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1、 1 1、生活中你们遇见反应器有什么类型？、生活中你们遇见反应器有什么类型？2 2、石油化工生产过程又有哪些反应器？、石油化工生产过程又有哪些反应器？High Pressure Polymerisation of EthylenePressure:1500 2500 bar（1bar0.1MPa）Residence time:100 150 sReactor:Diam.34 50 mm;L=400 900 mcompressionpurgepolymerisationdepositionLP-stripperHP-stripper150-300atHP-compressorLP-compres
2、sor1500-3000barTubular reactor and stirred tankWax separation管式反应器管式反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器轻油裂解制乙烯管式非催化反应器串联反应釜串联反应釜邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器重重油油的的催催化化裂裂化化流流化化床床反反应应器器乙乙苯苯脱脱氢氢气气液液塔塔式式反反应应器器参照计算气体参照计算气体P-V-T关系的理想气体状态方程关系的理想气体状态方程 根据反应器的结构和操作形式，将实际反应根据反应器的结构和操作形式，将实际反应器理想化，建立反应器数学模型，然后对理想器理想化，建立
3、反应器数学模型，然后对理想模型进行修正，得到接近实际的反应器数学模模型进行修正，得到接近实际的反应器数学模型。型。第三章第三章 釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器第一节流动模型概述第一节流动模型概述v3 31 1 反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型v3 32 2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程第二节理想流动反应器第二节理想流动反应器v3 33 3 间歇反应器间歇反应器v3 34 4 平推流反应器平推流反应器v3 35 5 全混流反应器全混流反应器v3 36 6 多级全混流反应器的串联及优化多级全混流反应器的串联及优化v3 37 7 全混流反应器的热稳定性全混流反应器的
4、热稳定性v3 38 8 理想流动反应器的组合和比较理想流动反应器的组合和比较v3 39 9 多重反应在理想流动反应器中的选择性多重反应在理想流动反应器中的选择性31反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型 流动模型分类如下：流动模型分类如下：理想流动模型理想流动模型 流动模型流动模型 非理想流动模型非理想流动模型 流动模型是专指流动反应器而言的。流动模型是专指流动反应器而言的。流动模型：反应器中流体流动与返混的描述。流动模型：反应器中流体流动与返混的描述。对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况。动状况。平推流模型平推流模型全混流模型全混流
5、模型v年龄年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。对仍留在反应器中的物料质点而言的。v寿命寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。对已经离开反应器的物料质点而言的。v返混：返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。（不同又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。（不同停留时间的质点或粒子间的混合。）是时间概念上的停留时间的质点或粒子间的混合。）是时间概念上的混合。混合。流动模型相关的重要概念流动模型相关的重要概念流
6、动模型：反应器中流体流动与返混的描述流动模型：反应器中流体流动与返混的描述一、理想流动模型一、理想流动模型Plug-Flow Reactor(PFR)DispersionRecycle reactorContinuous stirred tank(CSTR)(Semi-)Batch reactorStirred tank cascade31反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型 31反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型流动模型：简化，抽象流动模型：简化，抽象平推流模型平推流模型：Plug-Flow Reactor(PFR)全混流模型：全混流模型：Continuous stirre
7、d tank reactor(CSTR)一、理想流动模型一、理想流动模型（1）平推流模型）平推流模型CAf xA出料出料进料进料V0 CA0一、理想流动模型一、理想流动模型PFR：平推流：平推流假设：假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中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行地像气缸活塞一样向前移动特点特点:沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断 变化，变化，而垂直于物料流动方向的任一截面上物而垂直于物料流动方向的任一截面上物 料的所有参数，料的所有参数，如温度、浓度、压力、流速都如温度、浓度、压力、流速都
8、相同，因此，所有物料质点在反应器中具有相相同，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。同的停留时间，反应器中不存在返混。Plug flow reactorX=Z/2X=ZCA,OCA,outCAtx=0timeZZ/2CA,OCA,outCAxpositionx x+xx0ZZ/2（2）全混流模型）全混流模型假设：假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器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。物料瞬间达到完全混合。特点：特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均
9、匀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。的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。Continuous Stirred Reactor(CSTR)tresidence timeCA,inCA,outCAttime0tCA,OCA,outCAxposition0 Batch reactor (discontinuously operated stirred tank reactor)Ideal reac
10、torsx t=tout/2t=toutCA,OCA,outCAt=0position0CA,outtouttout/2CA,OCAttime0 BSTR PFR CSTR1投料投料 一次加料一次加料(起始起始)连续加料连续加料(入口入口)连续加料连续加料(入口入口)2年龄年龄 年龄相同年龄相同(某时某时)年龄相同年龄相同(某处某处)年龄不同年龄不同3寿命寿命 寿命相同寿命相同(中止中止)寿命相同寿命相同(出口出口)寿命不同寿命不同(出口出口)4返混返混 无返混无返混 无返混无返混 返混极大返混极大反应器特性分析反应器特性分析浓度分布浓度分布 -推动力推动力反应器特性分析反应器特性分析流体流动
11、推动力：压力差流体流动推动力：压力差传热推动力：温差传热推动力：温差传质推动力：浓度差（化学位差）传质推动力：浓度差（化学位差）化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。浓度分布浓度分布 -推动力推动力反应器特性分析反应器特性分析反应推动力随反应时反应推动力随反应时间逐渐降低间逐渐降低反应推动力随反应器反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等反应推动力不变，等于出口处反应推动力于出口处反应推动力BRPFRCSRT二、非理想流动模型二、非理想流动模
12、型1.实际反应器存在着程度不一的实际反应器存在着程度不一的工程因素工程因素，造成流，造成流动状况不同程度的偏离理想流动，称为非理想流动状况不同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。动。2.2.非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想流动模型在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型，称为非理想流动模型。非理想因素的流动模型，称为非理想流动模型。二、非理想流动模型二、非理想流动模型3.非理想流动模型非理想流动模型 1）轴向混合模型）轴向混合模型 2）多级串联全混流模型）多级串联全混流模型目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础发展而成的。基
13、础发展而成的。v偏离平推流的情况偏离平推流的情况二、非理想流动模型二、非理想流动模型漩涡运动：涡流、漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料湍动、碰撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填料或沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀催化剂装填不均匀二、非理想流动模型二、非理想流动模型v偏离全混流的情况偏离全混流的情况死角死角短路短路v流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响 -主要主要由物料停留时间不同所造成由物料停留时间不同所造成二、非理想流动模型二、非理想流动模型短路、沟流短路、沟流 停留时间减少停留时间减少转化率降低转化率降低死区、死区、再循环再循环停留时停留时间过长间过长A+BP
14、有效反应体积减少有效反应体积减少A+BPS 产物产物P减少减少 停留时间的不均停留时间的不均3-2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程一、反应器设计的基本内容一、反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 反应动力学特性反应动力学特性+反应器的流动特征反应器的流动特征+传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 最大反应效果最大反应效果+反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积 规定任务规定任务+反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺
15、寸的优化3-2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中讨论过第二章中讨论过计算反应体积计算反应体积计算温度变化计算温度变化计算压力变化计算压力变化物料衡算方程。针对任一反应单元，在任一时间段内：物料衡算方程。针对任一反应单元，在任一时间段内：某组分流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+某组分反应消耗量某组分反应消耗量+某组分累积量某组分累积量流入流入流出流出反应单元反应单元反应
16、器反应器反应单元反应单元流入量流入量流出量流出量反应量反应量累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态带入的热焓带入的热焓=带出的热焓带出的热焓+反应热反应热+热量的累积热量的累积+传给环境的热量传给环境的热量反应热反应热累积累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应器反应单元反应单元带入量带入量带出量带出量反应热反应热累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境能量
17、衡算方程：针对任一反应单元，在任一时间段内能量衡算方程：针对任一反应单元，在任一时间段内动量衡算方程（流体力学方程）动量衡算方程（流体力学方程）气相流动反应器的压降大时，需要考虑气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算压降对反应的影响，需进行动量衡算。第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器3-3 间歇反应器间歇反应器一、间歇反应器的特征一、间歇反应器的特征特点特点:1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上由于剧烈搅拌，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，因而排除了物的均匀，且反应器内浓
18、度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；质传递对反应的影响；2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑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；器内的热量传递问题；3 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同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。的反应时间。优点：优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的 产品生产产品生产 (精细化工产品的生产精细化工产品的生产)缺点：缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定二、间歇反应器的数学
19、描述（基本设计方程）二、间歇反应器的数学描述（基本设计方程）用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况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：对整个反应器进行物料衡算：0流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0单位时间内反应量单位时间内反应量 =单位时间内消失量单位时间内消失量等容过程，液相反应等容过程，液相反应图解积分示意图图解积分示意图t/cA0 xAxAfxA0tCACA0CAf二、间歇反应器的数学描述二、间歇反应器的数学描述一级不可逆反应一级不可逆反应1st.Order Reaction（irreversible）v实际操作时间实际操作时间
20、=反应时间反应时间(t)+(t)+辅助时间辅助时间 (t(t0 0)v反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积v V VR R=V=V0 0(t+t(t+t0 0)v据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算。据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算。填充系数填充系数f=V VR R/V Vt t沸腾或鼓泡的液体，可取沸腾或鼓泡的液体，可取0.4-0.60.4-0.6不沸腾或不鼓泡的液体，可取不沸腾或不鼓泡的液体，可取0.7-0.850.7-0.85反应级数反应级数反应速率反应速率残余浓度式残余浓度式转化率式转化率式n=0n=1n=2n级级n1
21、表表3 31 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式当当CA0、xA或或CA确定后确定后，kt即为定值即为定值：k k增大增大(温度升高）温度升高）t t减少减少反应体积减小反应体积减小讨论：间歇反应器中的单一反应讨论：间歇反应器中的单一反应2.反应浓度的影响反应浓度的影响1.k的影响的影响零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3.残余浓度残余浓度零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t
22、 t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化反应后期的速度很小；反应机理的变化v例例31以醋酸（以醋酸（A）和正丁醇（）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯（产醋酸丁酯（C），操作温度为），操作温度为100，每批进料，每批进料1kmol的的A和和4.96kmol的的B。已知反应速率。已知反应速率v试求醋酸转化率试求醋酸转化率xA分别为分别为0.5、0.9、0.99时所需反应时间。时所需反应时间。解：解：CH3COOH+C4H9O
23、HCH3COOC4H9+H2OA的初始浓度计算：的初始浓度计算：可求出，投料总体积为可求出，投料总体积为0.559m3醋醋 酸酸 A1kmol60kg0.062m3正丁醇正丁醇 B4.96kmol368kg0.496m3例例3-2 3-2 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 酯酯12000kg12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为 原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A A：B B：S=1S=1：2 2：1.351.35，反应液的密度，反应液的密度为为1020kg/m1020kg/m3 3，并假定在反应过
24、程中不变。每批装料、卸料及清，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洗等辅助操作时间为1h1h。反应在。反应在100100下等温操作，其反应速率下等温操作，其反应速率方程为方程为 100100时，时，k=4.7610-4k=4.7610-4L/L/（molminmolmin），平衡常数），平衡常数K=2.92K=2.92。试计算乙酸转化试计算乙酸转化35%35%时所需的反应体积。时所需的反应体积。根据反应物料的特性，根据反应物料的特性，若反应器填充系数取若反应器填充系数取0.750.75，则反应器的实际体积是多少？，则反应器的实际体积是多少？通过乙酸的起始浓度和原料中各组
25、分的质量比，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可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2:1.35=1:2:1.35，当乙酸为，当乙酸为1kg1kg时，加入的总原料为时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg1+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由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为解：解：首先首先计算原料处理量计算原料处理量V V0 0根据题给的乙酸乙酯产量，根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为可算出每小时乙酸需用量为其次其次计算原料液的起始组成。计算原料液的起始组成
26、。然后然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数，将题给的速率方程变换成转化率的函数。代入速率方程，整理后得代入速率方程，整理后得式中式中 代入到基本公式中代入到基本公式中得：得：t=118.8min实际反应器体积：实际反应器体积：12.38m3/0.7516.51m3三、间歇反应器的工程放大及优化三、间歇反应器的工程放大及优化1 1、工程放大、工程放大反应物达到一定的转化率所需的反应时间，只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，反应器的大小由反应物料的处器的大小无关，反应器的大小由反应物料的处理量决
27、定。理量决定。实验结果实验结果反应条件相同反应条件相同设备结构合理放大设备结构合理放大工业过程工业过程三、间歇反应器的工程放大及优化三、间歇反应器的工程放大及优化v t增大增大xA增大增大 单位时间生产量（增加）单位时间生产量（增加）v t增大增大 xA增大增大 CA降低降低 rA降低降低 单位时单位时间生间生 产量（减少）产量（减少）可以看出存在最佳时间使单位时间产量最大。可以看出存在最佳时间使单位时间产量最大。（1 1）使平均生产强度最大时的反应时间）使平均生产强度最大时的反应时间 平均生产强度平均生产强度是指一个生产周期内单位时间是指一个生产周期内单位时间的生产量，以的生产量，以 表示。
28、对产物而言，平均生表示。对产物而言，平均生产强度产强度 按定义为：按定义为：2 2、反应时间的优化反应时间的优化v 对于一定的间歇反应器对于一定的间歇反应器，t0为常数，为使为常数，为使 最大，令最大，令 对对t的一阶导数为零，则：的一阶导数为零，则：可得：可得：或者写成以或者写成以x xA A来表示的形式：来表示的形式：（2 2）达到最低生产费用时的反应时间）达到最低生产费用时的反应时间v 生产费用即生产成本，生产成本越低，工厂经济效益越大。生产费用即生产成本，生产成本越低，工厂经济效益越大。v单位产量的经费为：单位产量的经费为：要使生产成本最低，应使单位产量经费对时间的导数为零，则要使生产
29、成本最低，应使单位产量经费对时间的导数为零，则得：得：或者写成以或者写成以x xA A来表示的形式：来表示的形式：四、间歇反应器操作方程四、间歇反应器操作方程(H(H衡算衡算)v间歇反应器一般采用内部蛇管或夹套进行热交换，由于没有物料间歇反应器一般采用内部蛇管或夹套进行热交换，由于没有物料流入和流出，因此物料带入和带出热量为零。间歇反应器的热量流入和流出，因此物料带入和带出热量为零。间歇反应器的热量衡算通式为：衡算通式为：v物料带入热量物料带入热量=物料带出热量物料带出热量+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经整理得经整理得：对于恒容过程：对于恒容过程：绝热温升绝热温升
30、v对放热反应，如在绝热条件下进行，反应物系的温度随对放热反应，如在绝热条件下进行，反应物系的温度随着反应的进行而不断升高，着反应的进行而不断升高，叫做绝热温升，即在绝热叫做绝热温升，即在绝热条件下，反应物系中组分条件下，反应物系中组分A A全部转化时，物系温度升高全部转化时，物系温度升高的数值，此时的数值，此时0 0。反之，对于吸热反应，。反之，对于吸热反应，0 0，在，在绝热条件下，反应物系温度随着反应的进行而不断下降。绝热条件下，反应物系温度随着反应的进行而不断下降。v设计方程：转化率（设计方程：转化率（x xA A）时间（）时间（t t）的关系。）的关系。操作方程：温度（操作方程：温度（
31、T T）时间（）时间（t t）的关系。）的关系。一一.特点特点连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，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；不随时间而变化；径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；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。反应物料具有相同的停留时间。3-4 平推流反应器平推流反应器Tube reactor裂解炉裂解炉用于乙烯生产的管式裂解炉用于乙烯生产的管式裂解炉V0 CA0CAfxAfxAf=0dVRxAxA+dxA二、二、平推流反应器计算的基本公式平推流反应器计算的基本公式流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累
32、积量累积量0v0cA0(1-xA-dxA)v0cA0(1-xA)r rA AdVdVR R二、平推流反应器计算的基本公式二、平推流反应器计算的基本公式BRBR与与PFRPFR的等效性的等效性三、等温平推流反应器的计算三、等温平推流反应器的计算v化学计量学，膨胀因子化学计量学，膨胀因子v若反应过程无体积变化若反应过程无体积变化反应级数反应级数反应速率反应速率反应器体积反应器体积转化率式转化率式n=0n=1n=2n级级n1表表3 34 4 等温等容平推流反应器计算式等温等容平推流反应器计算式反应级数反应级数反应速率反应速率残余浓度式残余浓度式转化率式转化率式n=0n=1n=2n级级n1表表3 31
33、 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式例例3-3 3-3 用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每 天生产乙酸乙酯天生产乙酸乙酯12000kg12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液，反应液的密度为的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反，并假定在反应过程中不变。反应在应在100下等温操作，其反应速率方程为下等温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin
34、），平衡常），平衡常数数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的反应体积。时所需的反应体积。解：解：v由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等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需的反应时间为t=118.8min。v改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空时要求应使空时=t=118.8min。原料处理理为。原料处理理为V
35、0=4.155m3/hv因此，反应体积因此，反应体积VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3 四、流体在平推流反应器中的真实停留时间四、流体在平推流反应器中的真实停留时间v由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于在任何返混，所有流体微元的真实停留时间都等于平均停留时间。平均停留时间。v恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间其真实停留时间与空间时间不同。如果反应物系体积不同。如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快
36、，停留时间将小于空间时膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间；相反，如果反应物系体积缩小，停留时间将大于空间时间。间时间。v恒容条件下，恒容条件下，A A=0=0，上式还原为：上式还原为：五、平推流反应器热量衡算（操作方程）五、平推流反应器热量衡算（操作方程）v简化：简化：v若定压比热容在一定的温度范围内可为常数，则：若定压比热容在一定的温度范围内可为常数，则：若若则：则：六、平推流反应器的计算六、平推流反应器的计算1 1、思路、思路设计方程：设计方程：反应物转化率及温度沿轴向发生变化反应物转化率及温度沿轴向发生变化逐步差分法逐步差分法
37、求解求解操作方程：操作方程：绝热绝热对于等温操作：对于等温操作：T T为常数，设计方程可求解为常数，设计方程可求解:x xA Al l；操作方程可求解传热面积；操作方程可求解传热面积A A。对于绝热操作：对于绝热操作：的物理意义：在绝热条件下，组分的物理意义：在绝热条件下，组分A A完全反应时反应物系的温度升高的数值。完全反应时反应物系的温度升高的数值。v例例 3-4 均相气相反应均相气相反应A3R，其动力学方程为其动力学方程为rA=kcA，该过程在该过程在185，400kPa下在一平推下在一平推流反应器中进行，其中流反应器中进行，其中k=10-2s-1，进料量进料量NA0=30kmol/h，
38、原料含原料含50惰性气体，为使惰性气体，为使反应器出口转化率达反应器出口转化率达80，该反应器体积应为，该反应器体积应为多大多大?v解：该反应为气相反应解：该反应为气相反应A3Rv已知已知yA0=0.5，因此因此A=yA0 A=1v平推流反应器设计方程平推流反应器设计方程v例例3-5 在在一一个个平平推推流流反反应应器器中中，由由纯纯乙乙烷烷进进料料裂裂解解制制造造乙乙烯烯。年年设设计计生生产产能能力力为为14万万吨吨乙乙烯烯。反反应应是是不不可可逆逆的的一一级级反反应应，要要求求达达到到乙乙烷烷转转化化率率为为80，反反应应器器在在1100K等等温温，恒恒压压600kPa下下操操作作，已已知
39、知反反应应活活化化能能为为347.3 kJmol-1，1000K时时，k=0.0725 s-1。设设计计工业规模的管式反应器。工业规模的管式反应器。v解：设解：设A为乙烷，为乙烷，B为乙烯，为乙烯，C为氢气为氢气v反应器流出的乙烯的摩尔流率是：反应器流出的乙烯的摩尔流率是：v进料乙烷的摩尔流率是：进料乙烷的摩尔流率是：v计算计算1100K时反应速率常数：时反应速率常数：v膨胀因子：膨胀因子：v膨胀率：膨胀率：v进口体积流量：进口体积流量：v平推流反应器设计方程平推流反应器设计方程Balancing of a continuous stirred tank reactor3-5 全混流反应器全混
40、流反应器反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。于反应器流出物料的浓度和温度。V0 CA0V0 CAf xAfCAf3-5 全混流反应器全混流反应器流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0进口中已有进口中已有Av取整个反应器为衡算对象取整个反应器为衡算对象3-5 全混流反应器全混流反应器全混流反应器全混流反应器的图解积分的图解积分(对比右图的对比右图的PFR图解积分图解积分)CA0CACAfCACA0CAf平推流反应器与全混流反应器的比较平推流反应器与全混流反应器的比较3-53-5全混流反应器操作方程全混流
41、反应器操作方程v假定流体密度、定压比热容与温度的变化可忽略。（在假定流体密度、定压比热容与温度的变化可忽略。（在定常态下操作的全混流反应一般可将系统作等温处理）定常态下操作的全混流反应一般可将系统作等温处理）对于绝热反应：对于绝热反应：反应器的计算反应器的计算 思路：设计方程和操作方程联立求解，设计方程可得思路：设计方程和操作方程联立求解，设计方程可得反应有效体积与转化率，操作方程可求得温度与传热面积。反应有效体积与转化率，操作方程可求得温度与传热面积。例例3-63-6用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯天生产乙酸乙酯12000kg
42、12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应，反应液的密度为液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。，并假定在反应过程中不变。反应在反应在100下等温操作，其反应速率方程为下等温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常数衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的时所需的反应体积。反应体积。通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求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出乙醇和水的起始浓
43、度为由于原料液中乙酸由于原料液中乙酸:乙醇乙醇:水水=1:2:1.35=1:2:1.35，当乙酸为，当乙酸为1kg1kg时，加入的总原料为时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg1+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由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为首先首先计算原料处理量计算原料处理量V V0 0根据题给的乙酸乙酯产量，可算根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为出每小时乙酸需用量为其次其次计算原料液的起始组成。计算原料液的起始组成。将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为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，整理后得代入速
44、率方程，整理后得式中式中 例题中三种反应器体积比较例题中三种反应器体积比较vBSTR：VR12.68m3 (实际体积为实际体积为16.51m3）vPFR：VR8.227m3vCSTR：VR14.68m3v返混：不同年龄粒子之间的混合返混：不同年龄粒子之间的混合v返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度的上升。的上升。v上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。v对于其速率随着反应物浓度增加而增加的反应过程，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。返混的效果是降低了反应
45、速率。v 例例3 377生化工程中酶反应生化工程中酶反应ARAR为自催化反应，反为自催化反应，反应速率式应速率式r rA A=kckcA Ac cR R，某温度下，某温度下 k=1.1512mk=1.1512m3 3/(kmol.min)/(kmol.min)，v采用的原料中含采用的原料中含A 0.99kmol/mA 0.99kmol/m3 3，含，含R 0.01kmol/mR 0.01kmol/m3 3,要求要求A A的最终浓度降到的最终浓度降到0.01kmol/m0.01kmol/m3 3，当原料的进料，当原料的进料量为量为10m10m3 3/h/h时，求：时，求：v（1 1）反应速率最大
46、时，）反应速率最大时，A A的浓度为多少？的浓度为多少？v（2 2）采用）采用CSTRCSTR，反应器体积是多大？，反应器体积是多大？v（3 3）采用）采用FPRFPR，反应器体积是多大？，反应器体积是多大？v（4 4）组合方式的最小反应器体积。）组合方式的最小反应器体积。v解：C CA Ar rA A00.51.0C CA0A0C CA Af(1)显然，CA=0.5kmol/m3时，速率达最大值。1/r1/rA AC CA AC CA0A0C CA Af1/r1/rA AC CA AC CA0A0C CA Af(2)CSTR(3)PFR回顾CSTR和PFR两种图解CACA0CAfCACA0C
47、Af1/r1/rA AC CA AC CA0A0C CA Af(4)CSTR+PFR：最优组合C CAmAm组合反应器的总体积组合反应器的总体积=0.216m3+0.507m3=0.723m3要求要求1.掌握三种理想反应器的基本概念特点及其基本方掌握三种理想反应器的基本概念特点及其基本方程的建立；程的建立；2.掌握建立基本设计方程的方法；掌握建立基本设计方程的方法；3.记住记住0、1、2级反应的积分式（浓度和转化率）；级反应的积分式（浓度和转化率）；4.能够利用反应器流动模型方程计算反应体积和所能够利用反应器流动模型方程计算反应体积和所需反应时间；需反应时间；5.掌握三种理想反应器体积的比较。
48、掌握三种理想反应器体积的比较。1 1、浓度分布浓度分布 -推动力推动力反应推动力随反应时反应推动力随反应时间逐渐降低间逐渐降低反应推动力随反应器反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等反应推动力不变，等于出口处反应推动力于出口处反应推动力3-6 3-6 多级多级CSTRCSTR的串联及优化的串联及优化BRPFRCSTR一个体积为一个体积为V VR R的全的全混流反应器改用混流反应器改用n n个体个体积为积为V VR R/n/n的全混流反的全混流反应器串联来代替，若两者应器串联来代替，若两者的初始浓度和最终浓度相等，的初始浓度和最终浓度相等，则后者的平均推动力大于前者
49、。则后者的平均推动力大于前者。Stirred Tank CascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA43-6 3-6 多级多级CSTRCSTR的串联及优化的串联及优化vn n个全混流反应器串联操作在工业生产上经常遇个全混流反应器串联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应。应。2 2、多级全混流反应器串联计算、多级全混流反应器串联计算1 12 23 3n nv对任意第对任意第i i釜中关键组分釜中关键
50、组分A A作物料衡算。作物料衡算。v对恒容、定常态流动系统，对恒容、定常态流动系统，V V0 0不变，不变，v ，故有：，故有：v对于对于n n釜串联操作的系统，总空间时间：釜串联操作的系统，总空间时间：v小小于于单单个个全全混混釜釜达达到到相相同同转转化化率率x xAnAn操操作时的空间时间。作时的空间时间。由于釜与釜之间不由于釜与釜之间不存在返混，故总的存在返混，故总的返混程度小于单个返混程度小于单个全混釜的返混。全混釜的返混。1v计算出口浓度或转化率计算出口浓度或转化率v对于一级不可逆反应：对于一级不可逆反应：v依此类推：依此类推：v如如果果 则则,，那那么么上上式式变为：变为：v对二级