《【精品】均相反应与理想反应器精品ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【精品】均相反应与理想反应器精品ppt课件.ppt（85页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、均相反应与理想反应器内内容容反应器的类型及特性反应器的类型及特性 1流体流动模型流体流动模型 2理想均相反应器及其操作方法的优化选择理想均相反应器及其操作方法的优化选择 4均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器 3第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器一、反应器的类型及特性一、反应器的类型及特性 环环境境工工程程和和市市政政工工程程中中反反应应装装置置不不论论从从形形状状、大大小小和和操操作作状状况况来来看看是是多多种种多多样样，十十分分复复杂杂的的，根根据据不不同同的的观观点点，有有不不同同的的分分类类方方法法，主主要要有有下下列几类分类方法。列几类分类方法。第二章第二章均相
2、反应及理想反应器均相反应及理想反应器1、按操作的连续性分类：按操作的连续性分类：反应器可分为间歇反应器，半间歇反反应器可分为间歇反应器，半间歇反应器和连续反应器。应器和连续反应器。间间歇歇反反应应器器是是原原料料一一次次装装入入，反反应应到到规规定定程程度度后后再再将将物物料料取取出出，在在反反应应过过程程中中物料组成与浓度均随时间在不断变化。物料组成与浓度均随时间在不断变化。连连续续反反应应操操作作时时，反反应应物物和和产产物物是是在在连连续续稳稳定定地地加加入入和和引引出出，其其特特征征是是反反应应进进行行的的程程度度可可能能随随反反应应器器的的位位置置而而变变化化，但但不随时间变化。不随
3、时间变化。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1、按操作的连续性分类：按操作的连续性分类：半半间间歇歇反反应应器器的的操操作作方方法法是是将将两两种种反反应应物物料料中中的的一一种种事事先先放放入入反反应应器器中中，而而另另一一种种反反应应物物料料则则连连续续地地加加入入或或者者是是在在反反应应过过程程中中将将某某种种产产物物连连续续地地从从器器内内引引出出，这这种种反反应应器器从从其其反反应应混混合合物物的的组组成成随随时时间间变变化化的的观观点点来来看看是是间间歇歇的的，而而从从操操作作的的观观点点看看，其其反反应应物物料料的的加加入入或或产产物物的的引引出出其其操操作又是
4、连续的。作又是连续的。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器二、流体流动模型二、流体流动模型前前面面已已提提到到，反反应应器器的的大大小小和和性性能能除除与与化化学学动动力力学学因因素素外外，还还与与过过程程的的物物理理因因素素有有关关，而而后后者者都都是是与与物物料料的的流流动动状状况况或或混混合合情情况况密密切切相相关关，所所以以在在建建立立反反应应器器的的数数学学模模型型时时，必必须须了了解解物物料料在在反反应应器器中中的的流动状况，即流动模型问题。流动状况，即流动模型问题。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.理想流动模型理想流动模型v所谓流动模型，就是
5、对流体流经反应所谓流动模型，就是对流体流经反应器时的实际流动和混合状况的本质规律的器时的实际流动和混合状况的本质规律的描述，所以这种模型能够反应实际流动过描述，所以这种模型能够反应实际流动过程的主要特征。程的主要特征。v实际装置的几何形状等情况不同，流实际装置的几何形状等情况不同，流体流过的流动状况可能不同，作为典型的体流过的流动状况可能不同，作为典型的两种流动的极端状况是完全混合流与活塞两种流动的极端状况是完全混合流与活塞流。流。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.理想流动模型理想流动模型（1）完全混合流）完全混合流完全混合流又叫做理想混合流，如图完全混合流又叫做理想混合
6、流，如图2-1所示，物料所示，物料以稳定流率进入反应器后，其新流入的物料与器内原存留以稳定流率进入反应器后，其新流入的物料与器内原存留的物料在瞬间完全混合均匀。因此，整个反应器各部分的的物料在瞬间完全混合均匀。因此，整个反应器各部分的组成和温度都一样，而且流出的物料组成和温度也跟器内组成和温度都一样，而且流出的物料组成和温度也跟器内相同，但是物料的质点（分子）在设备中的停留时间不相相同，但是物料的质点（分子）在设备中的停留时间不相同，连续搅拌槽反应器内物料的流动状况，近似于这种理同，连续搅拌槽反应器内物料的流动状况，近似于这种理想假设的流动状况，所以把这类反应器叫做理想完全混合想假设的流动状况
7、，所以把这类反应器叫做理想完全混合反应器。反应器。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.理想流动模型理想流动模型（1）完全混合流）完全混合流图2-1 CAO CAf第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.理想流动模型理想流动模型（2）活塞流）活塞流活塞流又叫推流，理想排挤，理想置换等，这种流活塞流又叫推流，理想排挤，理想置换等，这种流动状况如图动状况如图2-2所示，物料连续稳定地由反应器一端流所示，物料连续稳定地由反应器一端流入反应器，在反应器中依次向前移动，先进入部分的粒入反应器，在反应器中依次向前移动，先进入部分的粒子和后进入部分的粒子没有混合（或叫返混）
8、，也没有子和后进入部分的粒子没有混合（或叫返混），也没有轴向扩散，好象活塞在气缸向前推进一样，直至反应器轴向扩散，好象活塞在气缸向前推进一样，直至反应器的另一端流出。另一方面对流路的的任一断面上来说，的另一端流出。另一方面对流路的的任一断面上来说，物料的流速和性质（组成、温度、压力）是均匀的，换物料的流速和性质（组成、温度、压力）是均匀的，换句话说，其径向是完全混合的，所以活塞流的特点是，句话说，其径向是完全混合的，所以活塞流的特点是，所有物料粒子在设备中停留时间相同，但在每个断面上，所有物料粒子在设备中停留时间相同，但在每个断面上，物料组成和温度又是不随时间而变化的，连续管式反应物料组成和温
9、度又是不随时间而变化的，连续管式反应器中的流况近似这种假设，因而把这类反应器又叫做理器中的流况近似这种假设，因而把这类反应器又叫做理想活塞流反应器。想活塞流反应器。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.理想流动模型理想流动模型（2）活塞流活塞流 CAO CAf图2-2 第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.理想流动模型理想流动模型（2）活塞流）活塞流但是在实际反应器内，有许多既不是但是在实际反应器内，有许多既不是完全混合流，又不是完全活塞流，而是处完全混合流，又不是完全活塞流，而是处于一种中间状态，称为不完全混合流，对于一种中间状态，称为不完全混合流，对于这
10、种中间状态的流型，仍以两种理想流于这种中间状态的流型，仍以两种理想流动模型为基础，进行适当的修正，导出种动模型为基础，进行适当的修正，导出种种的非理想的流动模型，从而进行反应器种的非理想的流动模型，从而进行反应器的设计。的设计。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2.流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响从上述可知，不同类型的流动状况主从上述可知，不同类型的流动状况主要表现在其混合程度与粒子在器内的停留要表现在其混合程度与粒子在器内的停留时间有差别，正由于存在这种本质差异，时间有差别，正由于存在这种本质差异，使得流动状况对化学反应产生影响，主要使得流动状况对化学反应产
11、生影响，主要表现在两方面。表现在两方面。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2.流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响（1）由于停留时间不同，影响反应的进行程度和）由于停留时间不同，影响反应的进行程度和方向。例如理想混合流或不完全混合流，物料粒方向。例如理想混合流或不完全混合流，物料粒子（或分子）在器内的停留时间不一，停留时间子（或分子）在器内的停留时间不一，停留时间短的粒子（分子）其反应机会较少，从而将降低短的粒子（分子）其反应机会较少，从而将降低平均反应率（或转化率），停留时间较长的粒子平均反应率（或转化率），停留时间较长的粒子（分子）反应率会较高，但亦有不能按时
12、离开反（分子）反应率会较高，但亦有不能按时离开反应器，（即起了反应也不离开），因而占去了反应器，（即起了反应也不离开），因而占去了反应区的有效空间，导致其余物料粒子停留时间偏应区的有效空间，导致其余物料粒子停留时间偏短，以致影响到总平均反应率下降。同时过长的短，以致影响到总平均反应率下降。同时过长的停留时间也会使付反应增加，影响到产品组成和停留时间也会使付反应增加，影响到产品组成和性能。性能。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2.流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响（2）因为混合程度不同，使得系统中物料的浓度、）因为混合程度不同，使得系统中物料的浓度、温度分布不同
13、，从而影响化学反应的速率，上面温度分布不同，从而影响化学反应的速率，上面提到的混合，又叫逆向混合或返混，它是指在不提到的混合，又叫逆向混合或返混，它是指在不同时间进入反应器内的粒子之间的混合，所谓逆同时间进入反应器内的粒子之间的混合，所谓逆向，是指时间概念上的逆向，因此这种混合不同向，是指时间概念上的逆向，因此这种混合不同于一般的搅拌混合，后者是指物料空间位置上的于一般的搅拌混合，后者是指物料空间位置上的变动。当然，返混也包含有空间位置上的逆向混变动。当然，返混也包含有空间位置上的逆向混合的意义。合的意义。返混不仅包括了反应器内不同空间位置上物返混不仅包括了反应器内不同空间位置上物料的混合而且
14、包括了不同时刻进入反应器的物料料的混合而且包括了不同时刻进入反应器的物料之间的混合。之间的混合。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2.流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响对于混合流反应器和活塞流反应器，等温对于混合流反应器和活塞流反应器，等温条件下，反应物条件下，反应物A在活塞流反应器中的浓度，由在活塞流反应器中的浓度，由于器内没有混合作用，它是由进口的于器内没有混合作用，它是由进口的CAo沿轴向沿轴向逐渐降低到出口的逐渐降低到出口的CAf，设在两种流型的反应器，设在两种流型的反应器中进行的是同一化学反应，其进口浓度中进行的是同一化学反应，其进口浓度CAO、与、与
15、反应平衡浓度反应平衡浓度CA*相同，则活塞流反应器中的推相同，则活塞流反应器中的推动力动力CA就大于混合流反应器中的推动力，换就大于混合流反应器中的推动力，换句话说，在活塞流反应器中组分句话说，在活塞流反应器中组分A的平均浓度的平均浓度CA较大，根据反应动力学式：较大，根据反应动力学式：第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2.流动状况对化学反应的影响流动状况对化学反应的影响化学反应速度化学反应速度由上式可见，由于反应器中流动状况或返混程度不同，使由上式可见，由于反应器中流动状况或返混程度不同，使得反应器内及反应物得反应器内及反应物A浓度浓度CA不同，因而将影响到化学反应不同，因
16、而将影响到化学反应速率不同。速率不同。一般说来，对于一定的反应系统，返混会使过程参数一般说来，对于一定的反应系统，返混会使过程参数（温度、浓度等）均一化，从而会降低反应过程推动力。（温度、浓度等）均一化，从而会降低反应过程推动力。从以上的分析以及随后的章节中我们可看到，流动状从以上的分析以及随后的章节中我们可看到，流动状况或返混程度不同，将导致反应系统中温度、浓度和粒子停况或返混程度不同，将导致反应系统中温度、浓度和粒子停留时间分布有差异，因而影响到反应的转化率，选择性或产留时间分布有差异，因而影响到反应的转化率，选择性或产品收率，以及所需反应器容积等。品收率，以及所需反应器容积等。第二章第二
17、章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器三、均相反应及理想反应器三、均相反应及理想反应器均相反应不存在相际传质过程，因此，其主要研究反均相反应不存在相际传质过程，因此，其主要研究反应器结构和流动状况对反应过程的影响。应器结构和流动状况对反应过程的影响。1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。理想间歇搅拌釜式反应器的性能如图理想间歇搅拌釜式反应器的性能如图2-3所示，所示，用用IBSTR符号（常简化为符号（常简化为IBR）表示（）表示（IdealBatchStirredTankReactor）第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应
18、与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。CAoCR，0CRCA(-rA)tt图图2-3间歇反应器及其性能示意图间歇反应器及其性能示意图第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器作物料衡算作物料衡算加入反应物质的速度加入反应物质的速度=引出反应物质的速度引出反应物质的速度+由于反应而消耗的由于反应而消耗的反应物速度反应物速度+反应物质积累速度反应物质积累速度（2-1）根据物料衡算的普通式，因是间歇反应，式（根据物料衡算的普通式，因是间歇反应，式（2-1）中第）中第1、2项均为零，则项均为零，则由于反应而消耗的反应物速度由于反应而消耗的反应物速度=反应物质积累速度反
19、应物质积累速度1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。组分组分A的消耗速度的消耗速度 组分组分A的积累速度的积累速度 第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。将以上两项代入物料衡算式：将以上两项代入物料衡算式：（）（）以转化率以转化率xA代替代替NA或或（）（）式（式（2-3）代入式（）代入式（2-2）整理并积分）整理并积分（）（）第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。等容过程中反应
20、流体体积不变，此时等容过程中反应流体体积不变，此时则式（则式（2-）可写成（反应器设计方程式）可写成（反应器设计方程式）（）（）由式（由式（2-5）可以得到一个极为重要的结论：在分批式反应）可以得到一个极为重要的结论：在分批式反应器中，反应物达到一定转化率所需的时间是取决于过程的速器中，反应物达到一定转化率所需的时间是取决于过程的速度，而与反应器的大小无关。反应器的大小只取决于反应物度，而与反应器的大小无关。反应器的大小只取决于反应物料的处理量。由此可见，上述计算反应时间的式子既适用于料的处理量。由此可见，上述计算反应时间的式子既适用于小型设备，又使用于大型设备。这样利用中间工厂数据设计小型设
21、备，又使用于大型设备。这样利用中间工厂数据设计大型设备时，只要保证两种情况下反应速度大型设备时，只要保证两种情况下反应速度A的影响因素相的影响因素相同即可，如保持相同温度及搅拌程度等。同即可，如保持相同温度及搅拌程度等。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。在非等容过程中，即反应过程中反应系统体积有变在非等容过程中，即反应过程中反应系统体积有变化，此时其体积变化可以认为与转化率成比例。化，此时其体积变化可以认为与转化率成比例。式中式中V0为起始反应物体积为起始反应物体积（）（）A为体积变化率，即为组分为体
22、积变化率，即为组分A完全没有起反应与全部起了反完全没有起反应与全部起了反应的反应系统的体积变化率，即：应的反应系统的体积变化率，即：（）（）式中式中Vx=0为当为当x=0时反应物体积，时反应物体积，Vx=1为当为当x=1时反应混合物时反应混合物体积。体积。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。式（式（2-6）代入式（）代入式（2-4）即得非等容过程时的反应）即得非等容过程时的反应器的基本设计方程。器的基本设计方程。（）（）对于不同的反应速率可有不同的积分式，现对主要反应对于不同的反应速率可有不同的积分式，
23、现对主要反应讨论如下。讨论如下。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（1）单一反应）单一反应没有平行、顺序及可逆反应同时存在的单一反应包没有平行、顺序及可逆反应同时存在的单一反应包括各级反应在内，它们的解析比较方便括各级反应在内，它们的解析比较方便,对对AR型的一型的一级反应。级反应。（29）如初始浓度为如初始浓度为CAo，则积分锝，则积分锝 或（210）理想间歇搅拌釜式反应器单一反应以浓度表示的理想间歇搅拌釜式反应器单一反应以浓度表示的 设计方程式设计方程式第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理
24、想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（1）单一反应）单一反应如以反应组分如以反应组分A的转化率的转化率（211）或或（212）表示，则表示，则理想间歇搅拌釜式反应器单一反应以转化率表示的理想间歇搅拌釜式反应器单一反应以转化率表示的 设计方程式设计方程式第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（1）单一反应）单一反应对对A+BR+S的二级反应的速度式，一般为的二级反应的速度式，一般为（213）因因A与与B在任何时间其消失量是相等的，故在任何时间其消失量是相等的，
25、故如初浓度比如初浓度比,则则第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（1）单一反应）单一反应积分可得积分可得（214）如原料的如原料的A与与B用量相等，即用量相等，即M=1，则，则（215）积分结果为积分结果为 第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（2）可逆反应）可逆反应 对简单的一级可逆反应对简单的一级可逆反应（216）其速度式为其速度式为（217）当当时时 故故 积分之则得积分之则得 第二章第二章均相反应及理想反
26、应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（2）可逆反应）可逆反应 对简单的一级可逆反应对简单的一级可逆反应 当反应达到平衡时，当反应达到平衡时，（218），这时得浓度如加下标，这时得浓度如加下标e来表示，则来表示，则 故故 利用这一关系式（利用这一关系式（2-17）亦可写成）亦可写成第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（3）平行反应（一级反应）平行反应（一级反应）（219）Ak2RS各各组组分得分得变变化速度分化速度分别为别为k1第二章第二章均
27、相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（3）平行反应）平行反应 （220）Ak2RS将上式积分得将上式积分得k1第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（3）平行反应）平行反应 （220）Ak2RS由此还可得由此还可得k1对于级数相等的平行反行此关系均成立。对于级数相等的平行反行此关系均成立。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（3）平行反应
28、）平行反应 Ak2RS平行反应各组成浓度的变平行反应各组成浓度的变迁大致如图迁大致如图2-4所示。所示。k1图2-4第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。如反应为一级反应，则如反应为一级反应，则（222）（4）顺序反应）顺序反应 第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（223）（4）顺序反应）顺序反应则积分后得则积分后得 和和是反是反应时间应时间的函数、典型曲的函数、典型曲线线示于示于图图2-5。第二章第二章均相反应
29、及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（4）顺序反应）顺序反应 图图2-5第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（224）（4）顺序反应）顺序反应 由图可看出，如由图可看出，如S是目的反应产物，就应使反应进行到是目的反应产物，就应使反应进行到底（长的反应时间）。反之，如目的反应产物是底（长的反应时间）。反之，如目的反应产物是R，就要有，就要有一个最佳的反应时间，以便获得一个最佳的反应时间，以便获得R的最高浓度。将的最高浓度。将CR式对式
30、对微分，令其等于零，即可解出微分，令其等于零，即可解出R的浓度为最大的时间的浓度为最大的时间m 其最大浓度为其最大浓度为（225）第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。（4）顺序反应）顺序反应如初始没有如初始没有R及及S，则式，则式(2-24)，式（，式（2-25）为：）为：其它还有种种复杂反应，它们无非是平行反应、顺序反应其它还有种种复杂反应，它们无非是平行反应、顺序反应和可逆反应的形形色色的组合而已，由此可以举一反三。和可逆反应的形形色色的组合而已，由此可以举一反三。第二章第二章均相反应及理想反应器均
31、相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。当动力学方程过于复杂，按上述方法难以求得解析解，或者当动力学方程过于复杂，按上述方法难以求得解析解，或者反应过程复杂，一时得不到动力学方程时可用数值积分的方反应过程复杂，一时得不到动力学方程时可用数值积分的方法进行计算。根据动力学方程计算得到或者由实验直接测法进行计算。根据动力学方程计算得到或者由实验直接测得一组得一组XA与与 数据或数据或CA与与 数据，在直角坐标图数据，在直角坐标图上标绘上标绘XA与与 曲线或曲线或CA与与 曲线。根据式（曲线。根据式（2-5）在上下限在上下限CA0和和CA之间曲线
32、下的面积成为积分值，并因此也是之间曲线下的面积成为积分值，并因此也是所需的反应时间如图（所需的反应时间如图（2-6）所示，曲线下的面积可用梯形法）所示，曲线下的面积可用梯形法或辛普森法，则求得：或辛普森法，则求得：第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器图图2-61.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。2-5第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。间歇反应器所需要的容积大小，主要取决于反应物料处间歇反应器所需要的容积大小，主要取决于反应物料处理量，由于反应器是
33、间歇操作，所以每处理一批物料都需要理量，由于反应器是间歇操作，所以每处理一批物料都需要有出料，清洗和加料等非生产辅助时间，因此，处理一定物有出料，清洗和加料等非生产辅助时间，因此，处理一定物料所需要的有效容积不但与反应时间有关，还与非生产时间料所需要的有效容积不但与反应时间有关，还与非生产时间有关。有关。现设平均每小时需要处理的物料量为现设平均每小时需要处理的物料量为v，每批装料、卸料、清，每批装料、卸料、清洗等辅助时间为洗等辅助时间为t，每批反应时间为，每批反应时间为t，则所需要反应器有效，则所需要反应器有效容积为容积为V=v(t+t)（2-26）由式（由式（2-26）可见，为了提高，间歇反
34、应器的生产能力，应）可见，为了提高，间歇反应器的生产能力，应设法减少非生产的辅助时间设法减少非生产的辅助时间。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器1.分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。分批式反应与理想间歇搅拌釜式反应器。反反应应器器的的实实际际容容积积，还还需需考考虑虑其其装装料料系系数数 ，因因为为一一般般说说来来，反应器中反应物料并不是装得满满的。反应器中反应物料并不是装得满满的。(2-27)VT：反反应应器器实际实际容容积积；：装料系数，一般：装料系数，一般为为0.4-0.85若有计算所得的反应器容积太大，则可分成适当大小的几个若有计算所得的反应器容积太大，则可分成适当
35、大小的几个反应器同时生产。反应器同时生产。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 完完全全混混合合反反应应器器及及其其性性能能如如图图2-7所所示示，理理想想连连续续搅搅拌拌釜釜式式反反应应器器（Ideal continuous stirred tank reactor）用用ICSTR符号（常简化为符号（常简化为CSTR）表示。）表示。图图2-7第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 对反应器作物料衡算：对反应器
36、作物料衡算：如进料如进料CF=0即为纯粹稀释的情况，则得即为纯粹稀释的情况，则得进入量进入量-引出量引出量-反应消耗量反应消耗量=积累量积累量式中式中F表示进料的体积流量表示进料的体积流量先讨论无化学反应的纯粹排代情况，这时先讨论无化学反应的纯粹排代情况，这时r项等于零，利项等于零，利用起始条件用起始条件=0，C=C0，上式积分后便得：，上式积分后便得：（2-28）（2-29）（2-30）第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 在在连连续续釜釜式式反反应应器器设设计计中中是是一一项项重重要要参参数数，它
37、它表表示示空空间间时时间，故上式又可写成间，故上式又可写成 当当 时时，即即当当流流入入的的流流体体量量相相等等于于把把原原来来釜釜内内的的流流体体量量置置换换一一次次时时，得得C=C0e-1=0.368C0。这这说说明明釜釜内内浓浓度度仍仍有有原原来来浓浓度度的的36.8%，而而不不是是完完全全被被顶顶替替完完了了，其其原原因因是是由由于于釜釜内内液液体体呈呈现现混混合合式式流流动动，图图2-8表表示示全全混混式式流流动动和活塞流动两种理想流动情况的不同情况。和活塞流动两种理想流动情况的不同情况。（2-31）第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器 图图2-82理想的连续搅拌釜式
38、反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 现现在在再再来来看看有有反反应应存存在在时时的的情情况况，设设为为一一级级反反应应，,则则由由式（式（2-28）（2-32）利用起始条件利用起始条件,可解得可解得 (2-33)可见在有反应的情况下，浓度变化要更复杂一些。可见在有反应的情况下，浓度变化要更复杂一些。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 不不过过在在设
39、设计计时时通通常常都都是是以以稳稳态态操操作作下下的的情情况况来来考考虑虑的的，这这时时式（式（2-28）中等号右侧三项为零，故得）中等号右侧三项为零，故得（2-34）对零级反应对零级反应 代入式（代入式（2-34）则则 (2-35)对一级反应对一级反应 则 对二级反应对二级反应 则 (2-36)(2-37)第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 由式（由式（2-34）导得）导得（2-38）式中式中C为为A的出流浓度（由于假定是完全混合，与反应器中的出流浓度（由于假定是完全混合，与反应器中的浓度相同），
40、的浓度相同），是在反应器内的条件下（也就是出流是在反应器内的条件下（也就是出流条件下）条件下）A的消耗速率。由上式看到，这是一个代数方程式，的消耗速率。由上式看到，这是一个代数方程式，当知道出流浓度中的反应物消耗速率时就可解出此方程，所当知道出流浓度中的反应物消耗速率时就可解出此方程，所以没有必要知道速率方程式的解析形式。以没有必要知道速率方程式的解析形式。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 由式（由式（2-34）导得）导得CCFC 阴影面积等于阴影面积等于第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及
41、理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 对顺对顺序反序反应应 如目的反如目的反应产应产物是物是R,有一个最佳反有一个最佳反应时间应时间，以，以获获得得R的最高的最高浓浓度。度。对对一一级级反反应应（2-39）和和 可获得最高可获得最高CR的反应时间的反应时间CRm 取取（2-40）(2-41)第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 而且从式（而且从式（2-40）得出相应的）得出相应的CRm（2-42）时，式（时，式（2-41）可写成）可写成 当当 (2-
42、43)第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器2理想的连续搅拌釜式反应器理想的连续搅拌釜式反应器完全混合反应器完全混合反应器 2.01.00125430.0.0.0.0.0.PFRCSTRCSTRPFR 图2-10PFR和CSTR中()的最高中间物浓度CR的典型比较0.图（图（2-10）为从一）为从一个个PFR（或（或IBR）和一个和一个CSTR所能所能获得的最高产物浓获得的最高产物浓度度CRm和相应的和相应的数值的关系曲线。显数值的关系曲线。显然然PFR所获得的最高所获得的最高中间物浓度中间物浓度CRm要比要比CSTR的高，而且随的高，而且随着着 值的值的增加，增加，差别就会变大
43、，从该差别就会变大，从该图可得出应选择能使图可得出应选择能使 获得最高值的获得最高值的浓度，并且应在浓度，并且应在PFR中进行反应。中进行反应。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器3理想的连续流动管式反应器理想的连续流动管式反应器活塞流反应器活塞流反应器活塞流反应器及其性能如图活塞流反应器及其性能如图2-112-11所示，理想的连续流动管式反应器通常采用所示，理想的连续流动管式反应器通常采用活塞流反应器（活塞流反应器（Plug Flow Reactor Plug Flow Reactor）的缩写）的缩写PFRPFR表示。表示。在活塞流反应器中，流体的组成沿着流程中的位置而改变着
44、。如取一微元反在活塞流反应器中，流体的组成沿着流程中的位置而改变着。如取一微元反应器体积如下图，应器体积如下图，dVr dVr 对组分作物料平衡对组分作物料平衡 如从进口处积分到出口，并设进口处如从进口处积分到出口，并设进口处 则：则：图图2-11进入量出去量反应掉的量第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器v同样，我们也可导得以组分同样，我们也可导得以组分A A的浓度的浓度C CA A为变量的表达式，等容时：为变量的表达式，等容时：v活塞流反应器内在等温条件下的均相反应过程计算，其基本方法仍然是物料活塞流反应器内在等温条件下的均相反应过程计算，其基本方法仍然是物料衡算方程与动力学
45、方程联立求解，求解方法仍可采用解析方法或数值计算方衡算方程与动力学方程联立求解，求解方法仍可采用解析方法或数值计算方法。式（法。式（2-492-49）的各解示于图）的各解示于图2-122-12。图图2-12第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器多级理想连续搅拌釜式反应器多级理想连续搅拌釜式反应器当有多级全混流反应器串联时，其解析方法还是与单级一样，对第当有多级全混流反应器串联时，其解析方法还是与单级一样，对第i级作物级作物料衡算时，在稳态下料衡算时，在稳态下:设物料在反应中体积不变，则设物料在反应中体积不变，则，于是上式可写成，于是上式可写成:以一级反应为例，若各釜等温等容，则以
46、一级反应为例，若各釜等温等容，则值与值与均不变，于是均不变，于是第一釜第一釜第二釜第二釜第第n釜釜 C1,1C2,2Ci-1i-1Fi-1Ci iFiCn-1 n-1Cn nVn,n,Cn,ni21CF第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器 用图解法常有比较方便之处，如反应速度式比较复杂或各釜非等容时，以用图解法常有比较方便之处，如反应速度式比较复杂或各釜非等容时，以及当规定了生产能力与物料转化率（亦即进出物料的浓度）而要选择适当的及当规定了生产能力与物料转化率（亦即进出物料的浓度）而要选择适当的釜数及其容积时都是如此。釜数及其容积时都是如此。由式由式（2-512-51）可写成可
47、写成:而反应速度又为浓度的函数：而反应速度又为浓度的函数：故如先在故如先在 图（图图（图2-132-13）上作出式（）上作出式（2-552-55）的曲线，然）的曲线，然后从横轴上的后从横轴上的C CF F点出发，作斜率为点出发，作斜率为 的曲线与的曲线与 的曲线的曲线相交（图中点相交（图中点1 1），这一点的横坐标即为），这一点的横坐标即为 C C1 1。如各釜等容。如各釜等容（即各（即各 相等），则从相等），则从C C1 1点出发作平行线交点出发作平行线交 曲线之点曲线之点（点（点2 2），其横坐标即为），其横坐标即为 C C2 2，如此继续，直到需要的浓，如此继续，直到需要的浓度为止，即可
48、求得所需釜数。如各釜的容积不同，则只度为止，即可求得所需釜数。如各釜的容积不同，则只要将各次作线时的斜率取用该釜的要将各次作线时的斜率取用该釜的 即可。即可。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器连连续续流流动动搅搅拌拌反反应应器器的的串串联联，如如果果各各反反应应器器的的容容积积不不同同，还还有有一一个个如如何何排排列列的的顺顺序序问问题题。如如有有一一大大一一小小两两个个反反应应器器，（a）是是把把小小的的反反应应器器排排在在前前面面，大大的的串串联联在在其其后后，(b)是是将将大大的的反反应应器器串串联联在在前前，小小的的反反应应器器在在后后，通通过过图图解解，如如图图（2
49、-14）、图（）、图（2-15）所示，我们可以清楚地得出如下结论。）所示，我们可以清楚地得出如下结论。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器反应级数小于反应级数小于1（n1）,速率曲线为凹形，如图速率曲线为凹形，如图2-15所示，所示，小反应器应在大反应器之前为最好的排列顺序；小反应器应在大反应器之前为最好的排列顺序；反应级数等于反应级数等于1（n=1）,与串联顺序无关。与串联顺序无关。第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器活塞流反应器和全混流反应器的组合活塞流反应器和全混流反应器的组合在在一一个个反反应应系系统统中中，可可以以同同时时应应用用全全混混流流反反应应器
50、器和和活活塞塞流流反反应应器器。它它们们如如何何达到最佳排列，现先以一级反应为例来讨论。达到最佳排列，现先以一级反应为例来讨论。PFR后接后接CSTR时：时：式式中中下下标标C和和P分分别别代代表表CSTR和和PFR。式式（2-56）代代入入式式（2-57）得得出这种排列的出流浓度出这种排列的出流浓度如如CSTR后接后接PFR时时由式（由式（2-59），式（），式（2-60）得）得（2-56）（2-57）（2-58）（2-59）（2-61）（2-60）第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器第二章第二章均相反应及理想反应器均相反应及理想反应器v式（式（2-582-58）和式（）和式