化学反应工程教案

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课程名称：化学反应工程

任课教师：

所属院部：

教学班级：化工1203-04

教学时间：2014—2015学年第2学期

课程基本信息

总计：48学时

课程课程代码T0101734

化学反应工程讲课：48学

名称

学分3时

实验：学

类别必修课（J）选修课（）理论课（J）实验课（）

时上机:

学时

任课

职称课程设计：周

教师

课程设计：周

授课专业班级：化工1203-04共2个班

象

对

（1）课程性质、地位

本课程以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规

律及其对化学反应的影响，以达到反应器的开发、设计和放大及优化操作之目

的。

课（2）课程目标、主要内容

程通过本课程的学习，使学生较牢固地掌握化学反应工程最基本的原理和

计算方法，能够理论联系实际，提高对工业反应器进行设计与分析之能力。为

简

今后解决化工生产过程中和科学研究中遇到的各种化学工程问题打下良好的

介基础。

本课程教学内容共九部分。包括绪论和八章，从第一章到第八章主要是关

（不

超过于均相单一反应动力学和理想反应器，复合反应与反应器选型，非理想流动

1000反应器，气固相催化反应本征动力学，气固相催化反应宏观动力学，气固相催

字）

化反应固定床反应器，气固相催化反应流化床反应器，气液相反应过程与反

应器等内容的学习指导。

本课程教学内容共九部分。包括绪论和八章，从第一章到第八章主要是

关于均相单一反应动力学和理想反应器，复合反应与反应器选型，非理想流

动反应器，气固相催化反应本征动力学，气固相催化反应宏观动力学，气固

相催化反应固定床反应器，气固相催化反应流化床反应器，气液相反应过程

与反应器等内容的学习指导。

教材：郭错等编，化学反应工程（第二版），化学工业出版社

参考资料：

1.朱炳辰主编，化学反应工程（第四版），化学工业出版社；

2、陈甘棠编，化学反应工程（第三版），化学工业出版社

1

绪论

第一章均相单一反应动力学和理想反应器

1.1基本概念

1.2建立动力学方程的方法

一、本次课主要内容

化学反应工程课程的性质、反应器的分类及操作方式、反应器设计的基本方程

和工业反应器的放大方法、化学反应速率的不同表示方式及其相互关系、化学反应

速率方程的变换与应用、化学反应动力学方程的计算、建立动力学方程的方法及其

应用。

二、教学目的与要求

了解化学反应工程的研究对象、目的，掌握化学反应工程的研究内容和研究方法,

熟悉化学反应工程在工业反应过程开发中的作用。

三、教学重点难点

1.化学反应工程的研究目的、内容和方法。

四、教学方法和手殁

课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第3.6.7题

2

绪论

一、化工生产中设备的分类

化工产品的生产是通过一定的工艺过程实现的，工艺过程是指从原料到制得产

品的全过程。

1,每个化工产品的工艺过程是不同的，但有共同的特点：

2,工艺过程是由设备、管道、阀门和控制仪表组成的；

3,化工设备分为两大类

（1）不含化学反应的设备

这类设备中没有发生化学反应，只改变物料的状态，物理性质，不改变其化学

性质。

（2）在鼓风机和泵中只有能量的转换，从中能转换成机械能，输送物料；

在换热器和冷却塔中只改变物料的温度，物料的化学性质没有起变

化；贮槽只是起贮存物料作用

（3）化学反应器

在这类设备中发生了化学反应，通过化学反应改变了物料的化学性质

图中的一段炉、二段炉、变换炉、甲烷化炉、合成塔等都是化学反应器。物料在反

应器中发生了化学反应：物料性质起了变化。

可见，化学工业生产是由物理过程和化学反应过程组成的，其中化学反应过程是生

产过程的关犍。化学反应器的任务是完成由原料转变到产物的化学反应，是化工生

产的核心设备。

“化学反应工程”的研究对象是工业规模的化学反应器。

二、《化学反应工程》任务

“化学反应工程”于50年代初形成，是化学工程的一个分支。1957年如开了

第一次欧洲化学反应工程伎议，会议确定了化学反应工程的研究内容和任务，

“化学反应工程是化学工程的一个部分，它是科学的一个分支，它还处在

发展阶段。它的目的在于控制工业规模的化学转化率并最终达到恰当和成

功的反应器设计。有各种因素对反应器设计起着重要作用，如流动现象、

质量和热量传递以及反应动力学。首先必须对这些因素了解，工业规模反

应器的开发只能从上述因素间的关系和相互作用中得到了解”。

化学反应工程的任务是研究化学反应器中质量和热量的传递过程、流动状

况和反应动力学，最终目的是设计化学反应器。

3

三、化学反应器的特点

考察CO变换反应：CO+H20（C02+H2

反应在固定床变换炉中进行，变换炉中装有固体催化剂，反应过程如下：

CO、H20由气相主体到达颗粒外表面；

CO、H20由颗粒外表面到达颗粒内表面；

CO、H20在颗粒内表面上起反应；

C02、H2由颗粒内表面到达颗粒外表面；

C02、H2由颗粒外表面到达气相主体。

考察脱硫反应：H2S+NH40H

反应在吸收塔中进行，反应过程如下：

H2S由气相主体到达气-液相界面；

H2S由气-液相界面进入液相；

H2S和N1I4OH在液相中反应生成NH4HS和H20,

CO和H20的反应区在催化剂颗粒的内表面上，而脱硫反应的反应区在液相内。

整个反应过程包含传递过程和化学反应过程，相互交织在一起，不可分割。

考察CO和H20在变换炉中的流动状况。

变换炉直径较大，气体容易发生偏流，在同一截住面上流速分布不均匀，在变

换炉中存在“死区”，这些客观存在的工程因素改变了物料的流动状况，其结果之

一是同时进入变换炉的CO和H20在变换炉中的停留时间不同。

考察H2S在吸收塔中的流动状况。

吸收塔内的填料是乱堆的，气体通道的截面积大小不规则，流速不均匀，同样

也有“死区”，这些工程因素使同时进入吸收塔的II2S所经历的流动过程不同，其

结果之一是在塔内的停留时间不同。

化学反应器的特点

1,包含有传递过程和化学反应过程，两者不可分割。

2,客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时

间不同。

基于化学反应器的特点，传统的研究方法一一经验归纳法已不适用于化学

反应过程，化学反应工程的研究方法是数学模拟方法（数学模型方法）。

4

四、数学模拟方法

1.数学模拟方法

数学模拟方法过程如下，由四部分组成。

（1）将复杂的真实过程合理地抽象简化成简化模型，该简化模型等价于真实过

程。这是数学模拟方法的核心。例如水在园管中的流动过程可以简化成平推流模型

或者扩散模型。

（2）对简化模型进行数学描述，得到简化模型的数学关系式，即数学模型。

（3）采用一定的数学方法求解数学模型，得到数值解或者解析解，代研究用。

（4）通过实验检验数学模型是否正确，修正或者确定简化模型，直到供实际应用。

数学模拟方法原则

（1）数学模拟方法的核心是对真实过程的简化以及简化模型和真实过程的等效

程度。

（2）针对真实过程可以按不同程度的要求简叱成不同的简化模型，对于某一真

实过程可以有不同的简化模型。

（3）简化模型。数学模型和数学方法是相互我系的，应力求数学方法简单，便

于数学模型的实际应用，

（4）数学模拟方法的基础：

1）积累实践经验或者实验数据，

2）学习掌握基础数学模型。

5

基础数学模型

（1）化学动力学模型：排除传递过程因素后描述化学反应速率、物料温度和浓

度的数学关系。传统上是物理化学的研究领域，侧重于研究反应机理；化学反应工

程侧重于表达三者的数学关系，而直接应用。

（2）流动模型：措述物料在反应器内的流动状况。

理想模型：平推流，全混流。

非理想模型：轴向混合模型，多级串联全混流模型，组合模型等。

（3）传递模型：描述物料间质量、热量和动量传递过程。例如气液相间的双膜

论、溶质渗透论和表面更新论等。

（4）宏观动力学模型：是化学动力学模型、传递模型以及流动模型的综合，是

化学反应工程的重要内容之一。

五、《化学反应工程》的作用

（1）改进和强化现有的反应技术和设备

（2）开发新技术、新设备

（3）指导和解决反应器的放大问题

（4）指导实现反应过程的最优化操作

六、《化学反应工程》基本内容

第一章均相单一反应动力学和理想反应器

1.1基本概念

1.化学反应式

反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述:

•A+Z7B+--------＞，R+■$+•••

2.化学反应计■式

aA+〃B+・・=rR+sS+…

是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行运算，如将各相移至等号的同一

侧。

3反应程度（反应进度）

6

，恒为正值，具有广度性质,因次为［mol］。

%―*0_―“80__%%。_g

匕%VR%~

4.转化率

,一转化了的A组分量一〃八0-〃八

4一A组分的起始量一二;

关键组分(keycomponent):工业反应过程的原料中各反应组分之间往往不符合化学

计量数关系，通常选择不过量的反应物计算转化率，这样的组分称为:

5.化学转化速率

定义：单位反应体积内反应程度履时间的变化率。

常用表达:以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。

f=」如mol-m's

»Vdr

6.化学反应动力学方程

定义：定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式

对于均相反应：方程多数可以写为寻函数形式；反应速率与反应物浓度的某一方次

呈正比。

一4=(或或mol-m^s-1

kc:以浓度表示的反应速率常数，随反应级数不同有不同的因次；温度的函

数，一般工业精度上，符合Arrhenius关系。

m,n：A,B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。若并且n=b,此反应可

能是基元反应。对于非基元反应，m,n多数为实验测得的经验值。

7、半衰期

定义：反应转化率达到50%所需要的时间。

除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。

1.2建立动力学方程的方法

一、动力学方程：

化学反应速率与反应物温度、浓度之间的关系。而建立一个动力学方程，就是

要通过实验数据回归出上述关系。简单级数反应，在等温条件下，回归可以由简单

计算手工进行。

7

二、建立方法：积分法、微分法、最小方差分析法

1.积分法

(1)假设：(rA)=kf'(cA)；

(2)积分运算：f(cA)=kto

(3)代入实验数据：ti,f(ci)

(4)绘制f(ci)-ti曲线：过原点的直线，假设正确，斜率即为反应速率常数

ko

否则重新假设：再重复上述步骤，直到得到直线。

适用：简单级数反应

2.微分法

(1)等温下实验，绘制cA-1曲线。

(2)测量各点斜率，得到若干对不同t时刻的反应速率数据。

再将不可逆反应速率方程如线性化，两边取对数得：

((\c\

1nI---d--"=1nA4-/?1nc.A

斜率为反应级数n,截距为Ink,以此求得n和k值。

优点：可得到非整数的反应级数

缺点：图上微分，人为误差比较大。

3.最小方差分析法

线性回归：

非线性回归

教学后记:

8

9

第一章均相单一反应动力学和理想反应器

1.3化学反应器设计基础

一、本次课主要内容

化学反应器的分类、化学反应器设计的基础方程、等温条件下各理想反应器的

动力学反应特征。

二、教学目的与要求

掌握化学反应速率的工程表示，化学计量学的表达。

三、教学重点难点

1.反应速率的工程表示，意义。

四、教学方法和手发

课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第9、11.13题

10

1.3化学反应器设计基础

夕一、化学反应器的设计、分析和开发一般包括下列内容：

行根据反应过程的化学基础和生产，艺的基本要求，进行反应器的选型设计；

团根据宏观反应动力学和反应器，确定操作方式，优化操作；

a反应器的机械设计。充分考虑到机械设计、设备制造及运输、安装方面的要求

和有关制约。

卡二、意义：

叱在机械设计可行的前提下，进行改变结构尺寸和操作温度、流体流动条件对反

应器的稳定操作和适应一定幅度的催化剂失活和产量、产品质量和选择率、收

率等方面的工艺要求的工程分析，然后确定反应器的设计。

会反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果改进今后同一类型化学反应

器的设计；

开发新型反应器：如由固定床改为三相悬浮床，往往会提高反应效果，但在液

相载体选择、结构尺寸设计等方面需要经过一定规模的工业试验，才能投入大

规模生产。

三、反应器设计的基本方程

1.反应动力学方程

2.物料衡算方程

体积元：物料衡算所针对的具体体系。确定的边界。物料温度、浓度必须是均匀的。

对关键组分A进行物料衡算。

11

单位时间进入单位时间排出单位时间内体积单位时间内体积

体积元的物料体积元的物料元中反应消失的元中物料A的积累

A量4jol.s-1人量时即01•S-I物料/\量户网01•S-1量片mol-s-1

用符号表示：

对于体积元内的任何物料，进入、排出、反应、积累量的代数和为0。

不同的反应器和操作方式，某些项可能为0。

3.热量衡算方程

四、几个时间概念

⑴反应持续时间tr

用于间歇反应器。

定义：指反应物料进行反应达到所要求的反应程度或转化率所需时间。

(2)停留时间t和平均停留时间t

又称接触时间，用于连续流动反应器

定义：指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。

⑶空间时间T

定义：反应器有效容积VR与流体特征体积流率V0之比值。即

人为规定的参量，它表示处理在进口条件下一个反应滞体积的流体所需要的时间。

空间时间不是停留时间

⑷空间速度Sv

有空速和标准空速之分，

定义：单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。即：

标准空速定义为：

五、理想反应器

在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。

根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。从本质上讲，

反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。但是物料在不同类型的反应器中流动

12

情况是不同的。

简单混合：相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混

合后的物料必然与混合前的物料完全相同。

返混：发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相

同。混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化。

平推流反应器.PFR

间歇反应署（B

反应器理想流动模型

全混流反应器,MFR或CSTR

连续流动反应器

非理想流动模型

1、间歇反应器（BR）

间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。

2、特点：在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料

之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。

3、平推流反应器（PFR）

4、理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。

特点：在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴

向混合（即无返混），

物料在管内流速较快的管式反应器。

5、全混流反应器（CSTR/MFR）

连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。

特点：在这类反应器中物料返混达最大值。

强烈搅拌的连续釜式反应器

6、非理想流反应器

特点：物料在这类反应潜中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器

及全混流反应器之间。

偏离程度可通过测定停留时间分布来确定。

教学后记:

13

14

第一章均相单一反应动力学和理想反应器

1.4等温条件下理想反应器的设计分析

一、本次课主要内容

等温条件下各理想反应器的设计计算。

二、教学目的与要求

掌握三种理想反应器的设计方程。

三、教学重点难点

1.理想反应器的设计要点。

2.理想反应器的定义。

四、教学方法和手发

课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第16.20题

15

1.4等温条件下理想反应器的设计分析

一、间歇反应器

反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料、也不向外排出，待

反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料反应器内的物料在搅拌的作

用下其参数（温度及浓度）各处均一。

特点：1.由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度

都相同；

2、由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应

器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；

3.出料组成与反应器内物料的最终组成相同；

4.为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出

料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。

间歇反应器设计方程:

反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积V，R作为衡算体系。

在单位时间内，对组分A作物料衡算:

单位时间进入外单位时间排出外单位时间次内反应一单位时间内外中一

的物料A的量的物料A的量消失的物料A的量物料A的积累量

。―二等mols1

整理得（-心M=%o骼mobs-1

at

当进口转化率为0时，分离变量并积分得

•为间歇反应器设计计算的通式。它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的

转化率xA所需的反应时间

•在恒容条件下，

­上式可简化为：

间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间tr,只是动力学方程式的直接积

16

分，与反应器大小及物料投入量无关。

设计计算过程：

•对于给定的生产任务，即单位时间处理的原料量FA[kmol.hT]以及原料组成

CA0[kmol.m-3K达到的产品要求xAf及辅助生产时间t'、动力学方程等，均

作为给定的条件：设计计算出间歇反应器的体积。

•①由式'=CAJ."为计算反应时间如

•②计算一批料所需时间右；

•r为辅助生产时间

•③计算每批投放物料总量尸A；F，女由

•④计算反应器有效容积心内外=，■或/=匕。+0

CAO

二、⑤计算反应器总体积VR。反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部

件占有体积。通常有效容积占总体积分率为60%〜85%,该分率称为反应器装

填系数明由生产实际决定。

三、理想置换反应器

理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，像活塞一

样在反应器中向前平推：故又称为活塞流或平推流反应器，英文名称为Plug(Piston)

I?lowReactor,简称PFR。

1.特性：①由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有

物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间都是相同的；

②在垂直于流动方向上的同一截面，不同径向位置的流体特性(组成、温

度等)是一致的；

③在定常态下操作：反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。实际生产

中对于管径较小、长度较长、流速较大的管式反应器，列管固定床反应器等，常可按

平推流反应器处理。

•2.理想置换反应器设计方程：

•在等温理想置换反应器内，物料的组成沿反应器流动方向，从一个截面到另一

17

个截面不断变化：现取长度为dz、体积为dVR的一微元体系，对关键组份A

作物料衡算，如空所示，这时dVR=Stdl,式中St为截面积。

•进入量-排出量-反应量二累积量

•故a-（A+d/*）-（-r\）dK=O

•由于凤二品（1-冬）

•微分dK二-几dM

•所以凡dM二（一八）d%

为平推流反应器物料平衡方程的微分式。对整个反应器而言，应将上式积分。

•上式为平推流反应器的积分设计方程。

对于恒容过程：

匕）L—A

3、以上设计方程关联了反应速率、转化率、反应器体积和进料量四个参数，可以根

据给定条件从三个已知量求得另一个未知量。

4、变容反应过程

理想置换反应器是一种连续流动反应器，可以用于液相反应，也可以用于气相反

应。用于气相反应时，有些反应，反应前后摩尔数不同，在系统压力不变的情况下，反

应会引起系统物流体积发生变化。物流体积的改变必然带来反应物浓度的变化，从而

引起反应速率的变化。

•为了表征由于反应物系体积变化给反应速率带来的影响，引入两个参数，膨胀

因子和膨胀率。

•膨胀因子：

•反应式：

•计量方程：

18

•定义膨胀因子：

•即关键组份A的膨胀因子等于反应计量系数的代数和除以A组分计量系数的相

反数。

-2-1+3

2A+B——>3C=—-------=0

»2

膨胀因子是由反应式决定的，一旦反应式确定，膨胀因子就是一个定值，与其它因素

一概无关。

膨胀因子的物理意义：

•关键组分A消耗Imol时，引起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的气相反

应，摩尔数的变化导致反应体积变化。3A〉0是摩尔数增加的反应，反应体积

增加。3A〈0是摩尔数减少的反应，反应体积减小。8A=0是摩尔数不变的反

应，反应体积不变。

•膨胀率：

­物系体积随转化率的变化不仅仅是膨胀因子的函数，而且与其它因素，如惰性

物的存在等有关：因此引入第二个参数膨胀率。

V-V

•定义膨胀率鼠二上―丛虫

Q=o

•即A组分的膨胀率等于物系中A组分完全转化所引起的体积变化除以物系的初

始体积。

•膨胀因子与膨胀率的关系：

*可以推导出4=）入。”

­变容过程转化率与浓度的关系：

•恒压变容体系中各组分浓度、摩尔分率及分压可以由以下推导得到。

〃10+/\"AO^A+/\CAO^A

c/=（-%）二（-%）

1

V匕（1+分4）1+VA

•对于A组分cA=cA0——4—

19

例题

5、流体在平推流反应器中的真实停留时间

由平推流反应器的定义可知，流体在反应器内不存在任何返混，所有流体微元的

真实停留时间都等于平均停留时间。

恒压变容反应，由于反应物系体积随转化率而变化，其真实停留时间与空间时间工不

同。如果反应物系体积膨胀，流体流速将逐渐加快，停留时间将小于空间时间；相反,

如果反应物系体积缩小：停留时间将大于空间时间。

Joy

MdKF.dAdr.

1(fX%(1()十A分％))=%1>JAXSA)

恒容条件下，eA=o,上式还原为:

四、全混流反应器

1、全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应

器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、

浓度都是相同的。

特性：①物料在反应器内充分返混；

②反应器内各处物料参数均一；

③反应器的出口组成与器内物料组成相同；

2、④连续、稳定流动，是一定态过程。

3、全混流反应器基本设计方程

全混釜中各处物料均一：故选整个反应器有效容积VR为物料衡算体系，对组分A作

物料衡算。

单位时间进入％一单位时间排出％］」单位时间匕内反应_单位时间内％中

_的物料A的量丁卜消失的物料A的量

_的物料A的量"物料A的积累量

«&厂（一八％=。

20

整理得到：

小(%-%)=(一心匕

/「Affl

吊0(~rA)f

VX

r_R_rAf--^Al

FfRT

恒容条件下又可以简化为：

教学后记:

21

第一章均相单一反应动力学和理想反应器

1.5非等温条件下理想反应器的设计

一、本次课主要内容

非等温条件下各理想反应器的设计计算

二、教学目的与要求

掌握非等温条件下：理想反应器的设计方程。

三、教学重点难点

1.非等温条件下理想反应器的设计相比较于等温条件下理想反应器的设计的区

别。

四、教学方法和手及

课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第23.24题

22

1.5非等温条件下理想反应器的设计

在反应过程中，有反应热产生且热量将是变化的，需要随时调节反应器与外界的

热量交换，这必须靠热量横算来解决。

一、间歇反应器的热量衡算

体积元：反应器的有效体积

例1-3某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二静以等摩尔比在70C用间歇釜并以

H2S04作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：

-瓜=kc\kmol-m3min1

%=1.97x10-3m"kmol-'nin-1

3

Cw=4kmol.m

若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为lh,反应器装填系数为0.75,

求：

(1)转化率分别为xA=0.5,0.6,0.8,0.9时，所需反应时间为多少？

(2)求转化率为C.8,0.9时，所需反应器体积为多少？

解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：

CU1S51iL

A-0.5t=------------x------x—=2.10h

r1.97x10-3x4(1-0.?5)60

_

AXO.6tr~3.18h

加=0.80=8.5h

天=0.9tr=19.Oh

(2)反应器体积的计算

xA=0.8时:tt=trn'=8.5+1=9.5h

每小时己二酸进料量FAO,己二酸相对分子质量为146,则有：

23

F、o=——=0.684kmolir1

A024x146

处理体积为：

反应器有效容积V'R:

实际反应器体积VR:

当xA=O.9时：

tt=19+l=20h

〃E.171X20=3.42/

k3.42/0.75=4.56m3

二、平推流反应器的热量衡算

对平推流反应器作热量衡算时，所取体积元与物料衡算时所取的体积元相同，取截面

积为管截面积St、长度为dl的微元体。

例1-3某厂生产醇酸树脂是使己二酸与己二醇以等摩尔比在70℃用间歇釜并以

112S04作催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：

31

-rA=h；kmol-mmin

3-l

2=1.97x10-3mknx)l-'nin

=!

CAO4kmol.m

若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为lh,反应器装填系数为

0.75,求：

(1)转化率分别为xA=0.5,0.6,0.8,0.9时:所需反应时间为多少?

(2)求转化率为0.8,0.9时，所需反应器体积为多少？

解：(1)达到要求的转化率所需反应时间为：

rA"。(一心)A。1)磴了So(1-4J

8=0.5tr=-----?--——x05x—=2.10h

1.97X10-3X4(1-0.5)60

名二0.6r,=3.18h

24

"0.80=8.5h

不二0.9tr=19.Oh

(2)反应器体积的计算

xA=0.8时:tt=tr+t'=8.5+1=9.5h

每小时己二酸进料量FAO,己二酸相对分子质量为146,则有:

2400

=0.684kmolh

24x146

处理体积为：

反应器有效容积WR:

实际反应器体积VR:

当xA=0.9时:

tt=19+l=20h

3

R=0.171X20=3.42m

K=3.42/0.75=4.56m3

三、全混流反应器的热量衡算

全混流反应器在作热量衡算时的体积元与物料衡算时的体积元相同，为反应器的体

积VR。

例「7条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率

分别80%、90%时，所需反应器的体积。

解：由例1-3已知：

-1

FA.Uo=0.684kmol-h=0.0114kiwi-min”

匕=0.171m3h-,

尤Affl

由设计方程VR=Fxo

KOTA》

代入数据，xAf=0.8时

代入数据，xAf=0.9时

将例1-3,1-4,1-7的结果汇总

25

反应器有效容积平推流反呼器间歇釜式尾应器全混流反色器

33

XA=0.81.45m2.17m7.23m，

XA=0.93.26m34.56nf32.6n?

从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体枳略大些，

这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇

反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化

率增加时.，所需反应体积迅速增加。

四、本章小结

教学后记:

26

第二章复合反应与反应器选型

2.1单一不可逆反应过程与反应器

一、本次课主要内容

单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较、理想流动反应器的

组合和不同型式反应器的组合及循环反应器的应用。

二、教学目的与要求

掌握对单一、不可逆反应条件下，理想流动反应器的情况。

三、教学重点难点

1.单一不可逆反应过程的动力学特征。

2.单一不可逆反应过程对反应器的要求。

四、教学方法和手发

课堂讲授、提问、讨论：使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第3.4题

27

第二章复合反应与反应器选型

2.1单一不可逆反应过程与反应器

化学反应动力学关我温度及单位反应体积内反应物的摩尔数（浓度）与反应速率

的函数关系。而反应速率讲的是单位反应体积内反应物（或产物）摩尔数随时间的变

化率。二者都涉及到“单位反应体积"。化学反应工程学重视反应体积的概念，强调

在反应器中不同时间、不同位置上的局部浓度可能不相同。这就造成了同一个反应发

生在不同反应器中会有不同的结果。

一、间歇反应器与平推流反应器的比较

平推流反应器在垢构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个

有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但有一点是共同的,

就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相

同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相

同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。

二、间歇反应器与全混流反应器的比较

间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全

不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因

而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不

一样。

三、单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较

28

对于平推流反应器，在恒温下进行，其设计式为：

“南」严

对于全混流反应器，在恒温下进行，其设计式为：

r=4丫

M

^OU-A-AJ

四、二式相除，当初始条件和反应温度相同时：

五、理想流动反应器的组合

1.平推流反应器的并联操作

因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和:

%=%l+K)2

由平推流反应器的设计方程。二，二CA(£A手

K0~rA

尽可能减少返混足保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相

同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合,

即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此，

是应当遵循的条件

2.全混流反应器的并联操作

29

多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并

联操作同样道理，必须满足的条件相同。

3.平推流反应器的串联操作

考虑N个平推流反应器的串联操作,

对串联的N个反应器而言

FA。乙乙）乙」3（—小）％（―公）

4.全混流反应器的串联操作

N个全混流反应器串联澡作在工业生产，经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设,

且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应。

对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。

对恒容、定常态流动系统，V0不变，，故有：

对于N釜串联操作的系统，总空间时间：

?小于单个全混釜达到相同转化率打操作时的空间时间。

计算出口浓度或转化率

对于一级反应：

依此类推：

如果各釜体积相同：即停留时间相同，贝IJ：

30

对二级反应，以上面方法，可以推出:

六、循化反应器

在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度，以便于控制温度、转化率和收率,

或为了提高原料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法，如图所示。

■却，r>

循环反应器的基本假设：①反应器内为理想活塞流流动；②管线内不发生化学反

应；③整个体系处于定常态操作。

反应器体积可按下式计算：

为方便起见，设循环物料体积流量与离开反应系统物料的体积流量之比为循环

比B,即

对图中M点作物料衡算：

对整个体系而言，有：

可以推导出：

平推流反应器设计方程中，转化率的基准应当与反应器入口处体积流量及这一

体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔流率对应：

式中，F'A0是一个虚拟的值，它由两部分组成，新鲜进料FA0和循环回来的物

流V3中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流率，即：

由此得到循环反应器体积：

当循环比B为0时：还原为普通平推流反应器设计方程。

当循环比3-8时：变为全混流反应器设计方程。

当（Kevs时，反应器属于非理想流动反应器。

七、自催化反映特性与反应器选型

31

自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化

作用，加速该反应过程的进行。这类反应频繁出现在生化反应过程中。

反应1A—

反应2A+P—^-^P+P

特性：

通常k2值远大于kl。在反应初期尽管反应物的浓度较高，但产物浓度很低，所

以总反应速率不大。随着反应的进行，产物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低，但

其值仍然较高。因此，反应速率将是增加的。当反应进行到某一时刻时，反应物浓度

的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下

降。

反应1的动力学方程为：

反应2的动力学方程为：

A组分的消耗速率为：

在整个反应过程中，A组分被反应掉了，但生成了等量的P组分，则A与P的总摩尔

数是恒定的，即

金。+许。=。+金=。

Cp=CA0+Cpo_CA

A组分的消耗速率为：

分离变量积分得：

1、最大反应速率对应的反应物浓度为：

2、平推流与全混流反应器

①转化率的自催化反应，如图（c）所示，全混流反应器优于平推流反应

器；

转化率足够高时，如图（a）所示，用平推流反应器是较适宜的。但应注意，自催化反

应要求进料中必须保证有一些产物，否则平推流反应器是不适宜的，此时应采用循环

反应器。

32

教学后记:

33

第二章复合反应与反应器选型

2.2自催化反应特性与反应器选型

2.3可逆反应特性与反应器选型

一、本次课主要内容

自催化反应、可逆反应特性及其反应器的结构与原理、自催化反应、可逆反应

器选型。

二、教学目的与要求

掌握自催化反应的特性与相应反应器选型，掌握可逆反应的特性及反应器的选

型。

三、教学重点难点

1.自催化反应过程的动力学特征。

2.可逆反应过程的动力学特征。

四、教学方法和手提殳

课堂讲授、提问、讨论；使用多媒体教学方式。

五、作业与习题布置

书后习题第5.7题

34

2.2自催化反应特性与反应器选型

前面我们已推导出循环反应器的基础设计式为:

当8=0,为平推流反应器。当8f8,为全混流反应器。通过调节循环比B,可

以改变反应器流动性能：对于一定的反应，可以使得反应器体积最小，这时的循环比

称为最佳循环比。

可由：

得到:

它表示最佳循环比应使反应器进口物料的反应速率的倒数等于反应器内反应速

率倒数的平均值。如图所示。图中KL代表反应器进口的值，PQ代表整个反应器的平

均值。

反应器组合

35

为了使得反应器组的总体积最小，设计这样一组反应器，在这组反应器中，反应大部

分控制在最高速率点或接近最高速率点处进行。为此，可使用一个全混釜式反应器，

它可以不必经过较低反应速率的中间组成，而直接控制在最高速率组成下操作。然后

再由平推流反应器完成最终反应。

2.3可逆反应特性与反应器选型

设可逆反应：

总反应速率(-rA)为正逆反应速率之差：

当正逆反应速率相等时，总反应速率为零，反应达到平衡(rA)=0o

此时：

式中：KC为此反应在当前反应温度下以浓度表示的平衡常数，因次为浓度单位

的An次方；xAe为平衡转化率。

平衡常数K为热力学参数，无因次，与反应速率及其表达式无关，可以通过参与

此反应的各组分的标准生成自由焰求得。

平衡常数与温度的关系：

如果忽略反应热效应随温度的变化，可以通过下式由已知的一个温度下的平衡

常数求得另一个温度下的平衡常数：

可以推导出平衡转化率与平衡温度之间的关系：

一、可逆反应过程特点

1.在温度恒定时，随关键组分转化率xA的增加，正反应速率klf(xA)将随之下降；

逆反应速率k2g(xA)将随之上升；总反应速率-rA=aklf(xA)-ak2g(xA)将随之下降。

2、温度对反应速率的影响在一定转化率下，可逆吸热反应的速率总是随着温度的

升高而增加。

36

可逆放热反应的速率随温度的变化规律如图所示，当温度较低时，反应净速率随温度

升高而加快，到达某一极大值后，随着温度的继续升高，净反应速率反而下降。

教学后记: