化学反应工程学反应器基本原理

化学反应工程学反应器基本原理第一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五60年代石油化工的大发展，生产日趋大型化以及原料深加工向化学反应工程领域提出了一系列的课题，加速了这一学科的发展。特别是后来计算机的应用，解决了不少复杂的反应器设计与控制问题。

80年代后，随着高新技术的发展和应用（如微电子器件、光导纤维、新材料及生物技术的应用等），扩大了化学工程的研究领域，形成了一些新的学科分支，如生化反应工程、聚合物反应工程、电化学反应工程等，将化学反应工程的研究推到了一个崭新的阶段。二、化学反应工程学研究的内容和方法研究的内容：（1）通过深入地研究，掌握传递过程的动力学和化学动力学共同作用的基本规律，从而改进和深化现有的反应技术和设备，降低能耗，提高效率。（2）开发新的技术和设备。（3）指导和解决反应过程开发中的放大问题。（4）实现反应过程的最优化。第二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五研究的方法：数学模型在化学工程中，数学模型主要包括以下内容：（1）、动力学方程式

对于均相反应，可采用本征速率方程式；对于非均相反应，一般采用宏观速率方程式。（2）、物料衡算式流入量=流出量+反应消耗量+累积量（3）、热量衡算式

物料带入热=物料带出热+反应热+与外界换热+累积热（4）、动量衡算式输入动量=输出动量+动量损失（5）、参数计算式主要是指物性参数、传递参数及热力学等计算公式。第三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五三、化学反应工程学与相关学科的关系传递工程化学反应工程反应器的设计化学动力学化学热力学反应器中流体流动与传热反应工艺流程与设备化学工艺工程控制化学催化剂与反应条件最佳化反应系统中测量与控制第四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五四、化学反应过程和化学反应器的分类（一）、化学反应过程分类分类特征反应过程反应特征简单反应、复杂反应（平行的、连串的等）热力学特征可逆的，不可逆的相态均相（气、液），非均相（气-液，气固、液固、气-液-固）时间特征定态，非定态控制步骤化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制，吸附或脱附控制第五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五判断反应结果的好坏主要两个因素：反应速率、反应的选择性1、反应速率

反应速率是指单位时间、单位体积反应物系中反应物或生成物的变化量。

如果在反应过程中体积是恒定的，也就是恒容过程。则上式可写成：正号----表示产物的生成速率负号----表示反应物的消失速率第六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五各组分的反应速率为：各组分反应速率之间的关系：第七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五

根据实验研究发现：均相反应的速度取决于物料的浓度和温度，这种关系可以用幂函数的形式表示，就是动力学方程式：k----反应速率表常数，可以根据阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程求得：2、转化率

对于间歇系统第八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五对于连续流动系统，转化率则以下式表示：对于等温、恒容反应，可以用浓度表示：3、反应的选择性aApP（目的产物）qQ（副产物）反应的选择性是指生成的目的产物量与已转化的反应物量之比。第九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五收率：生成目的产物的量比加入反应物的量收率、转化率与选择性之间的关系为：有时也用质量收率表示：第十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五（二）、反应器的分类

1、按反应物料的相态分类：反应器的种类反应类型设备的结构形式反应特性均相气相液相燃烧、裂解中和、硫化、水解管式釜式无相界面，反应速率只与温度或浓度有关非均相气-液相液-液相气-固相液-固相固-固相气-液-固相氧化、氯化、加氢磺化、硝化、烷基化燃烧、还原、固相催化还原、离子交换水泥制造加氢裂解、加氢硫化釜式、塔式釜式、塔式固定床、流化床釜式、塔式回转筒式固定床、流化床在相界面，实际反应速率与相界面大小及相间扩散速率有关第十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、按反应器的结构型式分类

结构型式适用的相态应用举例反应釜液相，气-液相液-液相，液固相药物的合成、染料、中间体合成、树脂合成管式气相，液相轻质油裂解，高压聚乙烯鼓泡塔气-液相，气-液-固相变换气的碳化，苯的烷基化，二甲苯的氧化固定床气-固相SO2氧化，乙苯脱氢半水煤气的产生流化床气-固相硫铁矿焙烧，萘氧化制苯酐回转筒式气-固相，固-固相水泥生产喷嘴式气相，高速反应的液相氯化氢的合成，天然气裂解制乙炔3、按操作方式分类

1）、间歇操作

2）、连续操作

3）、半连续半间歇操作第十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五五、理想均相反应器1、理想间歇反应器反应器理想化的条件：反应物粘度小、搅拌均匀、压强、温度均一（任一时刻物料的组成，温度均一），这就是理想间歇反应器（batchreactor简称BR）特点：操作具有较大的灵活性，操作弹性大，相同设备可以生产多个品种。缺点：劳动强度大，装料、卸料、清洗等辅助操作常消耗一定时间，产品质量难以控制。2、活塞流反应器在等温操作的管式反应器中，物料沿着管长，齐头并进，象活塞一样向前推进，物料在每个截面上的浓度不变，反应时间是管长的函数，象这种操作称为理想置换，这种理想化返混量为零的管式反应器称为活塞流反应器（plugflowreactor简称PFR）。第十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五3、全混流反应器特点：由于强烈的搅拌，物料进入反应器的瞬间即与反应器中的物料混合均匀，反应器内物料组成、温度均匀一致，并且等于出口处物料的组成和温度。工业上将搅拌良好且物料粘度不大的连续搅拌釜式反应器（continuousStirredtankreactor简称CSTR）近似地看成全混流反应器（是一种返混量为无限大的理想化的流动反应器）

4、多级全混流反应器多个全混流反应器串联起来，工业上的多釜串联反应器（continuousstirredtankreactorseries简称CSTRS）与之近似，其特点：（1）反应是在多个反应釜中进行的，中间无物料加入和产物引出，上个反应釜的出口浓度与下个反应釜入口浓度相同。（2）各反应釜中组成、温度均匀一致，级与级之间是突然变化的。（3）从一级至最后一级，反应物浓度是逐渐降低的，串联反应器数目越多，其性能越接近活塞流反应器。第十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五第二节物料在反应器内的流动模型常见的流动模型分为:

理想置换理想混合非理想流动模型扩散模型多级理想混合模型理想流动模型一、理想流动模型1、理想置换理想置换又称为活塞流，理想排挤或列流。特点：①、在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀一致，即截面上各点的温度、浓度、压力、速度分别相同。②、反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在反应器内的停留时间是管长的函数。第十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、理想混合特点：①、反应器内的浓度和温度均均一致，并且等于出口处的物料浓度和温度。②、物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。

“逆向混合”也叫“返混”,在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。引起逆向混合的主要原因有：1）、由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。2）、由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时间的物料间的混合，也就是逆向混合。3）、反应器内形成的死角也会导致逆向混合。第十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五二、非理想流动模型

凡是流动状况偏离活塞流和全混流这两种理想情况的流动统称为非理想流动。

造成非理想流动的原因有：①、设备内各处速度的不均匀所致②、由于反应器中物料粒子的运动（如搅拌、分子扩散等）导致与主体流动方向相反的运动，导致偏离全混流的特性。层流湍流平推流第十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五非理想流动模型分为：

①、轴向扩散模型②、多釜串联流动模型c1c2cicnCA,0dxcc+dc第十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五第三节物料在反应器内的停留时间分布一、停留时间分布函数为了研究方便，可以作如下假定：①、反应器内为定态操作，流动状况稳定，不变化②、流体为不可压缩流体，系统若进行反应则反应混合物体积不变。分布函数停留时间分布密度函数E（t）

停留时间分布函数F（t）

第十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五1、停留时间分布密度函数E（t）假设进入反应器有N份物料，停留时间为t→t+dt的只有dN份物料，则停留时间为t→t+dt的物料占进料物料的分率为：tＥ（ｔ）tt+dtE(t)dt能决定停留时间分布情况的函数E（t）叫做停留时间分布密度函数。E（t）的大小并不表示分率的大小，而是E（t）曲线以下在t→t+dt间的面积即E（t）dt才是分率dN/N的大小，所以把E（t）称作“分布密度函数”。归一化的性质：

第二十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、停留时间分布函数F（t）假若在时间0→t之间进入反应器的物料粒子中，具有停留时间从0→t间的物料粒子的量占进料总量的分数，称为停留时间分布函数，用F（t）表示:tt+dtdF(t)dtt1.0F(t)分布函数Ｅ（ｔ）和Ｆ（ｔ）的关系为：上式表明F（t）曲线上停留时间为t时对应点的斜率为E（t）第二十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五二、停留时间分布的实验测定1、脉冲示踪法连续操作的流动体系Ｍ０ｑＶｑＶ测定示踪物浓度c(t)随时间t的变化

经过t→t+dt时间间隔从出口所流出的示踪物占示踪物总量（M0）的分率为：第二十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五

在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是N，则在反应器内停留时间为t→t+dt的物料在N中所占的分率为：由于示踪物和物料在同一个流动体系里，所以C(t)t第二十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、阶跃示踪法连续操作的流动体系ｑＶｑＶ测定示踪物浓度c(t)随时间t的变化从某一时刻起连续加入示踪物

在阶跃示踪法中，t秒时由出口测出的是停留时间为0→t秒的示踪物，即凡是停留时间小于或等于t的示踪物在t秒都会从出口流出来，所以阶跃法在t秒时所测定的示踪物浓度（t）应为：第二十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五C0t三、停留时间分布的数字特征1、归一化性质2、数学期望停留时间是一个随机变量，表示其分布特征的数学期望就是平均停留时间，即：第二十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五

如果用实验测定，每隔一段时间取一次样，所得E（t）函数一般为离散型，也就是各个等间隔时间下的E（t），则平均停留时间为：3、方差

衡算物料停留时间分布的离散程度（简称散度），即表征物料粒子各停留时间与平均停留时间的偏离程度，就以方差表示。利用实验数据计算方差，上式改为：第二十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五4、以量纲为1的对比时间θ作自变量的方差空间时间为量纲为1的对比时间为:对应的分布密度函数为:理想置换型理想混合型非理想流动型对应的分布函数为:以量纲为1的对比时间θ作自变量的方差为:第二十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五四、理想反应器中的停留时间分布1、理想置换反应器tE(t)τtF(t)τ1.0t≠τE(t)=0t=τE(t)=∞t＜τF(t)=0t≥τF(t)=1σt2=0σ2=0方差:第二十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、理想混合反应器M0qVqVqV0→tt→t+dtc0c(t)c(t)+dc(t)C0=M0/Vt时釜内原有的示踪物的量=(t+dt)时釜内存留的示踪物的量

+dt时间间隔流出的示踪物的量物料衡算:Vc(t)=V[c(t)+dc(t)]+qVc(t)dt第二十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五tE(t)τtF(t)τ1.00.632

在理想混合反应器中，物料粒子的停留时间很分散，停留时间非常长的粒子不多。当反应器中物料粒子在t=τ时，F（t）=1-e-1=0.632。说明有63.2%的物料粒子在反应器内停留时间小于平均停留时间τ。这些粒子可能没有来得及反应就离开了反应器。所以在其他条件相同时，相同容积的理想混合反应所能达到的最终转化率，必然要比理想置换反应器的小。方差:第三十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五五、非理想反应器中的停留时间分布1、多级理想混合模型第一釜:第二釜:在t→t+dt时间间隔作物料衡算:

进入釜的示踪物量–离开釜的示踪物量=釜内示踪物改变量qVc1(t)dt–qVc2(t)dt=V[c2(t)+dc2(t)]–Vc2(t)设反应器中平均停留时间相等，即：解此一阶微分方程得：第三十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五第三釜:第四釜:第N釜:物料在N釜串联反应器的停留时间密度分布函数为：第三十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五总平均停留时间为：量纲为1的对比时间为:代入上式得：积分得停留时间分布函数：用量纲为1的对比时间θ表示为:第三十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五从上图可以看出：串联级数N增加，峰形愈窄，分布愈趋于集中。当N=∞时，F（θ）=1，此时为活塞流。在多级理想混合反应器中，在前一段停留时间很短的物料粒子可能在后面各级中的停留时间可能会延长，这样会使系统中所有物料粒子分布较均衡，改变了停留时间不均的现象，使停留时间分布趋于集中。串联的级数N是表征系统返混程度的一个定量指标，说明实际反应器的返混程度相当于N级等容串联的理想混合反应器中的返混程度，N是个虚拟级数，称为模型参数。第三十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五用量纲为1的比时间θ表示方差为：2、分散模型第三十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五六、停留时间分布曲线的应用

研究停留时间分布，就考虑如何避免非理想流动。在反应器的结构上加以改进，使之接近理想反应器流动状况。1)、根据测定的停留时间分布曲线形状可以定性地判断一个反应器内物料的流动状况，从而制定改进方案。2)、可以通过计算数学期望和方差，求取模型参数N。3)、对某些反应，则可以直接运用E（t）函数进行定量计算。第三十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五1、判断物料在反应器里的流动状况tE(t)τtE(t)τtE(t)τ正常早出峰晚出峰

其曲线位置与峰形都和预期的相符。出峰太早,说明反应器内有沟流和短路现象,导致停留时间小于预期值.峰形落后于预期值,说明可能是计量误差,或是示踪物在器内发生反应或是被吸附在器壁上而减少所致.第三十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五tE(t)τtE(t)τ内部再循环

曲线出现几个递降峰形,说明反应器内的物料有循环流动.平行通道不均匀

曲线形状说明反应器内存在两股平行的流体.第三十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、计算化学反应的转化率

化学反应的转化率，是化学动力学微分方程对时间积分的结果，假若物料在反应器内的停留时间并不均匀一致，停留时间为t的那部分物料的化学反应转化率是x（t），在此反应器里的转化率就是x（t）的平均值。若停留时间间隔取得足够小，则

对于一级反应，其转化率与起始浓度无关，一个分子参与反应的几率仅仅是它在反应器内停留时间的函数，与该分子同其也分子相遇的概率无关。一级反应可以有上式计算平均转化率。②、非一级反应对于非一级反应，情况比较复杂，单个分子在反应器中参与反应的概率不仅与停留时间有关，而且还与该分子和其他分子相遇的概率有关，所以不能直接用上式进行计算。分析：①、一级反应第三十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五一、基本原理1、物料衡算对于反应物A：流入量-流出量-反应消失量-累积量=0①②③④对于间歇反应器：①、②项为零。对于定态操作的连续反应器：不存在累积，④项为零。对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器:四项均需考虑.2、热量衡算随物料带入的热量①随物料带出的热量②

反应系统与外界交换的热量③反应过程的热效应④

累积的热量⑤

--+-=0对于间歇操作系统：①、②项为零。对于定态连续流动反应器：⑤项为零。对半连续操作和非定态操作的连续流动反应器：五项均不为零。第四节理想均相反应器的计算第四十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五二、间歇反应器（BR）对整个反应器在微元时间dt间进行衡算:-(因反应组分A消失的量)=(反应物A的累积量)∵nA=nA0(1-xA)∴1、反应时间的确定第四十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五反应时间用浓度表示,则:讨论:1)、零级反应反应速率方程式为：rA=k第四十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2)、一级反应反应速率方程式为：rA=kcA3)、二级反应反应速率方程式为：rA=kcA2第四十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五4）、图解积分计算方法动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间t第四十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、反应器体积计算间歇反应器的整个操作过程如下：加料→升温→反应→降温→出料→清洗反应达到一定的转化率xA所需的时间为t，反应前后的辅助时间（加料、升温、降温、出料、清洗）为t′

则反应器的体积为：

考虑到装料系数φ，反应器的实际体积为：一般取φ=0.4--0.85搅拌下，漩涡不大，取0.7反应有泡沫或沸腾取0.4-0.65反应平静取0.75-0.85υ0-----表示每小时处理物料的体积.第四十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在间歇操作搅拌釜式反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：

cA，0=4×10-3[kmol·l-1]，k=1.97[l·kmol-1·min-1]

若每天处理2400kg己二酸，每批操作的辅助时间为t′=1h，装料系数φ=0.75，要求转化率为80%，试计算该反应器的体积。第四十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五三、活塞流反应器dLLdV对于定态操作的活塞流反应器，取某一微元体积dV，对组分A进行物料衡算：流入量=流出量+反应消失量+累积量FAFA+dFArAdV0FA=FA+dFA+rAdVdFA=d[FA,0(1-xA)]=-FA,0dxA=-rAdV第四十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五

为了对连续反应器的生产能力进行比较,往往引进空间时间(简称空时)这一概念,其定义为:在规定条件下进入反应器的物料通过反应器所需要的时间称为空时,即:

在其它条件不变的情况下,空时越小,表示反应器的处理物料量越大,说明生产能力大.第四十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五1、对于恒温恒容反应空间时间用浓度表示,则:讨论:1)、零级反应反应速率方程式为：rA=k第四十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2)、一级反应反应速率方程式为：rA=kcA3)、二级反应反应速率方程式为：rA=kcA2第五十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五4）、图解积分计算方法动力学方程较复杂时，可以采用图解积分方法计算xA1/rAxA0cA1/rAcA，00cA计算出阴影部分的面积就可以求出反应时间τ第五十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在活塞流反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：

cA，0=4×10-3[kmol·l-1]，k=1.97[l·kmol-1·min-1]

若每天处理2400kg己二酸，要求转化率为80%，试计算该反应器的体积。第五十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器的比较:1）、两反应器中进行同一化学反应，达到相同转化率时所需反应时间完全相同。2）、当反应体积相等时，其生产能力相同。所以在设计、放大活塞流反应器时，可以利用间歇搅拌釜式反应器的动力学数据进行计算。3）、虽然两反应器的设计方程式相同，但物料在其中的流动型态完全不同。在间歇搅拌釜式反应器中，物料均匀混合属非定态过程；而活塞流反应器中，物料无返混属定态过程。活塞流反应器是连续操作，而间歇搅拌釜式反应器是间歇操作，需要一定的辅助时间，显然活塞流反应器的生产能力比间歇搅拌釜式反应器要大，生产劳动强度要小。第五十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、恒温变容反应过程体积变化参数分为：膨胀因子和膨胀率1）、膨胀因子

有一气相反应，起始A、B的量分别为nA，0和nB，0在反应时间为τ时，反应物A的转化率为xAaA+bB→rR+sSnA，0nB，000当τ=0时，反应体系物质的量的总数为：

n0=nA，0+nB，0当τ=τ时当τ=τ时，反应体系物质的量的总数为：当τ=0时第五十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五气相反应的膨胀因子（或体积的变化系数）为：当τ=0时反应物A在气相中的摩尔分数为：当τ=τ时反应物A在气相中的摩尔分数为：对于恒温恒压过程，还可以有：pA，0为反应物的起始分压cA，0为反应物的起始浓度第五十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2）、膨胀率εA

膨胀率是表征变容过程的另一个参数，它仅适用于物系体积随转化率变化呈线性关系的情况，即：εA是以组分A为基准的膨胀率，其物理意义是当反应物A全部转化后，系统体积的变化分数，即：当转化率为xA时，反应物A的浓度为：第五十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五（1）、一级反应反应速率方程式为：rA=kcA讨论:（2）、二级反应反应速率方程式为：rA=kcA2第五十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五3）、空间速度

对于恒容体系而言，空时就是物料在反应器中的平均停留时间；对于变容体系而言，因为空时是反应器体积与进料情况下的物料体积流量之比，并没有反映出反应过程的容积变化，所以，空时并不等于平均停留时间。空间速度（简称空速）是空时的倒数，表示单位时间内通过单位反应器容积的物料体积，即：空速越大，反应器的生产能力越大。对于不是活塞流的连续操作反应器，不管同时进入反应器的物料粒子停留时间是否相同，均根据反应器容积与反应器中的物料体积流量之比来计算停留时间，即：第五十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五四、全混流反应器1、解析法在定态操作条件下，进行物料衡算：流入量=流出量+反应消失量+累积量qvcA,0qvcArAV0讨论:1)、零级反应反应速率方程式为：rA=k空间时间:第五十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2)、一级反应反应速率方程式为：rA=kcA3)、二级反应反应速率方程式为：rA=kcA2第六十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、图解法对于二级反应rA解决两类问题：（1）、已知τ，根据直线与曲线交点的横坐标，求（2）、已知，根据横坐标,得到斜率为1/τ直线，求τ第六十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五3、利用分布函数的性质求平均转化率根据分布函数的性质可知：对于一级反应对于理想混合反应器密度分布函数:而第六十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五注意：此方法只适用于一级反应，非一级反应不能用此方法。第六十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在全混流反应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：

cA，0=4×10-3[kmol·l-1]，k=1.97[l·kmol-1·min-1]

若每天处理2400kg己二酸，装料系数φ=0.75，要求转化率为80%，试计算该反应器的体积。第六十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五五、多级全混流反应器V1VNVi

多级全混流反应器，就将多个理想混合反应器串联起来，是一种介于活塞流和理想混合流之间的流动模型。取几个串联反应器中的第i级反应器中的组分A作物料衡算得：流入量=流出量+反应消失量第六十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五1、解析法一级反应动力学方程式：第一级反应器：第二级反应器：第N级反应器：第六十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五如果各级反应器体积和温度均相等,那么∵∴第六十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五二级反应动力学方程式：第一级反应器出口浓度为:第二级反应器出口浓度为:当N＞3时,计算起来非常繁杂,而采用图解法则较方便.第六十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五例：温度为343K时，等摩尔比的己二酸与己二醇以硫酸为催化剂，在两釜串联反应器中生产醇酸树脂。以己二酸为着眼组分的反应动力学方程式为：

cA，0=4×10-3[kmol·l-1]，k=1.97[l·kmol-1·min-1]

若每天处理2400kg己二酸，如果第一釜中己二酸的转化率为60%,第二釜中达到最终转化率为80%，装料系数φ=0.75，试计算两釜串联反应器的总体积。第六十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2、图解法如果各级反应器体积和温度均相等,那么rAABCD注意：图解法只适用于反应速率用单一组分表达的情况，对于平行反应、串联反应不适用。第七十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五3、利用分布函数的性质求平均转化率对于一级反应注意：此方法只适用于一级反应，非一级反应不能用此方法。第七十一页，共九十九页，编辑于2023年，星期五停留时间分布与反应器的流动模型反应工程第五章第七十二页，共九十九页，编辑于2023年，星期五本章内容停留时间分布停留时间分布的实验停留时间分布的统计特征值理想反应器的停留时间分布非理想流动现象非理想流动模型和非理想反应器的计算第七十三页，共九十九页，编辑于2023年，星期五1.基本概念闭式系统系统进口出口

停留时间分布年龄分布：对存留在系统的粒子而言，从进入系统算起在系统中停留的时间。

寿命分布：流体粒子从进入系统起到离开系统止，在系统内停留的时间。

停留时间分布理论的应用对现有设备进行工况分析

建立合适的流动模型，进行非理想反应器的计算停留时间分布第七十四页，共九十九页，编辑于2023年，星期五停留时间分布密度函数E(t)E(t)=0t<0E(t)≥0t≥0归一化条件停留时间分布2.停留时间分布的定量描述第七十五页，共九十九页，编辑于2023年，星期五封闭系统，ρ＝常数停留时间分布函数F(t)停留时间分布2.停留时间分布的定量描述第七十六页，共九十九页，编辑于2023年，星期五脉冲法阶跃法－周期输入法升阶法降阶法停留时间分布的测定1.实验方法概述脉冲法：

简单、示踪剂用量少，可直接测出停留时间分布密度函数；

要求输入理想脉冲。阶跃法

操作容易；

示踪剂用量大，直接测出的是停留时间分布函数。第七十七页，共九十九页，编辑于2023年，星期五2.脉冲法输入曲线响应（输出）曲线c0(t)停留时间分布的测定m为示踪剂的加入量第七十八页，共九十九页，编辑于2023年，星期五停留时间分布的测定3.升阶法主流体Q0Q系统检测器含示踪剂的流体（C(∞)

）c(∞)c0(t)tt=00输入曲线c(∞)c(t)t0响应曲线第七十九页，共九十九页，编辑于2023年，星期五停留时间分布的测定4.降阶法主流体QQ系统检测器含示踪剂的流体（C(0)

）0c(0)c0(t)tt=0输入曲线0c(0)c(t)t响应曲线第八十页，共九十九页，编辑于2023年，星期五停留时间分布的统计特征值1.平均停留时