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1、探讨内容探讨内容3.1 釜式反应器的物料衡算方程釜式反应器的物料衡算方程3.2 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）3.3 等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）3.4 全混流反应器的设计全混流反应器的设计3.5 全混流反应器的串联与并联全混流反应器的串联与并联3.6釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性3.7 半间歇釜式反应器半间歇釜式反应器3.8 变温间歇釜式反应器的计算变温间歇釜式反应器的计算3.9 全混流反应器的定态操作与分析全混流反应器的定态操作与分析 重点驾驭内容重点驾驭内容 n等温
2、间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连等温间歇釜式反应器的计算（单一反应、平行与连串反应）。串反应）。n连续釜式反应器的计算连续釜式反应器的计算。n空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。空时和空速的概念及其在反应器设计计算中的应用。n连续釜式反应器的串联和并联。连续釜式反应器的串联和并联。n釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接釜式反应器中平行与连串反应选择性的分析，连接和加料方式的选择。和加料方式的选择。n连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。连续釜式反应器的热量衡算式的建立与应用。其它要求其它要求深化理解：深化理解：深化理解：深化理解：变温间歇釜式反应器的计算。变温间歇釜
3、式反应器的计算。变温间歇釜式反应器的计算。变温间歇釜式反应器的计算。广泛了解：广泛了解：广泛了解：广泛了解：串联釜式反应器最佳体积的求取方法。串联釜式反应器最佳体积的求取方法。串联釜式反应器最佳体积的求取方法。串联釜式反应器最佳体积的求取方法。连续釜式反应器的多定态分析与计算。连续釜式反应器的多定态分析与计算。连续釜式反应器的多定态分析与计算。连续釜式反应器的多定态分析与计算。产生多定态点的缘由，着火点与熄火点的概念。产生多定态点的缘由，着火点与熄火点的概念。产生多定态点的缘由，着火点与熄火点的概念。产生多定态点的缘由，着火点与熄火点的概念。3.1 3.1 3.1 3.1 釜式反应器的物料衡算
4、方程釜式反应器的物料衡算方程釜式反应器的物料衡算方程釜式反应器的物料衡算方程 反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：选择合适的反应器类型选择合适的反应器类型确定最佳操作条件确定最佳操作条件计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸）计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺寸）最终的目标是经济效益最大最终的目标是经济效益最大(事实上不应当仅仅事实上不应当仅仅针对反应系统，应当包括整个过程针对反应系统，应当包括整个过程)动量衡算描述压力的变更状况动量衡算描述压力的变更状况能量衡算描述温度的变更规律能量衡算描述温度的变更规律物料衡算描述浓度的变更规律物料衡算描述浓度的变更规律衡算的基本方程
5、衡算的基本方程留意的问题留意的问题n首先要选择限制体首先要选择限制体n假如反应器内各处浓度均一，衡算的限制体选择整假如反应器内各处浓度均一，衡算的限制体选择整个反应器。个反应器。n假如反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积假如反应区内存在两个或两个以上相态，反应体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微内各点的反应物料组成未必相同，这时只能选择微元体积作为限制体。元体积作为限制体。n对于困难反应，方程数大大增多对于困难反应，方程数大大增多3.23.2 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单
6、一反应）间歇反应器特点：间歇反应器特点：间歇反应器特点：间歇反应器特点：分批装、卸；分批装、卸；分批装、卸；分批装、卸；适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、适用于不同品种和规格的产品的生产，广泛用于医药、试剂、助剂等生产；试剂、助剂等生产；试剂、助剂等生产；试剂、助剂等生产；整个操作时间整个操作时间整个操作时间整个操作时间=反应时间反应时间反应时间反应时间+协助时间（装料协助时间（装料协助时间（装料协助时间（装料+卸料卸料卸料卸料+清清清清洗）；洗）；洗）；洗）；（每批）（每批）（每批）
7、（每批）计算阅历估计。计算阅历估计。计算阅历估计。计算阅历估计。一、一、反应时间和体积的计算反应时间和体积的计算 （A 关键组分）关键组分）（总是成立的）（总是成立的）（单一反应）（困难反应）对反应对反应则：则：因为整个反应器中浓度均一，将整个反应器作为限制体，那么因为整个反应器中浓度均一，将整个反应器作为限制体，那么依据物料衡算方程，有依据物料衡算方程，有初值条件为：初值条件为：t=0,XA=0；t=t，XA=XAf该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。对于间歇反应器，由于对于间歇反应器，由于dV=0，若为均相，若为均相积分上式，得积分上式，得则则此
8、时，对于单一反应，式此时，对于单一反应，式（1）也可写成：也可写成：（1）（2）反应时间和体积的计算反应时间和体积的计算 对于可逆放热反应，是上面的结论仍旧正确吗？对于可逆放热反应，是上面的结论仍旧正确吗？设反应速率方程为设反应速率方程为（不行逆反应），则（不行逆反应），则在等温下有：在等温下有：当温度当温度T时，反应速率常数时，反应速率常数k，导致达到规定转化率所用的反导致达到规定转化率所用的反应时间应时间t。实际的反应器体积为：实际的反应器体积为：f 装填系数装填系数，一般取，一般取0.40.85对于沸腾或易发泡液体物料对于沸腾或易发泡液体物料 f=0.40.6 对于一般流体对于一般流体
9、f=0.70.85n=1，t与与 CAO无关无关nt与与 rA 有关与有关与 Vr无关无关nVr与与Q0（单位时间内处理的反应（单位时间内处理的反应物料的体积）有关，有物料的体积）有关，有 留意的问题留意的问题二、最优反应时间二、最优反应时间 对于确定的化学反应和反应器，当反应时间对于确定的化学反应和反应器，当反应时间t时，时，nR(总产量总产量)，但，但 nR/tT(按单位操作时间计算的产按单位操作时间计算的产品产量品产量)不总是增加的，存在最优值。假如将目标不总是增加的，存在最优值。假如将目标函数定义为：函数定义为：对于间歇釜式反应器，总反应时间可以表示为：对于间歇釜式反应器，总反应时间可
10、以表示为：那么通过求解那么通过求解:若以生产费用最低为目标，并设单位时间内反应操作若以生产费用最低为目标，并设单位时间内反应操作费用为费用为a，协助操作费用为，协助操作费用为a0，而固定费用为，而固定费用为af，则单位质量产品的总费用为则单位质量产品的总费用为令令则得则得最优反应时间最优反应时间 最优反应时间的图解解法最优反应时间的图解解法3.33.3等温间歇釜式反应的计算（复合反应）等温间歇釜式反应的计算（复合反应）一、平行反应一、平行反应在等温间歇反应器中，设进行的反应为一平行反应：在等温间歇反应器中，设进行的反应为一平行反应：AP rP=k1CA P为目的产物AQ rQ=k2CA依据物料
11、衡算可以得到：依据物料衡算可以得到：（反应体系只有两个独（反应体系只有两个独立反应，当然只要两个立反应，当然只要两个方程就够了）。方程就够了）。设初值条件为：设初值条件为：t=0 时，时，CA=CA0，CP=0，CQ=0，则方，则方程的解为程的解为对于均相，恒容过程方对于均相，恒容过程方程进一步变为：程进一步变为：反应物系的组成随时间的变更关系如图反应物系的组成随时间的变更关系如图33所示，由所示，由图可见，图可见，t，CA，而，而CP、CQ进一步：进一步：由于产物由于产物P是目的产物，希望是目的产物，希望k1k2。而且而且（由于两个反应均是一级）（由于两个反应均是一级）图图图图3 3 3 3
12、3 3 3 3 平行反应组成随时间的变更关系平行反应组成随时间的变更关系平行反应组成随时间的变更关系平行反应组成随时间的变更关系 例.在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应反应起先时A和B的浓度均为2kmol/m3，目的产物为P，试计算反应时间为3h时A的转化率和P的收率。解：由题知将速率表达式代入等温间歇反应器的设计方程式可有上式积分结果为将t=3h、cA0=2kmol/m3代入上式，可求组分A的浓度 因此，A的转化率为 上两式相除可得分别变量进行积分得下面求P的收率由题给的速率方程可知P的收率为代入数据得二、连串反应二、连串反应若若t=0时，时，CA=CA0，Cp=0，CQ=0，积分得积分
13、得:一级不行逆连串反应一级不行逆连串反应 物料衡算方程：物料衡算方程：图3.4 连串反应的组分浓度 令dCp/dt=0可得最优反应时间 topt：n以上结论是针对两个一级反应而言的，但也适用于以上结论是针对两个一级反应而言的，但也适用于多个反应；多个反应；n对于非一级反应，可按上边的方法同样处理，只是对于非一级反应，可按上边的方法同样处理，只是大多数状况都很难获得解析解，需用数值解法。大多数状况都很难获得解析解，需用数值解法。n思索题：思索题：nk1k2时，上面各式均变成了不定式，这种状况下时，上面各式均变成了不定式，这种状况下应如何来确定反应时间与应如何来确定反应时间与P和和Q的浓度间的关系
14、的浓度间的关系?中中间产物间产物P的浓度变更曲线是否还存在极大点的浓度变更曲线是否还存在极大点?小小 结结CP=k1CA0te-k1t3.4 3.4 连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的反应体积 间歇釜式反应器：各参数随时间变更，一次装卸料；间歇釜式反应器：各参数随时间变更，一次装卸料；连续釜式反应器：基本在定态下操作，有进有出。连续釜式反应器：基本在定态下操作，有进有出。一、连续釜式反应器的特点：一、连续釜式反应器的特点：反应器的参数不随时间变更反应器的参数不随时间变更;不存在时间自变量，也没有空间自变量不存在时间自变量，也没有空间自变量;多用于液相反应，恒容操作多用于液相反应，恒容操作
15、;出口处的出口处的C,T=反应器内的反应器内的C,T。对于恒容过程，有对于恒容过程，有：二、设计方程二、设计方程Q0m3/sCAkmol/m3依据物料衡算方程：依据物料衡算方程：留意对于单一反应留意对于单一反应(-A)rA最终得到连续釜式反应器设计方程为最终得到连续釜式反应器设计方程为：即即由此得到由此得到：几何意义几何意义演示Q0n反应器内反应器内C C、T T 恒定，不随时间变更，也不随位恒定，不随时间变更，也不随位置变更。所以其内的置变更。所以其内的A A 在各点处相同，也不在各点处相同，也不随时间变更随时间变更 等速反应器。等速反应器。n当同时进行多个反应时，只要进出口组成和当同时进行
16、多个反应时，只要进出口组成和Q0Q0已知，就可以针对一个组分求出反应体积已知，就可以针对一个组分求出反应体积VrVr（如上式所示）。（如上式所示）。几点留意几点留意n，生产实力（比较时QO应在相同的T，P 下求得，即在同一基准下进行比较。)；生产实力；ndV=0的过程=t，即物料在反应器内的停留时间等于空时。n2.空速单位反应体积、单位时间内所处理的物料量，可表示为空时的倒数，即二、两个重要的物理量空时、空速二、两个重要的物理量空时、空速1.空时衡量生产实力（只针对连续反应器而言），其定义为：空时衡量生产实力（只针对连续反应器而言），其定义为：s时，生产实力时，生产实力。为了便于比较，通常接受
17、为了便于比较，通常接受“标准状况下的体积流量标准状况下的体积流量”。对于有固体催化剂参与的反应，对于有固体催化剂参与的反应，用催化剂空速（往用催化剂空速（往往以催化剂质量或体积衡量）。往以催化剂质量或体积衡量）。几种不同的空速：几种不同的空速：质量空速（质量空速（m3/g-cat）、体积空速（）、体积空速（m3/m3 cat）液空速（液空速（m3液体原料液体原料/g-cat、m3液体原料液体原料/m3 cat）碳空速、烃空速等碳空速、烃空速等其他几种术语其他几种术语3.5 连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联从图中看出，对于正常动力学，多釜串联有利；对于反常动力学，从图中看出，
18、对于正常动力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则运用单釜有利，如运用多釜，接受并联的方式。则运用单釜有利，如运用多釜，接受并联的方式。几何意义问题的提出：实际生产中，常常遇到运用多个釜式反应问题的提出：实际生产中，常常遇到运用多个釜式反应器的问题。那如何将这些反应器联接起来运用呢？器的问题。那如何将这些反应器联接起来运用呢？一、概述 设计方程为：设计方程为：对第一釜有：对第一釜有：对其次釜有：对其次釜有：图图3-5 连续釜式反应器体积的几何图示连续釜式反应器体积的几何图示 问题之一：串联操作各釜体积如何安排问题之一：串联操作各釜体积如何安排图图图图3-6 3-6 并联的釜式反应器并联的釜式反应
19、器并联的釜式反应器并联的釜式反应器 问题之二：并联操作各釜流量如何安排问题之二：并联操作各釜流量如何安排通常可以实行通常可以实行1=2，这时整个反应系统最优。，这时整个反应系统最优。即要即要这时有这时有：并联状况并联状况二、二、串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算现在针对现在针对1级不行逆反应进行计算（针对其他级数反应的计算方级不行逆反应进行计算（针对其他级数反应的计算方法相同），动力学方程为：法相同），动力学方程为：rA=kCA=kCA0(1-XA)假设假设N个串联的釜式反应器如图个串联的釜式反应器如图 所示。可以通过对每个釜进行所示。可以通过对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。物
20、料衡算，得到系统的计算方程。图图3-7 串联的釜式反应器串联的釜式反应器假定每个釜的体积相同，即假定每个釜的体积相同，即Vr1=Vr2=，那么每一个，那么每一个釜的空时相同釜的空时相同1=2=，假如反应器中的温度，假如反应器中的温度T相相同（保证同（保证k 一样），针对第一样），针对第p个釜进行物料衡算，有个釜进行物料衡算，有整理后得到整理后得到p=1，2，Np=1，2，N其中，其中，=Vn/Q0 。将每一个釜的衡算方程相乘，得到将每一个釜的衡算方程相乘，得到总的反应体积为：总的反应体积为：即即或或最终有最终有整个系统的空时为整个系统的空时为对于非一级反应，没有解析解，须要进行逐釜计算。依据已
21、知条对于非一级反应，没有解析解，须要进行逐釜计算。依据已知条件，可以将逐釜计算过程分成如下两种。件，可以将逐釜计算过程分成如下两种。（1 1）每一个单釜的体积每一个单釜的体积V r iV r i已知已知此时每个釜的空时此时每个釜的空时已知已知 ，X A NX A N或或C A NC A N（逐一的计算），直至（逐一的计算），直至求出到达求出到达XAN XAN 所需的釜数所需的釜数N N。（2 2）釜数釜数N N已知已知须要先假设空时须要先假设空时，按（，按（1 1）的方法逐釜计算）的方法逐釜计算 求出第求出第N N个釜出口的个釜出口的转化率，并与要求的转化率转化率，并与要求的转化率XANXAN
22、对比，假如不一样须要重新假设对比，假如不一样须要重新假设空时空时，重复进行计算，直到两者吻合为止。，重复进行计算，直到两者吻合为止。也可接受作图法来求解，但首先要在二维坐标中绘出转化率与反也可接受作图法来求解，但首先要在二维坐标中绘出转化率与反应速率的关系曲线，然后利用下面的公式逐釜作折线。应速率的关系曲线，然后利用下面的公式逐釜作折线。方程求解方程求解图图3.8 作图法确定串联釜式反应器各釜的出口转化率作图法确定串联釜式反应器各釜的出口转化率 三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比三、串联釜式反应器各釜的最佳反应体积比 将上式分别对将上式分别对X A p(p=1，2，N-1)求导得求导得优化
23、的目标函数为优化的目标函数为令令Vr/XAP=0，得：得：对于对于 级反应，级反应，得到的结论为：，得到的结论为：结论结论3.6 釜式反应器中复合反应的收率和选择性釜式反应器中复合反应的收率和选择性 对于困难反应，目的产物的收率和选择性是特别重要对于困难反应，目的产物的收率和选择性是特别重要的，反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反应的，反映了原料的有效利用程度。收率和选择性与反应器的型式，操作方式和操作条件亲密相关。器的型式，操作方式和操作条件亲密相关。其中，其中，PA的物理意义是生成的物理意义是生成1mol的目的产物的目的产物P要消耗要消耗A的的mol数。数。或或一、一、总收率与总选择
24、总收率与总选择瞬时选择性瞬时选择性 (1)瞬时收率可能随时间变更。间歇反应器就是一例；(2)对于连续反应器（在定态下操作），瞬时选择性不随时间变更，但可能随位置变更，这时要用到总收率，其定义为：总选择性与瞬时选择性关系YPf是总收率，针对整个反应器而言的。假如用S0表示总选择性（对整个反应而言），那么应当留意应当留意图图 3.10 釜式反应器的最终收率釜式反应器的最终收率ABDEFOHGXAfXASABFDMOHGXAfXASE(1)XA时，时，S的情形的情形对于间歇釜式反应器=整个曲边梯形的积分面积对于连续釜式反应器=矩形的面积(2)对于对于XA时，时，S的状况的状况 结果恰恰与上面的相反（
25、不妨自己分析一下）。结果恰恰与上面的相反（不妨自己分析一下）。从图中可以看出，多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续从图中可以看出，多釜串联系统介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间，即：釜式反应器之间，即：（Yaf）间 （Yaf）串（Yaf）连 探讨探讨二、平行反应二、平行反应 设在釜式反应器中进行平行反应：设在釜式反应器中进行平行反应：A+BP rp=k1CA 1CB 1 A+BQ rQ=k2CA 2CB 2 假设假设P为目的产物，则瞬时选择性为为目的产物，则瞬时选择性为反应组分反应组分A和和B的浓度的浓度CA、CB，以及温度，以及温度T均对选择性均对选择性S有影响。有影响。可以依据可以依据
26、 2 1、2 1和和 E2E1 的相对大小，选择适当的相对大小，选择适当的反应组分浓度和温度，来提高反应的选择性的反应组分浓度和温度，来提高反应的选择性S。（1）若1 2、1 2，此时A、B的浓度越高，选择性越大。属于XA时，S的情形。结论：间歇釜优于多釜串联（假如体积不等，从小到大排列）优于单釜连续操作。这是因为间歇釜中CA 和CB高于多釜串联高于单釜连续操作，因此有利于反应选择性提高。(2)若1 2、1 2、1 2，此时CA ，CB ，选择性越大。结论：可选择A 一次性加入，B流加。高高ABCA高、CB低关于操作温度关于操作温度另外，要得到较高的生产强度，反应过程须要在较高的另外，要得到较
27、高的生产强度，反应过程须要在较高的温度下进行。当温度下进行。当E2E1时，虽然温度低有利于选择性的提高，时，虽然温度低有利于选择性的提高，但应尽可能使反应在较高的温度下进行，事实上存在但应尽可能使反应在较高的温度下进行，事实上存在一个最佳温度值。一个最佳温度值。对于连续釜式反应器，在此温度下操作可使目的产物的对于连续釜式反应器，在此温度下操作可使目的产物的产量最大；产量最大；间歇釜式反应器则存在最佳温度程序，对于不同反应时间歇釜式反应器则存在最佳温度程序，对于不同反应时间，应保持不同的操作温度。间，应保持不同的操作温度。在等温间歇反应器中，可以得到最佳反应时间在等温间歇反应器中，可以得到最佳反
28、应时间 和目的产物和目的产物P P的最佳收率：的最佳收率：三、三、连串反应连串反应 假设如下的连串反应均为一级，假设如下的连串反应均为一级，P P为目的产物为目的产物在连续釜式反应器进行上述连串反应，最佳空时（不是在连续釜式反应器进行上述连串反应，最佳空时（不是反应时间）和最佳收率又怎样呢？首先依据物料衡算反应时间）和最佳收率又怎样呢？首先依据物料衡算式，有式，有得到：得到：最佳空时和最佳收率最佳空时和最佳收率目的产物收率与转化率的关系可以表示为：目的产物收率与转化率的关系可以表示为：最佳收率为：最佳收率为：由设计方程得：由设计方程得：对于间歇釜式反应器，则有：对于间歇釜式反应器，则有：图例间
29、歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别间歇釜式反应器和连续釜式反应器性能的差别 图图 3.12 间歇及连续釜式反应器进行连串反应间歇及连续釜式反应器进行连串反应 时的转化率和收率时的转化率和收率 YP,间歇 YP,连续关注最大收率的轨迹线 应当留意的问题应当留意的问题n 可以通过变更操作温度的方法来变更可以通过变更操作温度的方法来变更k2/k1 的相的相对大小，但无论对大小，但无论E2和和E1相对大小如何，一般接受相对大小如何，一般接受较高的反应温度，以提高反应器的生产程度；较高的反应温度，以提高反应器的生产程度；n 可以运用催化剂来变更可以运用催化剂来变更k2/k1。n当然，假如当然，假如Q
30、是目的产物，问题就简洁多了。接受是目的产物，问题就简洁多了。接受反应时间反应时间t、空时、空时的方法即可。的方法即可。3.7 3.7 半间歇釜式反应器（自学）半间歇釜式反应器（自学）内容驾驭：内容驾驭：特点、应用场合；特点、应用场合；反应物、产物浓度变更特点；反应物、产物浓度变更特点；问题提出：问题提出：（没有体积功）（没有体积功）间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温间歇釜式反应器做到等温操作很困难，当热效应小时，近似等温可以办到，假如热效应大时，很难做到；可以办到，假如热效应大时，很难做到；温度会影响到温度会影响到 和反应器的生产强度等和反应器的生产强度等,很多时候变温的
31、效果更好。很多时候变温的效果更好。对于封闭物系，如不考虑轴功则有：对于封闭物系，如不考虑轴功则有：运用运用 更为便利更为便利选择衡算的限制体为整个反应器。选择衡算的限制体为整个反应器。dt 时间内，物系与外界交换热时间内，物系与外界交换热量为量为dq，焓变为，焓变为dH；在；在 t 时刻，温度为时刻，温度为T，而在，而在t+dt 时刻，温时刻，温度为度为T+dT。由于焓变与过程无关，假定反应在基准温度。由于焓变与过程无关，假定反应在基准温度Tr下进下进行，则：行，则：3.8 3.8 变温间歇釜式反应器变温间歇釜式反应器留意：留意：反应热是对关键组分反应热是对关键组分A的反应热，而且是在基准温度
32、下的值。的反应热，而且是在基准温度下的值。与外界的热交换为：与外界的热交换为：dq=UAh（Tc-T）dt 式中，式中，U为总传热系数，为总传热系数，Ah传热面积，传热面积，Tc为换热介质温度。这样为换热介质温度。这样结合上面各式，有结合上面各式，有 (dH)(dq)TcT 向系统供热；TcT 向外界移热。无论是吸热还是放热，开工时都须要先加热。积分上式得：积分上式得：几种特殊状况几种特殊状况 等温操作：等温操作：dT=0，绝热操作：绝热操作：A0，间歇反应器物料衡算式：间歇反应器物料衡算式：结合结合(1)(2)得到得到dT与与dXA的关系为的关系为：温度T的限制很重要，假如限制不住，反应热不
33、能刚好移走，会导致反应物系温度急剧上升，严峻的会产生爆炸。如苯的硝化反应就是一例。(1)(2)连续釜式反应器（连续釜式反应器（CSTR）内物料的温度和浓度均一。）内物料的温度和浓度均一。若达到定态操作，若达到定态操作，T,C不再随时间变更，即此时不再随时间变更，即此时CSTR内的内的T 和和C不随位置变更，也不随时间变更，为定值。不随位置变更，也不随时间变更，为定值。CSTR的定态点，即操作的的定态点，即操作的T和和C由物料平衡和热量平衡确定。由物料平衡和热量平衡确定。一、一、CSTR的热量衡算式的热量衡算式连续釜式反应器是一个敝开物系流淌系统。在定态操作条件下，连续釜式反应器是一个敝开物系流
34、淌系统。在定态操作条件下，依据流淌系统的热力学第确定律，可以得到整个反应体积的热依据流淌系统的热力学第确定律，可以得到整个反应体积的热量衡算式量衡算式 d H=d q H 系统的焓变，包括两个部分系统的焓变，包括两个部分 进出料液的焓变进出料液的焓变H1、H3；化学反应热效应化学反应热效应H2 3.9 3.9 连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作 H=H1+H2+H3留意：留意：H 为状态函数，只与起始状态有关。为状态函数，只与起始状态有关。我们可以以进料温度我们可以以进料温度T0为基准温度下进行，基准温度下进行，则与间歇操作相同，可以得到则与间歇操作相同，可以得到CSTR的热衡算
35、式为的热衡算式为：结合结合物料衡算式，物料衡算式，有有 Vr（-RA）=Q0CA0XA，代入上式：代入上式：称为绝热温升称为绝热温升绝热温升意义：当反应物系中的绝热温升意义：当反应物系中的A全部转化时，物系全部转化时，物系温度上升温度上升(放热放热)或降低或降低(吸热吸热)的度数。的度数。其中其中绝热操作：绝热操作：A0，则有：则有：将上式代入热衡算式将上式代入热衡算式 二、二、定态操作定态操作现仅针对一级不行逆放热反应看一下现仅针对一级不行逆放热反应看一下CSTR的定态点问题，此时的定态点问题，此时CSTR物料衡算式为物料衡算式为或或则仅当则仅当qrqg时（交叉时）才能够达到定态。时（交叉时
36、）才能够达到定态。由于由于qr T 线性关系，线性关系，qg T 为非线性关系，即交为非线性关系，即交点可能是一个，二个或三个，那么有可能出现下面点可能是一个，二个或三个，那么有可能出现下面两种状况：两种状况：生热速率，生热速率，对对T 高度非线性关系高度非线性关系令：令：移热速率，对移热速率，对T 是线性关系是线性关系图中具有稳定性的定常态点：图中具有稳定性的定常态点：1、2、6、7、8不具有稳定性的定常态点：不具有稳定性的定常态点：3、4、5视察稳定的定态点及不稳定的定态点看出：视察稳定的定态点及不稳定的定态点看出：稳定定态点的必要条件是：稳定定态点的必要条件是：（又称为斜率条件）（又称为
37、斜率条件）(2)变更其它条件之一，变更其它条件之一，Tc或或Q0a.Tc 变更结果与变更结果与To 变更相像，可以得到类似的结果变更相像，可以得到类似的结果b.但假如但假如Q0 变更，变更，Vr/Q0 也变更。也变更。qrT 的斜率，截距的变更的斜率，截距的变更qgT 的曲线发生变形的曲线发生变形(1)其它条件不变，只变更进料温度其它条件不变，只变更进料温度T0To截距截距截距直线向右方向移动截距直线向右方向移动为什么是必要条件？缘由是当变更其它条件时，操作点（交叉点）为什么是必要条件？缘由是当变更其它条件时，操作点（交叉点）会随之变更，并不能达到稳定！如会随之变更，并不能达到稳定！如Tc 随
38、时间变更等等随时间变更等等概念题概念题1.在间歇或连续釜式反应器中进行一级不行逆连串在间歇或连续釜式反应器中进行一级不行逆连串反应，假如中间的产物是所要的目的产物，在两反应，假如中间的产物是所要的目的产物，在两种反应器中目的产物的收率均随转化率变更。两种反应器中目的产物的收率均随转化率变更。两种反应器中目的产物的收率符合：种反应器中目的产物的收率符合：A.间歇釜式反应器中的收率大间歇釜式反应器中的收率大 B.连续釜式反应器中的收率大连续釜式反应器中的收率大 C.两者相等两者相等 D.依具体状况确定依具体状况确定 2.对于变温间歇釜式反应器和连续釜式反应器，在绝对于变温间歇釜式反应器和连续釜式反
39、应器，在绝热反应条件下具有相同的温度随转化率的变更关系热反应条件下具有相同的温度随转化率的变更关系式。对于连续釜式反应器，该关系式表示：式。对于连续釜式反应器，该关系式表示：A.不同时间下转化率与温度的关系不同时间下转化率与温度的关系 B.不同轴向位置上温度与转化率的关系不同轴向位置上温度与转化率的关系 C.不同径向位置上温度与转化率的关系不同径向位置上温度与转化率的关系 D.反应器中温度与转化率的关系反应器中温度与转化率的关系 3.假如选择性随转化率的增加而下降，那么不同操作假如选择性随转化率的增加而下降，那么不同操作方式下的釜式反应器，在相同的转化率下最终收率方式下的釜式反应器，在相同的转
40、化率下最终收率的大小的依次是：的大小的依次是：A.间歇釜、多个釜串联、单一连续釜间歇釜、多个釜串联、单一连续釜 B.多个釜串联、单一连续釜、间歇釜多个釜串联、单一连续釜、间歇釜 C.单一连续釜、间歇釜、多个釜串联单一连续釜、间歇釜、多个釜串联 D.间歇釜、单一连续釜、多个釜串联间歇釜、单一连续釜、多个釜串联 4.连续釜式反应器操作中存在着火点和熄火点问题，连续釜式反应器操作中存在着火点和熄火点问题，无论是着火点还是熄火点，均是由于釜式反应器中无论是着火点还是熄火点，均是由于釜式反应器中存在的存在的 A.多定态问题多定态问题 B.稳定的定态点问题稳定的定态点问题 C.A和和B两者的综合两者的综合 D.都不是都不是 5.在实际生产中，有时须要对釜式反应器进行并联操在实际生产中，有时须要对釜式反应器进行并联操作。若要达到最佳效果，对并联的各釜有确定的要作。若要达到最佳效果，对并联的各釜有确定的要求，即：求，即：A.各釜体积相等各釜体积相等 B.各釜进料流量相同各釜进料流量相同 C.各釜的空时相同各釜的空时相同 D.都不是都不是