化工基础反应工程.pptx

化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials第七章第七章 化学反应工程基础化学反应工程基础第一节第一节 化学反应工程概述化学反应工程概述 第二节第二节 化学反应动力学化学反应动力学第三节第三节 典型反应器典型反应器第四节第四节 非理想流动及实际反应器的计算非理想流动及实际反应器的计算 第五节第五节 气固相催化反应器气固相催化反应器化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础2第一节第一节 化学反应工程概述化学反应工程概述 自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化自然界物质运动或变化过程分为物理过程与化学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，学过程两大类，其中物理过程可以不涉及化学反应，例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反例如分析力学，电动力学，统计力学等。但化学反应过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等，应过程却总是与物理因素如温度、压力、浓度等，有着紧密的联系。所以化学反应工程是物理与化学有着紧密的联系。所以化学反应工程是物理与化学两类因素的综合过程。两类因素的综合过程。1957年第一次欧洲反应工程会议上确定了年第一次欧洲反应工程会议上确定了“化化学反应工程学反应工程”这一学科名称。这一学科名称。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础3一、工业化学反应过程的特征一、工业化学反应过程的特征 实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近似可看作理想条件下的反应过程，然而工业规模下似可看作理想条件下的反应过程，然而工业规模下的反应过程却并非如此。的反应过程却并非如此。在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，究其原因，有以下几方面：结果，究其原因，有以下几方面：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础4生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反 应过程有极大的影响。应过程有极大的影响。工业反应器中进行的过程包括化学反应，伴随工业反应器中进行的过程包括化学反应，伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程的特征。终结果，这就是工业规模下的反应过程的特征。大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实 验室那么均匀。验室那么均匀。生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易 控制，体系内温度和浓度并非均匀。控制，体系内温度和浓度并非均匀。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础5二、化学反应工程学的任务和研究方法二、化学反应工程学的任务和研究方法 1 1、化学反应工程学的任务、化学反应工程学的任务改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力开发新的技术和设备。开发新的技术和设备。指导和解决反应过程开发中的放大问题。指导和解决反应过程开发中的放大问题。实现反应过程的最优化。实现反应过程的最优化。不断发展反应工程学的理论和方法。不断发展反应工程学的理论和方法。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础62、化学反、化学反应工程学的研究方法工程学的研究方法化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采用的经验关联法，是一种实验用的经验关联法，是一种实验-综合的方法。综合的方法。数学模型法是将复杂的研究对象合理地简化成数学模型法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和。的总和。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础7建立数学模型的过程采用了分解建立数学模型的过程采用了分解-综合的方综合的方法，将复杂的反应工程问题分解为较为简单的本法，将复杂的反应工程问题分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，然后把两者结征化学动力学和单纯的传递过程，然后把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法描述。描述。在实际研究中，往往是先抽提出理想反应器在实际研究中，往往是先抽提出理想反应器模型，然后讨论实际反应器和理想反应器的偏离，模型，然后讨论实际反应器和理想反应器的偏离，再通过校正和修改，最后建立实际反应器的模型。再通过校正和修改，最后建立实际反应器的模型。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础8反反应工程与其它学科的关系工程与其它学科的关系三、与化学反应工程学相关的学科三、与化学反应工程学相关的学科反应工程 化工热力学工程控制传递过程催化剂化学工艺流体力学稳定性反应动力学计量化学放大设计最优化技术最优化技术化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础9化学热力学：化学热力学：主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能主要是确定物系的各种物性常数，分析反应的可能性和可能达到的程度等。性和可能达到的程度等。反应动力学：反应动力学：专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量专门阐明化学反应速度与各项物理因素之间的定量关系。关系。催化剂：催化剂：催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵催化剂的问题一般属于化学或工艺的范畴。但也牵涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的涉到许多工程上的问题。如粒内的传热、微孔中的扩散、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂扩散、催化剂扩大制备时各阶段操作条件对催化剂活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。活性结构的影响、催化剂的活化和再生等等。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础10化学工艺：化学工艺：主要是设备型式、操作方式和流程。主要是设备型式、操作方式和流程。传递工程：传递工程：装置中的动量传递、热量传递和质量传递装置中的动量传递、热量传递和质量传递(简称简称“三三传传”)问题。问题。工程控制：工程控制：一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此一项反应技术的实施有赖于适当的操作控制。为此需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化需要了解关于反应过程的动态特性和有关的最优化问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优问题，不过应当注意的是对于反应装置而言是最优化的条件，末必与整个生产系统最优化所要求的条化的条件，末必与整个生产系统最优化所要求的条件相一致。件相一致。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础11新技术开发的步骤：新技术开发的步骤：实验数据实验数据 提出数学模型提出数学模型中型实验中型实验 数学模型验证数学模型验证数学模型的应用数学模型的应用 大设备的设计大设备的设计 放大的依据：相似论放大的依据：相似论(相似特征数相似特征数Re、Pr、Nu、Pe、Sc等等)化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础12 综上所述，可见目前化学反应工程处理问题的方法是实验研究和理论分析并举。在解决新过程的开发问题时，可先建立动力学和传递过程模型，然后再综合成整个过程的初步的数学模型，根据数学模型所作的估计来制定试验，特别是中间试验方案，然后用试验结果来修正和验证模型。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础13规模生产区别于实验研究规模生产是化学反应过程和热量传递、质量传递等物规模生产是化学反应过程和热量传递、质量传递等物理过程共同作用的结果。传递的影响：理过程共同作用的结果。传递的影响：u1、浓度分布、浓度分布CD (Concentration Distribution)u2、温度分布、温度分布TD (Temperature Distribution)u3、停留时间分布、停留时间分布RTD(Residence Time Distribution)上述上述CD、TD、RTD的产生，与化学本身的机理无关，的产生，与化学本身的机理无关，与传递过程有关，故工业规模的化学反应必须与传与传递过程有关，故工业规模的化学反应必须与传递规律结合起来研究，因而显得复杂而困难。递规律结合起来研究，因而显得复杂而困难。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础14第二节第二节 化学反应动力学化学反应动力学一、化学计量学一、化学计量学化学计量式化学计量式也可以写成也可以写成或或u计量系数取量系数取值：反：反应物物为负，生成物，生成物为正。正。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础15二、化学反应速率的表示方式二、化学反应速率的表示方式在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位在间歇系统中，反应速率可以表示为单位反应时间内单位反应混合物体积中组分反应混合物体积中组分i的反应量或产物的生成量。即：的反应量或产物的生成量。即：当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可当用于液相反应时，反应过程中反应混合物的体积变化可忽略，因此：忽略，因此：忽略，因此：忽略，因此：关键组分：反应物中相对量较少的组分，又叫着眼组分，关键组分：反应物中相对量较少的组分，又叫着眼组分，一般用一般用A表示。表示。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础16对于连续系统，反应物对于连续系统，反应物A的转化率可以用下式定义：的转化率可以用下式定义：连续系统：连续系统：反应物和产物在整个反应器内处于连续流动反应物和产物在整个反应器内处于连续流动状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统状态，系统达到定态后，物料在反应器内没有积累，系统中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间中的浓度、温度等参数在一定位置处是定值，即不随时间而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，而变化，但在反应器中不同位置这些参数是不同的。因此，对连续系统，物系中各参数是空间位置的函数。对连续系统，物系中各参数是空间位置的函数。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础17 连续系统中单位时间反应物或产物的量或浓度连续系统中单位时间反应物或产物的量或浓度无变化，不能用间歇系统的公式。无变化，不能用间歇系统的公式。连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积连续系统中反应速率可以表示为单位反应体积中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即：中某一反应物或产物的摩尔流量的变化。即：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础18三、动力学方程三、动力学方程化学反应的速率主要受温度和各组分的浓度化学反应的速率主要受温度和各组分的浓度影响：影响：对一个已知的反应体系，只有一个浓度独立：对一个已知的反应体系，只有一个浓度独立：对于大多数体系，可写成：对于大多数体系，可写成：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础19一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们一般情况下，反应速率常数是温度的函数，它们之间的关系可以用之间的关系可以用之间的关系可以用之间的关系可以用ArrheniusArrhenius(阿伦尼乌斯)经验方程表经验方程表经验方程表经验方程表示，即：示，即：示，即：示，即：式中：式中：式中：式中：k k0 0 指前因子，其单位与反应速率常数相同指前因子，其单位与反应速率常数相同指前因子，其单位与反应速率常数相同指前因子，其单位与反应速率常数相同E Ec c 化学反应的活化能，化学反应的活化能，化学反应的活化能，化学反应的活化能，J/molJ/molR Rg g 气体常数，气体常数，气体常数，气体常数，8.314 J/(mol.K)8.314 J/(mol.K)化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础201 1、一级反应、一级反应根据定义式根据定义式由于反应前后体积不变由于反应前后体积不变分离变量：分离变量：积分：积分：或或一级反应的速率方程式一级反应的速率方程式:化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础21一一级反反应各参数各参数间的关系的关系化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础222 2、二级反应、二级反应如果如果ABAB两反应物初始浓度相等，因在反应过两反应物初始浓度相等，因在反应过程消耗的物质的量也相等，则程消耗的物质的量也相等，则代入代入得：得：移项积分：移项积分：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础23二二级反反应各参数各参数间的关系的关系化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础243、可逆反应其速率方程式为：其速率方程式为：当反应达到平衡时，的生成和消失速率相等：当反应达到平衡时，的生成和消失速率相等：当当cp0=0时：时：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础25对于有惰性组分的体系，对于有惰性组分的体系，设总浓度为：设总浓度为：cT=cA+cP+ci，则有则有cP=cT-cA-ci代入：代入：有有达到平衡时，达到平衡时，rA=0，则，则化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础26需要用两个或更多的独立的计量方程来需要用两个或更多的独立的计量方程来描述的反应即为复合反应。此时在反应系统描述的反应即为复合反应。此时在反应系统中同时存在几个独立地发生的化学反应，其中同时存在几个独立地发生的化学反应，其数目与独立的计量方程数相同。数目与独立的计量方程数相同。三、复合反应三、复合反应化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础27几个反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同几个反应都是从相同的反应物按各自的计量关系同时地发生反应则称为平行反应：时地发生反应则称为平行反应：1.1.平行反应平行反应反应速率：反应速率：速率比为：速率比为：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础282.2.连串反应连串反应反应速率方程：反应速率方程：各组分浓度：各组分浓度：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础29化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础30作业：下册作业：下册P194，6化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础31第三节第三节 典型反应器典型反应器一、反应器的类型一、反应器的类型1.1.按物料相态分类按物料相态分类均相反应器均相反应器非均相反应器非均相反应器2.2.按按操作状况操作状况分类分类间歇反应器间歇反应器半间歇或半连续反应器半间歇或半连续反应器连续反应器。连续反应器。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础323.3.按反应器的结构形式分类按反应器的结构形式分类反应器反应器釜式或槽式釜式或槽式管式管式塔式塔式喷嘴式喷嘴式空管空管填充管填充管回转筒式回转筒式鼓泡塔鼓泡塔固定床固定床流化床流化床化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础33化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础34回转筒式反应器喷嘴式反应器化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础35二、间歇搅拌反应器二、间歇搅拌反应器-B-BSTRSTR(continuous stirred-tank reactor model)1.1.结构与操作特点结构与操作特点 u 反应物料一次加入；反应物料一次加入；u 充分搅拌，整个反应器内物料的浓度充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀；和温度保持均匀；u 常配有夹套或蛇管，以控制反应温度；常配有夹套或蛇管，以控制反应温度；u 间歇反应器操作的一个生产周期包括间歇反应器操作的一个生产周期包括加料、反应、出料、清洗；加料、反应、出料、清洗；u 由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度温度处处相等并随时间变化。均匀，且浓度温度处处相等并随时间变化。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础362.2.间歇搅拌釜式反应器的计算间歇搅拌釜式反应器的计算 以反应物以反应物A A为基准对反应器进行物料衡算，为基准对反应器进行物料衡算，反应物反应物A A消耗速率消耗速率=r=rA AV V物料衡算式可变为物料衡算式可变为反应物反应物A A积累速率积累速率=或或式中：式中：r rA A 组分组分A A的反应速度，的反应速度，kmolkmolm m-3-3s s-1-1 V V反应混合物的体积，反应混合物的体积，m m3 3 t t反应时间，反应时间，s s n nA A反应混合物的物质的量，反应混合物的物质的量，kmolkmol化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础37如果反应过程中如果反应过程中,反应混合物的体积不发生变化反应混合物的体积不发生变化,即为即为恒容恒容过程过程,有有n nA A=VcVcA A或或dndnA A=VdcVdcA A,则则反应时间为反应时间为c cA,0A,0为为A A的初始浓度的初始浓度;x xA A为为A A的转化率的转化率 间歇反应器的反应时间仅与反应速率有关，而间歇反应器的反应时间仅与反应速率有关，而与反应器的容积无关。与反应器的容积无关。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础38化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础39化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础40 如果已知单位时间平均处理物料的体积如果已知单位时间平均处理物料的体积v，那么反应器体积那么反应器体积V VR R计算公式为：计算公式为：装料系数装料系数，一般为，一般为0.40.40.80.8。对不发生泡沫。对不发生泡沫不沸腾的液体，取上限。不沸腾的液体，取上限。式中式中V VR R为反应器的有效容积。为反应器的有效容积。实际反应器的体实际反应器的体积积VT要比有效容积大，则要比有效容积大，则 间歇反应器的一个操作周期除反应时间间歇反应器的一个操作周期除反应时间t t外，外，还有加料、出料、清洗等非生产时间，称辅助还有加料、出料、清洗等非生产时间，称辅助时间时间t t。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础41例：在间歇釜式反应器中例：在间歇釜式反应器中,己二酸与己二醇以等物质的量比己二酸与己二醇以等物质的量比,在在343K时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反时进行缩聚反应生产醇酸树脂，以硫酸为催化剂，其反应速率方程式为应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB。在。在343K时，时，k=1.97Lkmol-1min-1。己二酸的起始浓度己二酸的起始浓度cA0=0.004 kmol.L-1。若每天处理。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为己二酸，己二酸的转化率为80%80%，每批操作的辅助时间，每批操作的辅助时间为为1h1h，试计算反应器的总容积。装料系数，试计算反应器的总容积。装料系数取取0.750.75。解：解：rA=kcAcB=kcA2化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础42平均每小时要处理的物料体积为：平均每小时要处理的物料体积为：则间歇反应器的反应体积为：则间歇反应器的反应体积为：间歇反应器的实际容积为：间歇反应器的实际容积为：间歇反应器的总容积为间歇反应器的总容积为2.16m2.16m3 3。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础43三、平推流三、平推流反应器反应器-PFR-PFR(plug flow reactor model)1.1.平推流平推流流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面上，流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面上，各质点的流速相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，各质点的流速相同，平行向前流动，恰似汽缸中活塞的移动，故称为故称为活塞流或平推流活塞流或平推流。其特点是其特点是先后先后进入反入反应器的物料之器的物料之间完全无混合，而完全无混合，而在垂直于流在垂直于流动方向的任一方向的任一载面上，物料的参数都是均匀的。面上，物料的参数都是均匀的。沿反沿反应器器轴向上物料之向上物料之间没有混合，而径向上物料之没有混合，而径向上物料之间混混合均匀。物料合均匀。物料质点在反点在反应器内停留的器内停留的时间都相同。都相同。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础44化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础452.2.活塞流反应器的计算活塞流反应器的计算 设一反应器体积为设一反应器体积为V VR R，进、出反应器的物料参数，进、出反应器的物料参数如图示，其中如图示，其中q qv v、q qn n，分别为反应物，分别为反应物A A的体积和摩尔的体积和摩尔流量。流量。定态操作时，对关键组分定态操作时，对关键组分A A进行物料衡算进行物料衡算:进入微元体积的反应物进入微元体积的反应物A A的速率的速率q qn,An,A=q qn,A,0n,A,0(1-(1-x xA A)=)=q qv,0v,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A)化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础46A A反应消耗的速率反应消耗的速率 r rA AdVdVR R流出微元体积反应物流出微元体积反应物A A的速率的速率q qn,An,A+dqdqn,A,n,A,=q qv,0v,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A-dxdxA A)根据物料衡算式可得根据物料衡算式可得q qn,An,A=q qn,An,A+d+dq qn,An,A+r rA AdVdVR Rq qV,A,0V,A,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A)=)=q qV,0V,0c cA,0A,0(1-(1-x xA A-dxdxA A)+)+r rA AdVdVR Rq qV,0 V,0 c cA,0A,0dxdxA A=r rA AdVdVR R或或对整个反应器积分得对整个反应器积分得简化上式得简化上式得或或化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础47 上式是活塞流反应器的基本计算式上式是活塞流反应器的基本计算式,关联了关联了q qV,0V,0、V VR R、r rA A、c c,A,A（x x,A,A）、）、等参数，等参数，其中其中为空间时间，定义为反应物料以入口状为空间时间，定义为反应物料以入口状态体积流量通过反应器所需的时间。态体积流量通过反应器所需的时间。与间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程比较，与间歇搅拌釜式反应器的基本计算方程比较，二者的基本计算方程除在时间表达方式上不同外，二者的基本计算方程除在时间表达方式上不同外，其余完全相同。其余完全相同。对恒容过程对恒容过程c cA A=c cA,0A,0(1-(1-x xA A),),则则dxdxA A=-=-dcdcA A/c cA,0A,0代入上式代入上式化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础48化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础49化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础50化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础51从理想管式反应器和间歇反应器的表达式比较，从理想管式反应器和间歇反应器的表达式比较，可以看出它们完全相同。可以看出它们完全相同。理想管式反应器中各个截面上的浓度和转化率理想管式反应器中各个截面上的浓度和转化率等参数只是空间位置的函数；间歇反应器则随时间等参数只是空间位置的函数；间歇反应器则随时间而变化。这些参数经历了相同的变化过程，反应的而变化。这些参数经历了相同的变化过程，反应的推动力是一致的。就反应过程而言，两种反应器具推动力是一致的。就反应过程而言，两种反应器具有相同的效率。有相同的效率。因为间歇反应器存在非生产时间，故生产能力因为间歇反应器存在非生产时间，故生产能力低于管式反应器。低于管式反应器。3.3.管式反应器和间歇反应器的比较管式反应器和间歇反应器的比较化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础52例：己二酸例：己二酸(A)(A)与己二醇与己二醇(B)(B)以等物质的量比，在以等物质的量比，在343K时进行时进行缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为缩聚反应生产醇酸树脂。由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，cA=cB，在，在343K时，时，k=0.1182m3kmol-1h-1。A的分的分子量为子量为146，A的的起始浓度起始浓度cA0=4 kmol.m-3。若每天处理。若每天处理2400kg己二酸，己二酸的转化率为己二酸，己二酸的转化率为80%80%，试计算使用理想管，试计算使用理想管式反应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。式反应器所需的容积。并与间歇釜式反应器进行比较。解：根据平推流反应器中二级反应的公式：解：根据平推流反应器中二级反应的公式：化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础53 VR VT转化率转化率80%80%间歇反应釜间歇反应釜 9.46 1.62 2.169.46 1.62 2.16理想管式理想管式 8.46 1.45 1.458.46 1.45 1.45转化率转化率90%90%间歇反应釜间歇反应釜 20.04 3.43 4.5720.04 3.43 4.57理想管式理想管式 19.04 3.25 3.2519.04 3.25 3.25u 两两类反反应器所需容器所需容积：VR间VR平平。u 间歇反歇反应器有器有辅助助时间和装料系数的影响。和装料系数的影响。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础54四、全混流反应器四、全混流反应器-CSTR-CSTR(continuous stirred-tank reactor model)1.1.全混流全混流 特点特点u 反应器内物料的参数处处均反应器内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数；匀，且等于流出物料的参数；u 但物料质点在反应器中停留但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形了成停留的时间各不相同，即形了成停留时间分布。时间分布。全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。合流。化工基础化工基础 College of Chemistry&MaterialsCollege of Chemistry&Materials2024/4/22 周一第七章 化学反应工程基础552.2.全混流反应器的计算全混流反应器的计算 进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间混合均匀，反应器内处处组成相同。混合均匀，反应器内