釜式及管式反应器

反应器的特性流动状态混合状态传热特性这些特性随反应器的几何结构和几何尺寸而异反应器开发的任务选择合适的反应器确定操作方式并进行优化设计确定反应器尺寸，进行经济评价理想反应器的内涵理想的间歇式反应器：温度和浓度均一※全混流反应器：返混为无穷大※平推流反应器：无返混理想的连续流动式反应器理想反应器概述按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。.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，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。1、间歇釜式反应器BatchReactor间歇操作的充分反应器。用于液相反应。在反应过程中没有进出料。反应器内物料充分混合，器内各点温度浓度相同。不需考虑热量传递间歇操作，需要辅助生产时间。化学实验室内装有电动搅拌装置的玻璃三口烧瓶即和釜式反应器极为相似，故可用三口烧瓶进行反应开发、操作条件及动力学研究，便于移植于工业反应器中进行生产。优点：操作灵活，适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种，反应时间较长的产品生产。缺点：不能连续操作，装填料需要较多人力物力、耗费较多的非生产时间。应用：精细合成液-液均相或非均相反应；有色冶金、化学矿加工中的液-固相反应，生物反应中的微生物发酵反应，聚合物生产中的乳液、悬浮液聚合，油脂加氢等反应

Fi0Fi体积VGi指定的边界2、间歇反应器的数学模型2、间歇反应器的数学模型通用的摩尔衡算方程以表示反应物料在整个反应器中占有的体积，当反应物被充分搅拌达到完全混合的前提下，以反应物A为基准的通用摩尔衡算方程可写成积分等容过程上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。恒容条件下（多数情况）这说明，在充分混合的间歇反应器中，反应是依照它的动力学特征进行的。流动过程对反应没有影响。如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的（理想），但随操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。（1）反应时间的计算已知反应动力学方程和组分A的浓度变化，就能按式计算反应时间。一般采用数值积分或图解法。图解积分示意图t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACAfCA0（2.）实际操作时间

实际操作时间=反应时间t+辅助时间t′辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。（3.）反应器体积

VR=Q0(t+t′)式中Q0为单位时间所处理的物料量。如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的（理想），但随操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。间歇系统反应器在t=0时刻打开t=t时刻，A组分的转化率为X组分初始量变化量剩余量ABLM惰性组分合计由理想气体状态方程可以得到浓度和转化率的关系C总不变，而每个组分的浓度变化了（4）间歇反应器中的单反应设有单一反应A→R

动力学方程为

积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。.残余浓度式计算经反应时间t后A的残余浓度。.转化率式计算经反应时间t后A的转化率。

A的残余浓度和转化率可用公式计算。间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表（1）。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1理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式.残余浓度和反应时间的关系0级反应：，CA随t直线下降；1级反应：CA随t较缓慢下降；2级反应：CA随t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。若追求过低的残余浓度，即过高的转化率，则在反应后期要花费大量的反应时间。例1

以乙酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产乙酸丁酯，操作温度为100°C，每批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速率试求乙酸的转化率为0.5，0.9，0.99所需的反应时间。已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和740kg/m3解：显然A是关键组分，不过量，对于1kmolA来说，投料情况是由于反应为液相反应，体积不变对每1kmolA而言，每次投料体积（有效反应体积）为当转化率为0.5时，t＝0.535h，当转化率为0.9时，t＝4.81h，当转化率为0.99时，t＝52.9h。￥不能片面追求转化率，导致反应时间过长，大幅度增加操作费用。（5）间歇反应器中等温等容液相单一可逆反应的动力学表达式对于单一可逆反应，要考虑化学平衡，KC为液相反应的平衡常数。为了便于讨论，课本表3-2应该都假定了反应为基元反应。假定产物初始浓度为零可逆反应的动力学速率方程对于通用液相可逆反应平衡时的浓度由热力学关系式进行关联平衡常数的单位为一级反应反应达到平衡时化学平衡常数若有CA-t的实验数据，则可根据上式计算出速率常数k和k’，由此得到平衡常数KC1级、2级反应反应达到平衡时3、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化（1）工程放大由间歇反应器的设计方程可得一个重要的结论：反应物达到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反应器的大小无关。反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。由此可见，上述计算反应时间的表达式，既适用于小型设备又可用于大型设备，只要保证相同的反应条件和装置的合理放大，即可达到同样的反应效果实验室用的小型反应器要做到等温操作比较容易，而大型反应器就很难做到；同时大型反应器要通过搅拌使容器内的物料混合均匀、浓度均一也比较困难，所以生产规模的反应效果与实验室反应器相比，还是有差异的。间歇反应器的反应体积根据单位时间的反应物料处理体积Q0及操作周期来确定间歇反应器的反应体积实际体积而单位时间的产品产量mol可以定义为例：在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应A→2R

k=9.52×109exp[-7448.4/T]h-1R的摩尔质量为60，若转化率XA=0.7，装置的生产能力为50000kg产物R/天。求50℃等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间t0=0.75h）（2）反应时间的优化间歇反应器每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时间，对于一定的化学反应和反应器，辅助时间是一定值。反应物的浓度随时间的延长而降低，同时产物的生成速率随反应物浓度的降低而降低。所以，随着操作时间的延长，产量增多，但按单位操作时间计算的产品产量并不一定增加。以单位操作时间的产品产量为目标函数，存在一个最优反应时间的问题AR，要求产物R的浓度为CR，则单位操作时间的产品产量PR为对反应时间求导，得到用解析法或图解法（以cR对t）作图可得最优反应时间（3）配料比在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分A的残余浓度尽量低，也为了缩短反应时间，对于类似如下的反应，常采取一种反应物B过量的操作方法并定义配料比在等容液相过程中B的浓度（4）反应温度对于间歇釜式反应器，可以在反应不同时段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度，一般说来，高转化率时，反应速率随之减少，可以适当提高反应温度，以促使反应速率常数增大而增加反应速率。前提是液相组分的性质随温度变化影响较小。第二节、连续流动釜式反应器（CSTR）(CSTRContinuouslystirredtankreactor)

在连续流动过程中，反应物连续不断地加入反应器中同时产物连续不断地流出反应器，连续、稳定流动，在定常态下操作。不存在间歇操作中的辅助时间问题，在定态操作中容易实现自动控制，操作简单，节省人力，产品质量稳定，可用于产量大的产品生产过程

全混流模型（理想混合模型、连续搅拌釜式反应器CSTR）全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合。模型特点：a：同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合；b：反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同，且等于出口处（即将流出）的参数；c：反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中，质点的寿命也不相同。d：返混＝∞2）适用范围：搅拌反应器，强烈搅拌。反应器特点总结：反应器中反应物料的浓度处于出口状态的低浓度，而反应产物浓度则处于出口状态的高浓度，全混流反应器的反应速率由釜内的温度和浓度所决定。与间歇反应器一样，反应釜内的温度和浓度均一，且等于出口处的温度和浓度

Fi0Fi体积VGi指定的边界1、CSTR的数学模型（设计方程）在定态下，反应器内反应物料的积累量为零，对关键反应组分A作摩尔衡算可得。于是得到若A的转化率为XA则设计方程又可表示为若达到稳态时，进口物料中已经含有反应产物，则2、几个概念（1）空时τ

（接触时间）、（空间时间）－－反应器有效体积VR和反应流体入口条件下体积流率V0之比。即，基于入口条件（各种参数）处理整个反应器有效体积的流体所必需的时间（2）空速（SV）:单位时间内投入到反应器中的物料的标准体积与反应器有效容积或催化剂体积之比。与空时的使用条件不同，空时用的是在入口条件下的体积流率，而空速常常用到其它条件下的体积流率。又分为液体小时体积空速（LHSV）液体在特定温度下的值和气体小时体积空速（GHSV）气体在标准温度和压力条件（STP）下的值（3）平均停留时间等容过程中，定态下的平均停留时间可用反应器有效体积与体积流率之比来确定如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的（理想），但随操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。而在连续流动反应器中，这个时间又随着反应器体积的增大而延长3、CSTR反应器设计模型的其他形式设计方程恒容类似间歇反应器的t如果已知反应速率rA与反应物浓度（或转化率）的动力学关系式，可以标绘出恒容图示转化率4、CSTR反应器中的单反应设有单一反应A→R动力学方程为反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2表3CSTR反应器中整级数恒容单反应结果表达式例2：在全混流反应器中进行一级不可逆反应，液相反应A→2R

k=9.52×109exp[-7448.4/T]h-1R的摩尔质量为60，若转化率XA=0.7，装置的生产能力为50000kg产物R/天。求50℃等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间t0=0.75h）解：（1）体积流率V0

（2）反应器有效容积VR例3：在一个体积为300L的反应器中于86°C等温下将浓度为的过氧化氢异丙苯溶液分解,生产丙酮和苯酚该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数为0.08，最终转化率为98.9%，试按以下条件计算苯酚的产量。（1）如果反应器为间歇反应器，t0=15min（2）如果是全混流反应器（3）试比较上两问的计算结果（4）若过氧化氢异丙苯的浓度增加一倍，其他条件不变，结果如何解：（1）液相反应，视为恒容间歇反应器设计方程（2）全混流设计方程（3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中的反应物的浓度低，反应速度慢的原因（4）由计算可知，反应为一级，无论间歇反应器还是CSTR，原料处理量不变，体积不变。但由于浓度增大一倍，故C苯酚增加一倍，产量也增加一倍二、全混流反应器的热稳定性化学反应的反应热是影响反应器操作状态的另一个因素。当反应器放热强度较大时，往往成为影响化学反应过程的关键因素对放热反应，当某些外界因素使得反应温度升高时，一般反应速率随之加快。然而反应速率增加越大，反应放热速率也越大，使温度进一步上升，就可能出现恶性循环。1、热稳定性和热平衡反应器定态：反应的放热速率=移热速率如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的变化则出现两种情况一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称该反应器是热稳定的，或有自衡能力另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力所以平衡和稳定是两个不同的概念：平衡有2种：稳定的平衡和不稳定的平衡一般来说，热稳定性条件要比热平衡条件苛刻的多，热平衡只要求移热速率等于放热速率，因此可采用很大的传热温差，减少必徐的换热面，从而简化了反应器的结构。而热稳定性条件则给传热温差以限制，要求传热温差小于某个规定值，因而增加了所需的传热面积，使反应器结构复杂化。2、全混流反应器的多态全混流反应器，一级不可逆液相单一放热反应设体积为VR,进料体积流率为V0,反应混合物温度为T,反应物浓度为CA，进料浓度CA0，进料温度为T0，冷却介质的温度为TC。由前述，反应器中单位时间的放热量，即放热速率为反应器的移热速率为通过器壁传走的热量和进料物料升温所需热量之和。即：K为反应器与冷却介质间传热总系数；F为器壁传热面积，ρ为反应物料密度，cp为单位质量反应物料等压热容。平衡时，稳定时，有放热速率与反应温度T呈指数型变化关系（忽略反应焓随温度的变化）。在低温下操作时，反应速率很慢，反应物浓度变化很小，放热速率很低，当温度升高到某一数值时，反应速率开始随温度升高指数上升；高温下操作时反应速率常数k虽然很大，但出口反应转化率已经接近1，此时放热速率几乎不再随温度升高而增大，曲线在高温时趋于平坦TQ如果略去反应过程中反应物料的密度、黏度、热容等物性参数随温度的变化，则QC与T成线性关系。QT0在QR曲线与QC直线的交点处，QR=QC，此时反应器的放热速率与移热速率相等，达到了热平衡，因此交点就是系统的操作状态点。根据不同的操作参数，两曲线的交点可能有三个、两个或一个，这种有多个交点的现象称为反应器的多态，多态操作点具有不同的特征。TQTaTbbTcTdTe123456789ABCDEQR1~9称为定常态操作点3、物料进口温度（T0）和进料流量（V0）对全混釜热稳定性的影响和“起燃与熄火”（1）改变物料进口温度（T0）其他参数保持不变而逐渐改变进料温度，则放热曲线QR不变，而移热曲线QC平行位移。不同温度下的进料导致移热曲线QC与放热曲线QR有不同的交点，这些操作点具有不同的特征。TQTaTbbTcTdTe123456789ABCDEQR1~9称为定常态操作点TQ7QRQc无论温度在7点附近有所升高或降低，系统都能自动回复到7点，这时系统具有热自衡能力，7点称为热稳定的状态点33点也具有同样的性质55点是非热稳定1点，2点和3点一样，也是热稳定的状态点，但因为转化率太低，都是不期望的状态点，8点和9点与7点一样也都是热稳定的状态点，但9点的反应温度太高，是否涉及其它的制约条件，如不利于热性物料，待考虑TQ48QRQcTd到4点时进料温度稍有增加，反应器内温度将迅速增至热稳定操作点8。点4是不稳定的状态点，把这种反应器内不连续温度突变现象称为起燃4点称为起燃点或着火点点6，存在与刚才起燃点相类似的情况，温度骤降至点2的稳定状态点突变现象称为“熄火”，点6称为熄火点（2）改变进料流量V0TQQRQc例：某一级不可逆液相放热反应在绝热全混釜中进行，反应混合物体积流量其中反应物A的浓度进料及反应器中反应混合物密度

在反应过程中保持不变，反应器容积VR=18L，反应热

反应速率若进料温度为25°C，反应过程中上升至185°C，试求操作状态点温度和相应的转化率 解：移热速率：由于是绝热操作，只是物料升温需要的热量，无传走的热量要求QR=QC将T由25°C，反应过程中上升至185°C每间隔20°C计算的结果列表T/K298318338358378398418438458QRJ/s481.622487672176482670431924342363520035620QCJ/s048009600144001920024000288003360038400QR-T曲线为S型曲线，QC-T曲线为直线，两线相交于三点。由试差法可得低转化率、热稳定操作点T=300.4K

中转化率、非热稳定操作点T=346K

高转化率、热稳定操作点T=444K相应各点的转化率由T=300.4KXA=0.0161T=346KXA=0.365T=444KXA=0.9824、单一可逆放热反应若反应为可逆，则由于化学平衡的限制，高温下反应速率下降，全混釜反应器的QR曲线也随之下降，有一极大值。QRab此时最好选择在QR曲线最高点附近的热稳定的状态点为操作点b，c点平衡转化率低于bQCC习题3-5在CSTR中进行液相反应，在120°C时，反应速率反应器体积100ml，两股进料流同时等流量进入反应器，一股含A3.0mol/L，另一股含B2.0mol/L，当B的转化率为80%时，每股料液流量多少？解：可逆反应第三节、连续流动均相管式反应器（PFR）PlugFlowReactororPistonFlowReactor一、平推流反应器特点

平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。

平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是一种理想反应器。实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。平推流模型（PFR）模型特点

a：物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；

b：垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化；c：沿流动方向的截面间不相混合；D：任一截面上的质点的年龄相同；质点的寿命相同；E：返混＝0,不同年龄的质点不相混合。适用范围

管式反应器：L/D较大，流速比较大。产物

在工业中也经常普遍使用这种管式反应器，在管式反应器（PFR）中，当反应物料沿反应器长度流动时被连续地消耗，浓度沿轴向变化，反应速率（零级除外）也在轴向连续变化。在定常态下操作，参数不随时间而变。二、微元法推导PFR的数学模型1、摩尔衡算法为了推导PFR的设计方程，概念性的把反应器分成一些子体系，在每个体积为的子体系中，反应速率可被认为是空间均一的（足够小）。任选距反应器入口为y处的子系统上。在空间均一的子系统内有，稳态操作在空间均一的子系统内对上式变形得也即PFR反应器的设计方程以关键组分A为基准可得若转化率为XA是连续流动系统化学反应速率的定义式（2）转化率法根据平推流反应器的特点，任取反应器内的一个微元体积进行衡算FA0dVRFA0（1-XA)FA0（1-XA-dXA)单位时间在微元体积内反应的A的量为则有再引入空时的定义与理想间歇式反应器作比较反应级数反应速率反应器体积n=0n=1n=2等温等容平推流反应器计算式需要注意的是，如果反应是非等温过程，则反应速率常数k需要结合热量衡算式建立k与XA的关系，如果是的反应，注意用变容过程的相关公式建立V0与XA的关系表4等温等容液相单一不可逆反应平推流计算式反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2表3CSTR反应器中整级数恒容单反应结果表达式4.1在常压及800℃等温下在平推流反应器中进行下列气相均相反应在反应条件下该反应的速率方程为：式中CT

及CH

分别为甲苯及氢的浓度，mol/L，原料处理量为2kmol/h，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。若反应器的直径为50mm，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。解：甲苯和氢气的摩尔比1：1，原料处理量为2kmol/h故反应任一时刻有由平推流反应器设计方程：三、平推流反应器（PFR）的热量衡算1、绝热等容平推流均相反应器一些工业反应是在变温条件下进行来维持反应温度条件的需要。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，需要联立物料衡算方程、热量衡算方程和动力学方程求解。？例：计算在平推流反应器（PFR）中转化率为70%时所需的反应器体积。已知AB，反应为放热反应，绝热操作。解：绝热操作，故温度及转化率均沿着反应器的长度的增加而升高设计方程速率方程由Arrhenius方程如果转化率为70%时的温度为T1,反应速率常数为k1，则有联立，可得需要另一个关联X和T或T和V的关系式1.物料衡算方程（设计方程）2.动力学方程

3.热量衡算方程基准dVR[物料带入热量]－[物料带走热量]－[传向环境热量]－[反应热]＝0式中分别为反应混合物中各组分的摩尔流量；各组分的等压摩尔热容；微元体积内反应物系温度；环境温度；以关键组分A为基准的反应压力及温度下的反应热（放热为负，吸热为正）；，传热系数，单位微元体积的传热面积。联立物料衡算、热量衡算及动力学方程，即可求得达到一定转化率所需的反应体积。

1）等温过程

热量衡算方程简化为（3－12）F为换热面积2）绝热过程热量衡算方程简化为放热联立可得和CSTR反应器的热量衡算一样，略去反应焓及定压热容随温度的变化则绝热温升或绝热温降∧是一个重要的工程概念，其意义是在绝热条件下，组分A完全反应时反应物系的温度升高或降低的数值积分当xA0=0，T0为进口温度式3-27关联了绝热反应条件下，每一瞬间的反应温度T与转化率xA之间的关系。例：在直径为0.6m，长16m的管式反应器内，以溴化四乙胺为催化剂，由环氧丙烷（PO）和CO2合成碳酸丙烯酯（PC）。新鲜的环氧丙烷（PO）、CO2进入管式反应器，碳酸丙烯酯（PC）则部分循环，反应压力7MPa，进口温度411K。CO2全部溶于PC-PO混合物，过程为均相平推流绝热反应进料量：PO,7.1kmol/h，CO2，10.475kmol/hPC，33.875kmol/h。环氧丙烷的反应动力学方程求解出口处PO的转化率解：若想利用进行计算，则必须联立另一组转化率随温度的变化关系式进行求解液相混合物进口质量流量因此可求得入口处各个组分的浓度：POPC反应的动力学方程平推流反应器绝热反应器的热量衡算即T与XA的另一种关系式解微分方程组可得平推流反应器中物料温度及各个反应组分摩尔分数沿反应器长度的轴向分布表。位置/m温度/KPOCO2PC04110.13800.20360.65841.64130.11850.20550.67603.2415.10.11590.20310.68114.8417.60.11280.20030.6870磷化氢的均相气相分解4PH3→P4+6H2，在310℃，2atm时速率方程，磷化氢以200kg/h的速率在平推流反应器内反应，求转化率为80%时所需反应器体积？解：第四节、理想流动反应器的组合与比较平推流反应器的物料参数如浓度等沿流动方向变化。对于等温反应，很难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数是均匀的，对于物料温度的控制比较容易。在有机反应中，特别是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持均匀，否则极易发生副反应，所以一般选择全混流反应器。为了满足工艺要求，又要提高反应推动力，人们把一个大的反应器分割成N个小的全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。

在设计反应器时，物料处理量VO、进料组成及最终转化率XAn是由工艺条件确定的。如何确定反应器级数N和各级的体积，使总体积最小。

CSTR反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。工业生产中为了满足工艺要求，常常将理想反应器组合起来，构成组合理想流动反应器。

VR1CA1CAiCA(i-1)CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0cAncAicA(i-1)cA2cA1一、多级全混流反应器的串联1、讨论：一级不可逆反应在N个串联的等体积反应釜中进行恒容反应。最终的转化率平推流反应器即故得到结论：全混流串联个数的越多，越接近于平推流，反应釜级数越高，最终转化率越高。2、图解计算对于非一级反应，采用解析法计算比较麻烦，一般采用图解法计算。（1）等温等容过程，且各级体积相同图解法基本原理

得到

将上述两个方程同时绘于两线交点的横坐标即为CAi.。动力学方程为图上由等温、等容、各级体积相等情况的图解计算-1/

CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmONb.以初始浓度CA0为起点，过CA0作斜率为的直线与ON线交于A1点，其横坐标即为CA1；c.由于各级温度相同，所以各级的动力学曲线均为ON线;且为等容过程，各级体积相等：作图步骤a.在图上标出动力学曲线ONd.过CA1作CA0A1的平行线，与ON曲线交于A2,其横坐标即为CA2。如此下去，当最终浓度等于或小于规定出口浓度时，所作平行线的根数就是反应器级数。等温、等容、各级体积相等情况的图解计算-1/

CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAnON（2）等容、各级体积相同，但温度不同如果各级温度不同，则需作出各级的动力学曲线ON1、ON2……。然后依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3……，依此求出CA1

、CA2、CA3……。-1/

CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3N1N2N3O(3)等容、等温但各级体积不同的各直线斜率不相同，如图依次作出CA0A1、CA1A2

、CA2A3……，求出CA1

、CA2

、CA3……。

如果各级体积不相同，则CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAn-1/

2-1/

3-1/

1ON二、理想流动反应器的组合

工业生产中为了满足工艺要求，常常将理想反应器组合起来，构成组合理想流动反应器。各种组合方式如图所示。当反应温度、流量V0、初始浓度CA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。afedcbg只讨论等体积的情况当反应温度、流量V0、初始浓度CA0及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。ab平推流在前全混流在前d平推流反应器并联e平推流和全混流反应器并联平推流出口浓度：三、理想流动反应器的体积比较前面讨论了几种理想反应器体积的计算和反应器的组合。其目的之一是：如果在这些反应器中进行相同的反应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终转化率也相同，比较这几种反应器所需的体积。对于组合反应器，常常关注的是如何组合使总体积（或总空时）最小。或最终转化率最高1、间歇式反应器故：2、CSTR

3、PFRCSTRPFR转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。例：一级不可逆反应在两个串联的全混流反应器中进行，最终出口的转化率为90%，若要求反应的总空时最小，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？解：设出口浓度为CA，第一个反应器出口浓度为CA1反应的总空时也就是说，当第一个反应器的出口浓度CA1等于0.316倍的CA0时，反应器的总空时最小。此时可见在这种情况下，两个反应器体积大小一样，反应器的空时最小。第五节、复合反应动力学前面讨论的所有章节都是对单一反应而言，单一反应只是化学反应中的一种。本节讨论多重反应。在工业反应过程中，针对多重反应，往往要求选择率比反应器的大小更重要。最基本的多重反应是平行反应与连串反应若L表示主产物对于单一反应，反应物的转化率即产物的生成率，而对于多重反应，一般将形成所需要的主要产物的反应，或某一产物的反应速率较快而产量较多的反应称为主反应，其它的反应称为副反应。一、几个基本概念转化率、瞬时选择率、总选择率和收率的定义~~1、最基本的定义（以A表示关键组分）转化率选择率收率：总选择率和收率的定义关键组分keycomponentALMAY＝S＝X＝例：乙烯氧化生成环氧乙烷，进料：乙烯15mol，氧气7mol,出料中乙烯为13mol,氧气为4.76mol,试计算乙烯的转化率，环氧乙烷的收率及选择率。C2H4＋0.5O2→C2H4OC2H4＋3O2→2CO2＋2H2OxA=(15mol－13mol)/15mol=0.133第一个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×S第二个反应所消耗的乙烯＝转化的乙烯×（1－S）故有：2mol×S×0.5+2mol×(1－S)×3=7mol－4.76molS=0.752

Y=第一个反应所消耗的乙烯÷加入的乙烯总量（15mol）故Y＝2×0.752÷15=0.100或Y＝xAS=0.1002、不同反应系统中选择率的表示方法（1）瞬时选择率瞬时选择率定义为关键组分A在总反应速率中生成主产物的反应速率，用s表示（2）总选择率对于等温等容反应，总选择率定义为

如果知道瞬时选择率与浓度的变化关系，就可以确定总选择率。对于不同的反应器形式，瞬时选择率和总选择率的表达方式是不一样的对于平推流反应器，总选择率是反应器中瞬时选择率的积分值对于全混流反应器，由于任一时刻反应器内部和出口的浓度一致，故瞬时选择率等于总选择率N个串联的全混釜二、操作参数对选择率和收率的影响1、平行反应（1）瞬时选择率的温度效应n1n2

设反应物A在平行的反应中，生成主产物L和副产物M，主副反应的级数分别为n1，n2，活化能分别为E1，E2由瞬时选择率的定义温度对选择率的影响由比值所确定温度对平行反应的影响：E1>E2时，升高温度有利；E1<E2时，降低温度有利。也可解释为：平行反应的选择率的温度效应即为：温度升高对活化能大的反应有利。（2）瞬时选择率的浓度效应n1>n2s随CA的增大而增大n1<n2s随CA的增大而减小n1=n2s与CA无关说明：对于平行反应主反应级数大于副反应级数，即需要CA高时,应尽量在高浓度下操作，即选用平推流或间歇反应器；若主反应级数小于副反应级数，即需要CA低时,应尽量在低浓度下操作，即选用全混流反应器。（3）平行反应加料方式的选择A+BL（主反应）M（副反应）若相应的反应速率方程k1k2瞬时选择率只要知道主、副反应级数的相对大小，就可确定在反应过程中该组分浓度高低的要求，进而决定采用何种反应器或如何加料动力学特点对浓度的要求适宜的操作方式n1>n2m1>m2CA,CB都高A、B同时瞬间加入的间歇式操作A、B同时加入的平推流多段全混流反应器，A、B同时加入第一级n1<n2m1<m2CA,CB都低A、B同时缓慢滴加入的间歇式操作A、B同时加入的单个全混流一次加入A,多股陆续加入的B的平推流n1>n2m1<m2CA高，CB低一次加入A,缓慢滴加B的间歇式操作平推流，由进口一次加入A，沿管长分段加入B多段全混流反应器，第一级一起加入A，而B分段加入单个全混流，A、B同时加入，而后A从出口物料分离返回反应器n1>n2，m1>m2n1>n2，m1>m2n1>n2，m1<m2n1<n2，m1<m2n1<n2，m1<m2n1>n2，m1<m2解：（1）全混流反应器，总选择率等于瞬时选择率代入数据（2）平推流反应器的总选择率是瞬时选择率的积分值。代入数据可得2、连串反应连串反应是指，反应主产物不稳定，能进一步反应生成其他副产物的过程。（1）间歇及平推流反应器中连串反应的选择率相应各组分的反应速率为反应开始时，A的浓度为CA0,而CL0=CM0=0,积分（1）式可得将结果带入（2）式得到该一阶线性常微分方程的解（t=0时，CL=0）为先上升后下降则副产物M的浓度一直上升连串反应的瞬时选择率可表示为：（2）连串反应的温度、浓度效应温度效应由瞬时选择率的表达式可得E1>E2时，升高温度有利；E1<E2时，降低温度有利。温度升高对活化能大的反应有利。结论与平行反应相同浓度效应提高连串反应的选择率可以通过适当选择反应物的浓度和转化率来实现。提高CA，降低CL有利于提高选择性，应尽量在高浓度下操作，即选用平推流或间歇反应器。转化率对连串反应的影响转化率则CA

的比值总是随转化率XA的增大而增大，瞬时选择率s却下降。因此对于连串反应，不能盲目追求过高的转化率.工业生产中进行连串反应时，常使反应在较低的单程转化率下操作，而把未反应的原料经分离回收之后再循环使用（3）间歇及平推流反应器中连串反应的最佳反应时间与最大收率在连串反应中，由于总选择率总是随转化率的增大而降低，故总收率有极值以间歇反应器为例进行推导（平推流类似，只是把反应时间t换成接触时间τ）对时间t求导最优反应时间则主产物L的最大出口浓度为则最大收率为由此可得到结论：在间歇反应器或平推流反应器中进行一级连串不可逆液相反应，其最大收率与初浓度无关，只取决于间歇反应器是最优时间，平推流反应器则是最优接触时间

关于平推流和间歇式反应器连串反应的模型