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1、关于化学反应工程学反应器基本原理第一页，讲稿共一百零二页哦 60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，加速了这一学科的发展。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设计与控制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。问题。80年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、光年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、光导纤维、新材料及生物技术的应用等），扩大了化学工程的研究导纤维、新材料及生物技术的应用等
2、），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、聚合物反应领域，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了一个崭工程、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。新的阶段。二、化学反应工程学研究的内容和方法二、化学反应工程学研究的内容和方法二、化学反应工程学研究的内容和方法二、化学反应工程学研究的内容和方法研究的内容：研究的内容：研究的内容：研究的内容：（1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应
3、技术和设共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率。备，降低能耗，提高效率。（2）开发新的技术和设备。）开发新的技术和设备。（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。）指导和解决反应过程开发中的放大问题。（4）实现反应过程的最优化。）实现反应过程的最优化。第二页，讲稿共一百零二页哦研究的方法：研究的方法：研究的方法：研究的方法：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，一般采对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反
4、应，一般采用宏观速率方程式。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）、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。第三页，讲稿共一百零二页哦三、化学反应工程学与相关学科的关系三、化学反应工程学与相关学科的关系三、化学反应工程学与相关
5、学科的关系三、化学反应工程学与相关学科的关系传递工程传递工程化学反应工程化学反应工程反应器的设计反应器的设计化化学学动动力力学学化化学学热热力力学学反应器中流体反应器中流体流动与传热流动与传热反应工艺流反应工艺流程与设备程与设备化学工艺化学工艺工工程程控控制制化化学学催化催化剂与剂与反应反应条件条件最最佳佳化化反反应应系系统统中中测测量量与与控控制制第四页，讲稿共一百零二页哦四、化学反应过程和化学反应器的分类四、化学反应过程和化学反应器的分类四、化学反应过程和化学反应器的分类四、化学反应过程和化学反应器的分类（一）、化学反应过程分类（一）、化学反应过程分类（一）、化学反应过程分类（一）、化学反
6、应过程分类分分类类特征特征反反应过应过程程反反应应特征特征简单简单反反应应、复、复杂杂反反应应（平行的、（平行的、连连串的等）串的等）热热力学特征力学特征可逆的，不可逆的可逆的，不可逆的相相态态均相（气、液），非均相（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）时间时间特征特征定定态态，非定，非定态态控制步控制步骤骤化学反化学反应应控制，外部控制，外部扩扩散控制，内部散控制，内部扩扩散控制，吸附或脱附散控制，吸附或脱附控制控制第五页，讲稿共一百零二页哦判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择
7、性1、反应速率、反应速率 反应速率反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物的变化量的变化量。如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写成：成：正号正号-表示产物的生成速率表示产物的生成速率 负号负号-表示反应物的消失速率表示反应物的消失速率第六页，讲稿共一百零二页哦各组分的反应速率为：各组分的反应速率为：各组分反应速率之间的关系：各组分反应速率之间的关系：第七页，讲稿共一百零二页哦 根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关根据实验研究发现：均相
8、反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：动力学方程式：k-反应速率表常数，可以根据阿伦尼乌斯（反应速率表常数，可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得）方程求得：2、转化率、转化率 对于间歇系统对于间歇系统第八页，讲稿共一百零二页哦对于连续流动系统，转化率则以下式表示：对于连续流动系统，转化率则以下式表示：对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：3、反应的选择性、反应的选择性a ApP （目的产物）（目的产物）qQ （副产物）（副产物）反应的选择性反应的选择性是指生成的目的产物量与
9、已转化的反应物量之比。是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。第九页，讲稿共一百零二页哦收率：收率：生成目的产物的量比加入反应物的量生成目的产物的量比加入反应物的量收率、转化率与选择性之间的关系为：收率、转化率与选择性之间的关系为：有时也用质量收率表示：有时也用质量收率表示：第十页，讲稿共一百零二页哦（二）、反应器的分类（二）、反应器的分类（二）、反应器的分类（二）、反应器的分类 1 1、按反应物料的相态分类：、按反应物料的相态分类：反反应应器的种器的种类类反反应类应类型型设备设备的的结结构构形式形式反反应应特性特性均相均相气相气相 液相液相燃燃烧烧、裂解、裂解中和、硫化、水解中和、硫化、
10、水解管式管式釜式釜式无相界面，反无相界面，反应应速速率只与温度或率只与温度或浓浓度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、氧化、氯氯化、加化、加氢氢磺化、硝化、磺化、硝化、烷烷基化基化燃燃烧烧、还还原、固相催化原、固相催化还还原、离子交原、离子交换换水泥制造水泥制造加加氢氢裂解、加裂解、加氢氢硫化硫化釜式、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、塔式回回转转筒式筒式固定床、流固定床、流化床化床在相界面，在相界面，实际实际反反应应速率与相界面大速率与相界面大小及相小及相间扩间扩散速
11、率散速率有关有关第十一页，讲稿共一百零二页哦2、按反应器的结构型式分类、按反应器的结构型式分类 结结构型式构型式适用的相适用的相态态应应用用举举例例反反应应釜釜液相，气液相，气-液相液相液液-液相，液固相液相，液固相药药物的合成、染料、中物的合成、染料、中间间体合体合成、成、树树脂合成脂合成管式管式气相，液相气相，液相轻质轻质油裂解，高油裂解，高压压聚乙聚乙烯烯鼓泡塔鼓泡塔气气-液相，气液相，气-液液-固相固相变换变换气的碳化，苯的气的碳化，苯的烷烷基化，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，乙苯脱氧化，乙苯脱氢氢半水煤气的半水煤气的产产生生流化床流化床气气-固相
12、固相硫硫铁矿铁矿焙焙烧烧，萘萘氧化制苯氧化制苯酐酐回回转转筒式筒式气气-固相，固固相，固-固相固相水泥生水泥生产产喷喷嘴式嘴式气相，高速反气相，高速反应应的液相的液相氯氯化化氢氢的合成，天然气裂解制的合成，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）、半连续半间歇操作第十二页，讲稿共一百零二页哦五、理想均相反应器五、理想均相反应器1、理想间歇反应器、理想间歇反应器 反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、温度反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、温度均一（任一时刻物料的组成，温度均
13、一），这就是理想间歇反应均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想间歇反应器（器（batch reactor简称简称BR）特点：特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可 以生产以生产多个品种。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劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗 一定时间，一定时间，产品质量难以控制。产品质量难以控制。2、活塞流反应器、活塞流反应器 在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不
14、变，反应时间是管塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（管式反应器称为活塞流反应器（plug flow reactor简称简称PFR）。）。第十三页，讲稿共一百零二页哦3 3、全混流反应器、全混流反应器、全混流反应器、全混流反应器特点：特点：特点：特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和均匀，反应
15、器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（continuous Stirred tank reactor 简称简称CSTR）近似地看成全混流反近似地看成全混流反应器（是一种返混量为无限大的理想化的流动反应器）应器（是一种返混量为无限大的理想化的流动反应器）4 4、多级全混流反应器、多级全混流反应器、多级全混流反应器、多级全混流反应器 多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器（continuous stirred t
16、ank reactor series简称简称CSTRS）与之近似，）与之近似，其其特点：特点：（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）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。出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。（2）各反应釜中组成、温度均匀一致，级与级之间是突然变化的。）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）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）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。多，其性能越接近活塞流反应器
17、。第十四页，讲稿共一百零二页哦第二节第二节第二节第二节 物料在反应器内的流动模型物料在反应器内的流动模型物料在反应器内的流动模型物料在反应器内的流动模型常常常常见见见见的流的流的流的流动动动动模型分模型分模型分模型分为为为为:理想置换 理想混合非理想流动模型扩散模型多级理想混合模型理想流动模型一、理想流动模型一、理想流动模型一、理想流动模型一、理想流动模型1 1、理想置换、理想置换、理想置换、理想置换 理想置换又称为活塞流，理想排挤或列流。理想置换又称为活塞流，理想排挤或列流。特点：特点：特点：特点：、在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀、在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀 一致
18、，即截面上各一致，即截面上各点的温度、浓度、压力、速度分别相同。点的温度、浓度、压力、速度分别相同。、反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在、反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在 反应器内的反应器内的停留时间是管长的函数。停留时间是管长的函数。第十五页，讲稿共一百零二页哦2 2、理想混合、理想混合、理想混合、理想混合特点：特点：特点：特点：、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的物料浓、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的物料浓度和温度。度和温度。、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。“逆向混合逆向混合逆向混合逆
19、向混合”也叫也叫“返混返混”,在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。引起逆向混合的主要原因有：引起逆向混合的主要原因有：引起逆向混合的主要原因有：引起逆向混合的主要原因有：1）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反应器）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时间料粒子的停
20、留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。的物料间的混合，也就是逆向混合。3）、反应器内形成的死角也会导致逆向混合。）、反应器内形成的死角也会导致逆向混合。第十六页，讲稿共一百零二页哦二、非理想流动模型二、非理想流动模型二、非理想流动模型二、非理想流动模型 凡是流动状况偏离活塞流和全混流这两种理想情况的流动统凡是流动状况偏离活塞流和全混流这两种理想情况的流动统称为非理想流动。称为非理想流动。造成非理想流动的原因有：造成非理想流动的原因有：、设备内各处速度的不均匀所致、设备内各处速度的不均匀所致、由于反应器中物料粒子的运、由于反应器中物料粒子的运动（如搅拌、分
21、子扩散等）导致与动（如搅拌、分子扩散等）导致与主体流动方向相反的运动，导致偏主体流动方向相反的运动，导致偏离全混流的特性。离全混流的特性。层流层流湍流湍流平推流平推流第十七页，讲稿共一百零二页哦非理想流动模型分为：非理想流动模型分为：、轴向扩散模型、轴向扩散模型、多釜串联流动模型、多釜串联流动模型c1c2cicnCA,0dxcc+dc第十八页，讲稿共一百零二页哦第三节第三节第三节第三节 物料在反应器内的停留时间分布物料在反应器内的停留时间分布物料在反应器内的停留时间分布物料在反应器内的停留时间分布一、停留时间分布函数一、停留时间分布函数一、停留时间分布函数一、停留时间分布函数为了研究方便，可以
22、作如下假定：为了研究方便，可以作如下假定：、反应器内为定态操作，流动状况稳定，不变化、反应器内为定态操作，流动状况稳定，不变化、流体为不可压缩流体，系统若进行反应则反应混合物体、流体为不可压缩流体，系统若进行反应则反应混合物体积不变。积不变。分布函数分布函数停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数E（t）停留时间分布函数停留时间分布函数F（t）第十九页，讲稿共一百零二页哦1 1、停留时间分布密度函数、停留时间分布密度函数、停留时间分布密度函数、停留时间分布密度函数E E（t t）假设进入反应器有假设进入反应器有N份物料，停留时间为份物料，停留时间为tt+dt的只有的只有dN份物料，则停留时间为
23、份物料，则停留时间为tt+dt的物料占进料物料的分率为：的物料占进料物料的分率为：t（）（）t t+dtE(t)dt能决定停留时间分布情况的函数能决定停留时间分布情况的函数E（t）叫）叫做做停留时间分布密度函数停留时间分布密度函数。E（t）的大小并）的大小并不表示分率的大小，而是不表示分率的大小，而是E（t）曲线以下）曲线以下在在tt+dt间的面积即间的面积即E（t）dt才是分率才是分率dN/N的大小，所以把的大小，所以把E（t）称作）称作“分布密分布密度函数度函数”。归一化的性质：归一化的性质：归一化的性质：归一化的性质：第二十页，讲稿共一百零二页哦2 2、停留时间分布函数、停留时间分布函数
24、、停留时间分布函数、停留时间分布函数 F F（t t）假若在时间假若在时间0t之间进入反应器的物料粒子中，具有停留时间从之间进入反应器的物料粒子中，具有停留时间从0t间的物料粒子的量占进料总量的分数，称为停留时间分布函间的物料粒子的量占进料总量的分数，称为停留时间分布函数，用数，用F（t）表示）表示:t t+dtdF(t)dtt1.0F(t)分布函数（）和（）的分布函数（）和（）的关系为：关系为：上式表明上式表明F（t）曲线上停留时间为）曲线上停留时间为t时对应点的斜率为时对应点的斜率为E（t）第二十一页，讲稿共一百零二页哦二、停留时间分布的实验测定二、停留时间分布的实验测定二、停留时间分布的
25、实验测定二、停留时间分布的实验测定1 1、脉冲示踪法、脉冲示踪法、脉冲示踪法、脉冲示踪法连续操作的流动连续操作的流动连续操作的流动连续操作的流动体系体系体系体系测定示踪物浓度测定示踪物浓度 c(t)随随时间时间 t 的变化的变化 经过经过tt+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物总量（时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物总量（M0）的分率为：）的分率为：第二十二页，讲稿共一百零二页哦 在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在反，则在反应器内停留时间为应器内停留时间为tt+dt的物料在的物料在N中所占的分率为：中所占的分率为：由于示踪物和物
26、料在同一个流动体系里，所以由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以C(t)t第二十三页，讲稿共一百零二页哦2 2、阶跃示踪法、阶跃示踪法、阶跃示踪法、阶跃示踪法连续操作的流动连续操作的流动连续操作的流动连续操作的流动体系体系体系体系测定示踪物浓度测定示踪物浓度 c(t)随随时间时间 t 的变化的变化从某一时刻起连续从某一时刻起连续加入示踪物加入示踪物 在阶跃示踪法中，在阶跃示踪法中，t秒时由出口测出的是停留时间为秒时由出口测出的是停留时间为0t秒的示踪秒的示踪物，即凡是停留时间小于或等于物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在的示踪物在t秒都会从出口流出来，秒都会从出口流出来，所以阶跃法在所以
27、阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：）应为：第二十四页，讲稿共一百零二页哦C0t三、停留时间分布的数字特征三、停留时间分布的数字特征三、停留时间分布的数字特征三、停留时间分布的数字特征1 1、归一化性质、归一化性质、归一化性质、归一化性质2 2、数学期望、数学期望、数学期望、数学期望 停留时间是一个随机变量，表示其分布特征的数学期望就是停留时间是一个随机变量，表示其分布特征的数学期望就是平均停留时平均停留时间间，即：，即：第二十五页，讲稿共一百零二页哦 如果用实验测定，每隔一段时间取一次样，所得如果用实验测定，每隔一段时间取一次样，所得E（t）函数一般为）函数一
28、般为离散型，也就是各个等间隔时间下的离散型，也就是各个等间隔时间下的E（t），则），则平均停留时间平均停留时间为：为：3 3、方差、方差、方差、方差 衡算物料停留时间分布的离散程度（简称散度），即表征物料粒子各衡算物料停留时间分布的离散程度（简称散度），即表征物料粒子各停留时间与平均停留时间的偏离程度，就以停留时间与平均停留时间的偏离程度，就以方差方差表示。表示。利用实验数据计算方差，上式改为：利用实验数据计算方差，上式改为：第二十六页，讲稿共一百零二页哦4 4、以量纲为、以量纲为、以量纲为、以量纲为1 1的对比时间的对比时间的对比时间的对比时间 作自变量的方差作自变量的方差作自变量的方差作自
29、变量的方差空间时间为空间时间为量纲为量纲为1的对比时间为的对比时间为:对应的分布密度函数为对应的分布密度函数为:理想置理想置换换型型理想混合型理想混合型非理想流非理想流动动型型对应的分布函数为对应的分布函数为:以量纲为以量纲为1的对比时间的对比时间作自变量的作自变量的方差方差为为:第二十七页，讲稿共一百零二页哦四、理想反应器中的停留时间分布四、理想反应器中的停留时间分布四、理想反应器中的停留时间分布四、理想反应器中的停留时间分布1、理想置换反应器、理想置换反应器tE(t)tF(t)1.0t E(t)=0t=E(t)=t F(t)=0t F(t)=1t2=02=0方差方差:第二十八页，讲稿共一百
30、零二页哦2、理想混合反应器、理想混合反应器M0qVqVqV0 tt t+dtc0c(t)c(t)+dc(t)C0=M0/Vt时釜内原有的示踪物的量时釜内原有的示踪物的量=(t+dt)时釜内存留的示踪物的量时釜内存留的示踪物的量 +dt时间间隔流出的示踪物的量时间间隔流出的示踪物的量物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算:Vc(t)=Vc(t)+dc(t)+qVc(t)dt第二十九页，讲稿共一百零二页哦tE(t)tF(t)1.00.632 在理想混合反应器中，物料粒子的停留时间很分散，停留时在理想混合反应器中，物料粒子的停留时间很分散，停留时间非常长的粒子不多。当反应器中物料粒子在间非常长的粒子不多。
31、当反应器中物料粒子在t=时，时，F（t）=1-e-1=0.632。说明有。说明有63.2%的物料粒子在反应器内停留时间小于平均停留时的物料粒子在反应器内停留时间小于平均停留时间间。这些粒子可能没有来得及反应就离开了反应器。所以在其他条件。这些粒子可能没有来得及反应就离开了反应器。所以在其他条件相同时，相同容积的理想混合反应所能达到的最终转化率，必然要比理相同时，相同容积的理想混合反应所能达到的最终转化率，必然要比理想置换反应器的小。想置换反应器的小。方差方差:第三十页，讲稿共一百零二页哦五、非理想反应器中的停留时间分布五、非理想反应器中的停留时间分布五、非理想反应器中的停留时间分布五、非理想反
32、应器中的停留时间分布1、多级理想混合模型、多级理想混合模型第一釜第一釜:第二釜第二釜:在在tt+dt时间间隔作物料衡算时间间隔作物料衡算:进入釜的示踪物量进入釜的示踪物量 离开釜的示踪物量离开釜的示踪物量=釜内示踪物改变量釜内示踪物改变量qVc1(t)dt qVc2(t)dt=Vc2(t)+dc2(t)Vc2(t)设反应器中平均停留时间相等，即：设反应器中平均停留时间相等，即：解此一阶微分方程得：解此一阶微分方程得：第三十一页，讲稿共一百零二页哦第三釜第三釜:第四釜第四釜:第第N釜釜:物料在物料在N釜串联反应器的停留时间密度分布函数为釜串联反应器的停留时间密度分布函数为：第三十二页，讲稿共一百
33、零二页哦总平均停留时间为：总平均停留时间为：量纲为量纲为1的对比时间为的对比时间为:代入上式得：代入上式得：积分得停留时间分布函数：积分得停留时间分布函数：用量纲为用量纲为1的对比时间的对比时间表示为表示为:第三十三页，讲稿共一百零二页哦从上图可以看出：串联级数从上图可以看出：串联级数N增加，峰形愈窄，分布愈趋于集中。当增加，峰形愈窄，分布愈趋于集中。当N=时，时，F（）=1，此时为活塞流。，此时为活塞流。在多级理想混合反应器中，在前一段停留时间很短的物料粒子可能在后面各级在多级理想混合反应器中，在前一段停留时间很短的物料粒子可能在后面各级中的停留时间可能会延长，这样会使系统中所有物料粒子分布
34、较均衡，改变了停中的停留时间可能会延长，这样会使系统中所有物料粒子分布较均衡，改变了停留时间不均的现象，使停留时间分布趋于集中。串联的级数留时间不均的现象，使停留时间分布趋于集中。串联的级数N是表征系统返混程度是表征系统返混程度的一个定量指标，说明实际反应器的返混程度相当于的一个定量指标，说明实际反应器的返混程度相当于N级等容串联的理想混合反应级等容串联的理想混合反应器中的返混程度，器中的返混程度，N是个虚拟级数，称为是个虚拟级数，称为模型参数模型参数模型参数模型参数。第三十四页，讲稿共一百零二页哦用量纲为用量纲为1的比时间的比时间表示方差为：表示方差为：2 2、分散模型、分散模型、分散模型、
35、分散模型第三十五页，讲稿共一百零二页哦六、停留时间分布曲线的应用六、停留时间分布曲线的应用六、停留时间分布曲线的应用六、停留时间分布曲线的应用 研究停留时间分布，就考虑如何避免非理想流动。在反应器的结构研究停留时间分布，就考虑如何避免非理想流动。在反应器的结构上加以改进，使之接近理想反应器流动状况。上加以改进，使之接近理想反应器流动状况。1)、根据测定的停留时间分布曲线形状可以定性地判断一、根据测定的停留时间分布曲线形状可以定性地判断一 个个反应器内物料的流动状况，从而制定改进方案。反应器内物料的流动状况，从而制定改进方案。2)、可以通过计算数学期望和方差，求取模型参数、可以通过计算数学期望和
36、方差，求取模型参数N。3)、对某些反应，则可以直接运用、对某些反应，则可以直接运用E（t）函数进行定量）函数进行定量 计计算。算。第三十六页，讲稿共一百零二页哦1、判断物料在反应器里的流动状况、判断物料在反应器里的流动状况tE(t)tE(t)tE(t)正常早出峰晚出峰 其曲线位置与其曲线位置与峰形都和预期的峰形都和预期的相符。相符。出峰太早出峰太早,说明反应器说明反应器内有沟流和短路现象内有沟流和短路现象,导致停留时间小于预期导致停留时间小于预期值值.峰形落后于预期值峰形落后于预期值,说说明可能是计量误差明可能是计量误差,或或是示踪物在器内发生反是示踪物在器内发生反应或是被吸附在器壁上应或是被
37、吸附在器壁上而减少所致而减少所致.第三十七页，讲稿共一百零二页哦tE(t)tE(t)内部再循环 曲线出现几个递降峰形曲线出现几个递降峰形,说明反说明反应器内的物料有循环流动应器内的物料有循环流动.平行通道不均匀 曲线形状说明反应器内存在两股平曲线形状说明反应器内存在两股平行的流体行的流体.第三十八页，讲稿共一百零二页哦2、计算化学反应的转化率、计算化学反应的转化率 化学反应的转化率，是化学动力学微分方程对时间积分的结果，假若物料在化学反应的转化率，是化学动力学微分方程对时间积分的结果，假若物料在反应器内的停留时间并不均匀一致，停留时间为反应器内的停留时间并不均匀一致，停留时间为t的那部分物料的
38、化学反应转的那部分物料的化学反应转化率是化率是x（t），在此反应器里的转化率就是），在此反应器里的转化率就是x（t）的平均值。）的平均值。若停留时间间隔取得足够小，则若停留时间间隔取得足够小，则 对于一级反应，其转化率与起始浓度无关，一个分子参与反应的几率仅仅是它对于一级反应，其转化率与起始浓度无关，一个分子参与反应的几率仅仅是它在反应器内停留时间的函数，与该分子同其也分子相遇的概率无关。一级反应可在反应器内停留时间的函数，与该分子同其也分子相遇的概率无关。一级反应可以有上式计算平均转化率。以有上式计算平均转化率。、非一级反应、非一级反应 对于非一级反应，情况比较复杂，单个分子在反应器中参与反
39、应的概率不仅与对于非一级反应，情况比较复杂，单个分子在反应器中参与反应的概率不仅与停留时间有关，而且还与该分子和其他分子相遇的概率有关，所以不能直接用上停留时间有关，而且还与该分子和其他分子相遇的概率有关，所以不能直接用上式进行计算。式进行计算。分析：分析：分析：分析：、一级反应、一级反应第三十九页，讲稿共一百零二页哦一、基本原理一、基本原理一、基本原理一、基本原理1、物料衡算、物料衡算对于反应物对于反应物A：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=0 对于间歇反应器：对于间歇反应器：、项为零。项为零。对于定态操作的连续反应器：不存在累积，对于定态操作的连续反应器：不
40、存在累积，项为零。项为零。对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器:四项均需考虑四项均需考虑.2、热量衡算、热量衡算随物料带入随物料带入的热量的热量 随物料带出随物料带出的热量的热量 反应系统与反应系统与外界交换的外界交换的热量热量 反应过程的反应过程的热效应热效应 累积的累积的热量热量-+-=0对于间歇操作系统：对于间歇操作系统：、项为零。项为零。对于定态连续流动反应器：对于定态连续流动反应器：项为零。项为零。对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。第四节第四节第四节第四节 理
41、想均相反应器的计算理想均相反应器的计算理想均相反应器的计算理想均相反应器的计算第四十页，讲稿共一百零二页哦二、间歇反应器（二、间歇反应器（二、间歇反应器（二、间歇反应器（BRBR）对整个反应器在微元时间对整个反应器在微元时间dt间进行衡算间进行衡算:-(因反应组分因反应组分A消失的量消失的量)=(反应物反应物A的累积量的累积量)nA=nA0(1-xA)1、反应时间的确定、反应时间的确定第四十一页，讲稿共一百零二页哦反应时间用浓度表示反应时间用浓度表示,则则:讨论讨论讨论讨论:1)、零级反应、零级反应 反应速率方程式为：反应速率方程式为：rA=k第四十二页，讲稿共一百零二页哦2)、一级反应、一级
42、反应 反应速率方程式为：反应速率方程式为：rA=kcA3)、二级反应、二级反应 反应速率方程式为：反应速率方程式为：rA=kcA2第四十三页，讲稿共一百零二页哦4）、图解积分计算方法）、图解积分计算方法动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间t第四十四页，讲稿共一百零二页哦2 2、反应器体积计算、反应器体积计算、反应器体积计算、反应器体积计算间歇反应器的整个操作过程如下：间歇反应器的整个操作过程如下：加料加料升温升温反应反应降温
43、降温出料出料清洗清洗 反应达到一定的转化率反应达到一定的转化率xA所需的时间为所需的时间为t，反应前后的辅助时间（加料、升温、降温、出料、清洗）为反应前后的辅助时间（加料、升温、降温、出料、清洗）为t 则反应器的体积为：则反应器的体积为：考虑到装料系数考虑到装料系数，反应器的实际体积为：，反应器的实际体积为：一般取一般取=0.4-0.85=0.4-0.85搅搅拌下，漩拌下，漩涡涡不大，取不大，取0.70.7反反应应有泡沫或沸有泡沫或沸腾腾 取取0.4-0.650.4-0.65反反应应平静平静 取取0.75-0.850.75-0.850-表示每小时处理物料的体积表示每小时处理物料的体积.第四十五
44、页，讲稿共一百零二页哦例：例：例：例：温度为温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：cA，0=410-3kmoll-1，k=1.97lkmol-1min-1 若每天处理若每天处理2400kg己二酸，每批操作的辅助时间为己二酸，每批操作的辅助时间为t=1h，装料系，装料系数数=0.75，要求转化率为，要求转化率为80%，试计算该反应器的体积。，试计算该反
45、应器的体积。第四十六页，讲稿共一百零二页哦三、活塞流反应器三、活塞流反应器三、活塞流反应器三、活塞流反应器dLdLL LdVdV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 rAdV 0FA =FA+dFA+rAdVdFA=dFA,0(1-xA)=-FA,0dxA=-rAdV第四十七页，讲稿共一百零二页哦 为了对连续反应器的生产能力进行比较为了对连续反应器的生产能力进行比较,往往引进往往引进空间时间空间时间(简简称空时称空时)这一
46、概念这一概念,其定义为其定义为:在规定条件下进入反应器的物在规定条件下进入反应器的物料通过反应器所需要的时间料通过反应器所需要的时间称为空时称为空时,即即:在其它条件不变的情况下在其它条件不变的情况下,空时越小空时越小,表示反应器的处理物料量表示反应器的处理物料量越大越大,说明生产能力大说明生产能力大.第四十八页，讲稿共一百零二页哦1 1、对于恒温恒容反应、对于恒温恒容反应、对于恒温恒容反应、对于恒温恒容反应空间时间用浓度表示空间时间用浓度表示,则则:讨论讨论讨论讨论:1)、零级反应、零级反应 反应速率方程式为：反应速率方程式为：rA=k第四十九页，讲稿共一百零二页哦2)、一级反应、一级反应
47、反应速率方程式为：反应速率方程式为：rA=kcA3)、二级反应、二级反应 反应速率方程式为：反应速率方程式为：rA=kcA2第五十页，讲稿共一百零二页哦4）、图解积分计算方法）、图解积分计算方法动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间第五十一页，讲稿共一百零二页哦例：例：例：例：温度为温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在活塞流反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。
48、以己二酸为着眼组分的活塞流反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：反应动力学方程式为：cA，0=410-3kmoll-1，k=1.97lkmol-1min-1 若每天处理若每天处理2400kg己二酸，要求转化率为己二酸，要求转化率为80%，试计算该，试计算该反应器的体积。反应器的体积。第五十二页，讲稿共一百零二页哦间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较:1）、两反应器中进行同一化学反应，达到相同转化率时所需）、两反应器中进行同一化学反应，达到相同转
49、化率时所需反应时间完全相同。反应时间完全相同。2）、当反应）、当反应体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放大活体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放大活体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放大活体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放大活塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力学数据进行计塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力学数据进行计塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力学数据进行计塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力学数据进行计算。算。算。算。3）、虽然两反应器的设计方程式相同，但物料在其中的流动型态完全）、虽然两反应器的设计方程式相同，但物
50、料在其中的流动型态完全不同。在间歇搅拌釜式反应器中，物料均匀混合属非定态过程；而活塞不同。在间歇搅拌釜式反应器中，物料均匀混合属非定态过程；而活塞流反应器中，物料无返混属定态过程。活塞流反应器是连续操作，而间流反应器中，物料无返混属定态过程。活塞流反应器是连续操作，而间歇搅拌釜式反应器是间歇操作，需要一定的辅助时间，显然活塞流反应歇搅拌釜式反应器是间歇操作，需要一定的辅助时间，显然活塞流反应器的生产能力比间歇搅拌釜式反应器要大，生产劳动强度要小。器的生产能力比间歇搅拌釜式反应器要大，生产劳动强度要小。第五十三页，讲稿共一百零二页哦2 2、恒温变容反应过程、恒温变容反应过程、恒温变容反应过程、恒