化学反应过程与设备(反应器设计和优化)

1、项目项目2 反应器设计和反应器设计和优化优化2 问题：问题： 1 反应器设计的任务是什么？ 2 如何完成反应器的设计任务？ 3 什么是反应器的优化？ 4 如何进行反应器的优化？3任务1 间歇操作釜式反应器设计工作任务：工作任务： 根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器的设计。反应器的设计。解决思路：解决思路： 根据反应特性和工艺要求初步选定反应器类型后，然后计根据反应特性和工艺要求初步选定反应器类型后，然后计算出反应器的算出反应器的有效体积有效体积，进而算出，进而算出反应器体积反应器体积，并根据国家，并根据国家或行业化工设备标准进

2、行选型。或行业化工设备标准进行选型。4一、反应器中的流体流动模型流动模型流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。反应器中是对反应器中流体流动与返混状态的描述。反应器中流体的流动模型是针对连续过程而言的。流体的流动模型是针对连续过程而言的。理想流动理想流动模型模型理想置换流动模型理想置换流动模型理想混合流动模型理想混合流动模型特点：没有返特点：没有返混，或者返混混，或者返混量为零；垂直量为零；垂直于流动方向任于流动方向任一横截面上物一横截面上物料的所有参数料的所有参数都相同；而沿都相同；而沿流动方向上连流动方向上连续变化。续变化。理想置换的适理想置换的适用条件？用条件？特点：返混量为无穷大

3、；反应釜特点：返混量为无穷大；反应釜内物料的各种参数完全一致；存内物料的各种参数完全一致；存在停留时间分布。在停留时间分布。理想混合的适用条件？理想混合的适用条件？5反应器内反应物的浓度变化：反应器内反应物的浓度变化：理想混合流动理想混合流动理想置换流动理想置换流动6返混及其返混及其影响影响l返混返混不是一般意义上的混合，而是不是一般意义上的混合，而是专指不同时刻进入专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。不同年龄质点之间的混合。l返混带来的最大影响是反应器进口处反应物高浓度区返混带来的最大影响是反应器

4、进口处反应物高浓度区的消失或降低。的消失或降低。返混改变了反应器内的浓度分布，产生停留时间分布，返混改变了反应器内的浓度分布，产生停留时间分布，对反应过程、结果和反应器的工程放大产生影响。对反应过程、结果和反应器的工程放大产生影响。l降低返混程度的措施降低返混程度的措施：分割。：分割。分为横向分割和纵向分分为横向分割和纵向分割。割。常见例子：连续多釜串联、高径比的流化床设挡板等。常见例子：连续多釜串联、高径比的流化床设挡板等。思考：思考：间歇反应器、理想置换反应器、理想混合反应器的返混情况？间歇反应器、理想置换反应器、理想混合反应器的返混情况？7非理想非理想流动流动实际工业反应器中物料偏离理想

5、置换和理想混合的流实际工业反应器中物料偏离理想置换和理想混合的流动统称为非理想流动。动统称为非理想流动。实际反应中流动状况偏离理想流动的原因：实际反应中流动状况偏离理想流动的原因：l滞留区的存在滞留区的存在l存在沟流与短路存在沟流与短路l循环流循环流l流体流速分布不流体流速分布不均匀均匀l扩散扩散8 反应器中沟流、死角、短路的非理想流型举例: 9二、均相反应动力学基础1.基本概念宏观动力学：宏观动力学：研究宏观反应过程的动力学称为宏观动力学。研究宏观反应过程的动力学称为宏观动力学。宏观反应过程：宏观反应过程：化学反应过程与质量、热量和动量传递过化学反应过程与质量、热量和动量传递过程同时进行，也

6、即化学反应与物理变化过程的综合，称为程同时进行，也即化学反应与物理变化过程的综合，称为宏观反应过程。宏观反应过程。本征动力学：本征动力学：排除了一切物理传递过程的影响而得到的反应排除了一切物理传递过程的影响而得到的反应动力学，称为化学动力学或本征动力学。动力学，称为化学动力学或本征动力学。102.化学反应速率的表达aAbBrRsS 2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应：对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应：1iid nrVd ,1AAdtdnVr,1BBdtdnVr,1RRdtdnVr ,1ssdtdnVr反应物：反应物：产物：产物：重重点点11snnrnnbnnannSSRRBBA

7、A0000rSrrrbrarSRBAdtdVr1因为因为故更为一般的速率表达式：故更为一般的速率表达式：由反应进度可得由反应进度可得：2.2均相反应速率其他形式的表达：均相反应速率其他形式的表达：A、流动系统：、流动系统：iiRdFrdV 稳态过程：稳态过程：dtdnVvrii112iidcrd iidPrd B、恒容过程：、恒容过程：C、气相反应：、气相反应：2.3非均相反应速率的表达：非均相反应速率的表达：一般以相界面为基准定义：一般以相界面为基准定义：dtdrS1 13,.)(BAicckfr 3.3.化学反应动力学方程化学反应动力学方程动力学动力学方程：方程：影响反应影响反应速率的因素

8、：速率的因素：动力学方程动力学方程的一般表达：的一般表达：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式。的关系式。温度、组成、压力、溶剂性质、催化剂性质等。温度、组成、压力、溶剂性质、催化剂性质等。恒温时恒温时),(Tcfri14反应速率常数反应速率常数k:0exp()EkART浓度对反应速率的影响浓度对反应速率的影响:幂函数型幂函数型:双曲函数型双曲函数型:15思考题1.理想置换和理想混合流动模型各有什么特征？理想置换和理想混合流动模型各有什么特征？2.何谓返混？产生返混的原因有哪些？何谓返混？产生返混的原因有哪些？3.返混对反应过程有什么影响？工程中

9、如何降低返混程度？返混对反应过程有什么影响？工程中如何降低返混程度？4.什么是反应速率？写出均相系统反应速率表达式。什么是反应速率？写出均相系统反应速率表达式。164.均相反应动力学均相反应：均相反应：均一的液相或气相中进行的化学反应。均一的液相或气相中进行的化学反应。均相反应均相反应动力学：动力学：不计过程物理因素的影响，仅研究化学本身的速不计过程物理因素的影响，仅研究化学本身的速率规律，也即研究浓度、温度以及催化剂等因素率规律，也即研究浓度、温度以及催化剂等因素对化学反应速率的影响。对化学反应速率的影响。对均相不可逆反应：对均相不可逆反应：17对于气相反应，常以分压表达：对于气相反应，常以

10、分压表达：速率常数速率常数kp：5.基本概念：基本概念：（1）单一反应与复杂反应）单一反应与复杂反应单一反应：只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能表示的反应。单一反应：只用一个化学反应式和一个动力学方程式便能表示的反应。复杂反应：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。复杂反应：有几个反应同时进行，要用几个动力学方程式才能加以描述。常见的复杂反应有：连串反应、平行反应、平行常见的复杂反应有：连串反应、平行反应、平行-连串反应等。连串反应等。18（2）基元反应与非基元反应：基元反应与非基元反应：基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反基元反应：如果反应物

11、分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。应为基元反应。 非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。反应。（3）单分子、双分子和三分子反应单分子、双分子和三分子反应单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分

12、子反应。（4）反应级数反应级数反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以是整数、分数，也可以是负数。是整数、分数，也可以是负数。19理解反应级数需要注意之点：理解反应级数需要注意之点：反应级数不同于反应级数不同于反应的分子数分子数，前者是在动力学意义上讲的，后者是前者是在动力学意义上讲的，后者是在计量化学意义上讲的。在计量化学意义上讲的。 对基元反应，反应级数基元反应，反应级数 即等于化学反应式的计量系数值，即等于化学反应式的计量系数值，而对非基元反应，应通过实验来确定。基元反应，应通过实验来确定。

13、b.反应级数高低并不单独决定反应速率的快慢，反应级数只反映反应速率对反应级数高低并不单独决定反应速率的快慢，反应级数只反映反应速率对浓度的敏感程度。级数愈高，浓度对反应速率的影响愈大。浓度的敏感程度。级数愈高，浓度对反应速率的影响愈大。（5 5）反应速率常数）反应速率常数k k和活化能和活化能E E反应速率常数反应速率常数k kk k就是当反应物浓度为就是当反应物浓度为1 1时的反应速率，又称反应的比速率。时的反应速率，又称反应的比速率。k k值大小直接决定了反应速率的高低和反应进行的难易程度。不同的反应有不同值大小直接决定了反应速率的高低和反应进行的难易程度。不同的反应有不同的反应速率常数，

14、对于同一个反应，速率常数随温度、溶剂、催化剂的变化而的反应速率常数，对于同一个反应，速率常数随温度、溶剂、催化剂的变化而变化。变化。k k随温度的变化规律符合阿累尼乌斯关系式随温度的变化规律符合阿累尼乌斯关系式： 0exp()EkART12, 20活化能活化能E E反应活化能是为使反应物分子反应活化能是为使反应物分子“激发激发”所需的能量。所需的能量。活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行；活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行；活化能低，则容易进行。活化能低，则容易进行。但是活化能但是活化能E E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与

15、频率因子不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A A0 0共同决定反应共同决定反应速率。速率。 理解活化能时应注意之点：理解活化能时应注意之点：a.a.活化能活化能E E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。b.b.活化能活化能E E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。E E愈大，温度对

16、反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温度的上升而加快。度的上升而加快。E E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。c.c.对于同一反应，即当活化能对于同一反应，即当活化能E E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的升高而降低。升高而降低。216.均相单一反应动力学方程aA bBrRsS 对单一反应：对单一反应：动力学方程表达式：动力学方程表达式：12iABrkc c6.1恒温恒容不可逆一级反应：恒温恒容不可逆一级反应：恒容

17、过程：恒容过程：液相反应或反应前后无物质的量变化的气相反应。液相反应或反应前后无物质的量变化的气相反应。22工业上许多有机化合物的热分解和分子重排反应等都是常见的一级不可逆反应；工业上许多有机化合物的热分解和分子重排反应等都是常见的一级不可逆反应；或有二个反应物参与的反应，若其中某一反应物极大过量，则该反应物浓度在反或有二个反应物参与的反应，若其中某一反应物极大过量，则该反应物浓度在反应过程中无多大变化，可视为定值而并入反应速率常数中。此时如果反应速率对应过程中无多大变化，可视为定值而并入反应速率常数中。此时如果反应速率对另一反应物的浓度关系为一级，则该反应仍可按一级反应处理另一反应物的浓度关

18、系为一级，则该反应仍可按一级反应处理。一级反应的动力学方程式：一级反应的动力学方程式：初始条件：初始条件：分离变量积分：分离变量积分：()AAAdcrkcd 00AAcc0AAcAcAdckc 23恒温条件下，恒温条件下，k为常数，积分得：为常数，积分得：用转化率表示得：用转化率表示得：0lnAAckc0kAAcc e1ln1Akx一级不可逆反应的几个重要特征：一级不可逆反应的几个重要特征： （1）.速率常数的单位：时间单位的倒数；（速率常数的单位：时间单位的倒数；（2）.浓度的对数与反应时间成线浓度的对数与反应时间成线性关系；（性关系；（3）.反应时间长短仅与转化率高低有关，与初始浓度大小无

19、关。反应时间长短仅与转化率高低有关，与初始浓度大小无关。6.2恒温恒容不可逆二级反应：恒温恒容不可逆二级反应：两种情况：只有一种反应物且为二级反应；或者是其它反应物大量存在，因而在两种情况：只有一种反应物且为二级反应；或者是其它反应物大量存在，因而在反应过程中可视为常量；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级反应过程中可视为常量；另一种是对某一反应物为一级，对另一反应物也是一级，二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，可归结为第一种情况。，二反应物初始浓度相等且为等分子反应时，可归结为第一种情况。24动力学方程式：动力学方程式：初始条件：初始条件：2()AAAdcrkcd 00AAcc

20、恒温条件下，恒温条件下，k为常数，分离变量积分得：为常数，分离变量积分得：011AAkcc用转化率表示得：用转化率表示得：01AAAxckx001AAAccck或者或者二级不可逆反应的两个重要特征：二级不可逆反应的两个重要特征： （1 1）. .速率常数的单位：？速率常数的单位：？（2 2）. .浓度的倒数与反应时间成线性关系浓度的倒数与反应时间成线性关系256.3其他级数的恒温恒容不可逆反应：其他级数的恒温恒容不可逆反应：方法：方法：只要知道其反应动力学方程，代入式只要知道其反应动力学方程，代入式 ，积分，积分即可求得结果。即可求得结果。0()AAcAcAd cr 26思考题1.什么是化学动

21、力学方程？怎样理解什么是化学动力学方程？怎样理解“反应级数表明浓度对反应级数表明浓度对反应速率的敏感程度反应速率的敏感程度“，”活化能表明温度对反应速率的敏感活化能表明温度对反应速率的敏感程度程度“？2.说明反应热与活化能的区别。说明反应热与活化能的区别。3.试写出间歇反应系统中，恒温恒容试写出间歇反应系统中，恒温恒容0级、级、1级、级、2级不可逆级不可逆反应的积分式。反应的积分式。27例题介绍：例题介绍：解：由解：由 ，将反应物的初始浓度，速率常数，将反应物的初始浓度，速率常数k和反应时间带入上式和反应时间带入上式0kAAcc e28转化率计算，由转化率计算，由 ，得：，得：1l n1Akx

22、29反应时间计算，由反应时间计算，由 ，得：，得：1l n1Akx解：由解：由 , ,011AAkcc带入数据可得：带入数据可得：30结论：结论：对对n n级反应：级反应： 当当n n1 1时，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间减少；时，达到同样转化率，初始浓度提高，反应时间减少；当当n n1 1时，初始浓度提高时要达到同样转化率，反应时间增加。对时，初始浓度提高时要达到同样转化率，反应时间增加。对 n n1 1的反应，反应时间达到某个值时，反应转化率可达的反应，反应时间达到某个值时，反应转化率可达100%100%。而而n1n1的反应，反应转化率达的反应，反应转化率达100%100%，所需

23、反应时间为无限长。，所需反应时间为无限长。这表明反应级数这表明反应级数n ln l的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。高的反应，大部分反应时间是用于反应的末期。高转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。转化率或低残余浓度的要求会使反应所需时间大幅度地增加。100(1)AxnAAnAdxckx31解题思路：解题思路：根据题意恒温恒容一级不可逆均相反应，求反应一定时间后物料的残余浓度根据题意恒温恒容一级不可逆均相反应，求反应一定时间后物料的残余浓度，故选择公式，故选择公式 解题较简便。解题较简便。对于多组分单一反应，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系对于多组分单一反应

24、，反应物的反应量与产物的生成量之间有化学计量关系的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。的约束，可以根据它们的化学计量关系推导出它们反应过程中的浓度关系。引申知识点：引申知识点：对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应对二级反应，要求残余浓度很低时，尽管初始浓度相差很大，但所需的反应时间却相差很少。时间却相差很少。0kAAcc e6.4恒温变容不可逆反应：恒温变容不可逆反应：膨胀因子膨胀因子A A：当反应物质当反应物质A每反应每反应1mol时，引起整个系统物质的时，引起整个系统物质的量的变化量。量的变化量。32设系统中各气体性质符合理想气体定

25、律，则有：设系统中各气体性质符合理想气体定律，则有：)1 ()1 (0000AAAAAAttxyVxynPRTnPRTV浓度浓度cA与转化率与转化率xA的关系：的关系：恒容过程恒容过程A=？cA=?33将以上各式带入反应速率方程，可得：将以上各式带入反应速率方程，可得：将以上动力学方程带入将以上动力学方程带入 即可求得结果。即可求得结果。0()AAcAcAd cr 思考：思考：反应速率用分压如何表达？反应速率用分压如何表达？34恒温变容过程速率方程的积分式恒温变容过程速率方程的积分式357.复杂反应动力学方程复杂反应动力学方程复杂反应：复杂反应：可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产

26、物之可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之间也在发生化学反应回复为原料。间也在发生化学反应回复为原料。平行反应：相同反应物可同时按多个反应方向进行反应，平行反应：相同反应物可同时按多个反应方向进行反应，生成不同的产物。生成不同的产物。连串反应：反应物发生反应生成产物，该产物并非最终连串反应：反应物发生反应生成产物，该产物并非最终产物，还能进一步转化为别的产物。产物，还能进一步转化为别的产物。ABRSRSABARS36反应系统中同时进行可逆反应、平行反应、连串反应，该系反应系统中同时进行可逆反应、平行反应、连串反应，该系统进行的反应称为复合复杂反应。统进行的反应称为复合复杂反应。复

27、合复合复杂反应：复杂反应：ABC+DA+CEDR+S+复杂反应的动力学方程：复杂反应的动力学方程：复杂反应的动力学方程通常采用下述方法进行计算：复杂反应的动力学方程通常采用下述方法进行计算：将复杂反应分解为若干个单一反应，并按单一反应过程求得各自的动力学方程；将复杂反应分解为若干个单一反应，并按单一反应过程求得各自的动力学方程；在复杂反应系统中，某一组分对化学反应的贡献通常用该组分的生成速率来表示。在复杂反应系统中，某一组分对化学反应的贡献通常用该组分的生成速率来表示。某组分可能同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个单某组分可能同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是

28、它在各个单一反应中的生成速率之和，即：一反应中的生成速率之和，即：1MIIj I jjrr37 组分组分I I第第j j反应的反应生成速率；反应的反应生成速率； 组分组分I I在第在第j j个反应中的化学计量系数；个反应中的化学计量系数；I jrIj例例2-3： 解题思路：解题思路：1 1、能正确将复合复杂反应分解为简单反应；、能正确将复合复杂反应分解为简单反应； 2 2、某组分若同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个、某组分若同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是它在各个单一反应中的生成速率之和。加和计算时注意不要搞错符号，漏掉化学计量单一反应中的生成速率之和。加

29、和计算时注意不要搞错符号，漏掉化学计量系数。系数。38解：首先将复合复杂反应解：首先将复合复杂反应分解分解为简单反应，求出各自的动力学方程。为简单反应，求出各自的动力学方程。反应一反应一 ：反应二反应二 ：反应三反应三 ：1kABC 11111ABCABrrrrk c c 2kCAB 22222CABCrrrrk c 32kACD 2333332ACDA Crrrrk c c 计算各组分计算各组分的生成速率：的生成速率：212312312AAAAAABcA Cdnrrrrk c ck ck c cV dt 3912121BBBBABCdnrrrk c ck cVdt 思考题：思考题：1.何谓变

30、容过程？膨胀因子的定义及其物理意义是什么？何谓变容过程？膨胀因子的定义及其物理意义是什么？2.什么是复杂反应？复杂反应通常分哪几种类型？什么是复杂反应？复杂反应通常分哪几种类型？ 40三、反应器计算的基本内容和基本方程 1.反应器计算的基本内容反应器计算的基本内容（1）选择合适的反应器类型：根据反应系统动力学特性，结合反应器的流动）选择合适的反应器类型：根据反应系统动力学特性，结合反应器的流动特征和传递特性，进行选择。特征和传递特性，进行选择。（2）确定最优的操作条件：进口物料配比、流量、温度和最终转化率等。）确定最优的操作条件：进口物料配比、流量、温度和最终转化率等。（3）计算所需的反应器体

31、积）计算所需的反应器体积反应器工艺计算的核心。反应器工艺计算的核心。 2.反应器计算的基本方程反应器计算的基本方程（1）物料）物料衡算式：衡算式：理论基础：质量守恒定律。理论基础：质量守恒定律。描述反应物浓度或转化率随描述反应物浓度或转化率随反应时间或反应器位置而变化的关系式。反应时间或反应器位置而变化的关系式。衡算范围（控制体积）的选取原则：衡算范围（控制体积）的选取原则：以能把化学反应速率以能把化学反应速率视为定值的最大空间范围作为控制体积。视为定值的最大空间范围作为控制体积。可以任一组分进行衡算。可以任一组分进行衡算。但一般选择不过量的组分建立衡但一般选择不过量的组分建立衡算式。算式。4

32、1的累积量体积内反应物微元时间微元的反应物量体积内转化掉微元时间微元的反应物量离开微元体积微元时间内的反应物量进入微元体积微元时间内物料衡算的普遍式：物料衡算的普遍式： 对间歇系统、连对间歇系统、连续系统、半间续系统、半间歇系统该如何歇系统该如何划简？划简？（2）热量）热量衡算式：衡算式：理论基础：能量守恒与转换定律。理论基础：能量守恒与转换定律。描述温度随反应时间或描述温度随反应时间或反应器位置而变化的关系式。反应器位置而变化的关系式。衡算范围（控制体积）的选取原则：衡算范围（控制体积）的选取原则：？热量体积内累积的微元时间微元或载热体的热量体积传递至环境微元时间微元产生的热量体积内由于反应

33、微元时间微元所带出的热量微元体积的物料微元时间内离开所带入的热量微元体积的物料微元时间内进入热量衡算普遍式。热量衡算普遍式。对间歇系统、连续系统、绝热系统该如对间歇系统、连续系统、绝热系统该如何划简？何划简？ 42（3）动量衡算式）动量衡算式理论基础：动量守恒与转化定律理论基础：动量守恒与转化定律描述反应器的压力变化，适用于气相反应进出口压差很大，以致影响反应组分描述反应器的压力变化，适用于气相反应进出口压差很大，以致影响反应组分浓度。浓度。 （4 4）动力学方程式）动力学方程式均相反应：本征动力学均相反应：本征动力学非均相反应：宏观动力学非均相反应：宏观动力学思考题：思考题：1.反应器计算的

34、基本内容是什么？反应器计算的基本内容是什么？ 2.反应器计算的基本方程包括哪几个？反应器计算的基本方程包括哪几个？43四、间歇操作釜式反应器体积和数量计算思路：思路：由物料衡算确定出每小时需处理的物料体积后，即可进行反由物料衡算确定出每小时需处理的物料体积后，即可进行反应釜体积应釜体积V和数量和数量n的计算。计算时，两个变量中必须先确的计算。计算时，两个变量中必须先确定一个，再计算另一个。定一个，再计算另一个。1.给定给定V，求，求n每天需操作的批次：每天需操作的批次： 每天每只反应釜可操作的批次：每天每只反应釜可操作的批次： 生产中需要的反应釜数量：生产中需要的反应釜数量： 圆整圆整 ，得，

35、得n。后备系数：后备系数： 2424Ttt002424RVVVV0()tt VnVnn44反应器有效体积反应器有效体积VR：) (0ttVVVR2.给定给定n ，求，求V00()()tt VV ttVnn45五、间歇操作釜式反应器的动力学计算法 间歇操作过程的特点：间歇操作过程的特点：非定态过程，物料性质、参数随时间变化。非定态过程，物料性质、参数随时间变化。物料衡算：物料衡算：范围如何选取？范围如何选取？虽然整个过程为非定态过程，但在任一瞬间，虽然整个过程为非定态过程，但在任一瞬间，反应器内各处的组成是均一的。应选整个反应器反应器内各处的组成是均一的。应选整个反应器进行衡算。进行衡算。普遍式

36、划简：普遍式划简：量内反应物的累积微元时间反应釜物量内转化掉的反应微元时间反应釜的反应物量离开反应釜微元时间内的反应物量进入反应釜微元时间内微元时间内转化掉的反应物量：微元时间内转化掉的反应物量：微元时间内反应物的累积量：微元时间内反应物的累积量：()ARr V dtAd n46所以，有所以，有0)(ARAdndtVr0AAAdnndx 又又带入上式积分得：带入上式积分得： 通式，通式，适用于任适用于任何间歇反何间歇反应过程。应过程。1.对恒温恒容的间歇反应，对恒温恒容的间歇反应，VR为常数，所以：为常数，所以：或者以浓度作为积分变量：或者以浓度作为积分变量：结论：结论：间歇操作釜式反应器达到

37、一定转化率需要的反应时间，只取决间歇操作釜式反应器达到一定转化率需要的反应时间，只取决于过程的反应速率，与反应器的大小无关。于过程的反应速率，与反应器的大小无关。AfAxxRAAAVrdxnt0)(0AfAxxAAArdxct0)(0AAccAArdct0)(47例例2-5解解：（：（1）计算反应时间：）计算反应时间：48反应器有效体积为：反应器有效体积为：492.非恒温恒容间歇反应非恒温恒容间歇反应 当反应热效应很大时，恒温困难；对于许多化学反应，恒温操作的效果不如当反应热效应很大时，恒温困难；对于许多化学反应，恒温操作的效果不如变温操作好。变温操作好。热量衡算（选整个反应釜空间）普遍式如何

38、划简？热量衡算（选整个反应釜空间）普遍式如何划简？热量内累积的微元时间体的热量至环境或载热微元时间传递产生的热量由于反应微元时间所带出的热量反应釜的物料微元时间内离开所带入的热量反应釜的物料微元时间内进入dVrRAA)(dTTKAS)(dTcmptt50即：即：整理得：整理得：联立物料衡算式：联立物料衡算式：积分：积分：当反应过程绝热：当反应过程绝热：或者或者绝热温升：绝热温升：00Ax0)()(dTcmdTTKAdVrpttsRAA51六、间歇操作釜式反应器直径和高度的计算23/1.2140.1314HDHHHHDVD HD所求得的圆筒高度及直径需要圆整，所求得的圆筒高度及直径需要圆整，并检

39、验装料系数是否合适。并检验装料系数是否合适。确定了确定了反应釜的主要尺寸后，其壁厚、反应釜的主要尺寸后，其壁厚、法兰尺寸以及手孔、视镜、工艺法兰尺寸以及手孔、视镜、工艺接管口等均可按工艺条件由标准接管口等均可按工艺条件由标准中选择。中选择。52七、设备之间的平衡什么情况下要求设备平衡？什么情况下要求设备平衡？当产品由多道工序经间歇釜反应而制得时，当前后工序设备之间不平衡当产品由多道工序经间歇釜反应而制得时，当前后工序设备之间不平衡时，就会出现前工序操作完了要出料，后工序却不能接受来料；或者，时，就会出现前工序操作完了要出料，后工序却不能接受来料；或者，后工序待接受来料，而前工序尚未反应完毕的情

40、况。这时将大大延长后工序待接受来料，而前工序尚未反应完毕的情况。这时将大大延长辅助操作的时间。辅助操作的时间。反应釜之间平衡的条件反应釜之间平衡的条件:为了便于生产的组织管理和产品的质量检验，通常要求不同批号的物料为了便于生产的组织管理和产品的质量检验，通常要求不同批号的物料不相混。各道工序每天操作的批次相同，即不相混。各道工序每天操作的批次相同，即 为一常数。为一常数。024VV如何根据平衡条件确定各工序反应器的大小和数量？如何根据平衡条件确定各工序反应器的大小和数量？计算时一般首先确定主要反应工序的设备体积、数量及每天操作批数，计算时一般首先确定主要反应工序的设备体积、数量及每天操作批数，

41、然后使其它工序的然后使其它工序的值都与其相同，再确定各工序的设备体积与数量。值都与其相同，再确定各工序的设备体积与数量。535455任务2 连续操作釜式反应器的计算工作任务：工作任务：根据化工产品的生产条件和工艺要求进行连续操作釜式反应根据化工产品的生产条件和工艺要求进行连续操作釜式反应器的工艺设计。器的工艺设计。连续操作釜式反应器的特点连续操作釜式反应器的特点:连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同，但连续操作釜式反应器的结构和间歇操作釜式反应器相同，但进出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反应器内加进出物料的操作是连续的，即一边连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把

42、反应产物引出反应器。这样的入反应物，同时连续不断地把反应产物引出反应器。这样的流动状况很接近理想混合流动模型或全混流模型。流动状况很接近理想混合流动模型或全混流模型。56连续操作釜式反应器适用于产量大的产品生产，特别适宜对温度敏感的化学反应。容易自动控制，操作简单，节省人力。稳定性好，操作安全。在连续操作釜式反应器内，过程参数与空间位置、时间无关，各处的物料组成和温度都是相同的，各处的物料组成和温度都是相同的，且等于出口处的组成和温度。且等于出口处的组成和温度。571.单个连续操作釜式反应器的计算单个连续操作釜式反应器的计算1）物料衡算：）物料衡算：即：即：又：又：所以：所以：58整理，得：整

43、理，得：基础设计式基础设计式592）求解方法）求解方法A、解析法、解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值由于反应器中的反应速率恒等于出口处值，因此结合反应动因此结合反应动力学方程，将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反力学方程，将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反应速率，将其代入基础设计式即得。应速率，将其代入基础设计式即得。如恒温恒容不可逆反应：如恒温恒容不可逆反应：n=1n=0AfAxck01)1 ()1 (00AfAfAfAAfAxkxxkcxcn=2202200)1 ()1 (AfAAfAfAAfAxkcxxkcxc60B、图解法、图解法例题介绍：例题介绍：6162min

44、4)()()(0000L/RPBAAARAAARAAARRccckcckcVccrVrccVVV632.多个串联连续操作釜式反应器的计算多个串联连续操作釜式反应器的计算为什么要采用为什么要采用NCSTR代替代替1CSTR？ 由于由于1CSTR存在严重的返混，降低了反应速率，同时容易在某些反存在严重的返混，降低了反应速率，同时容易在某些反应中导致副反应的增加。应中导致副反应的增加。为了降低逆向混合的程度，又发挥其优点，可采用为了降低逆向混合的程度，又发挥其优点，可采用NCSTR，这样可，这样可以使物料浓度呈阶梯状下降，有效提高反应速率；以使物料浓度呈阶梯状下降，有效提高反应速率；同时还可以在各釜

45、内控制不同的反应温度和物料浓度以及不同的搅拌和同时还可以在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。加料情况，以适应工艺上的不同要求。641）多个串联连续操作釜式反应器的基础设计式：）多个串联连续操作釜式反应器的基础设计式：对任意第对任意第i i釜内的反应物釜内的反应物A A进行物料衡算：进行物料衡算：)()()(1010AiAiAiAAiAiAiNiirxxcrccVVRiRVVi检验检验i=1i=1，n=1n=1)()(10110AAfAAAArxcrcc652）求解方法）求解方法A、解析法：、解析法：按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，

46、直至达到要求的转化率为止。6667B、图解法、图解法：适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（但只适于（-rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。步骤：步骤： 1、作出（、作出（-rA）-CA曲线曲线2、从起点、从起点CA = CA0出发，以出发，以-1/t1为斜率作直线，交曲线于一点，即第为斜率作直线，交曲线于一点，即第一釜的操作状态一釜的操作状态CA13、过点、过点(CA1，0)以以-1/t2为斜率作直为斜率作直线线,与曲线交点为第三釜操作点与曲线交点为第三釜操

47、作点.4、过点、过点(CAN-1,0)以以-1/tN为斜率作为斜率作直线直线,与曲线交点为第与曲线交点为第N釜操作点釜操作点CAN.则出口转化率则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知若已知CA0 、CAN 、N，求，求VR需用试需用试差法。差法。若各釜体积相同，则各直线斜率相同。若各釜体积相同，则各直线斜率相同。若各釜温度不同，则应分别作动力学若各釜温度不同，则应分别作动力学曲线，各釜直线分别与各自曲线相交。曲线，各釜直线分别与各自曲线相交。68如已知处理量如已知处理量V0、初始浓度、初始浓度CA0和要求的最终转化率和要求的最终转化率xAN，采用相同体积，采用相同体积VR，的理想

48、连，的理想连续釜式反应器串联操作，求其串联的只数。续釜式反应器串联操作，求其串联的只数。已知处理量已知处理量V0 、初始浓度、初始浓度CA0和最终转化率和最终转化率xAN ，要求确定串联连续操作釜式反应器的，要求确定串联连续操作釜式反应器的只数和各釜的有效体积。只数和各釜的有效体积。如果串联的各釜式反应器操作温度不同，就需要绘出各釜操作温度下的动力学曲线，并分如果串联的各釜式反应器操作温度不同，就需要绘出各釜操作温度下的动力学曲线，并分别与相对应的操作线得出交点，同时满足各釜动力学方程式和物料衡算式的要求。别与相对应的操作线得出交点，同时满足各釜动力学方程式和物料衡算式的要求。如果串联的各釜式

49、反应器的有效体积不同，则物料通过各釜的平均停留时间也不同，即各如果串联的各釜式反应器的有效体积不同，则物料通过各釜的平均停留时间也不同，即各釜操作线斜率不同，此时就需要以各釜的操作线与对应的动力学曲线相交，计算各釜的出釜操作线斜率不同，此时就需要以各釜的操作线与对应的动力学曲线相交，计算各釜的出口浓度和串联的只数。口浓度和串联的只数。6970热稳定性影响反应器可操作性的首要因素反应器本身对热的扰动有无自行恢复平衡的能力。有，则是热稳定性的；无，则是热不稳定性的。3.连续操作釜式反应器的稳定操作热稳定与热平衡 的区别？热量衡算式：衡算范围（控制体积）的选取？微元时间dt，基准温度Tb，定态操作7

50、1热量衡算式：00V()pbc TT dt0V()pbcTT dt()SKA TT dt累积的热量反应器中或载热体的热量传递至环境的热量反应放出的热量物料带出的热量物料带入dtVrRA)(带入的热量：带入的热量：带出的热量：带出的热量：反应放出的热量：反应放出的热量：传递的热量：传递的热量：累积的热量：累积的热量：072000V()V()()()()0pbpbARAsc TT dtcTT dtr VHdtKA TT dt 00VVpb pcc00-V()()()()0pARAsc TTr VHKA TT 00()()V()()ARApsr VHc TTKA TT()()rARAQr VH 00

51、V()()cpsQc TTKA TT将以上各项带入热量衡算式，得：假定：假定：得：得：移项整理得：移项整理得：故放热速率：故放热速率：移热速率：移热速率：73热稳定性讨论：以恒容一级不可逆放热反应为例动力学方程：动力学方程：AArkc由基础方程：由基础方程：带入放热速率带入放热速率方程，得：方程，得：由阿伦尼乌斯由阿伦尼乌斯方程：方程：得：得：01AAcckt0000()()()1(1)1AAAArARARkckFktH FQH VH VktVktkt 0exp()EkART000()exp()AArF tHAQEA tRT74则放热速率曲线在Q r-T图上为S形曲线移热速率曲线：移热速率曲线

52、：操作条件一定时 Qc-T成线性关系对绝热过程：对绝热过程：00V()()cpsQc TTKA TT00V()cpQc TT75连续操作釜式反应器的热稳定条件：定常态条件：定常态条件：稳定条件：稳定条件：crdQdQdTdTrcQQ 思考： CSTR中中进行吸热反应时，有没有热稳定性问题？T T T767778794.操作参数对热稳定性的影响进料温度的影响：进料温度的影响：()()rARAQr VH 00V()()cpsQc TTKA TTD D线时的进料温度一般称为着火温度或起燃温度，相应地称点线时的进料温度一般称为着火温度或起燃温度，相应地称点4为着火为着火点或起燃点。一般称点或起燃点。一

53、般称B B线的进料温度为熄火温度，点线的进料温度为熄火温度，点6 6称熄火点。点称熄火点。点4和点和点6 6分别是低温操作和高温操作的两个界限。分别是低温操作和高温操作的两个界限。 80进料流量的影响：进料流量的影响：放热速率方程和移热速率方程需改写，两式同除以0pVc流量从小到大变化时，操作状态依次变为点流量从小到大变化时，操作状态依次变为点9 9、8 8、7 7、6 6。当流量稍微。当流量稍微超过超过D D线所示的量时，定态点立即下跌到点线所示的量时，定态点立即下跌到点2 2，反应被吹，反应被吹“熄熄”。流量由高到低变化时，依次得到流量由高到低变化时，依次得到1 1、2 2、3 3各定态点

54、，而在点各定态点，而在点4 4出现出现着火现象。着火现象。操作中，如果由于物料流量过大，而发生熄火现象，可以一面提高进操作中，如果由于物料流量过大，而发生熄火现象，可以一面提高进料的温度，同时减小流量，使系统重新点燃。料的温度，同时减小流量，使系统重新点燃。81三、半间歇操作釜式反应器1.半间歇操作釜式反应器的工业应用要求一种反应物浓度高，另一种反应物浓度低的化学反应。要求一种反应物浓度高，另一种反应物浓度低的化学反应。强放热反应；强放热反应；提高可逆反应收率；提高可逆反应收率；副反应多的有机反应。副反应多的有机反应。v广泛用于硝化、磺化、氯化、氧化、酰化和重氮化等精细广泛用于硝化、磺化、氯化

55、、氧化、酰化和重氮化等精细化工生产。化工生产。822.通常使用的几种半间歇操作方式 A B C D操作方式操作方式(A)(A)主要适应于以下几种情况：主要适应于以下几种情况：可以在沸腾温度可以在沸腾温度下进行的强烈放热反应，用汽化潜热带走大量反应热；下进行的强烈放热反应，用汽化潜热带走大量反应热；要要求严格控制反应物求严格控制反应物A A的浓度；的浓度；B B浓度高，浓度高，A A和和R R浓度低对反浓度低对反应有利的场合；应有利的场合；可逆反应。可逆反应。83操作方式操作方式(D) (D) 既能满足既能满足A A、B B的比例要求，又能保持的比例要求，又能保持A A、B B在反在反应过程中的

56、高浓度，对可逆反应尤其合适。应过程中的高浓度，对可逆反应尤其合适。操作方式操作方式(C) (C) 可以严格控制可以严格控制A A、B B的加料比例，而且可以保持的加料比例，而且可以保持A A和和B B都在较低的浓度下进行，适合于都在较低的浓度下进行，适合于A A、B B浓度降低对反应有浓度降低对反应有利的场合。利的场合。操作方式操作方式(B) (B) 主要适用于以下情况：主要适用于以下情况：要求严格控制反应器要求严格控制反应器内内A A的浓度，防止因的浓度，防止因A A过量而使副反应增加的情况；过量而使副反应增加的情况；保持在保持在较低温度下进行的放热反应；较低温度下进行的放热反应；A A浓度

57、低、浓度低、B B浓度高对反应有浓度高对反应有利的情况。利的情况。84任务任务4 连续操作管式反应器的计算连续操作管式反应器的计算工作任务：工作任务：根据化工产品的生产条件和工艺要求进行连续操作管式反应器的设计与计算。技术理论：技术理论：在化工生产中，连续操作的长径比较大的管式反应器可以近似看成是理想置换流动反应器。它既适用于液相反应，又适用于气相反应。由于PFR能承受较高的压力，用于加压反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反应参数连续变化、易于控制的优点，但对于慢速反应，则有需要管子长，压降大的不足。85分类分类：根据反应前后是否有物质的量的变化，分为恒容和变容管式反应器；根据反应前

58、后温度是否变化，分恒温操作和绝热操作。1、基础计算方程式、基础计算方程式对反应物对反应物A做物料做物料衡算：衡算：衡算范围如衡算范围如何选取？何选取？应物的累积量元体积内反微元时间微的反应物量体积内转化掉微元时间微元积的反应物量离开微元体微元时间内积的反应物量进入微元体微元时间内()()0AAAARF dFdF dr d dV 86化简，得：化简，得：0)(RAAdVrdF积分得基础计积分得基础计算方程式：算方程式：00()AfAxARAxAdxVFr或者或者000()AfAxRAAxAVdxcVr注意：注意：由于反应过程中物料的密度可能发生变化，体积流量由于反应过程中物料的密度可能发生变化，

59、体积流量也将随之变化，则只有在恒容过程，称也将随之变化，则只有在恒容过程，称t t为物料在反应器中的为物料在反应器中的停留时间才是准确的。停留时间才是准确的。872、恒温恒容管式反应器的计算、恒温恒容管式反应器的计算A、解析法、解析法0001()AfxAAAAfAdxCCxrk01AAAArkCkCx0111lnln1AAfACkxkC零级反应：零级反应：一级反应：一级反应：8822201AAAArkCkCx0022000111()(1)11AfAxAAxAAAAfAdxCkCxkCxx二级反应：二级反应：思考：思考：间歇操作釜式反应器与连续操作管式反应器为什么反间歇操作釜式反应器与连续操作管

60、式反应器为什么反应时间相同？应时间相同？注意：注意：仅就反应过程而言，仅就反应过程而言，PFRPFR和和BRBR两种反应器具有相同的两种反应器具有相同的效率。效率。因BR是间歇过程，存在非生产时间，其生产能力低于PFR。89B、图解法：当（-rA）不能用解析式表达或表达式较复杂时902、恒温变容管式反应器的计算、恒温变容管式反应器的计算针对反应前后分子数发生变化的气相反应；针对反应前后分子数发生变化的气相反应；计算关键：正确表达动力学方程式，代入基础计算式即可；计算关键：正确表达动力学方程式，代入基础计算式即可；而正确表达动力学方程又取决于能否正确表达各组分浓度；而正确表达动力学方程又取决于能