平推流管式反应器设计

10本章核心内容：中的反响体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例组合内容进展了具体表达。针对不同反响过程表达了优化设计方法。化学反响工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反响器，实现最正确的操作与把握，应的动力学特征、反响物的性质、产物的性质与分布，才能进展反响器的选型、操作方式的器BST(CSTR和活塞流〔平推流〕(PFR，这三种抱负反响器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。间歇釜式反响器3-2间歇釜示意图3-1间歇釜式反响器3-1所示，间歇釜式反响器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。因此，其批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中常常得到应用，很少用于气相过程。间歇釜的构造主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压热夹套。釜的材质一般要防腐，常用的是碳钢制作搪瓷挂衬或不锈钢制作，后者稍贵些。釜安装换热管，否则，就要在釜内安装内换热器。进料口常安装在靠近搅拌浆位置，而出料口完成。因在生产过程中是分批操作的，其整个生产时间应分为两局部：一局部是反响时间，即从装完反响物料后开头搅拌进展化学反响起到停顿搅拌产物卸出反响釜、清洗釜和下一釜反响前物料的装入等这些除用于反响以外的关心操作时就该类反响器的一般设计原理和公式进展阐述公式，然后结合实际例题进展应用介绍。间歇釜的一般设计计算公式在推导出设计计算公式之前，先归纳一下抱负间歇釜的反响特点：第一，物料是一次应时间下，反响速度是不一样的。对于正级数的反响，在开头时，反响物的浓度最高，反响速度最快，而越在后期反响物浓度越低反响速度就越慢。如图3-2所示。对速率方程的某化学反响，在反响到某一时刻时，可利用反响物的守恒原理对釜中的限定组分A作物料衡算，并给出如下关系：〔单位时间内釜中A削减的mol量〕=〔单位时间内釜中反响掉Amol量〕用数学公式表示，则有：dNAdt

rV 〔3-1〕A代入NA=N 〔1-X

，则有：N N dAA0 dt

ArV 〔3-2〕AA代入积分上下限〔0t0x〕积分〔3-2〕式，有：AtN

xAfdxr

〔3-3〕A00 VA〔3-3〕式是在没有作任何假设的条件下导出的，不管在等温条件和变温条件，还是在等容位是mol/(时间×体积)rA

1dN A的变形后积V dt〔3-3〕中可知，该式有五个变量，即间歇反响时间t、反响体积V、参与的初始摩尔数N

、反响A0最终转化率要求xAf和反响速率。当动力学方程、最终转化率要求、反响物A的初始摩尔数NA03-3求面积的方法先计算出反响时间。3-3间歇釜任意过程反响时间图解积分计算等温等容过程对于大多数液相反响都可看作等容过程，即使分子数在反响前后有变化，反响体积也变化不大，这是本章争论的重点内容，也是应用最多的体系。此时，对于式3-，可将V可移到积分号外，依据A物质的浓度概念NA0/V=CA0CA=CA0(1-XA)关系式则有：ddxtC xAr

CA0 dCA

3-〕A0 0

( ) A A

r (C )A ArA表达式积分，获得反响时间的具体计算公式。当求得间歇反响的时间t以后，再给定关心工作时间为t0，那么单位时间内处理的物料体积为v0时所需间歇釜的反响体积为：V=v0(t+t0) (3-5)从(3-5)式可看出，关心时间t0对生产力气和反响釜体积也有较大的影响，它的存在和增加使确定生产力气的反响体积增加和确定反响体积的生产力气下降，这是间歇釜的弱点。(3-5)式求出的反响体积并不是反响器体积，需要考虑反响物料在反响器内的装填比例。我们将反响体积和反响器的体积之比称为装填系数，φ=V/VR。对不发泡体系一般可取φ=0.7-0.8，而对于易发泡物系应取φ=0.4-0.6。反响釜体积计算的关键和难点是反响时间的计算，是动力学的问题。3-1拟在等温间歇釜中进展氯乙醇的皂化反响：3CH2Cl-CH2OH+NaHCO→CH2OH-CH2OH+NaCl+CO2320kg/h15%(w)NaHCO330%(w)的氯乙醇水溶液作原料，反响釜装料中氯乙醇和碳酸氢钠的摩尔比为1︰1，混合液的比重为1.02，该反响对5.2L/mol·h98%0.5h0.75，试计算反响釜的实际体积。解：依题意，该反响的主要物质在反响过程中无损失，且为体积不变过程，反响当中两种原ArA=kC2A而依到达确定的转化率的反响时间的计算公式为：1 1 1 1C C 1 xCtk(CCAf

C )kA0

A0 A0 Af

kC

Af)A0 Af计算初始反响物和最终反响物的浓度：6280.5、NaHCO384。依产量，20kg/h20/62=0.3226kmol/h98%转化率应需：参与纯氯乙醇的量为:(0.3226/0.98)×80.5=26.499kg/h；参与30%的氯乙醇水溶液为:26.499/0.3=88.331kg/h；参与纯NaHCO3的量为:(0.3226/0.98)×84=27.653kg/h；15%NaHCO3水溶液为:27.653/0.15=184.353kg/h；混合液原料参与反响釜的总重量为：88.331+184.353=272.684kg/h单位时间处理原料的总体积为：272.684/1.02=.267.3L/h=0.2673m3/h计算限定组分氯乙醇的初始浓度CA0：C 0.3226 1.232kmol/m3A0 0.98所以，t 1

0.98

7.649hh5.2 V=v0(t+t0)=0.2673×(7.649+0.5)=2.178m3VR=V=2.178/0.75=2.9043关于间歇釜中的复合反响选择性、最正确反响时间、最正确目的产物浓度及收率计算问题，与其次章介绍的完全一样。间歇釜的热量衡算给。随着反响釜体积的增大和热效应的增加使整个反响釜到达温度完全全都是相当困难的，套能够满足要求时，应首选夹套，这时釜内构造简洁，便于清洗和修理。在换热面积计算时，应首先依据反响温度范围选择换热介质，然后在最大反响速率〔初始〕放〔吸〕热量下，由冷却〔加热〕介质的条件〔温度、流量〕计算所需的换热面积。对于放热反响，只会使物料温度上升，其计算方法如下：[单位时间内反响从釜内放出的总热量]=[单位时间内通过冷却面传出的总热量]=[单位时间内由冷却介质带走的总热量]用数学符号来表示为：rA(-ΔHAr)V=KqA(T-TWa)=CpvV ΔTW ,(J/s) (3-6)式中：TWa是冷却介质的平均温度，TWa=(T出-T入)/2,KWΔT 是冷却介质进出冷却器的温差，TW，

-T K出 入，(3-6)物浓度最高，对多数的正级数反响，速率最快，放热速率最大，因此撤热速率往往也最大，需要的换热面积最大，冷却介质流量也最大。随着反响的进展，放热速率渐渐减慢，在反响釜构造特别是冷却器固定以后，应调整冷却水流量，使之渐渐变小，以维持釜内温度恒定。KqA(T-TWa)=0rAV=nA0xA,,(3-6)式可化为ΔTW=nA0(-ΔHAr)xA/VCpv=CA0(-ΔHAr)xA/Cpv 〔3-7〕定义：绝热温升λ=nA0(-ΔHAr)/VCpv=CA0(-ΔHAr)/Cpv 〔3-8〕所以，T-T0=λxA 〔3-9〕可用该式确定绝热反响体系某一时刻温度和转化率的关系，完成相互计算。稳态全混流反响器稳态全混流反响器又可称为连续稳态流淌搅拌釜式反响器CST，简称全混釜，它釜的流量都是稳定的参数，而且与反响器出口的参数完全一样。全混流反响器具有较低和均匀的反响物浓度，可保持反响器在连续下操作，且可用多分有利的。不但反响速率高，且没有间歇的操作时间，简洁实现自动把握，操作简洁，产品的进展，又消灭了一些符合全混流反响器的型式。3-2-1全混釜的一般设计公式依据全混流反响器的特点〔图3-，由于猛烈的搅拌，在反响过程中使进入反响器的反响物料与反响产物在反响器中到达了最大的混合一，反响温度均一，且等于反响器出口的浓度和温度，这两个参数值不随时间而变化。反响器出口的反响速率就代表了反响器内的反响速率，且这个速率值在反响条件不变时为定值。这样，可以对整个反响器作物料衡算。图3-4全混流反响器示意图 图3-5全混流反响器设计公式图解积分在稳定状态下，累积量为零，某一组分单位时间流入反响器的摩尔数等于单位时间反响掉的摩尔数与单位时间内流出反响器的摩尔数之和。假设对限定组分A衡算，可表示为：(单位时间内流入 (单位时间内流 (单位时间内在反响反响器Amol

=出反响器A的 +器内反响掉A的mol数) mol数) 数)用数学符号来表示可为：Af Af FA0=F +r V 〔3-10Af Af 由于 FA0=v0CA0， FAf=v0CAf ，所以 v0CA0=v0CAf+rAfVR 〔3-11a〕变换整理式3-11，有：V C CrR A0 Afrv0VAfV

〔3-11b〕令 vR0

〔3-12〕〔3-12〕中τ定义为空间时间,简称空时。其物理意义为在连续流淌条件下依据反响器进口流量计算的反响物在反响器内的停留时间，当反响前后无分子数转变时就等于反响时间，为时间单位。空时的倒数定义为空速，即S=1/τ,为时间的倒数单位。〔3-11b〕式只作了稳态假设，对于恒容、变容、等温、变温过程都是适用的，只要稳态就可以，这是全混釜的一般设计公式。对于全部液相过程无论反响前后分子数是否转变都可符合稳态恒容过程，将A的恒容过程出口浓度计算公式CAf=CA0(1－xAf)代入式〔3-11b〕,可化为：C A0

xAf 〔3-13〕Af式中rAf是反响器中确定反响条件下不变的反响速率，也就是反响器出口状态下测定的反响速率，xAf也是出口处A〔3-13〕式只能用于稳态恒容过程的计算。这里反响器的体积 VR 可由在确定空时τ下的进料体积流量 v0来计算，即：0RVR=vτ。精准地说，V是反响体积，当整个反响器都布满物料时即为反响器的体积。在理0R想状态下，可用在试验室测定的空时τ来放大计算工业生产条件的进料体积为v0下的工业流反响器设计计算公式的最大特点是只用简洁运算或求矩形面积就可求出空时，如图3-5。3-2-2简洁反响单个全混釜设计公式式代入〔3-11b〕式或〔3-13〕式可给出口其设计公式。当给定空时和速率常数后就可求得全混流反响器出口浓度和转化率，再给定生产量可求出其所需的反响器体积。3-2过氧化异丙苯在全混流反响器分解生产苯酚和丙酮：A→B+C50℃，初始过氧化氢异丙苯溶液浓度为3.2kmol/m3。该反响为一级，反响温度下的反响速率常数等于810-3S-98.910kmol/h假设在一个体积为1m3的等温间歇釜中进展，关心操作时间为30min，求苯酚的产量和处理10kmol/h过氧化异丙苯时的反响体积？并与全混釜比较。解 ： 〔 1 〕 全混釜 中 反 应 时 间xxV C C C x xx

0.989vR

A0C

Af

CA

Af

3.122h(A)k0

k 1A0

k1Af

0.008(10.989)假设处理量为10kmol/h 时，则进入反应器的过氧化氢异丙苯的体积流量为 FA00 CA0

10kmol/h 3.125 kmol/301m3反01m3反化氢异丙苯的量为：

τ=3.125×3.122=9.756m3vkV0

1xRxAfRxAf

0.008100010.9890.989

0.089L/S

=0.3203m3/h3.2kmol/m3×0.3203m3/h=1.025kmol/h按98.9%的转化率，可生成苯酚的量为：1.025kmol/h×0.989=1.013kmol苯酚/h(2) 间 歇 反 应 器 中 反 应 时 间1 C 1 1 103 1tklnCA0Af

kln1XAf

ln8 10.989

9.4min30min，依据〔3-5〕式：V=v0(t+t0)单位时间在 1m3 反应体积的平均处理进料量：1000 25.38L/minv0=V/(t+t0)=(9.430)则生产苯酚的产量为：

=1.523m3/hQ=v×C ×x =25．38L/min×3.2mol/L×0.989=80.32mol/min=4.819kmol/h0 A0 Af因反响到达确定转化率的反响时间不转变仍为9.4min，它只与温度和浓度有关，而辅助时间一样，则在间歇釜中处理10kmol/h过氧化氢异丙苯时需反响体积为：Vv

39.4

2.052m30 0 60 603-13-2在同样生产条件下间歇釜和全混釜的数据比较：反响器反响器体积/m3生产力气/kmol/h平均加料量/m3/h间歇釜14.819〔酚〕1.523全混釜11.013〔酚〕0.3203间歇釜2.05210〔原料〕3.125全混釜9.75610〔原料〕3.1253-23-1数据比较可看出，对于同样体积的反响器，间歇釜的生产力气较大，即使间歇釜需有关心操作时间，但由于反响速率比全混釜大很多；同样条件下，需全混釜体积要比间歇釜大几倍，且随着生产量的增加，两者的差距变大。简洁反响单个全混流反响器设计可同样应用全混流反响器的一般设计公式3-1〕和3-1。对于复合反响，主产物选择着反响过程及反响器设计的优劣，还打算着整个生产工艺设计和经济技术指标。耗速率之比。假设A为限定组分反响物，R为主产物，则瞬间选择性的定义表达式为：s=[某时刻反响生成主产物R时消耗限定组分A的反响速率]/[某时刻限定组分A总的消耗速率]=-rAR/rA 〔3-14〕当反响物A与生成主产物R11时，瞬时反响生成主产物R的反响速率等于瞬时限定组分A总的消耗速率。依据反响器的特点，釜内的浓度是均一的，温度是相等的。因此，釜内用于计算选择选择性是相等的。对于一级连串反响过程：AkAk1Rk2S〔3-15a〕

rkCkA 1 Ak

〔3-15b〕Rr k1CAR

2CR

〔3-15c〕将〔3-15b〕和〔3-15c〕代入〔3-13〕中，并在同样时间下对产物R衡算，有：CCA0 AfC

CRf (3-16a)经整理： CAf

k1CAf k1CAfCkA011

k2CRf

(3-16b)CAf可求出A的转化率。再将(3-16b)式代入(3-16a)式其次个等式中,解出：k1CAfC

k1CA0

(3-17)kRf 1 k2

k1 2k这是流出反响器出口R的浓度计算表达式。所以由收率定义可求出R的值为：YRCRfYRCA0

k1k k1 2

(3-18)依据选择性、转化率和收率的关系和定义，R总选择性为：RS=CRf/(CA0XAf)=YR/XAf (3-19)R令: dYR/dτ=0 〔3-20〕解(3-20)式，得：τ=1/(kk)0.5 (3-21)opt 12再将(3-21)代回(3-19)得最大收率为：YRmax=1/[1+(k2/k1)0.5] (3-22)明显，在全混流反响器中，一级连串反响中间产物R的最大收率只与两步反响速率常数有关，与流体通过反响器的空时有关，类似于间歇釜反响器，但公式不同。A+BRrA+BRr1.5C，kmol/m3hRADRADr 3.0CA，kmol/m3hrDrR分别为产物D及R的生成速率，反响用的原料为AB的混合液，其中B的量足够，A2kmol/m3，R为目的产物。计算A95%时所需的空时？A95%时，R的收率是多少？3m3/h时，所需的全混流反响器的体积至少多大？解：依题意对反响物A和产物R在全混釜中衡算，有：C Cr A0 r

CrRrAf

Afrr rrDf

Rf

1.5CCAf C

4.5C ，Af代入上式，有

C C CCA0 Af RfC

(A)4.5Af

1.5Af由(A)式中第一个等式整理，可得：CAf

CA04.51CAfCA0

1 1X4.51 Af当x =95%时，

1 10.950.05 (B)Af解(B)4.222h

4.512 2 C Rf Af

C

1.54.222 0.633kmol/m34.54.2221其最终R的收率值为：CCY RfCRA0

0.6332

31.67%3m3/hV v222316663R 03-3〔3-14〕得：s=1.5/4.5=33.3%；由总选择性定义得：S=0.633/(2×0.95)=33.3%。是由于在全混流反响器中瞬时反响速率三者关系先求出选择性再求出收率，即：Y=SX=33.3%×0.95=31.67%。R RA对于可逆反响A生成R度下有一个最大的转化率，即平衡转化率，而要到达平衡转化率则需要无限长的反响时间，对于它的设计计算关键是给出动力学方程，同样带入〔3-13〕式中即可。简洁反响多釜串联就大大地抑制了反响物浓度损失过大的缺点，提高了反响器效能。在总反响器体积一样时，反响器，下面就针对简洁反响的全混流反响器的串联进展具体的争论。3-6多个全混釜串联反响器3-6A的浓度为C

为纯A进料此时x =0，A0 A0在稳态流淌下每个釜的出口流量等于入口的流量。进入第一、二个全混釜A的摩尔流量分A1A2别为FA0和FA1 ，流出第一、二、三个釜物料A的转化率分别为x 、x 、x3，浓度分别为A1A2C 、C 和C ；第一、二、三个釜的空时分别为ττ和τ，体积分别为V 、V 和A1 A2 A3

1、2

R1 R2VR3。依据单个全混釜的设计公式3-1，对第i釜的限定组分Aτi=[A在第i釜的浓度转变]/[A在第i釜的反响速率]=[CAi-1-CAi]/(rAi) (3-23)以一级不行逆反响rA=kC

、三个一样体积的釜相串联为例，有：ACA0CA1， 〔3-24a〕kCA1 CA1CA2， 〔3-24b〕kCA2 CA2CA3， 〔3-24c〕kCA31 2

3

V RiV0

〔3-24d〕〔3-4、〕,得：iC1CA2CA3CA31x 1 i

〔3-25a〕A0 A1

A3 1k 3A0 1 1 i 31x

1kA3

〔3-25b〕i从〔3-25〕式知，只要知道最终转化率和该反响速率常数就可求出每釜的空时τ，在给诞生产力气时算出所需反响器体积。图3-7a、b、c是一个釜、两个釜和三个釜相串联时到达同样转化率要求时需要的反响器体积比较。i〔a〕单釜〔b〕两个釜 〔c〕三个釜3-7多釜串联反响器体积比较从图3-7a、b、c比较看出，阴影的面积以三釜相串联的体积最小，但随串联釜数的增加减小的效果会越来越差。但当相串联釜的釜数越多时，越趋近活塞流的反响器体积。当给定最终转化率x 、釜的个数和一级速率常数时，就可求出每釜的空时τi,根AN据流量v0求出每个串联釜的体积Vi，最终求出总体积VRt=NVRi。对于其它不宜积分的反响级数，串联釜的图解法设计更为便利，如图3-8所示。3-8多釜串联图解设计首先，依据3-1，对第i釜写出根本设计公式：i

C CAi1 Ai

， (3-26a)变形，有：

r 1Aii

C 1Ai1i

C (3-26b)Ai在(3-26b)式中，左边rA

1Ci

Ai1

1Ci Ai

为操作线方程，两者的交点即为反响器出口的浓度。图解的具体做法是，首先依据反响速率方程或离散的速率值绘出速率曲线，从第一釜的线与速率曲线的交点的浓度值即为下一级反响釜操作线在横坐标的起点操作线与速率曲线的交点的，即是反响釜出口的浓度，以此可求出A的最终转化率。当各釜的体积一样时， 1 2

3，各釜的操作直线的斜率都相等，变为平行的直线。此时也可由要求的最终转化率和串联全混釜的个数，确定各釜的体积。可在出口浓度CAf和初始A的浓度CA0之间试作出平行线，平行线个数与串联釜级数一样，然后通过求斜率的方法求出通过每个釜的值，再代入加料速率v，最终确定每釜的体积。作图法的另一i 0优点是试验室测出反响速率值与A浓度的关系后也可不必求出动力学方程，直接绘图作曲线，即为A的反响速率线。3-4在全混流反响器中乙酸酐发生如下水解反响：(CH3CO)2+H2O 2CH3COOH(B) (C)25k=0.1556min-160%，5.8m3/h出各段出口的转化率?解：(1)单个全混釜C x

0.6kC

A0 1

k1

9.64minA0 Af AfV v8/60649323R 0两釜相串联(体积一样)VV RRi 2

x x xA1 A2 A1 (A)1 2 k1xkxA1 A2而xA2=xAf=0.6，代入0.6整理，有

11 A1

A110.6440.6440.61

x

2A1x

A1 A120.368

10.6320.368∴ 1

k

1 A1

∴V vRi

8607423623两釜总体积VRt=2VRi=0.723m3(3)当为一样体积的三个釜相串联时∵1X

A3

11ki3∴i

1

1

1

12.30mink31 XA3

0.1556310.6 VR=3VRi=vτ=3×5.8/60×2.30=0.667m3o从以上计算结果看,,多釜串联所需的体积比为：1釜︰2釜︰3釜=0.932︰0.72︰0.667随着釜数的增加，总反响器体积下降明显削减，效果变差。所以，在工业上常用的是两个计方程〔3-23〕加以解决，级数越高、速率方程越简洁，求解越困难。简洁反响多釜串联3-6所示，引伸〔3-23〕的公式，对第i釜的任意组分进展衡算，有：τ=[i釜的浓度转变]/[i釜的反响速率]=[C--C]/(ri(3-27)

i1 i i依据选择性的定义，对限定组分A和目的产物R来说，每个全混釜的瞬时选择性和它的平均选择性数值一样，即 s=〔r

〕/〔r〕

=S=(ΔC

)/(ΔC

(3-28)mi AR i A i

ARi

Afi这里〔r 〕〔r

i釜生成R而反响掉A的反响速率与总消耗AR i、 A iA的速率；(ΔC )、(ΔC

i釜生成R所消耗A的浓度和消耗ARi AfiA的总浓度；对于限定组分A和目的产物R为等摩尔反响时，可直接用目的产R浓度(3-28)是分选择性，它与最终的总选择性存在下述关系：S〔C

-C〕=s〔C

-C〕+s〔C-C

〕+…s〔C

-C〕=C

(3-29)mN A0-1 AN

m1 A0

m2 A1

mN AN-1 AN RNYR=∑[〔ΔCAR〕i/CA0]=∑YRi=SmNxAN (3-30)式中：YRi

为第i个釜的收率对总收率的奉献.A+BRrR=1.6CA+BRrR=1.6CAkmol/m3·h2ADrD=8.2CAkmol/m3·h反响原料液中A2kmol/m3，R为目的产物。(1)计算A80%时，所需总时间？(2)A80%时，R的收率？当D为目的产物时其收率值又如何？A R∴k=18h-1

2rD

1.6CA

16.4CA

A

(A)1x

1 (B)iA2 1k 2i10.81 1 1 10.8k ki

118 10.06867h4.12min所以，

A22

k8.24kt x i C

x x x

x〔2〕 1

A0 1

A0 A2

k

1

xA2 x1xA1

A2 A1 A2所以，11 A1

A110.8解x22x .80A1 A1 40.8x 40.8A1 2C C

10.4470.553(舍去正号)由于rR1

1 2

Rr 1

CCR1 R2CC∴ r 0.068671.6

0.068671.6

C xR1 1R1

A1 A0 A10.068671.6210.553C式得

0.09823kmol/m3C r C k C X 0.068671.6210.80.09823R2 2 R2 R1 1 R A0 A2 R104395.098231422kmol/3∴R的总收率YR

CR2CA0

0.14220.07117.11%2或，对一级反响两釜的选择性相等,都等于总选择性：S=s

=〔r

〕/〔r〕i=1.6/18=8.889%R的总收率为：YR=x

mi miS=0.8×8.889%=7.11%

R i AA2m(3)假设D为目的产物,同样，瞬时选择性为sD=0.5rD/rA=0.5×8.4/16=0.2333,两个釜的选择性一样，也等于总选择性.所以，D的总收率为YD=SDXA=0.2333×0.8=18.67%.全混流反响器的热量计算依据全混流反响器的特点，在反响过程中釜内的各个参数都不变化，包括温度、流量、浓度、比热等，只要是其它的生产条件都不变，釜内的参数就始终恒定。在给定的反响温度们之间是守恒的，见图3-9。它的热量衡算式与间歇釜完全一样〔3-6〕式，-符号意义也一样，不同的是全混流反响器的反响速率是不变的，因此在任意时刻放〔吸〕热量一样，换热介AVR=AxAf3-可给出同间歇釜一样(3-31(3-8式以及温度和转化率关系3-。3-9全混釜的热量衡算示意图λ= FA0(-ΔHAr)/〔Cpvv〕=CA0(-ΔHAr)/Cpv (3-31)0从(3-31)和(3-9)式得比较可知，间歇釜和全混釜的绝热温升都可用一样浓度式来表达。例3-6、用顺丁烯二酸酐与正己醇反响生产顺丁烯二己酸己酯：C4O3H2+C6H13OH===HOOC-CH=CH-COO(C6H13)该反响对顺丁烯二酸酐与正己醇均为一级，速率常数与温度的关系为：k=1.37×1012exp(-12628/T),m3/kmol.S4.55kmol/m35.34kmol/m3时，承受全混流反响器生产，0.01m3/S,2.65m3,98%。：反响混合物的平均热容为1980kJ/m3.K-33.5kJ/mol热系数为400W〔2℃。在364K最正确的反响温度下到达50(1求绝热条件下稳定生产的进料温度；(2)65℃，此时反响的放热速率？〔3〕25℃，需多大的换热面积？解：(1) 绝热温升λ=CA0(-ΔHAr)/Cpv=4.55×33.5×103/1980=77KT-T0=77XA进料温度为：T0=Tf-λXAf=364-77×0.5=325.5K(52.35℃)釜内反响速率：rAf=kCAfCBf=kCA0(1-xAf)(CB0-CA0xAf)=1.37×1012exp(-12628/338)×4.55(1-0.5)×(5.34-4.55×0.5)=5.682×10-4(kmol/m3S)放热速率为：Q=rAf(-ΔHAr)

VR=5.682×10-4×33.5×2.6m35=50.44kJ/S· ·(3)换热面积A=Q/KqΔTa=50.44×10-3/400×25=5.04m2平推流管式反响器在均相反响连续操作的条件下，这类反响器常常用到。特别是在高温裂解的气相反响和磺化、硝化、卤化反响中使用更为普遍。它可以很好地抑制全混釜容积效率低的弱点，在体都偏离一些抱负流淌状态。但用它描述该反响，模型简洁，误差不大，也是争论其它连续进展加热和冷却，或将其放入加热恒炉中。一般设计计算方程对于这种平推流模型有如下的根本假设：全部流体粒子均以一样速度从反响器的入口向出口流淌，没有径向的速度差，就像气缸中的活塞一样有序地流淌，故也称活塞流。在垂直于流体流淌平面上浓度和温度均匀，不存在径向方向上的混合和流淌方向上的混合。3-10所示：3-10平推流模型以，要取微元体dz长、dv体积作为物质衡算根底。在稳态时，依据质量守恒定律，在某一时刻，限定反响物A在单位时间内进入微元体的量等于单位时间内A流出微元体的量加上在微元体中消耗的量，即：(A进入微元体的摩尔数) = (A流出微元体的摩尔数)

+ (A在微元体中消耗摩尔数)用符号表示：

F FdFA AF

FrA

dV 〔3-32a〕整理，有：

d rdV (3-32b)AA F FA又由于在连续流淌条件转化率的定义; xA

A0 AFA0

〔3-33a〕有： FA

F xA0 A

〔3-33b〕对〔3-33b〕式微分后代入(3-32b)，有：F dxA0 A

rdV 〔3-34〕A〔3-34〕决于A的反响速率方程。这是一个常用的，格外重要的平推流管式反响器设计微分方程。通过这个微分式可以解决公式中包含的四个量的计算问题四个量。对〔3-34〕式积分，可得平推流管式反响器设计的积分公式：VR xAdxA

〔3-35〕F 0 rA0 AFA0

C vA0

和 VvV

代入〔3-35〕中，整理，有：0 x dx0C rA0A0 A0

〔3-36〕在以上公式推导过程中只作了稳态假设，因此，式3-3〔3-3〕和〔3-3〕都适用于等温存变温过程、等容和变容过程，也适合于简洁反响和简洁反响。简洁反响等温恒容过程容过程。在恒容条件下，有：CCXd dCCXA A0 A

〔3-37〕将式〔3-37〕代入〔3-36〕中，变为式〔3-38〕cdCcr A0 ArcAf A

〔3-38〕PPA

RTCCA CC

PAdPRT

RTd 代CAC入3-3〕式，可得以A的分压PA为自变量的反响器设计方程3-3： 1RT

pAf

dPrA 〔3-39〕A下面就针对不同反响级数的反响速率方程进展推导，给出具体的设计计算公式。对于一级反响，将反响速率方程r

代入式〔3-38〕得：AAc dC 1lnC0AA

A A1ln 1cA0kC k CAf A Af

k 1xAf

〔3-40〕〔3-40b〕说明：在等温条件下，一级反响的转化率与反响空时有关，而与初始A的浓度无关。对于二级反响，将反响速率方程rA

kC2代入式3-3： c dC

1 AA

1 1 x AfAfA0 C

C C

x 〔3-41〕c kC2 k k 1Af A

Af A0

A0 Af对于其它反响级数，只要将给定的反响速率方程代入〔3-40〕式中就可进展积分运算，A〔3-38〕数的求取同样可利用在试验室中获得的间歇反响的离散数据程在确定条件下赋值计算给出离散点。不难看出，平推流反响器的设计方程在恒容的条件具有与间歇反响器的设计公式一样的公式，只是在连续流淌的管式反响器中用空时τ代替了间歇反响的反响时间t。CH2COOC2HCH2COOC2H3+NaOHCH3COONa+C2H5OH该反响对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级，反响开头时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.2mol/L，反响速率常数等于5.6L/molmin，体积加料量为20m3/h，要求的最终转化率为95%。试求需要多大体积的反响管体积？在全混釜中如何？解：依据二级等容过程平推流管式反响器的设计公式3-4，CA0

x Af1Af代入CA00.2mol/Lk5.6L/molminXA0.95V020m3/h

0.95 1910.95∴

19 16.96min5.60.2∴所需反响器的体积：V v19620/60653R 0在全混釜中将rA

kC2代入3-1〕式，整理有：AkC A0

xAf)2Af代入数值：5.60.2 0.95 3802∴ 380 5.60.2∴所需反响器的体积：V v33320/6011.13R 0从例3-720分之1，对正级数反响随级数的增加差距拉大，随反响级数变小差距缩小，到零级数时，同样反响条件下所需平推流反响器和全混流反响器的体积一样，两者的计算公式也一样。简洁反响等温变容过程对于大多数的气相反响来说，反响前后的摩尔数都是变化的，而对于连续流淌的管式PV=nRTP、T确定时体系的体积流量随摩尔数成正比变化。在变容条件下，总摩尔数可用浓度和体积的积来表达，而体积和浓度在反响过程中都在变，CAxA作为自变量。将其次章〔2-9〕式浓度与转化率的变容过程公式代入〔3-35〕式，进展具体计算公式的推导。对于一级不行逆反响变容过程：A→nR将其速率方程rA=kCA和〔2-9〕式代入〔3-35〕式，： xxV xxR Af

dx Af

x Af

A

dxF 0

0 C 1x

0 kCAA

1xA0代入F vA0

A kVC 和 VA0 v

A01A A

A0 A经推导整理，得：

0 k1ln1x xA Af A Af

〔3-42〕V x

1 2对于二级不行逆反响变容过程：对等摩尔加料的状况，A+B2A对于二级不行逆反响变容过程：对等摩尔加料的状况，A+B2A产物推导过程类似于一级变容程xR Af

A

d0 1x

2

k

1x 2 A0 k2 A

A0 AA A ：12xC A Af

xk 1xAA0Af

2 2 A Af A

ln1A

〔3-43〕在等温条件下，对于其它反响级数的变容过程用上述同样方法，进展积分运算，对有些不简洁积分的式子，可利用数值积分和图解积分,见例3-9。3-8磷化氢的均相分解4PH3(g)==P4(g)+6H2(B) (C)r10CA A

，mol/Lh1650K0.46MPa4kmol/h，解：依题意：4AB+6C求转化率到达解：依题意：4AB+6C其膨胀率 A

6140.754：

xx k1

ln1 A Af Af Ah A 代入k10 1， 0.75h A 解之，

12.81650.60.222h10C

P A0

0.4610

0.034mol/LA0 RT 0.08216504000mol/h∴F C v，vA0 A0 0

117653/h0.034mol/L∴V vR

22211.652.123例3-9在一个平推流管式反响器中进展一个气相反响A 3R，在215℃时反响速率方程为r12CA A

mol/LS0.5MPa，原料中含有A50%,解：A3R 解：A3R 50%惰性气时421A 2C C A0

0.510

0.125mol/LA0 RT

215273依据平推流反响器的一般设计公式：A0dx A0

05

05C

x AC

x A A008 AdxrAfrA00

0Af 1x

5

k 0 1x AA kC.5 A AA01上述积分可用图解法、辛普生法和解析法。图解法：

AxA首先计算函数值，选择数据表作出函数曲线，然后计算或估算曲线下面的面积值：1xxA 1xx

1x1

5AA xA0110.21.51.2270.42.31.5280.6420.893其面积=0.8×1.7=1.3601X

.5即，.8 Ad

1.3600 13-11图解积分结果辛普生法：xA轴上以同样间隔求出数据，列成上表，代入辛普生公式。1x

0.51141.22721.5284213.8

Adx

0.81.365A0 1x A 12 A〔3〕解析法：由积分表可知1x

0.5 x0.8

Adx

0.81

Adx

sin1

1

0.8

1.328A0 1x A

A 0 1x2 A A A0A由上可见，辛普生法是快速而又简洁的，并可得到足够准确的答案，取积分值为1.33计算。 C0

0.0625mol/L

0.5s1 A01.33s1k

12

0.5

1.3333.2S简洁反响等温恒容过程方程3-3，给出它们的计算公式。依据简洁反响瞬时反响选择性s下式表示：S 1

c ddC

(3-44)p C CA0

c A AAf Af当瞬时选择性与反响物浓度有关时，总选择性和瞬时选择性不相等，否则，二者就相等。用(3-44)和〔2-9〕定义式来求结果是一样的。对瞬时选择性进展求导，可求出访它最大的反响物浓度值CAopt,只与反响温度,AkAk1Rk2SArkkrkr k1CA，R 1CA 2CR，S 2CRArkkrk设初始浓度为CA0,CR0=CS0=0rA代入活塞流反响器设计公式〔3-35〕中，得：CACA0ek (3-45)取任意微元体对R衡算:v0CR+rRdV=v0(CR+dCR)rR并化简,两端除dτ，有：dCR/dτ+k2CR-k1CA=0 (3-46)代入初始条件，当k、k不相等时解出：C2kC A0 1

ek

ek

(3-47)R kk 1 22 1eC ke21∴收率21

Y RCRCA0

kk2

k1k

(3-48)当最大收率时，dYR0 ,得：dklnk1 opt

k21 2

(3-49)将(3-49)代回到(3-48)，:有：k

k2Y Rmax

1k2k1 (3-50)k2k该一级连串反响在平推流和全混流反响器中的总选择性比较见图3-12。3-12一级连串反响在平推流和全混流反响器中的总选择性比较从图3-12中可以看出，平推流中的总选择性永久大于全混流的；在转化率低时两种反应器的差异较小；消耗R的速率常数比生成R的速率常数越大，两种反响器对总选择性的差异就越小。Ak1Rk2Ak1Rk2Q两反响均为一级，在反响温度下，k1=0.30min-1，k2=0.10min。A3m3/h，其中不含R和Q。试计算R的最高收率和此时的总选择性以及到达最大收率时所需的反响器体积。解：对一级连串反响的中间产物R的收率计算公式为12dY k 12令 R0 有Y d R

1k

ekek

〔A〕lnklnk1k2

0.3

0.15.493minopt

k1k2

0.30.1代回A中Y 0.3R 0.3

0.5493

0.5775最正确转化率：1

xAopt

CA0

ke1e

1.65xopt

10.19280.8%所以，此时总选择性为S=Y/x=0.5775×0.808=46.66%R R A

5.493V R

vopt

360

.274733-11在确定的反响温度下A发生如下的平行反响：kkA 1 Rk2A 2 Dr2.0C,kmol/m3.hR Ar .2C2,kmol/m3hD A其中，R为主产物，D为副反物，反响原料为纯A10kmol/m3，在反响器出口A80%时。试求在活塞流管式反响器中的空间时间、R的选择性和收率。解：依题意：rr2r0C4C2A R D A AR的瞬时选择性：Ar 2C 2As R/A

rR A

2C 0.4C2 A A

20.4CA选择性最高。

而 CAfCA01XAf

2kmol/m3所以，最高主产物的瞬时选择性为2/〔2+0.4×2〕=71.43%1R的总选择性：1S

cS

C

1 c

1 dCAAAC C cA0AA0 Af Af

A C C1A0 1

c00.2CAAf AA 1 ln10.2CA00.2CA0CAf 10.2CAf∴ S=0.467 ∴ C SC CRf A0 Af

3.81kmol/m3R的收率值为：

YxR

S

0.80.4760.381此时的空间时间为：c dCA0 A0A

c dCA0

1 ln1

C C A0A A0c rAf A

c 2C4C2Af A

2 C

5A CAf简洁反响的变容过程产条件下，体系的压力变化一般不是很大，可视为恒压过程，那么，反响管出口的体积流量定组分A的转化率来计算，且有几个独立反响，就应设定几个独立变量。依据平推流反响r器的根本微分方程3-3，可给出更一般化的任意组分i平推流反响器设计微分衡算式：r依据初始反响条件：

dFdViiRi

〔3-51〕VR0FiFi0，i=1，2，……N〔N为独立反响方程式数〕为用流量Fi表达的形式。在恒压下，对混合抱负气体的i组分在初始条件下：

C pii

PyiRT

Fi PFi RT

〔3-52〕Ci0

Fi0Fi0

P，FRT i0F

Ft0

〔3-53〕2A+Bk2A+Bk1RR+Bk2DCCArR=kR+Bk2DCCArD=k2CRCB第一步，确定关键组分上述两个反响对A来说为连串反响，对B为平行反响，且相互独立，所以，关键组分数为2FA

和FB

R和DFA0

0,F 0，F F 0；B0 R0 D0其次步，非关键组分用两个关键组分来表达，在单位反响时间下可引入两个反响的进度1和2，则在任意时间FF 2 〔3-54a)A A0 1FF

(3-54b)FB B0 1 2

〔3-54c)R 1 2F

(3-54d)D 2∵

F FA0 A， (3-55)1 2F FB B0

F FA0 2

(3-56a)2∴ F F2 B0

1F 1FB 2 A0 2

(3-56b)FF F F F而 i A B R D

(3-57)F FA0 B0

2 1 2将1和2代入(3-57〕中，有：F1Fi 2 A0

1F F2 A

(3-58)C第三步， 令 FiC

RT(3-59a)P将〔3-53〕式变为

F A (3-60a)ACFC B (3-60b)BCF (3-60c)C RR 第四步，列出设计方程，由〔3-51〕式可得：dA2rdV A

k

C2C1 A

〔3-61a〕dRBdVF代入CACB关系式:Fd

rrA

kC21 3

kC2 R

(3-62b)AdVdB

kk

13

F2FA BF2F

2F

(3-62c)F〔3-63d〕dV 1R

B 2

RVR=0时，FA=F

FR=(FA0-FA)-(FB0-FB) 〔3-63e〕FD=(FB0-FB)-1/2(FA0-FA) (3-63f)A0 B B0 D D0 R ，F=F =0, F=F =0, FA0 B B0 D D0 R 联合解(3-61c、d、e、f))组成的微分方程组，代入初始条件后可进展数值计算，计算终止是以两者反响物较少组分的转化率要求计算出的Fif值为准。该计算方法从物质衡算得微分方程式开头，也适合于变温过程的计算，主要表达在速率常数随温度的变化。变温过程绝热反响器更是如此。设平推流管式反响器内流体垂直于流淌方向的任意截面上温度均匀化。取微元反响体积dVR作热量衡算，假设在微元dVR中的温度变化为dT。进入物料的总摩尔流量为FtVtddZTc，3-13所示。3-13平推流管式反响器热量衡算。则在等压下的热量衡算关系为：对于放热反响：〔dVR中反响放出的热量〕=〔体系升温吸取的热量〕+〔体系向外传出的热量〕用数学符号可示为： C r HdVA r R

v 0

dTKqTTpv

Sdl 〔3-64a〕代入管式反响器的物质衡算方程(3-34)式，F dXA0

rdVA A

整理，得：vC dTF

〔3-64b〕0 pvdl A0 r dl d c这是管式反响器的轴向温度分布方程。以上是针对单一反响，假设反响简洁反响的多个反响过程时

3-6〕中只需用简洁反响的总反响热

H

rr

H 项即r可。特别是对于绝热反响过程，其传热项为零，即

4Kq

0式(3-64b)可简化为：

dTdl

F (Hr) dXA0C dl0 Pv

d cA (3-65)CF HCC令

vA0 0 Pv

A0r Cpv

(Hr

) (绝热温升) (3-66)同样得到与间歇釜和全混流反响器完全一样的绝热温升计算及温度与转化率之间关系式3-温度随转化率成比例下降；对于恒温过程，dT=0,(3-65)化简为等温反响过程传热计算。C6H5CH3+HC6H5CH3+H2C6H6+CH45，氢中含甲烷２０％。873K热容数据如下(J/molK)：PH:C 20.786，CH4:Cp0.04414T27.87，PC6H6CP0.1067T103.18C6H5CH3CP0.03535T124.85。Hr19478.8J/mol,试求此条件下的绝热温升。当甲苯转化率为70%时，求反响器出口温度。〕求绝热温升T

870K，XA0

1=0，=0，A6873K时C

20.286，C

pCH

0.044187327.8766.37CpCH6 6

0.1067873103.18

4196.33，CpCHCH6 5 3

0.03535873124.85155.714 1 1C pv 6

C

C6 PCH4

C6 PC6H6420.286166.37178.8313.52429.86 643.324J/molK HFA0

(Hr)FA0(Hr)y r 1* 19478.8J/mol 74.93KvC0 pv

FCt pm

A0 Cpm

6 43.324J/molK反响器出口温度TT0

X

87374.930.787352.45925.45KA反响器类型、操作方式及过程优化把握，并对它们进展比较，对它们的组合和各种操作条件进展优化。反响器类型及操作比较1、反响器类型比较C3-3间歇、全混流、平推流和多釜串联反响器的综合比较C反响器反响物浓度曲线生产操作特点常用物系适宜反响间歇釜间歇、小批量、多品种液相或高粘液正级数、简洁、复合全混流连续、大批量、单品种液相低级数、自催化平推流C连续、大批量、单品种气、液相正级数、简洁、复合多釜串联连续、大批量、单品种多釜串联连续、大批量、单品种液相任意级数、简洁、复合C3-3是四种反响器的综合比较。从表3-4看出，间歇反响器和平推流反响器随反响时备稍简洁。n级等温恒容反响,有：xAf V 1x nRm VRp

m p

1

Af1xAf

1n1级数VRm/Vp级数VRm/Vp00.51230.5xx1Af1x Af1.201.432.081xAfAfAf1.441.943.91)12.003.3310)2)(2xAfAf2.675.1318.18)AfAfxA=0.5 1xA=0.7 1xA=0.9 1从表3-4中也可看出，零级反响速率与浓度无关，与反响器类型也无关，转化率只与空时有关，假设加料量一样，两种反响器所需的体积相等。随着反响级数的提高，全混流反响器比平提高，特别是高级数下，差异更明显。总之，正级数反响平推流反响器明显优于全混釜，当反响级数为负数时，则相反。对于多级全混釜的串联，可比单个全混釜提高反响物浓度，增加反响速率，随着釜数的增加浓度提高越大，越接近平推流反响器性能。2、不同操作方式比较.如图3-14是各种反响器的加料方式和反响物浓度比较。.间歇操作 (b)半连续式操作 连续式操作(d)全混釜A和B同时参与 〔e〕多级釜入口参与 〔f〕多级釜入口和中BABAABABA(g)平推流入口参与 〔h〕平推流入口和中途参与 〔m〕平推流入口和中途参与CA高，CB高 CA高，CB低等浓度 低不等浓度图3-14反响器加料方式转化率和复合反响的选择性与收率，要充分考虑物料价格和进一步的分别因素。组合反响器特点1、管式反响器串联和并联FA0v0CA0

FA1xA1CA1

FA2xA2

FA,i-1xA,i-1

FAixAi 25CAi26VR1 VR2 VRiCA0,v0

串联v01

R1,τ1C

Af,xAfV ,τV ,τR2 2并联3-15管式反响器的串联和并联对图3-15a的串联，每个反响器应用设计公式3-3，有：VFA0

x0

dxrA C1A

〔3-67a〕F

x dxxA2rA

C

〔3-67b〕A0 A2 A A0将式(3-67a)和式(3-61b)左右相加,可得：V VR1 R2

dx dxxxA1 A A2 xx

x dxA

1

2 〔3-67c〕F 0 r x r 0 rA0 A A1 A A A0也就是说两个相串联的管式反响器，相当于一个V VR1 R2

的大反响器。在确定的反响温理力气不转变，串联上一个体积为VR2的反响管可使反响物的转化率提高。对图3-15b物浓度C

因此可通过合理安排两个反响器的进料量v 和v 以到达一样的反响时〔空A0 01 02时〕和一样的转化率。对两个反响器分别应用〔3-38〕式，有：V R1

V VR2 R1 R2 〔3-68)v v01 02

v v01 02VR1上并联VR2的管式反响器，它的处理力气也增加了同样的倍数。2、全混釜的并联3-16可知，两个反响釜的体积分别为VR1和VR2，进入两个反响器的体积流量分别为v01和v ，摩尔流量分别为F 和F 则应满足出口转化率和反响时间一样。又由于：V02 V

A02， F01 02 0tF

〔3-69a〕FA01F

A02

〔３-69b)下面对两个釜分别使用(3-13)设计公式，当满足右边一样时，必需满足12：V即101

R2V02V

(3-70)3-16全混釜的并联也就是说，要使两个反响温度一样的全混釜相并联应保持反响物在两个并联釜中的空时相等。两个全混釜的并联在实际生产中的意义是成比例的增加了进料体积，提高了生产力气。3、全混釜串联管式反响器对自催化反响和某些生物催化消灭速率极值〔最大〕的过程，常用全混釜和平推流反响3-17。(b)图3-17 釜式串联管式3-17中可看出，用单一全混流或平推流反响器，其面积要比平推流管式反响器的大，而将两种反响器相串联，可使积分面积最小，即总空时最小，要釜式在前和管式在后。关于最正确点xA13-17〔b〕曲线上直接读取最低点的横坐标值；另一种方法是求反响速率最大时的转化率。4、循环反响器〔图3-18〕是环比R等具有极大值反响速率的反响过程格外有效，在效果上类同于釜式和管式的串联。3-18循环反响器3 f循环比R=循环物料体积的量/流出反响器物料体积的量=v/v3 f循环管式反响器的设计方程为：rV x dxrR A0

R1

Af RxR1Af A

〔3-71〕在循环比R=0时〔3-7方程可转化为平推流反响器设计方3-3R〔3-7〕可转化为全混流反响器设计方程式3-11。为了使循环管式反响器的体积最小，应选择最正确循环比R：(R1)d x dxAf AAfA即当 dVR

Rx rR1 Af A 0dR dR1

xdxxAf rA时 ： r AiAxAiAf AixAi

〔3-72〕〔3-74〕式就是在循环比到达最优时的条件。1就是从rAi

R R1

的积分面积的平均高度H。下面就是不同循环比的示意图，见图3-19。只有选择在最正确循环比下操作才能显示出它的优点，反响器体积最小。循环比太小 (c)R最优 (d)R太大图3-18循环比对反响器体积的影响简洁反响过程的优化1、反响物浓度对简洁反响选择率的影响对平行反响：↗R rR

kCnAA (3-73)↘D rD

kCmAR为目的产物，其瞬时选择率的定义为：rS”rRD

kk 1CnmAk2

〔3-74〕瞬时选择性与选择率的变化规律是一样的。假设两个反响器级数相等，即n=m时，只与总选择率。当n﹥m时主反响级数大于副反响级数时，随反响物浓度CA提高，选择率提高。A↗R↘DCn1n3A↗R↘DCn1n3n2在对于三个平行反响时，R为目的产物，n2<n1<n

，主反响级数处在两者之间，反响物的A3A浓度也有最正确值，可通过求导求取其最正确值，此时选用多釜串联或分批加料方式较好。2、反响温度对复合反响的影响。RT于平行反响(3-73)E1E2k1k2的活化能，两反响的级数都为n，R为目的产物。所以，依据阿累尼乌斯关系kk0eERT代入选择率方程3-7：RTRSrR

k Cn1kE1kE10RT

k

k10E

RT 〔3-75〕R r k Cn

k 1 2S 2 A 20 2 20RRE1>E2时，反响温度的提高，S’提高；当E1<E2时，S’随反响温度的降低而提高。RR串反响，要比较主产物的生成和消耗活化能的大小。对于连串平行反响：1 2↗RA P3↘D32,R为目的产物，且E2<E1<E。由于E3>E，低温有利于P生成R，把握后一步的平行反32,应温度是提高R选择性的关键,为了提高反响速率，反响初期适当提高反响温度，在后期要降低反响温度。以，在其它允许的条件下，应尽可能地提高反响温度。而对于可逆放热反响来说，虽然高温反响有利于反响速率的提高，但会使可逆反响的平衡转化率减小,这就存在最正确操作温度问题。对一级可逆放热反响1A B2在恒容过程纯A加料反响时，其反响速率方程为：rkCkCA 1 A 2R

=k1CA0[(1-xA)-xA/K] 〔3-76a〕2而： 2

(正反响速率常数) 〔3-76b〕k2k20

RT (逆反响速率常数) 〔3-76c〕Kc=k1/k2 (平衡常数) 〔3-76d〕〔3-76a、b、c、d〕反响了rA-xA-T之间的关系，当一个值以后，就可确定另外两个变量之间的关系。当转化率确定时，要rA

dr最大，求 dT

0时的反响温度就为最优温度，对〔3-76a、b、c〕求导后，整理,有最优温度：T E1E2 (3-77)opt

10CA E2k20

CR=03-76EET 1 2

〔3-78〕e kCRlnk10CAe20 Re3-19。图3-19 可逆放热反响的反响速率与最正确操作温度,从图3-19可看出，在转化率确定时，随着温度的提高，净反响速率下降，到达确定时，净速率为零，即平衡状态；在温度确定时，随转化率的提高，净反响速率也下降，最终到达平衡，即该温度下的最高转化。使反响速率最大的温度把握轨迹〔虚线〕就是最优操作温度线，它也叫最快状态，反响器的体积需要到达最小。在实际生产中，首先选择的操作方式是绝热操作，对近或围绕这条线操作就可以了。本章重要内容小结：1、间歇反响器 恒容过程

tC

xA dx〔1〕反响时间计算：A00〔2〕反响体积：V=v0(t+t0)V

r(A)A A2、全混流反响器 空时：

vR， 空速：S=1/τ0〔1〕根本设计方程：

C CrA0 rAf

〔适用各种条件〕〔2〕V1x 1 ， RiVA3 1k 3 i vi 03、简洁反响

〔3〕任意级数多釜串联图解设计方程为：r 1Aii

C 1C ；Ai1 Aii〔1〕瞬间选择性：s=[瞬时反响生成主产物R时消耗限定组分A的反响速率]/[瞬时限定组分A总的消耗速率]=rAR/rA〔2〕R的总选择性和总收率定义：RS=ΔCAR/ΔCAf ；Y=ΔCAR/CA0=xAf SRRdCdCCS 1CR C

c A0c A AA0 Af Af4、一级连串反响在三种抱负反响器中都存在最正确反响和最大中间产物浓度，它们只与两步反响速率常数有关。〔1〕全混釜：最正确时间τ=1/(kk0.5

〔几何平均〕opt 122 最大收率YRmax=1/[1+(k/k0.52 lnk1〔2〕活塞流〔间歇釜：最正确时间

k2〔对数平均〕opt

k1k2最大收率YRmax=(k1/k2)(k

/(k

-k))5、平推流管式反响器〔1〕微分式：F VA0V

2 21X rdVA A R〔2〕设计积分式：