釜式及均相管式反应器

釜式及均相管式反应器第1页，共91页，2023年，2月20日，星期四绪论 1第一章应用化学反应动力学及反应器设计基础 6第二章气-固相催化反应本征及宏观动力学 34第三章釜式及均相管式反应器 70第四章反应器中的混合及对反应的影响 106第五章固定床气-固相催化反应工程 126第六章气-液反应工程 176第七章流-固相非催化反应 212第八章流化床反应工程 236第九章气-液-固三相反应工程 270第2页，共91页，2023年，2月20日，星期四第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合和比较第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应第八节讨论与分析参考文献习题第三章釜式及均相管式反应器第3页，共91页，2023年，2月20日，星期四第一节间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征二、间歇釜式反应器的数学模型

1.等温等容液相单一反应

2.等温等容液相多重反应三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

2.反应时间的优化

3.配料比

4.反应温度

第三章釜式及均相管式反应器第4页，共91页，2023年，2月20日，星期四第一节间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征第5页，共91页，2023年，2月20日，星期四特点:1由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定第一节间歇釜式反应器一、

釜式反应器的特征第6页，共91页，2023年，2月20日，星期四精细化工产品的生产中的液相反应、液液非均相反应；有色冶金及化学矿加工中的液固反应；生物反应中的微生物发酵反应；聚合物生产中的乳液聚合及悬浮液聚合；第一节间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征第7页，共91页，2023年，2月20日，星期四Standardisedstirredtankreactorsizes反应釜规格4006301000250040006300总容积L5338471447346053748230夹套容积L120152216368499677换热面积m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸

(mm)d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050标准尺寸(accordingtoDIN)Deutschland,GermanyDeutscheindustrynorm第8页，共91页，2023年，2月20日，星期四反应釜规格4006301000250040006300总容积L5338471447346053748230夹套容积L120152216368499677换热面积m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸

(mm)d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050标准尺寸(accordingtoDIN)第9页，共91页，2023年，2月20日，星期四第一节间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征二、间歇釜式反应器的数学模型

1.等温等容液相单一反应

2.等温等容液相多重反应三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

2.反应时间的优化

3.配料比

4.反应温度

第三章釜式及均相管式反应器第10页，共91页，2023年，2月20日，星期四二、间歇釜式反应器的数学模型用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况对整个反应器进行物料衡算：0流入量=流出量+反应量+累积量0单位时间内反应量=单位时间内消失量等容过程，液相反应第11页，共91页，2023年，2月20日，星期四图解积分示意图t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACAfCA0第12页，共91页，2023年，2月20日，星期四二、间歇反应器的数学描述

1.等温等容液相单一反应一级不可逆反应1st.OrderReaction（irreversible）第13页，共91页，2023年，2月20日，星期四反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1表3－1理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式第14页，共91页，2023年，2月20日，星期四k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小讨论：间歇反应器中的单反应反应浓度的影响1.k的影响零级反应：t与初浓度CA0正比一级反应：t与初浓度CA0无关二级反应：t与初浓度CA0反比3.残余浓度零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化第15页，共91页，2023年，2月20日，星期四由表中所列结果，可以得出以下几点结论。对于任一级反应，当CA0、xAf或CAf确定后，kt即为定值：

当k↗，t↘；当k↘，t↗。对于任一级反应都是如此。当转化率xAf确定后，反应时间与初始浓度的关系和反应级数有关。0级反应：，成正比1级反应：，无关2级反应：，成反比利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确定xAf，然后测定的关系，判别反应级数。第16页，共91页，2023年，2月20日，星期四3.残余浓度和反应时间的关系（转化率和反应时间的关系）0级反应：，直线下降1级反应：较缓慢下降2级反应：缓慢下降对于一级或二级不可逆反应，在反应后期CA的下降速率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应时间。第17页，共91页，2023年，2月20日，星期四UniversityDortmundChemicalEngineeringDepartmentChairofTechnicalChemistryBC0tdcdtCn=1n=2n=0Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordern

tangent第18页，共91页，2023年，2月20日，星期四C0tCn=1n=2n=0Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordern

第19页，共91页，2023年，2月20日，星期四第20页，共91页，2023年，2月20日，星期四第一节间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征二、间歇釜式反应器的数学模型

1.等温等容液相单一反应

2.等温等容液相多重反应三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

2.反应时间的优化

3.配料比

4.反应温度

第三章釜式及均相管式反应器第21页，共91页，2023年，2月20日，星期四

2.等温等容液相多重反应第22页，共91页，2023年，2月20日，星期四例3－1以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯（C），操作温度为100℃，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速率试求醋酸转化率xA分别为0.5、0.9、0.99时所需反应时间。解：CH3COOH+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2OA的初始浓度计算：可求出，投料总体积为0.559m3醋酸A1kmol60kg0.062m3正丁醇B4.96kmol368kg0.496m3第23页，共91页，2023年，2月20日，星期四第一节间歇釜式反应器一、釜式反应器的特征二、间歇釜式反应器的数学模型

1.等温等容液相单一反应

2.等温等容液相多重反应

三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

2.反应时间的优化

3.配料比

4.反应温度

第三章釜式及均相管式反应器第24页，共91页，2023年，2月20日，星期四

三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

反应时间与反应器大小无关只要保证两者的反应条件相同和设备结构如搅拌装置合理放大，便可达到同样的反应效果。反应体积的设计计算：实际操作时间=反应时间(t)+辅助时间(t’)反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积

VR=Q0(t+t’)据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算反应体积要比反应器体积小，一般为0.4～0.85

第25页，共91页，2023年，2月20日，星期四补充例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A：B：S=1：2：1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为

100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取0.75，则反应器的实际体积是多少？第26页，共91页，2023年，2月20日，星期四通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为

其次计算原料液的起始组成。

第27页，共91页，2023年，2月20日，星期四然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。

代入速率方程，整理后得

式中

代入到基本公式中得：t=118.8min实际反应器体积：12.38m3/0.75＝16.51m3第28页，共91页，2023年，2月20日，星期四三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

2.反应时间的优化

反应时间越长，则单釜生产的产量增大；但是，反应时间越长，则单釜生产的周期越长，按单位时间的计算的产量不一定增加。PR

单位时间的产品产量CR为反应终了时的产物浓度第29页，共91页，2023年，2月20日，星期四2.反应时间的优化

(以单位时间产量最大为优化目标)代入上式后，可求出最优反应时间。

一级不可逆反应1st.OrderReaction（irreversible）第30页，共91页，2023年，2月20日，星期四t0CR~ttoptOptimaltimetCR第31页，共91页，2023年，2月20日，星期四2.反应时间的优化

(以生产费用最低优化目标)将CR~t代入上式后，可求出最优反应时间。

单位质量产品的总费用：第32页，共91页，2023年，2月20日，星期四(a0t0+af)CR~ttoptOptimaltimetCR第33页，共91页，2023年，2月20日，星期四

三、

间歇釜式反应器的工程放大及操作优化

1.工程放大

2.反应时间的优化

3.配料比

4.反应温度

第34页，共91页，2023年，2月20日，星期四第二节连续流动均相管式反应器一、

均相管式反应器的特征二、平推流均相管式反应器的数学模型

1.等温等容平推流均相反应器

2.绝热等容平推流均相反应器

3.变温变容平推流均相反应器——

低碳烃管式裂解炉第三章釜式及均相管式反应器第35页，共91页，2023年，2月20日，星期四第二节连续流动均相管式反应器一、

均相管式反应器的特征反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相同，因此，所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。第36页，共91页，2023年，2月20日，星期四

PlugflowreactorX=Z/2X=ZCA,OCA,outCAtx=0timeZZ/2CA,OCA,outCAxpositionxx+xx0ZZ/2第37页，共91页，2023年，2月20日，星期四特点：连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；反应物料具有相同的停留时间。一、均相管式反应器的特征第38页，共91页，2023年，2月20日，星期四SchematicofaSteamCrackerforEthyleneProductionfromNaphthaheatinggasCrackgascoolerCrackgas125barsteamSteamNaphthapreheaterNaphthaburnerRadiationzoneconvectionzoneFeedwater第39页，共91页，2023年，2月20日，星期四HighPressurePolymerisationofEthylenePressure:1500–2500bar（1bar＝0.1MPa）Residencetime:100–150sReactor:Diam.34–50mm;L=400–900mcompressionpurgepolymerisationdepositionLP-stripperHP-stripper150-300atHP-compressorLP-compressor1500-3000barTubularreactorandstirredtankWaxseparation第40页，共91页，2023年，2月20日，星期四第41页，共91页，2023年，2月20日，星期四Tubereactor第42页，共91页，2023年，2月20日，星期四裂解炉用于乙烯生产的管式裂解炉第43页，共91页，2023年，2月20日，星期四反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动平推流(Plug-Flow)模型Plug-FlowReactor(PFR)第44页，共91页，2023年，2月20日，星期四二、平推流均相管式反应器的数学模型

1.等温等容平推流均相反应器

第45页，共91页，2023年，2月20日，星期四V0CA0CAfxAfxA=0V0CA0(1－xA)V0CA0(1－xA－dxA)rAdVRdVR(=Adl)xAxA+dxA1.等温平推流均相反应器流入量=流出量+反应量+累积量0第46页，共91页，2023年，2月20日，星期四间歇反应器与FPR的等效性1.等温平推流均相反应器等温等容时，平均停留时间第47页，共91页，2023年，2月20日，星期四化学计量学，膨胀因子若反应过程无体积变化1.等温平推流均相反应器第48页，共91页，2023年，2月20日，星期四平均停留时间接触时间标准接触时间第49页，共91页，2023年，2月20日，星期四反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2n级n≠1表3－2等温等容平推流反应器计算式第50页，共91页，2023年，2月20日，星期四反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n≠1表3－1理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式第51页，共91页，2023年，2月20日，星期四用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。第52页，共91页，2023年，2月20日，星期四解答1：VR=4.155×(118.8/60)=8.227m3第53页，共91页，2023年，2月20日，星期四通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为

其次计算原料液的起始组成。

第54页，共91页，2023年，2月20日，星期四然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。

代入速率方程，整理后得

式中

代入到基本公式中得：t=118.8min实际反应器体积：12.38m3/0.75＝16.51m3第55页，共91页，2023年，2月20日，星期四解答2：由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等容过程。等容下活塞流反应器的空时与条件相同的间歇反应器反应时间相等，已求出达到题给要求所需的反应时间为t=118.8min。改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空时τ=t=118.8min。原料处理理为V0=4.155m3/h因此，反应体积

VR=4.155(118.8/60)=8.227m3

第56页，共91页，2023年，2月20日，星期四第二节连续流动均相管式反应器二、平推流均相管式反应器的数学模型

1.等温平推流均相反应器

2.绝热等容平推流均相反应器

3.变温变容平推流均相反应器-低碳烃管式裂解炉第57页，共91页，2023年，2月20日，星期四2.

绝热等容平推流均相反应器

变温平推流反应器

变温平推流反应器，其温度、反应物系浓度、反应速率均沿流动方向变化，需要联立物料衡算式和热量衡算方程式，再结合动力学方程求解。第58页，共91页，2023年，2月20日，星期四物料衡算(稳定状态)：热量衡算：对象为dVR[物料带入热量]－[物料带走热量]－[传向环境热量]－[反应热]＝0式中分别为i组分的摩尔流量、i组分的等压摩尔热容、微元体积中物料温度、环境温度、反应热（放热为负，吸热为正）0dVRTT+dT第59页，共91页，2023年，2月20日，星期四由物料衡算和热量衡算及动力学方程三者联立，采用差分法或Runge-Kutta法求解。当过程为等温或绝热过程时，可以简化。1.等温过程

热量衡算式简化为由则有积分式中A为换热面积第60页，共91页，2023年，2月20日，星期四2.绝热过程热量衡算式简化为由则有令称为绝热温升，即为在绝热条件下组分A完全反应时物料的温升。则积分之，得当xA0=0,有第61页，共91页，2023年，2月20日，星期四第62页，共91页，2023年，2月20日，星期四热量衡算式物料衡算式：动力学方程式：第63页，共91页，2023年，2月20日，星期四第64页，共91页，2023年，2月20日，星期四初始条件l=0l=16m第65页，共91页，2023年，2月20日，星期四lTPOCO2PC0.79530.14890.0558460.616.00.77270.15960.0577451.814.40.74680.17190.0813441.812.80.72740.18110.0915434.111.20.71330.18780.0989428.59.60.70250.19290.1046424.18.00.69400.19690.1091420.56.40.68700.20030.1128417.64.80.68110.20310.1159415.13.20.67600.20550.1185413.01.60.65840.20360.1380411.00.0第66页，共91页，2023年，2月20日，星期四T~l第67页，共91页，2023年，2月20日，星期四PCCO2PO第68页，共91页，2023年，2月20日，星期四第三章釜式及均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型二、多级全混釜的串联及优化

1.多级全混釜的浓度特征

2.多级全混釜串联的计算

3.多级全混釜串联的优化三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念

2.全混流反应器的多态

3.物料进口温度和进料流量对全混釜热

稳定性的影响和“起燃”与“熄火”

4.最大允许温差

5.单一可逆放热反应第69页，共91页，2023年，2月20日，星期四第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型第70页，共91页，2023年，2月20日，星期四全混流（perfectlymixedflow）模型假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。第71页，共91页，2023年，2月20日，星期四tresidencetimeContinuousStirredReactor(CSTR)

CA,inCA,outCAttime0tCA,OCA,outCAxposition0第72页，共91页，2023年，2月20日，星期四touttout/2CA,OCA,outCAttime

t=tout/2t=toutBatchreactor(discontinuouslyoperatedstirredtankreactor)IdealreactorsCA,OCA,outCAxt=0position00第73页，共91页，2023年，2月20日，星期四取整个反应器为衡算对象流入量=流出量+反应量+累积量0进口中已有A第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型第74页，共91页，2023年，2月20日，星期四全混流反应器τ的图解积分(对比右图的PFR图解积分)CA0CACAfCACA0CAf第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型第75页，共91页，2023年，2月20日，星期四平推流反应器与全混流反应器的比较第76页，共91页，2023年，2月20日，星期四用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。第77页，共91页，2023年，2月20日，星期四通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为

其次计算原料液的起始组成。

第78页，共91页，2023年，2月20日，星期四将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为

代入速率方程，整理后得

式中

第79页，共91页，2023年，2月20日，星期四用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。第80页，共91页，2023年，2月20日，星期四例题中三种反应器体积比较BSTR：VR＝12.68m3(实际体积为16.51m3）PFR：VR＝8.227m3CSTR：VR＝14.68m3返混：不同年龄粒子之间的混合返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度的上升。上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。对于其速率随着反应物浓度增加而增加的反应过程，返混的效果是降低了反应速率第81页，共91页，2023年，2月20日，星期四[例3－2]生化工程中酶反应A→R为自催化反应，反应速率式rA=kcAcR，某温度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3,要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，当原料的进料量为10m3/h时，求：（1