化学反应工程第三章均相反应过程

简单反应器2概述1第3章均相反应过程非等温过程4组合反应器3全混流釜式反应器的热稳定性6反应器类型和操作方法的评选5第3章均相反应过程搅拌釜中的流动与传热7需要解决的问题大致是：（１）如何通过实验建立反应的动力学方程并加以应用；（２）如何根据反应的特点与反应器的性能特征选择反应器型式及操作方式；（３）如何计算等温与非等温过程的反应器大小及其生产能力。平均停留时间3.1概述空时的定义为：在规定条件下，进入反应器的物料通过反应器体积所需的时间称为空时，用符号τ表示，并可写成：空速的定义为：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积，称为空速，用符号表示，可写成：3.1概述3.2简单反应器12间歇反应器平推流反应器3全混流反应器可以写出微元时间内的物料衡算式。整理并积分得：3.2.1间歇反应器在恒容条件下，式（3-5）可简化为：3.2.1间歇反应器如图3-4所示，这时可有：故3.2.2平推流反应器对整个反应器而言，应将式（3-7）积分：若以下标0代表进料状态，代表进入反应器时物料Ａ的转化率，代表离开反应器的转化率。这样，可得更一般地表达平推流反应器的基础设计式：3.2.2平推流反应器对恒容系统：3.2.2平推流反应器3.2.2平推流反应器3.2.2平推流反应器例3-2均相气体反应在185℃和表压下按照反应式在平推流反应器中进行，已知其在此条件下的动力学方程为当进料为50％惰性气体时，求Ａ的转化率为80％时所需的时间。3.2.2平推流反应器解根据式（3-10）其中对于非恒容系统：根据的定义，可求得此式可用图解积分或数值积分求解之。3.2.2平推流反应器3.2.2平推流反应器（１）图解积分以为横坐标，以为纵坐标，描绘曲线下的面积，即为积分值。由下表及下图可得：（２）数值积分法利用辛普森法则：故3.2.2平推流反应器如图3-6所示，可有：故因为全混釜反应器多用于液相恒容系统，故式（3-11）可简化为3.2.3全混流反应器3.2.3全混流反应器3.2.3全混流反应器3.3组合反应器12平推流反应器的串联、并联或并串联具有相同或不同体积的N个全混釜的串联3.3组合反应器34不同型式反应器的串联循环反应器5半连续操作的反应器对反应组分Ａ作第一个反应器的物料衡算，根据式（3-8）可有同理，对第i个反应器，可求得若每个反应器内温度相同，相等，则有：3.3.1平推流反应器的串联、并联或并串联因系统为定态流动，且对恒容系统，不变，，故有：3.3.2具有相同或不同体积的N个全混釜的串联如各釜容积与温度均相等，则有3.3.2具有相同或不同体积的N个全混釜的串联3.3.3不同型式反应器的串联可对四个反应器分别写出如下关系式。3.3.4循环反应器令对反应器作物料衡算，可有：进反应器的浓度对平推流反应器积分，即可得到出口物料的浓度。3.3.4循环反应器3.3.4循环反应器（详见教材P46）3.3.4循环反应器例如对一级反应：如各管等温、等容积、等循环比，则：为了更形象地表示循环反应器的性能，定义：对定常态下的恒容过程，β和α、β′的关系是：式（3-18）可写成：3.3.4循环反应器对于一级反应，积分得：对于非恒容系统：此时的可根据变容过程的式（2-77）得：3.3.4循环反应器因为系统压力视为恒定，故在M点汇合的流体可以直接加和，因之有：3.3.4循环反应器以式（3-30）代入式（3-29）得：代入式（3-27）得：

考虑反应：如物料的密度在反应过程中恒定不变，则在任意时间内物料的体积为：在微元时间内对组分Ａ作物料衡算：故有

3.3.5半连续操作的反应器3.3.5半连续操作的反应器代入式（3-34）得：写成差分的形式为：对反应物Ｂ作物料衡算得：

联合式（3-33）、式（3-37）及式（3-38）、式（3-39）就可用数值法逐段求出相应各时间t时的了。3.4非等温过程12温度的影响非等温操作3一般图解设计程序

3.4.1温度的影响（１）反应热和温度如已知的反应热为在温度时的数据，而系统的反应温度为，此时，可以根据能量守恒定律而求得，表示为：通常热容与温度的关系为：

把此关系代入式（3-41）得：如果温度范围不很大，在此范围内组分的热容可取平均值代表，则：3.4.1温度的影响（２）化学平衡根据热力学关系，温度对反应平衡常数的影响为若反应热随温度而变化时，应在积分中加以考虑，则为：3.4.1温度的影响（３）反应温度和最优温度3.4.1温度的影响3.4.1温度的影响（１）间歇釜式反应器的计算对定容操作的间歇釜式反应器，其能量衡算可依一般的方法写出：上式各项除以，并取极限，得：若系绝热操作，则对的一级不可逆反应，物料衡算结果为：3.4.2非等温操作（２）平推流反应器的计算热量衡算为：由于平推流反应器的物料衡算式为3.4.2非等温操作3.4.2非等温操作把式（3-56）代入式（3-55）整理可得：①若反应器系绝热操作，上述热量衡算式可简化为：对整个绝热反应过程，积分上式得：如对反应，有式（3-58'）的积分结果为：对恒容过程，。当反应物全部转化时，，则有：②对于非绝热操作ａ．热交换速率恒定的情况ｂ．传热系数U恒定的情况3.4.2非等温操作（３）全混流釜式反应器的计算3.4.2非等温操作如图3-17所示，其热量衡算式为：其物料衡算式为：或3.4.3一般图解设计程序（１）绝热操作结合式（3-56）得：

在一些特定情况下，即当时，反应热与温度无关，此时，式（3-67）和式（3-68）简化为：3.4.3一般图解设计程序3.4.3一般图解设计程序（详见教材P59）（２）非绝热操作若以Q表示加于各种型式的反应器中每摩尔反应物A的总热量（包括热损失在内），则根据能量平衡可以写出：对于3.4.3一般图解设计程序3.5反应器类型和操作方法的评选12单一反应复合反应（１）简单反应器的大小比较①间歇釜式反应器②平推流管式反应器③全混流釜式反应器对平推流，由方程（3-10）给出：3.5.1单一反应对全混流，由方程（3-11）给出：以式（3-72）除以式（3-73），得：

对恒容系统，上式简化为：3.5.1单一反应若初始进料与初始浓度相同，还可简化为：式（3-75），式（3-76）可以图解形式表示在图3-22上，它直接表示了为达到一定转化率时所需的平推流和全混流的体积比。3.5.1单一反应3.5.1单一反应3.5.1单一反应（２）不同型式反应器的组合①不同大小的全混流串联操作时，若转化率已经给定，要如何确定其最优组合。3.5.1单一反应3.5.1单一反应当，即时，显然长方形面积为最大。所以②不同型式简单反应器组合的最优排列3.5.1单一反应（１）平行反应对全混流釜式反应器，由于釜内浓度是均匀的且等于出口浓度，故瞬时收率等于总收率，或为：全混釜的总收率与平推流反应器总收率之间的关系为：3.5.2复合反应对任一型式反应器，产物Ｐ的出口浓度直接从下式得：这样，利用式（3-81），可以用图3-29所示的图解方法求得不同型式反应器的。3.5.2复合反应如图3-30所示的三种不同的曲线，为获得最大的，应分别采用平推流反应器、全混流釜式反应器以及全混釜和平推流的串联三种反应器型式。3.5.2复合反应①对反应②若反应为3.5.2复合反应3.5.2复合反应（２）连串反应3.5.2复合反应取，可求得产物Ｐ浓度的最大值及相应位置。化简得：相应最大产物Ｐ的浓度为：对各种比值的典型的浓度-时间曲线示于图3-32（a）。图3-32（b）为与时间无关的标绘，关联了反应物和产物的浓度。3.5.2复合反应3.5.2复合反应3.6全混流釜式反应器的热稳定性12全混流釜式反应器的定态基本方程式全混流釜式反应器的热稳定性3定态热稳定性的判据对简单的一级反应，其物料和热量衡算的动态方程式为：在定态条件下：3.6.1全混流釜式反应器的定态基本方程式这样，可从动态微分方程式过渡到定态的代数方程，表达为：从式（3-91）可以看出，等号左边实际上代表散失或移去热量的速率，而等号右边代表反应放出热量的速率，两者都是T的函数，即：3.6.1全混流釜式反应器的定态基本方程式若以1mol的Ａ计算的反应热为，则在单位时间内反应的放热速率值亦一定。即：如对一级反应，已知和平均停留时间τ的关系为：代入式（3-94）得：3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性和反应的放热速率曲线相反，单位时间自系统散失的热量或热交换的速率与温度呈线性关系，在绝热情况下，它仅为进料的热焓变化，表示为非绝热操作则需考虑热交换量：（１）真稳定和假稳定操作点（２）改变进口温度的影响3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性（３）改变进料流量的影响

为了研究进料流量变化对反应器内操作状态的影响，可对式(3-95)及式(3-97)作如下修改：3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性（４）自热反应以单位摩尔进料计算的放热速率为：3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性而以单位摩尔进料计算的热焓变化为3.6.2全混流釜式反应器的热稳定性定态稳定操作点应具有如下两个条件：3.6.3定态热稳定性的判据按照热定常条件，需使,故而按照热稳定条件，需使式（3-105）除以式（3-106）便得：3.7搅拌釜中的流动与传热12搅拌釜的结构和桨叶特性搅拌釜内的混合过程3搅拌功率的计算4搅拌釜的传热釜内的搅拌混合作用，不一定是对均相物料的，它大致具有以下几种效果。①拌合用于互溶液体间的混合，以消除反应器内的温度和浓度梯度；②悬浮使固体分散在流体中，如搅动浆态物料，搅拌盐块以促进盐类的溶解等；③分散将一种气体或液体分散在另一种流体中，如废水处理时的吹气，在萃取或乳化过程中液滴的形成等；④传热加剧混合物料或冷、热表面间的热交换等。3.7搅拌釜中的流动与传热3.7.1搅拌釜的结构和桨叶特性3.7.1搅拌釜的结构和桨叶特性3.7.1搅拌釜的结构和桨叶特性（教材详见P79、P80）3.7.1搅拌釜的结构和桨叶特性（１）流体力学桨叶的数和数分别为：搅拌桨叶采用循环因数3.7.2搅拌釜内的混合过程（２）釜式反应器内的混合概念

在湍流条件下，间歇搅拌釜内的混合时间，可用下式估算可将全混釜的平均停留时间τ和混合时间相联系。所以3.7.2搅拌釜内的混合过程计