第十三章-均相化学反应器省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第十三章

均相化学反应器1/62第一节间歇与半间歇反应器第二节完全混合流反应器第三节平推流反应器本章主要内容2/621.间歇反应器操作方法★反应物料按一定百分比一次加入★搅拌混合均匀★转化率到达所定目标之后，排出混合物料后再加入物料，进行下一轮操作，如此重复。一、间歇反应器2.间歇反应器设计计算设计计算目标(1)确定到达一定反应率时需要反应时间(2)依据反应时间确定转化率或反应后各组分浓度第一节、间歇与半间歇反应器3/623、间歇反应器设计基本方程及设计方法(12.2.4)（恒容反应）(12.2.6)（恒容反应）(12.2.1)(12.2.2)(12.2.3)4/624、间歇反应器图解设计法(12.2.4)(12.2.6)－1/rA－1/rA0xA0cAcA05/626/62【例题13.1.1】间歇反应器中发生一级反应A→B(恒容反应)，反应速率常数k为0.35h-1，要使A去除率到达90％，则A在反应器中需反应多少小时？解：设xA为转化率，则cA值为

cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0依据设计方程：cA/cA0=e-kt有0.10cA0/cA0=e-0.35t解得t=6.58h7/62(1)两种或两种以上反应物、或其中一些组分一次性放入反应器中，然后将某一个反应物连续加入反应器。可维持加入组分在反应器中浓度，便于控制反应速率。(2)将反应物料一次性加入反应器，在反应过程中将某个产物连续取出。产物维持在低浓度水平（利于可逆反应向生成产物正方向进行；或预防分泌产物对微生物生长抑制作用）。二、半间歇反应器1、半间歇反应器操作方法2、半间歇操作特点(1)与间歇操作一样，是一个非稳态过程(2)与间歇操作不一样之处：反应混合液体积随时间而改变。8/62nA＝(nA0＋qnA0t)(1－xA)（二）半间歇反应器设计计算1.转化率定义9/62反应量-rAVA流入量qnA0=qvcA0积累量：dnA/dt＝d(cAV)/dt＝cA(dV/dt)+V(dcA/dt)物料衡算式：qVcA0=(－rA)V+cA(dV/dt)+V(dcA/dt)(13.1.2)qVcA0=(－rA)V+cAqV+V(dcA/dt) (13.1.3)V＝V0＋qVt2.半间歇反应器设计方程单位时间内A加入量：qnA0＝qVcA0单位时间内A排出量：0反应量：(－rA)V10/62【例题13.1.2】对于由反应(a)和(b)组成反应系统，试定性说明在下述半间歇操作时反应系统中各组分浓度改变。(1)先向反应器中加入A，之后连续加入B。(2)先向反应器中加入B，之后连续加入A。A+B→P，r1＝k1cAcB (a)A+P→Q，r2＝k2cAcP (b)

(a)先加入A，连续加入B时改变(b)先加入B，连续加入A时改变ttcCcAcBcQcBcPcQ11/62第二节、完全混合流反应器c0c1c2反应量-rAV浓度cA体积VA流入量反应量-rAV浓度cA体积VA流出量qnA0=qvcAqnA0=qvcA一、单级反应器二、多级串联反应器12/62一、单级反应器1、操作方法与特点（1）操作方法：连续恒定地加入反应物，同时连续不停地排出反应液，并经过搅拌等伎俩使反应器内物料浓度和温度保持均匀。全混流反应器是一个理想化反应器。？（2）应用：污水pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥生物反应器（常称曝气池）2、设计计算方法τ＝(cA0xA)/－rA(12.3.5)恒容反应τ＝(cA0－cA)/－rA (12.3.7)

13/623、全混流反应器图解设计法τ＝(cA0xA)/-rAτ＝(cA0－cA)/－rA

（恒容反应）

-1/rA-1/rA0XA0cA0cA14/6215/62【例题13.2.1】完全混合流反应器中发生一级反应A→B，反应速率常数k为0.35h-1，要使A去除率到达90％，则A需在反应器中停留多少小时？

解：设xA为转化率，则cA值为

cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0依据反应平衡方程：τ=(cA0-cA)/kcA有τ=(cA0-0.10cA0)/(0.35×0.10cA0)=25.7h

16/62二、多级串联反应器1、多级串联全混流反应器基本方程c0c1c2τ＝τ1＋τ2＋···＋τncn－1/rAτ＝τ1＋τ2＋···＋τn0cAcA017/62在恒容条件下，第i个反应器基本设计方程为：(13.2.1)18/622、多级串联反应器逐步计算法（1）、一级恒容反应：－rAi＝kcAi19/62（2）二级恒容反应：－rAi＝kcAi220/62【例题13.2.2】乙酸水解反应，能够近似地看作一级反应，该反应在300K时速率方程为：－rA=2.77×10-3cAmol/(m3s)。将乙酸浓度为600mol/m3液体以0.050m3/min速度送入一完全混合流反应器。试求以下几个情况时乙酸转化率。(a)反应器体积为0.80m3时；(b)0.40m3反应器，二个串联使用时；(c)0.20m3反应器，四个串联使用时。21/62(a)反应器体积为0.80m3时平均空间时间22/62(b)0.40m3反应器，二个串联使用时每个槽平均空间时间23/62(c)0.20m3反应器，四个串联使用时每个槽平均空间时间24/62（3）图解计算法操作方程速率方程反应曲线－rAi0cAicA（i-1）-1/τ25/62反应曲线图解计算法步骤－rA0cA26/62【例题13.2.3】已知一级反应A→B在10个串联完全混合流反应器(CSTR)中进行，假设反应速率常数k为0.35h-1，反应物A初始浓度为150mg/L，10个CSTR完全相同，A在每个CSTR中停留时间是1/1.5h，分别采取公式法和图解法求A转化率。

（a）公式法：当n=10时,有

转化率为：xA=(150-18.0)/150×100%=88.0%。对于完全混合流反应器，基本方程为27/62图解法：如图所表示，以－rA对cA作图得反应曲线，以－1/τ斜率结构三角曲线图得10个CSTR反应器反应曲线，从图中读出第10个CSTR出口浓度cA为18mg/L。所以10个串联CSTR反应器转化率为：xA=(150-18.0)/150×100%=88.0%。一级反应速率方程为：－rA/(mg·L－1·h－1)cA/(mg·L－1)28/62一、简单平推流反应器平推流反应器特点：在连续稳态操作条件下，反应器各断面上参数不随时间改变而改变。反应器内各组分浓度等参数随轴向位置改变而改变，故反应速率亦随之改变。在反应器径向端面上各处浓度均一，不存在浓度分布。1、操作方式将物料连续流入、并连续取出，在反应器内使物料沿同一方向、以一样速度流动[活塞流(pistonflow)]第三节、平推流反应器29/6230/622、设计计算方法恒温恒容反应设计方程：与间歇反应相同（表13.1.1）31/6232/6233/62【例题13.3.1】在例题13.2.3中，假如反应在1个平推流反应器中进行，且停留时间与10个串连CSTR总停留时间相同，试计算A转化率，并与例题13.2.3中结果比较。对于平推流反应器，基本方程为

于是有所以1个平推流反应器转化率为：xA=(150-14.5)/150×100%=90.3%。解：34/62【例题13.3.2】平推流反应器中发生一级反应A→B，反应速率常数k为0.35h-1，要使A去除率到达90％，则A需在反应器中停留多少小时？设xA为转化率，则cA值为cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0依据反应平衡方程：cA/cA0=e-kτ有(0.10cA0)/cA0=e-0.35τ解得τ=6.58h解：35/6236/62【例题13.3.3】乙酸水解反应，能够近似地看作一级反应，该反应在300K时速率方程为：－rA=2.77×10-3cAmol/(m3s)将乙酸浓度为600mol/m3液体以0.050m3/min速度送入一有效体积为0.80m3平推流反应器，求反应器出口处转化率。

37/62对于一级反应，在恒容条件下：－rA=kcA=kcA0(1-xA)解：依据题意，k=2.77×10-3s－138/62图解计算法(12.3.18)(12.3.19)－1/rA－1/rA0xA0CACA039/62应用管径为D=12.6cm管式反应器来进一级不可逆气体A热分解反应，其计量方程为A=R+S；速率方程-rA=kCA;k=7.8×109exp(-19220/T);原料为纯气体A，反应压力P=5atm（标准大气压）；反应温度T为500℃（等温反应），反应过程中压力恒定。要求A分解率达0.90，原料气处理速率为FA0=1.55kmol/h。试计算所需反应管管长L、停留时间、以及空时τ。关于停留时间和空时τ区分问题：去除率=？；K单位？；19220代表？怎样求τ？怎样求停留时间？FA即qnA该反应是否等分子反应？反应器内流速是否保持恒定？40/62解：反应气体进料体积流率v0为：V0===19.66（m3/h）FA0RT1.55×0.082×773P5反应流体在管内体积流速v将是xA函数，V==F0（1+δAyA0xA）RT/PFRTP其中：F0=FA0；δA=1；yA0=1；RT/P=1/CA0∴v=FA0（1+xA）/CA0FA=FA0（1+xA）41/62∴设计方程以下：或：42/62（τ也可用表13.3.1第一行公式直接计算）43/62∴对于非等分子等温反应，当δA>0时，t<τ,当δA<0时，t>τ44/62(1)将排出反应器混合物一部分不经任何处理直接返送到入口处。二、含有循环操作平推流反应器1、循环反应器操作方法反应器反应物料产物循环(a)反应器反应物料产物未反应物料循环分离器(2)在反应器出口设一分离装置，将反应产物分离取出，只把未反应物料返送到反应器入口处。（b）45/62(3)微生物培养中惯用一个形式。在反应器出口设置菌体分离器，将反应产生菌体浓缩，把浓缩后菌体一部分或全部返送到反应器

生成物营养物质菌体分离器菌体浓缩液46/62(二)、循环反应器设计方法(a)平推流循环反应器MNqna0qv0CA0qnaeqvexAeCAe47/621.循环反应器物料衡算反应器系统外围，即虚线部分转化率xAe＝(qnA0－qnAe)/qnA0 (13.3.2)即：qnAe＝qnA0(1－xAe)/qnA0 (13.3.3)MNqna0qv0CA0qnaeqvexAeCAe48/62反应器出口点(2)A物质流量

qnA2＝(1＋γ)qnAe＝qnA0(1＋γ)(1－xAe)(13.3.4)N点出物料衡算

qnA3＝γqnAe＝qnA0γ(1－xAe) (13.3.5)混合点M处物料衡算式为：

qnA1＝qnA0＋qnA3 (13.3.6)由(13.3.5)和(13.3.6)式可得：

qnA1＝qnA0[1＋γ(1－xAe)] (13.3.7)MNqna0qv0CA0qna1qv1CA1qna2qv2CA2qnaeqvexAeCAeqnA3,qV349/621.进入反应器物质流量不是qnA0而是qnA1

qnA1＝qnA0[1＋γ(1－xAe)] (13.3.7)2.进入反应器物料是新鲜物料与反应后物料混合物。故对反应器本身进行物料衡算时，不能使用qnA0定义转化率xA。几点说明与注意点50/62qnA2＝(1＋γ)qnAe＝qnA0(1＋γ)(1－xAe)(13.3.4)qnA0´qnA2＝qnA0´(1－xAe)(13.3.10)不难了解xAe能够视为与qnA0´，即qnA0(1＋γ)为基准反应器出口(2)处xA2´相等。51/622.循环反应器等价反应器M(b)与(a)等价反应器(a)平推流循环反应器MNqna0qv0CA0qna1xA1’qna1xA2’=xAeqna0qv0CA0qnaeqvexAeCA052/62等价反应器系统特点(1)物料流体积流量qV0´＝qV0(1＋γ)，组成与原物料流相同，所以qnA0´＝qnA0(1＋γ)。(2)原物料流与循环流在M点处混合所产生组成改变，被假设为是在反应器M内所发生。进入反应器M物料流为未反应物料qV0´，A进入量为qnA0´，假想是因为在该反应器内产生反应，A排出量变为qnA1。Mqna0’qv0’CA0qna1’xA1’qna2xA2’=xAe53/62Mqna0’qv0’CA0qna1’xA1’qna2xA2’=xAe(3)反应器M出口处转化率xA1´为：(13.3.13)54/62