化学反应工程教案4化工13胡江良

1、化学反应工程 课程教案课次4课时2课 型（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他授课题目（教学章、节或主题）：第1章 均相单一反应动力学和理想反应器1.4 等温条件下理想反应器的设计分析1.5 非等温条件下理想反应器的设计分析教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1.掌握等温条件下理想反应器（间歇、平推流、全混流）设计方程2.掌握理想反应器（间歇、平推流、全混流）定义及特性3.理解膨胀因子、膨胀率的概念4.掌握理想反应器的热量衡算方程及其应用教学重点及难点：重点：理想反应器（间歇、平推流、全混流）设计方程及热量衡算方程。难点：热量衡算方程及其应用。教 学 基 本 内 容方法及手段1

2、.4 等温条件下理想反应器的设计分析反应器设计计算所涉及的基础方程是反应动力学方程、物料衡算方程、热量衡算方程的结合。对于等温、恒压过程，一般只需动力学方程式结合物料衡算就足够了。这里，结合物料衡算与热量衡算讨论三种比较简单的理想反应器（间歇、平推流、全混流）的计算。1.4.1间歇操作的充分搅拌槽式反应器（Batch Reactor BR）间接操作的充分搅拌反应器又称为间歇反应器，通常都设有夹套或盘管以便加热或冷却釜内的反应物料，控制反应温度。充分混合是指反应器内的物料在机械搅拌的作用下参数（温度及浓度）各处均一。间歇操作的缺点：存在非反应时间，产物损失较大，操作费用高，通常用于产值高、批量小

3、的产物如药品和精细化工产品等的生产。（1） 间歇反应器的特性：由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；出料组成与反应器内物料的最终组成相同；为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。（2） 间歇反应器设计方程反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：或者：A流入量 = A流出量 + A反应量 + A累积量该式为间歇反应器设计计算的通式，可用于均相、多相，等温或非等温过

4、程。 由上式，只要已知反应动力学方程就能计算反应时间。一般采用数值积分或图解法。 已知动力学数据1/rAxA 曲线，然后求取xA0xAf之间曲线下的面积即为t/CA0。 同样也可作出 1/rAcA 曲线，然后求取cA0cAf之间曲线下的面积即为反应时间t.BR中，达到一定转化率所需反应时间，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关，故动力学方程常在间歇反应器内进行测定。 平推流反应器（理想置换反应器Piston/Plug Flow Reactor，PFR）ü 1、平推流反应器的定义和特性 1）定义：通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，象活塞一样在反应器中向前

5、推进，故又称为活塞流或平推流反应器。Piston/Plug Flow Reactor 2）特性： A、物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化； B、任一截面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化； C、反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同，返混02、平推流反应器的设计方程 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：微元体积dVR 在单位时间内对A作物料衡算： A流入量A流出量A反应量A累积量 或：进入量-排出量-反应量=累积量 若以下标0代表进入系统的物料转化率为0的状态，xA1代表进入该反应器时物料A的转化率，xA2代表离开该反应器时物料A的转化率，这

6、样，上式就可一般表达为： 对于恒容过程 :3、等温变容过程1)、膨胀因子定义：每转化1mol的A时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子。 摩尔数增加等分子数反应， 摩尔数减少2)、膨胀率 (epsilon)定义：反应物A全部转化后系统体积的变化分率，即：注意：不仅涉及到计量关系，还涉及到A组分的起始摩尔分数。、全混流反应器（全混釜，连续流动充分搅拌槽式反应器，CSTR）1、定义及特性 全混流反应器是指反应器内物料流动状况符合全混流模型的反应器。在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即使得反应器内各处物料的温度、浓度都相同，反应器内流

7、动状况接近全混流。 2、特性A、反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数。B、物料参数不随时间而变化；C、反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化。D、返混优点： 连续操作，不存在间歇操作所需要的辅助时间，可用于产量大的产品； 定态操作，容易实现自动化控制，操作简单，节省人力； 原料加入后，立即与釜内物料均匀混合，不存在热量积累而引起的局部过热，可适用于对温度敏感的化学反应，不会引起副反应； 釜内物料容量大，进料条件发生波动时，釜内反应条件不会有明显变化，稳定性好。2、基本设计方程 1）反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（VR），（由于各处

8、物料均一）稳定状态： A流入量A流出量A反应量0当进口转化率为0时，有：若以下标0代表进入系统的物料转化率为0的状态，则： 第五节、非等温条件下理想反应器的设计分析在等温条件下，动力学方程的反应速率常数是定值，根据动力学方程并结合物料衡算，即可确定反应器的大小；但如果反应过程中涉及到热量交换，放热量/吸热量将是变化的，需要随时调节反应器与外界的热交换量，这就必须靠热量衡算来解决。对于非等温反应器，热量衡算是设计计算中不可缺少的。而对于不同类型的反应器，其热量衡算是不相同的。一、间歇反应器的热量衡算二、PFR中的热量衡算物料衡算：热量衡算：动力学方程：等温过程： 绝热过程： 令： 称为绝热温升，即：在绝热条件下组分A完全反应时物料的温升。 lambda三、全混流反应器的热量衡算 衡算基准：反应器的有效容积VR结合物料衡算及化学反应动力学方程便可求解非等温条件下CSTR的设计计算问题。讲解作业、讨论题、思考题：1、名词解释：膨胀因子、膨胀率以及其与组分浓度、摩尔分数和分压之间的关系、理想反应器的设计方程2、练习题