第3章均相化学反应器

1、第三章 均相化学反应器第三章 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本章主要目的阐述各类均相化学反应器的设计计算方法反应器设计的目的 选择合适的反应器型式 确定最佳的操作条件 计算达到规定的目标所需要的反应体积 确定反应器的主要尺寸。第十三章 均相化学反应器反应器设计用到的基本方程 反应动力学方程 物料衡算式 能量衡算式 动量衡算式第十三章 均相化学反应器A的输入量A的输出量A的反应量A的积累量qnA0qnA(rA)VdnA/dt反应器的物料衡算单位时间内反应物A的物料衡算式：体积VA的存在量nAA的反应量RA(kmol/s)A的输入量

2、qnA0(kmol/s)A的输出量qnA(kmol/s)反应器的基本方程微元V中反应物A的变化一、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、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（t）(2)根据反应时间确定转化率或反应后的各组分浓度（C）第一节间歇与半间歇反应器间歇反应器的基本方程间歇反应器的物料衡算图

3、浓度cA物质量nA体积VqnA0qnA(rA)VdnA/dt第一节间歇与半间歇反应器VrtnAAdd(12.2.1)(12.2.2)A0AAA0dxVrxnt(12.2.3)VrtxnAAA0dd与反应速率的定义式形式相同A0AAA0dxrxct(12.2.4)（恒容反应）A0AAAdccrct(12.2.6)（恒容反应）第一节间歇与半间歇反应器间歇反应器的基本方程【例题13.1.1】间歇反应器中发生一级反应AB(恒容反应)，反应速率常数k为0.35h-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

4、.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间歇反应器的图解设计法A0积ct面t积面A0AAA0 xrdxct(12.2.4)A0AAAccrdct(12.2.6)第一节间歇与半间歇反应器0Ax1/rAA0cAc01/rA(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

5、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A0VA0cqqnABccV浓度，体积tqnntqnntqnttxnnnA0A0AA0A0AA0A0A1)(AAA的量时间内加入的的起始量的量时间内反应消耗掉的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2.半间歇反应器的设计方程单位时间内A的加入量：qnA0qVcA0单

6、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A0VA0cqqnABccV浓度，体积【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

7、(a)A+PQ，r2k2cAcP(b)第一节间歇与半间歇反应器AcBcQc(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BcPcQctctcA+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b)第一节间歇与半间歇反应器(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一、单级反应器二、多级串联反应器第二节 全混

8、流反应器 本节的主要内容一、单级反应器（一）操作方法与特点操作方法：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设计计算的目的：得到停留时间、反应器体积等（二）基本方程与设计方法第二节全混流反应器基本方程的一般形式全混流槽式连续反应器(ContinuousStirredTankReactor，CSTR)在稳态状态下，组成不变，反应速率恒定，即dnA/dt=0qnA0qnA(rA)VdnA/dt反应

9、量-rAV浓度cA体积VA的流入量A0V0A0cqqnA的流出量AVAcqqnrAVqnA0qnArAVqV0cA0qVcArAVqnA0 xArAVqv0cA0 xAAAA0rxc令V/qv0(12.3.5)AAA0rcc(12.3.7)恒容反应第二节全混流反应器【例题13.2.1】完全混合流反应器中发生一级反应AB，反应速率常数k为0.35h-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)/(0.350.10c

10、A0)=25.7h第二节全混流反应器第二节 全混流反应器 全混流反应器的图解设计法A0积c面积面(cA0 xA)/-rA(cA0cA)/rA（恒容反应）第二节全混流反应器A0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA二、多级串联反应器（一）多级串联全混流反应器的基本方程c0c1c243214212n31cn第二节全混流反应器A0c0Ac1/rAiincqqAVA1)-A(V1)-A(iincqq在恒容条件下，第i个反应器的基本设计方程为：0AA0AAninniqqqxiiiiiiiirxxcrccqVA)1(AA0AAA)1(AV)(13.2.1)第二节全混流反应器（二）多级串联反应器的逐步计算法一级

11、恒容反应：rAikcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV10AA11kcc)1)(1 (121A021AA2kkckcc)1 ()1)(1 (210AAnnkkkcciiikcc1)1(AA第二节全混流反应器（二）多级串联反应器的逐步计算法二级恒容反应：rAikcAi22AA)1(AAA)1(AViiiiiiiikcccrccqViiiikckc2411)1(AA第二节全混流反应器【例题13.2.2】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0.050m

12、3/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(1)反应器的体积为0.80m3时s96060/105080. 03330AA1mol/m0 .1649601077. 216001kcc%7 .72600164600A0A1A0A1cccx平均空间时间第二节全混流反应器(2)0.40m3的反应器，二个串联使用时s48060/105040. 033232A0A2mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kcc

13、%6 .816006 .110600A0A2A02Acccx每个槽的平均空间时间第二节全混流反应器(3)0.20m3的反应器，四个串联使用时s24060/105020. 033434A0A4mol/m1 .78)2401077. 21 (600)1 (kcc%0 .876001 .78600A0A3A0A4cccx每个槽的平均空间时间第二节全混流反应器（三）图解计算法iiiiirccqVAA)1(AViiiiccr)1(AAA操作方程)(AAckfri速率方程icA irA i1反应曲线) 1 A(ic第二节全混流反应器0AcrAA3cA2c31斜率A1c21A0c11反应曲线图解计算法的步骤

14、第二节全混流反应器0AcrA【例题13.2.3】已知一级反应AB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0.35h-1，反应物A的初始浓度为150mg/L，10个CSTR完全相同，A在每个CSTR中的停留时间是1/1.5h，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公式法：A0A)11(ckcnn15081734. 0150)667. 0)(35. 0(11(Annnc当n=10时,有mg/l180A1c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图

15、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%。AAAddkcrtc一级反应速率方程为第二节全混流反应器0501001500102030405060Slope=1.50h-1rA /(mgL1h1)cA/(mgL1)(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，所需全混流连续反应器的时

16、间有何不同？为什么？本节思考题第二节全混流反应器(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，

17、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(pistonflow)第三节平推流反应器第三节平推流反应器平推流反应器一般应满足以下条件：管式反应器：管长是管径的10倍以上。固相催化反应器：填充层直径是催化剂粒径的10倍以上。设计计算的目的：得到停留时间、反应器体积等第三节平推流反应器平推流反应器的基本方程在稳态状态下，dnA/dt=0qnAqnAdqnA(rA)dVdnA/dtdqnA(rA)dV(12.3.11)0 , ,A0V0A0A0 xqcqnVAAVA ,qxcqdVAAA ,xcqnAAAAddxxqqnnV（二）基本

18、方程和设计计算方法基本方程的不同表达形式AAddrVqn(12.3.12)AAA0ddrVxqnAAVd)(drVcq(12.3.13a)(12.3.13b)微分形式第三节平推流反应器基本方程第三节平推流反应器A0AAA0dxnrxqVA0AAA0 xrdxc(12.3.15)(12.3.18)积分形式恒容反应的基本方程AA0AAdccrc在恒容条件下：cAcA0(1-xA)，即-cA0dxAdcA(12.3.19)第三节平推流反应器恒温恒容反应的设计方程：与间歇反应相同（表13.1.1）A0AAA0dxrxct(12.2.4)（恒容反应）A0AAAdccrct(12.2.6)（恒容反应）第一

19、节 间歇与半间歇反应器间歇反应器的基本方程第三节平推流反应器【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kcc eA0A于是有mg/L5 .14e )150()67. 6)(35. 0(Ac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xA88.0%第三节 平推流反应器 【例题13.3.2】平推流反应器中发生一级反应AB，反应速率常数k为0.35h-1，要使A的去除率达到9

20、0，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【例题13.3.3】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的速度送入一有效体积为0.80m3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对于一级反应，在恒容条件下：rA=kcA=kcA0(1-xA)A0A

21、A0AVA0)1 (dxxkcxqcV930. 0960e131077. 2Ax)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkxe1A解：第三节平推流反应器kxe1A根据题意，k=2.7710-3s1s96060/ )1050(80. 03s第三节平推流反应器图解计算法A0积c面积面A0cAcA0AAA0dxrxc(12.3.18)A0AAAdccrc(12.3.19)0Ax1/rA01/rA(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

22、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(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 生成物营养物质菌体分离器菌体浓缩液第三节 平推流反应器 （二）循环反应器的设计方法Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，(a) 平推流循环反应器VeV3qq排出反应器的体积流量循环物料的体积流量循环比第三节 平推流反应器 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(qnA0qn

23、Ae)/qnA0(13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/qnA0(13.3.3)Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，第三节平推流反应器反应器出口点(2)A的物质流量qnA2(1)qnAeqnA0(1)(1xAe)(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)V，c，q，qAVAnA00VA0cqqnA11V

24、A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，第三节平推流反应器1.进入反应器的物质流量不是qnA0而是qnA1qnA1qnA01(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反应器qnA2(1)qnAeqnA0(1)(1xAe)(13.3.4)qnA0qnA2qnA0(1xAe)(13.3.10)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。A0A0AAnnnqqqx第三节平推流反应器2.循环反应器的

25、等价反应器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(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Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，等价反应器系统的特点(1)物料流的体积流量qV0qV0(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

26、应器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(3)反应器M出口处的转化率xA1为：)1 ()1 (1)1 (A0AeA0A00AA1A0A1nnnnnnqxqqqqqx1A1Aexx(13.3.13)第三节平推流反应器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM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。AeA0AeA0A0A2A0A2)1 ()1 ()1 (xqqqqqqxnnnnnn(4)以qnA0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：q

27、nAqnA0(1)(1xA)(13.3.15)qVqV0(1)(1+AxA)(13.3.16)第三节平推流反应器AeAe)1(AAA0d)1 (xxnrxqV设计方程3.循环反应器的设计方法等价反应器的设计A0AAA0dxnrxqV(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A2A1AA0AdxxnxVqrAeAe)1(AA0A)1 (xxnrxdqV设计方程ABCDEFG2CDAB 0Ax1AexAex图解解析法第三节平推流反应器1/rA【例题13.3.4】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的物料衡算式为：A1AeAAccrdcA1V0VAe0V0A0V)(cqqcqcq解：第三节平推流反应器Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，将式代入式整理可得：式即为平推流循环反应器在恒容条件下的基本设计方程。 AeAeA01AAV0d)1 (cccrcqV 所以1)(AeA0A1ccc 第三节 平推流反应器