反应的反应时间反应速率反应速率一级反应一级反应-rA=kCA=kCA0(1-xA)二级反应二级反应-rA=kCA2)1 (0AARxkxvV200)1 (AAARxkcxvVAxAAArdxC00【例【例5-3 5-3 】在】在CSTRCSTR中，进行已二酸与已二醇的聚合反中，进行已二酸与已二醇的聚合反应，生产醇酸树脂。操作条件和产量与例应，生产醇酸树脂。操作条件和产量与例5-15-1相同，试相同，试计算反应器的有效容积计算反应器的有效容积V VR R。该反应以硫酸作催化剂

38、，已二酸与已二醇以等摩尔比，反该反应以硫酸作催化剂，已二酸与已二醇以等摩尔比，反应在应在7070进行，已二酸转化速率方程为：进行，已二酸转化速率方程为： （-r-rA A）=kC=kCA A2 27070时时k=0.118m3/kmolhk=0.118m3/kmolh，已二酸起始浓度，已二酸起始浓度CA0=4kmol/m3CA0=4kmol/m3。若每天处理若每天处理2400kg2400kg的已二酸，要求已二酸的转化率达的已二酸，要求已二酸的转化率达90%90%反应器反应器 BSTRPFR CSTRVR 3.43m3 3.26m332.6m3V VR R=32.6m=32.6m3 30,0,0

39、,0,AAVAxcqF1,1,iAiAxciAiAxc,V1VNViNANAxc,1 ,1 ,AAxc1,1,NANAxc 第四节第四节 组合反应器组合反应器一、结构及操作一、结构及操作多釜串联反应器：具有相同容积的多釜串联反应器：具有相同容积的N N个个CSTRCSTR的串联组合的反应器的串联组合的反应器二、性能和特点：二、性能和特点：（1 1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。（2 2）各反应釜中组成、温度均匀一致，级与级之

40、间是突然变化的。）各反应釜中组成、温度均匀一致，级与级之间是突然变化的。（3 3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。数目越多，其性能越接近活塞流反应器。取几个串联反应器中的第取几个串联反应器中的第i级反应器中的组分级反应器中的组分A作物料衡算得：作物料衡算得：流入量流入量 = 流出量流出量 + 反应消失量反应消失量RiiAiAiAVrcVcV)(,01,0)()()(,0,1,01,iAAiAiAiARiirxxcrccVViAiA三、基础设计方程三、基础设计方程一级反应动力学方程式：一

41、级反应动力学方程式：iAiiAckr,第一级反应器：第一级反应器：第二级反应器：第二级反应器：1 ,11 ,0,1AAAckcc110,1 ,1kccAA2,22,1 ,2AAAckcc)1)(1 (122110,221 ,2,kkckccAAA第第N级反应器：级反应器：)1 ()1)(1 (22110,NNANAkkkcc四、多釜串联反应器的计算四、多釜串联反应器的计算( (如果各级反应器体积和温度均相等如果各级反应器体积和温度均相等,那么那么kkkkNN2121NANAkcc)1 (0,NNAkx)1 (11,)1 (,0,NAANAxcc)1 ()1)(1 (22110,NNANAkkk

42、cc一级不可逆反应一级不可逆反应均相、恒温、恒容均相、恒温、恒容串联反应器串联反应器V VR R相同相同【例【例5-45-4】 某一级不可逆反应在均相、恒温、恒某一级不可逆反应在均相、恒温、恒容的条件下于一个容的条件下于一个V VR R=10L=10L的的PFRPFR中进行，中进行，C CA0A0=1mol/=1mol/l l、V V0 0=1=1l l/s/s、x xA A=80%=80%。现将该反应在完。现将该反应在完全相同的条件下用一多釜串联反应器来完成，每全相同的条件下用一多釜串联反应器来完成，每个釜的个釜的V VR R均为均为5 5l l，达到同样的转化率需要多少个釜？，达到同样的转

43、化率需要多少个釜？2AAkcr N=2.753N=2.753二级反应动力学方程式：二级反应动力学方程式：2,iAiAckr2,1,iAiAiAckcc01,2,iAiAiAccck第一级反应器出口浓度为第一级反应器出口浓度为:第二级反应器出口浓度为第二级反应器出口浓度为:kckcAA24110,1 ,kkckkcAA224114110,2,当当N3时时,计算起来非常繁杂计算起来非常繁杂,而采用图解法则较方便而采用图解法则较方便.第五节第五节 气固相催化反应器气固相催化反应器一、非均相反应器一、非均相反应器指反应体系中存在着一个以上的相，即两相或三相的反应器，常见指反应体系中存在着一个以上的相，

44、即两相或三相的反应器，常见的有气的有气-固、气固、气-液、液液、液-液等反应器。液等反应器。 非均相反应的反应物之间有相界面，实际反应速率与浓度、温度、相界非均相反应的反应物之间有相界面，实际反应速率与浓度、温度、相界面大小及相间扩散速率的因素有关，需要考虑两个复杂因素：面大小及相间扩散速率的因素有关，需要考虑两个复杂因素：速率方程的复杂性速率方程的复杂性 ：没有普遍适用的速率方程式：没有普遍适用的速率方程式两相体系的接触模型两相体系的接触模型 非均相反应分为催化非均相反应及非催化非均相反应。非均相反应分为催化非均相反应及非催化非均相反应。 二、气固相催化反应过程二、气固相催化反应过程 1 1

45、、气固相催化反应机理、气固相催化反应机理（1 1）反应物质由流体主体向）反应物质由流体主体向固体表面扩散；固体表面扩散；（2 2）从外表面向微孔内表面）从外表面向微孔内表面扩散；扩散；（3 3）吸附于固体表面；）吸附于固体表面；（4 4）进行表面反应；）进行表面反应；（5 5）生成物由表面脱附；）生成物由表面脱附；（6 6）生成物向反方向进行内）生成物向反方向进行内扩散；扩散；（7 7）生成物向流体主体进行）生成物向流体主体进行气膜扩散。气膜扩散。 2 2、固体催化剂的吸附作用、固体催化剂的吸附作用 气体在固体上的吸附分为：气体在固体上的吸附分为：物理吸附物理吸附：吸附力很弱，吸附热：吸附力很

46、弱，吸附热约为约为825kJ/mol 825kJ/mol ，能形成多，能形成多分子层吸附分子层吸附 化学吸附化学吸附：吸附力很强，吸附热：吸附力很强，吸附热约为约为40200kJ/mol40200kJ/mol，一般是，一般是单分子层吸附单分子层吸附 温度对物理吸附和化学吸附的影响温度对物理吸附和化学吸附的影响 三固定床催化反应器三固定床催化反应器 流体通过静止不动的固体催化剂或反应物床层而进行反应的流体通过静止不动的固体催化剂或反应物床层而进行反应的装置称作装置称作固定床反应器固定床反应器。固定床反应器的主要固定床反应器的主要优点：优点：床层床层内流体的流动接近活塞流，可内流体的流动接近活塞流

47、，可用较少量的催化剂和较小的反用较少量的催化剂和较小的反应器容积获得较大的生产能力，应器容积获得较大的生产能力，当伴有串联副反应时，可获得当伴有串联副反应时，可获得较高的选择性。结构简单、操较高的选择性。结构简单、操作方便、催化剂机械磨损小。作方便、催化剂机械磨损小。缺点是传热能力差，催化剂不能缺点是传热能力差，催化剂不能更换。更换。固定床反应器有三种基本形式：固定床反应器有三种基本形式：绝热式、对外换热式和自热式绝热式、对外换热式和自热式反应器。反应器。 （1 1）绝热式反应器）绝热式反应器 该类反应器不与外界进行任何热量交换。对于放热反应，反应该类反应器不与外界进行任何热量交换。对于放热反应，反应过程中所放出的热量完全用来加热系统内的物料。物料温度的提高过程中所放出的热量完全用来加热系统内的物料。物料温度的提高，称为绝热温升。如果是吸热反应，系统温度会降低，相应地称之，称为绝热温升。如果是吸热反应，系统温度会降低，相应地称之为绝热降温。为绝热降温。 简单绝热反应器的结构简单。其外形一般呈圆筒状，下有栅板简单绝热反应器的结构简单。其外形一般呈圆筒状，下有栅板用来支承催化剂。反应气体从上部进入，气体均匀地通过催化剂床用来支承催化剂。反应气体从上部进入，气体均匀地通过催化剂床层，适用于反应的热效应较小，反应过程