第三章 釜式及均相管式反应器.ppt

1、1. 间歇搅拌釜式反应器,2. 均相管式反应器,3. 理想流动釜式反应器, 特征, 数学模型, 优化,结构特征,浓度特征,时间特征,优化组合,转化率高,选择性强, 设计计算,例3-1,例题2,例3-4,（1）理想流动釜式反应 器串联及优化,（2）理想流动釜式反应 器热稳定性分析,第三章 釜式及均相管式反应器,1. 典型搅拌釜式反应器的结构,第一节 间歇釜式反应器,电动机,减速箱,液面,液体进料管,夹套,排料口,疏水阀,桨叶,搅拌轴,测温管,档版,固体进料,液体进料,一、间歇釜式反应器的特征, 搅拌均匀，浓度均一（分子尺度）； 无需考虑传递问题； 器内物料同时开始和停止反应； 具有相同的反应时间

2、（停留时间）。,2. 间歇釜式反应器的操作特点,3. 间歇釜式反应器的优点操作灵活，适应性强。, 操作条件可随产品不同而改变； 批量可小可大； 反应时间可长可短；,4. 间歇釜式反应器的缺点耗费卸料、装料等辅助时间。,1、什么是间歇釜式反应器的数学模型？,反应器内物料温度、组分浓度等参量分布的微分方程,数学模型,显然，要建立包含空间、时间变量的数学模型并非易事,二、间歇釜式反应器的数学模型,2、怎样建立反应器的数学模型？,对实际反应器内物料的流动状况进行简化,（1）先建立极限流动状况下的数学模型；,（2）再用理想流动模型建立实际反应器流动模型,理想流动模型,混合均匀,完全没有混合,全混流,活塞

3、流,因实际反应器内物料的流动状况肯定介于两理想流动模型之间,3. 建立模型的基本方程,the kinetic equation,the mass balance equation,the energy balance equation,the momentum balance equation,第二章中讲过,计算反应体积,计算温度变化,计算压力变化,对整个反应器进行物料衡算：,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,0,单位时间内反应量 = 单位时间内消失量,等容过程：,（一般式）,4. 间歇釜式反应器的数学模型,1/rA xA,t/CA0,1/rA CA,t,5. 间歇釜式反应器的数

4、学模型图解积分,表3-1 BSTR中等温等容液相单一不可逆反应的动力学计算结果,例3-1（P79）,以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸 丁酯，操作温度为100，每批进料1kmol的A和4.96kmol 的B，已知反应速率， 试求醋酸转化率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间。已 知醋酸与正丁醇的密度分别为960 kg/m3和740 kg/m3。,分析与解答,对每1kmol A 而言，投料情况如下表：,醋酸（A）,正丁醇（B）,1kmol,4.96kmol,60 kg,368 kg,0.062m3,0.496m3,该反应为液相反应，反应过程中体积不变，且每次投料体积

5、V=0.0625+0.496=0.559 m3 。,第二节 理想流动反应器BSTR,分别将 代入上式计算可得,计算结果表明：转化率越高，反应时间越长，而大量 时间花在高转化率上。,第二节 理想流动反应器BSTR,作业：P112，T3-1,表3-2 BSTR中等温等容液相单一可逆反应的动力学及积分式,表3-2中的积分运算依据,1、查数学手册中的有理函数积分表，得,2、对表3-2中的方程积分,对反应（2）有：,2. 等温等容液相多重反应,表3-3 间歇反应器中进行等温等容液相多重反应的动力学 方程及积分式（产物初始浓度为零）,参考知识一阶非齐次线性微分方程的解,方程：,通解：,待解方程：,通解：,

6、边界条件：,三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化,1、工程放大,（1）根据间歇反应器设计方程计算达到一定转化率所 需的反应时间,（2）根据设计手册或实验研究经验确定辅助时间,（3）由生产任务和生产周期计算单位时间的物料处理 体积流量,（4）由单位时间的物料处理体积流量和操作时间计算 反应器的反应体积：,并计算：,（5）根据物料特性确定装料系数 ，并计算反应器体积,对于沸腾或鼓泡的物料：,对于不沸腾或不鼓泡的物料：,（6）对设备结构如搅拌装置进行合理放大。,（7）依据反应物系的腐蚀性能、操作压强的大小和环保 要求，选用不同材质的反应器。,工程放大例题,用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天

7、生产乙酸 乙酯1200kg，其化学反应式为,A B R S 原料中反应组分的质量比为：mA : mB : mS =1: 2 : 1.35 ，反 应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批 装料、卸料及清洗等辅助操作时间为1h。反应在100下等 温操作，其反应速率方程为,100时，,平衡常熟K=2.92。试计算乙酸转化35%时所需的体积。根据 反应物料的特性，若反应器填充系数取0.75，则反应器的实 际体积是多少？ 解：首先计算原料处理量Q0，根据题给的乙酸乙酯产量，可 算出每小时的乙酸用量 式中88位乙酸乙酯的相对分子质量。由于原料中乙酸、乙醇 与水的质量比为1：2：1.35

8、，所以1+2+1.35=4.35kg原料液,含1kg乙酸，由此可求出单位时间内的原料液量为 式中，60位乙酸的相对分子质量，原料液的起始组成如下 乙醇和水的相对分子质量为分别为46和18，通过乙酸的起始 浓度和原谅中各组成的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度,由BSTR数学模型求出反应时间,（3-3）,由模型可知，须将题给的速率方程转变成转化率的函数,由各组分的起始浓度和转化率计算出各组分的瞬时浓度,式中，,将变换后的速率方程代入BSTR数学模型（3-3）得反应时间,由a、b及c的定义式知,将有关数据代入反应时间方程，得,由式（3-7）所需反应体积,由充填系数计算反应器的实际体积,2、反应时间的

9、优化,（1）问题分析,辅助时间为定值, 随操作时间的延长，就是反应时间的延长、反应物 浓度的降低、反应速率的下降；,单位操作时间内，产物产量的变化从小到大然后再到 小，这中间就存在一个单位操作时间产物产量最大问题。,单位操作 时间产物 产量,操作时间,最优操作时间,（2）建立目标函数,单位操作时间 的产量,存在极值的必要条件：,即:,（3-10最优条件式）,对于反应：,（1）如果在 坐标上作曲线 ，则 曲线的斜率就是：,3-10最优条件式分析,（2）曲线上任意一点的斜率等于过该点的切线的斜率， 如图所示。,（3）切点位置取决于A点的选取，A点位置由 确定。,（3）最优时间的求解图解法,（4）注

10、意：目标函数不同，结果也不同,若以生产费用最低为目标，设单位时间内操作费用为 辅助操作费用为 ，固定费用为 ，则单位质量产品 的总费用为 ，即,存在极值的必要条件：,图解法求解，见前面图中的绿色#26. 幻灯片 26线,3、配料比,（1）过量组分的配比问题,对于反应：,动力学方程：,设A为关键组分，B为过量组分，两者之比为m，则,将其代入动力学方程，,并积分得：,量纲为1的反应时间,以量纲1数反应时间为纵坐标，在不同配料比时，以转化率 为横坐标作图,比值增大,（1）当转化率较高时， 配料比的影响更明显， 配料增加，反应时间短,此时的代价是： 反应器利用率降低； B组分回收费用增加。,（2）当配

11、料比 大到B在反应中 的消耗可以忽略 时，动力学方程 可视为一级。,4、反应温度,对于釜式反应器，可在不同阶段、不同组成时的温度调节：,（1）反应前期，浓度大，速度快温度可在低温区；,（2）反应后期，浓度低，速度慢温度可调至高温区；,（3）应注意物料对温度的敏感性，如急剧沸腾、腐蚀 性增加、副反应发生或副产物增多等不利情况的 发生。,活塞流模型或理想置换模型 This type of units is illustrated in the following figure. This reactor consists of a tube inside which the reaction me

12、dium flows. This makes it the simplest structure conceivable for a continuous operation system. The heat exchange necessary to add heat to the system or to remove it generally occurs across the tube wall.,第二节 连续流动均相管式反应器,轴向无混合，无返混；径向达全混,一、均相管式反应器的特点：,物料粒子沿轴向等速流动；,温度、浓度等参数沿轴向变化，径向均匀一致；,物料粒子在反应器中具有相同的

13、停留时间,物料粒子在反应器中的流动状况：,二. 平推流均相管式反应器的数学模型,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,1. 等 温 平 推 流 反 应 器,等容过程,(BSTR),(PFR),空间时间,反应时间,完全 相同,等温等容PFR的计算式见P85表3-4,n级反应,设计计算时应注意：,（1）,（2）,（3）等温、等压、等摩尔数反应，V不变； 等温、等压、变摩尔数反应时,例题2,在一个平推流反应器中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯，年生 产能力为14万吨乙烯，反应是不可逆的一级反应，要求达到 乙烷转化率为80%，反应器在1100K等温，恒压600KPa下操 作，已知活化能为347.3

14、KJ/mol，1000K，k=0.0725s-1，设 计工业规模的反应器。,分析与解答, 气相反应要考虑膨胀因子 A, 要将年产量换算成单位时间处理量（ kmol/s）, 根据年产量换算其它组分的单位时间处理量（ kmol/s）, 根据平推流反应器设计方程, 计算反应速率常数,已知在1000时，, 化学计量关系（等温，等压）,则在1100时，, 计算初始浓度, 计算反应器体积, 决定使用管内径50毫米长12米的管子并联，则管数为：,第三节 连续流动釜式反应器,CSTR简介,一、CSTR 数学模型,二、多级CSTR 的串联及优化,三、多级CSTR 的热稳定性,CSTR简介,* 反应物料稳定流入，

15、先后物料 瞬间达到完全混合；,* 反应器中所有空间位置上 的物料参数都是均匀；,* 反应器内物料性质等于反 应器出口处的物料性质；,* 物料粒子在反应器中的停留时间参差不齐，有的很，有 的很短，形成一个停留时间分布。,连续操作系统图,不仅有混合，有返混，而且两者达到最大程度,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,0,如果进口中A转化 ，则,一、CSTR的数学模型,CSTR连续操作 系统图,三种反应器数学模型的比较,数学模型,BSTR,PFR,CSTR,理想流动反应器的数学模型与图解积分比较,在相同条件下：CSTR 比PFR生产能力低,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长

16、度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,BSTR,PFR,CSTR,三种反应器特性分析与比较浓度变化,反应时间,三种反应器特性分析与比较动力学特性,BTR,PR,CTR,曲线下的面积大小反映相同条件下的 反应时间的长短或反应体积的大小,例3-4（P91）,以生化工程中酶反应 A R为自催化反应，反应速率式 某温度下 k=1.512 m3/(kmol.min)，采用的原料中含A 0.96 Kmol/ m3 ，含R 0.01 Kmol/ m3 ，要求A的最终浓度降到 0.01 Kmol/ m3，当原料的进料量为10m3/h时，求 （1）反应速率达到最大时，A的浓度为多少？ （2）采用全混

17、流反应器时，反应器体积是多大？ （3）采用平推流反应器时，反应器体积是多大？ （4）为使反应器体积最小，将全混流和平推流反应器组合使 用组合方式如何？其最小体积是多少？,例3-4（P91）,分析与解答,（1）,初始浓度,生成浓度,存在最大速率必要条件：,即,（2）在CSTR中,例3-4（P91）,（3）在PFR中,?,函数对称性,有3种方法判断该 函数的对称性, 反应器的组合形式及最小体积,CSTR,PFR,串联组合,PFR,CSTR,PFR,CSTR,全混流反应体积,平推流反应体积,最小总体积,作业：P112，3-6,二、 多级CSTR的串联及优化,1、多级CSTR的串联及浓度特征,2、多级

18、CSTR串联的计算,3、多级CSTR串联的优化,1,2,m-1,CA0,V0,CA1,CA2,V1,V2,Vm-2,Vm-1,1、多级全混釜的串联及浓度特征,因为每一个反应器都是CSTR，具有所有CSTR特征。,（1）单釜内浓度均匀一致；,（2）各釜间存在浓度差异，且随串联级数增加而梯级下降；,（3）当串联级数为大时，就与PFR 相当。,反应器的串联级数,1,2,3,4,0,2、多级CSTR串联的计算,（1）解析计算,根据单个CSTR数学模型,可写出多级CSTR串联中第 i 个CSTR 的数学模型,即,现假设反应为，一级反应；反应温度一致；体积不变,即,即,由此可写出任意一 级CSTR的进出口

19、 浓度比的表达式,对于一级CSTR:,对于二级CSTR:,对于m级CSTR:,或,在工业生产上，多级CSTR串联时，常将各级体积做成相等，即,最终转化率：,单级空间时间：,总反应体积：,（2）图解计算,斜率：-1/ i,切距：,可以在 坐标图上求解,图解步骤：, 作 CA图, 作动力学曲线, 以CA0为起点 过CA0作斜率 为 的 直线交动力学 曲线得CA1 ，过 CA1作垂线交横 坐标得CA1,第一级进口浓度,第一级出口浓度,第二级进口浓度,进口浓度,出口浓度,1,2,3,3、多级全混釜串联的优化,1、目标函数,2、约束条件,一级不可逆反应；m个CSTR；各级温度相等。,3、寻优方法,极值法

20、,对目标函数求偏导数,相邻项含xAi,？,分子同减去分母，比值不变（分比定理）,整理结果,对上式两边同乘以,比较,（3-38）,对一级不可逆反应，采用多级CSTR串联时，总反应体积最小的必要条件是：各釜的反应体积相等。,结论：,三、全混流反应器的热稳定性,CSTR,放热,吸热,移出热量,移入热量,CSTR,移热,平衡状态下设计与操作,反应热,速率 相等,加热,冷却,（1）热平衡状态,反应放热速率=移热速率,（2）扰动,由于各种偶然的因素，致使热平衡状 态被破坏，从而引起原设计平衡状态 参数变动的现象称为扰动。,具有自衡能力热平衡态,CSTR是热稳定平衡态,无自衡能力的热平衡态,另一平衡态,CS

21、TR非热稳定平衡态,1、热稳定性和参数灵敏性的概念,稳定热平衡态和非稳定热平衡态,（1）依据,以一级不可逆放热反应为例,放热速率方程：,移热速率方程：,热平衡态条件：,（2）步骤,分别建立QR和QC方程,分别作QRT线和QC T线，确定平衡点,分析所有平衡点的热稳定性,2、全混流反应釜的多态分析,反应器内单位时间放热量,（kJ/ s）, 放热速率QR,其中:,即,S型曲线,放热速率曲线,通过反应器壁面传走的热量和 流体热焓变化所带走的热量之和。,假设流体入口温度等于冷却介质温度：,（3-75）, 移热速率QC,即,直线,移热速率直线, 在同一坐标上绘制QR曲线和QC直线,QRQC曲线,QR与Q

22、C有多个交点的现象就称为CSTR的多态。,每个交点都是系统的一个可能操作状态点。,其中具有热自衡能力的点称为热稳定的状态点。,（进口温度）,都是热稳定的状态点。, 对平衡点进行热稳定性分析,1，2，3，7，8，9六个点都一样，都满足条件：,其中：1，2，3点因转化率太低，9点因温度太高，都不 期望的操作点，只有7点才是期望的操作点。,其中：4和8点具有特殊的性质：发生突变，点4是起燃点 或着火点； 同理，6和2之间也会发生突变，点6称为熄火点。,4、最大允许温差,（3-46）,（3-45）,（3-47）,等斜率时的温度差,（3-77）,由此还可以求得最小传热面积,意义：决定CSTR中冷却介质温

23、度条件和控制要求,（3-78）,意义：决定CSTR中传热面积的设置要求,例3-6P99,例3-6 某一级不可逆液相放热反应在绝热CSTR中 进行，反应混合物的体积流量V0=610-2 L/s，其 中反应物A的浓度CA0=3mol/L，进料及反应器中反 应混合物密度=1g/cm3，cp=4J/(g.)，在反应过 程中保持不变，反应器容积VR=18L，反应热HR= -200kJ/mol，反应速率： 若进料温度T0=25，试求操作状态点温度。,解,放热速率,绝热CSTR的传热速率,当T由298K增至458K时，QR、QC的数值见下表：,图形分析：两线相交于三点,低转化率、热稳定操作点低温度点,中转化

24、率、非热稳定操作点中温度点,高转化率、热稳定操作点高温度点,各点的转化率是怎么计算的？,CSTR：,4.133310-8,同理可求得其它 各点的转化率。,作业P112，T3-13,课前复习,二、理想流动反应器的组合,多级全混釜的串联及优化m个CSTR的串联,两种理想流动反应器的组合（第四节）,对于一级不 可逆的等容 单一反应,（等体积串联）,第四节（两种）理想流动反应器的组合和比较,一、两种理想流动反应器的组合,组合方式7 种,出口浓度及转化率的大小比较,比较前提,推论结果比较,计算结果比较,二、理想流动反应器的体积比较,1、单个CSTR与PFR体积比较,2、多个CSTR串联与单个PFR体积比

25、较,7 种组合方式,若采用单个CSTR，则,不同组合方式的出口浓度比较,比较前提：两个等温、等体积的理想反应器，进行一级 不可逆单一反应。,其实质就是每个反应器的物料处理两减半，即,（a）两个等体积CSTR并联，与单个CSTR比较,与 单 个 反 应 器 比 较,因为每个反应器处理的物料只有单个反应器的一个半 停留时间延长，转化率升高。,（b）两个CSTR串联，与单个CSTR比较,与 单 个 反 应 器 比 较,1,2,串联优于并联,（c）先PFR，后CSTR串联：,PFR：,CSTR：,与 单 个 反 应 器 比 较,且优于2个CSTR串联,（d） 先CSTR 后 PFR串联：,CSTR：,

26、PFR：,且PFR-CSTR串联，与CSTR-PFR等价。,与 单 个 反 应 器 比 较,（e）两个PFR并联，,结论：PFR-PFR并联，优于CSTR-PFR串联。,与 单 个 反 应 器 比 较,（f）两个PFR串联，,结论：两个PFR串联，与两个PFR并联等价,与 单 个 反 应 器 比 较,（g）CSTR-PFR并联，,CSTR：,PFR：,结论：CSTR-PFR串联，介于（b）和（c）之间,与 单 个 反 应 器 比 较,CSTR 和 PFR七种 组合方式出口浓度及转化率比较,a,b,c,d,e,f,g,二、理想流动反应器的体积比较,在相同条件下：CSTR比PFR生产能力低,（3-

27、51）,1、单个CSTR与单个PFR的体积比较,2、多级全混流组合与单个PFR的体积比较比较,（3-39，P93）,对于一级反应有,（3-35）,对于 N 级反应，通过作图分析，可以看出，当N趋向于无 穷大时，两体积之比趋近于1。,一级不可逆反应,进行一级不可逆反应时，N个CSTR串联体积与PFR体积比较,（1）随着N的 增加，体积的 比值趋近1。,（2）说明： PFR是由无穷 多个CSTR串 联而成。,二级不可逆反应,进行二级不可逆反应时，N个CSTR串联体积与PFR体积比较,对于二级反应 结果与一级反 应一样。,推广到n级反应 结果与一级、二 反应一样，同样 成立。,第五节 多重反应的选择

28、率,多重反应 的类型：,一、平行反应,二、连串反应,选择率,总选择率,瞬时选择率,影响选择率的因素,浓度效应,温度效应,反应器类型与 操作方式,对比速率,两者的关系,多重反应的基本类型：,1、平行反应,2、连串反应,对比速率,一、平行反应,主产物和副产物生成速率之比。,瞬时选择率,选择率和对比速率的关系 当,总选择率,每转化1摩尔反应物A组 分时，可生成目标产物 的物质的量。,1. 定义式：,3. 总选择率：,瞬时选择率 s 积 分求和的平均值。,2. 瞬时选择率：,目标产物生成速 率与关键组分消 耗速率之比。,以一级不可逆反应：,总选择率 = 瞬时选择率,瞬时选择率,总选择率,总选择率与瞬时

29、选择率的关系,收率的定义式,对于CSTR中的一级反应,CSTR中总选择率与收率的关系, 若E1=E2, 温度变化 对选择性无影响；, 若E1E2, 则在较高 温度下进行；, 若E1E2, 则在较低 温度下进行；,（单反应物）,（1）平行反应选择率的温度效应,若n1n2, 较高反应物浓度对主反应有利,若n1n2, 较低反应物浓度对主反应有利,若n1=n2, 反应物浓度对选择性无影响,平推流反应器， 低的单程转化率,全混流反应器， 加入稀释剂； 反应后物料循环,（2 ）平行反应选择率的浓度效应,间歇操作,（两个反应物）,浓度效应与操作方式间歇操作,连续流动操作,（两个反应物）,浓度效应与操作方式连

30、续操作,例题讲解,生成P的反应为主反应，P为主产物，求： （1）在CSTR中所能得到的最大 （2）在PFR中所能得到的最大 （3）假使反应物可加以回收，采用何种反应器型式可使 最大？,解：（1）CSTR,（2）PFR,（3）假使反应物可加以回收，采用何种反应器型式可使 最大？（请同学们思考）,一级不可逆连串反应瞬时浓度求解方法连串法,二、连串反应,连串反应的瞬时选择率,（3-57）,瞬时选择率：,组分 A: 单调下降；产物 L: 先升后降，有极大值； 产物 M: 单调上升,一级连串反应的浓度-时间关系, 若E1=E2, 温度变化对选择性无影响, 若E1E2, 则在较高温度下进行, 若E1E2,

31、 则在较低温度下进行,L为目产物,值越低，选择率越高,连串反应的温度效应,若n1=n2, 初浓度的变化 对选择性无影响,L为目标产物,若n1n2, 增加初浓度CA0,若n1n2, 降低初浓度CA0,连串反应浓度效应,只与初始浓度有关,(a) 对反应液整体均匀照射,辐射能量相同,(b) 对小部分反应液照射,例如：流动类型的影响,对于不可逆的连串反应且以反应的中间物为目的产物时，返混总是对选择率不利,左,左,右,左,湍流,层流,活塞流,活塞流,选择结果如下：,例题,对平行-串联反应,选取最佳的操作方式。,解：对于A,应选用高CA0, PFR反应器。,对于B,B,CB与生成R无关，尽管B可以任意方式

32、加入,为维持高CA,考虑B分段加入为佳,对于温度，E1E2, 应选用低温,返混对连串反应总是对选择率不利！,间歇反应器或平推流反应器,最佳反应时间,最大出口浓度,最大收率,(3-59),L为目标产物,(3-60),(3-61),（3）连串反应的最佳反应时间与最大收率,一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2/k1的比值有关。,全混流反应器,最佳反应时间,最大出口浓度,最大收率,(3-66),(3-67),(3-68),瞬时浓度：,平推流 (b) 全混流,一级连串反应的最大收率,在BSTR、CSTR 和PFR中，主产物 最大收率与反应初 始浓度无关。,

33、PFR 和BSTR：,CSTR：,xA,k2/k1相同时， BSTR和PFR比 CSTR好 k2/k11, 高转化 率下操作,一级连串反应的选择率与转化率的关系,作业：P112，T8,第六节 半间歇釜式反应器,一、半间歇釜式反应器的特征,图3-23 半间歇操作示意图,（a） （b） （c）,主化学反应：,要求严控A组分浓度， 防止A过量生副反应； 低温度下的放热反应； A高，B低对反应有利。,A、B比例要求高； 要求A、B浓度高； 可逆反应。,严控A、B比例 ； A、B浓度低对 反应有利。,二、半间歇釜式反应器的数学模型,操作特点：一部分连续操作，一部分间歇操作,（a）,流 入 = 流出 +

34、反 应 + 积 累,注意：半间歇操作中的反应体积随反应时间而变化,若进行的反应为：,因B组分严重过量，反应近似为一级：,初试条件为：,若以生成物浓度表示，则,半间歇反应器组分浓度与反应时间的关系,【例3-7】（P107）,在等温釜式反应器中进行如下液相均相反应：,采用半间歇操作，先1立方米浓度为4千摩尔/立方米的B加入 反应釜，然后将1立方米浓度为4千摩尔/立方米的A3小时内 均匀加入反应釜中，使之与B反应。求A加料完毕时，组分A 和产物R的浓度并与间歇操作的计算结果加以比较。,解：,单位时间加入A量：,反应体积瞬时量：,由动力学方程，得,A组分消耗速率 = R生成诉率 + S生成速率的2倍，

35、即,其物料衡算式为：,A组分流入量 = 反应消耗量 + 累计量，即,其中：,将其代入衡算式，得,并整理得：,这是一个非线性微分方程，需用数值法求解。,将其展开成下列形式：,对应于数学方程形式：,用三阶 龙格-库 塔法公 式求解,其中：,同理可求得其它时间点的浓度值，见下表。,表（例3-7-1）反应釜内组分A的浓度与时间的关系,若以间歇操作，结果为：,其中,当,第七节 釜式反应器中进行的多相反应,一、釜式反应器中进行的液-液非均相反应,二、釜式反应器中进行的液-固非均相反应,三、釜式反应器中进行的气-液络合催化反应,第八节 讨论与分析,第七、第八节自学,习题3-1解答,习题3-1解答,解：根据C

36、STR基本方程,分析：等当量配料，随转化率提高，反应时间迅速增长； 若采用过量组分配料，随转化率提高，反应时间增长放慢。,习题3-2解答,(反应时间与反应体积无关）,习题3-3解答,（1）PFR,（2）CSTR,解：,（1）,（2）,操作条件不变，等体积反应器，则,习题3-4解答,平推流,全混流,习题3-5解答,习题3-6解答,解：,（1）串联两个体积0.25m3的CSTR,试求下列方案的转化率。,（2）一个0.25m3的CSTR，后接一个0.25m3的PFR,（3）一个0.25m3的PFR ，后接一个0.25m3的CSTR,（4）两个0.25m3的PFR 串联,习题3-7讲解,3-7,已知：

37、,下列各种情况下的反应体积。,解：,（1）单个PFR,（2）单个CSTR,（3）两个CSTR串联,习题3-8讲解,3-8,已知：,如何调节加料速率，,解：,当反应达到平衡转化率时,加料速率减小到原来的1/3倍，可使转化 率达到0.5。,习题3-9讲解,3-9,已知：,进料浓度为CA0。试证明在PFR中， L最大收率为,证明：,对于PFR：,证毕。,习题3-10解答,已知：,B大量过量，,【分析与解答】,结果为：,解：（1）由于是间歇反应器，所以,液相反应，前后体积不变；由此可确定L浓度。,B组分大大过量，近似为一级反应；由此可简化速率方程。,习题3-11解答,解：,对于CSTR：,对于PFR：

38、,由于PFR中的选择率沿不同管截面而发生变化，其总选择率应为瞬时选择率的积分：,证毕。,习题3-12解答,在平推流反应器中进行基元反应,L为目的产物，已知 ，求L的最大收率及最优 接触时间。,解：,根据,同11题一样，求L的最大浓度。,数学知识：一阶非齐次线性微分方程：,的通解为,则该反应的最佳时间为：,CL存在极大值的必要条件是：,CL的最大浓度为：,习题3-13解答,CSTR,求定状的反应温度和转化率。,解：,根据QR和QC方程确定定态点,935.45,分别作TQR、QC1 QC2、QC3曲线，有 5个交点，其中是稳 态操作点2个，分别 为Q1=187.09,和 Q2=935.45;对应温

39、 度分别为: T1=310K T2=345K,187.09,3、为什么将流动模型中的“混合”称为“返混”？,1,2,4,5,6,10,11,7,3,9,8,15,13,12,14,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,130,有序,无序,130,物料粒子从出口流出状况, 先流入的物料粒子 不一定先流出, 同时流入的物料粒 子不一定同时流出, 物料粒子在反应器 内的停留时间各不 相同,反应器内的混合不同停留时间的物料粒子间 的混合，称之为返混。,停留时间,物料粒子从反应进口算起，到出口为 止所耗费的时间；,物料粒子的标签，以区别物料在反应 器内反应时

40、间的不同；,描述物料粒子在反应器内返混程度强 弱的一个参量。,思考：如果停留时间等于平均停留时间的物料粒子 越多说明该反应器内返混程度是强还是弱？,第一节 理想流动模型概述,物料粒子：, 反应物料的最小构成单元；, 认识反应物料的一种概念模型；, 既不属于微观粒子，也不属于宏观颗粒；, 等同于流体质点假说；, 其大小与原子、分子相比，是一个很大 的集合体，但与宏观颗粒相比，是一个 微不足道的微小单元。,第一节 理想流动模型概述,流动模型,1、理想置换活塞流模型,2、理想混合全混流模型,同一截面上组成、温度、 流速、密度等均匀一致。,不存在任何“返混”现象,反应器内均匀一致，浓度、 温度等参数与

41、出口浓度相等。,达到最大程度的“返混”,第一节 理想流动模型概述,理想流动反应器：,物料的流动状况具有理想流动模型特征的反应器 称为理想流动反应器。,间 歇 反应 器,活塞流反应器,全混流反应器,无返混，物料粒子同进同出。,无返混，物料粒子同进同出。,返混程度极大，不同停留时 间的物料粒子混合均匀。,（BSTR）,（PFR）,（CSTR）,连续流动反应器,第一节 理想流动模型概述,没有混合,（BSTR）,（PFR）,（CSTR）,（平推流反应器）,间 歇 反应 器,活塞流反应器,全混流反应器,第一节 理想流动模型概述,思考题：试比较混合与返混的区别。,混合,返混,*不同外观特征的个体 混和在一

42、起的过程,*不同停留时间的个体 混和在一起的过程,*仅仅是空间位置的搅 混过程,*不仅是空间位置的搅 混过程，而且是时间 顺序的搅混,（BSTR）,有混合,无返混,第一节 理想流动模型概述,偏离平推流的情况,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,第一节 理想流动模型概述,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,第一节 理想流动模型概述,流动状况对化学反应的影响 - 由物料粒子的停留时间不同所造成,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少 A+BPS 产物P减少, 停留时间的不均,第一节 理想流动模型概述,反应器设计的基本内容,选择合适的反应器型式,反应动力学特性+反应器的流动特征