1、第一章第一章 均相反應器均相反應器l反應器內流體的流動與混合狀態反應器內流體的流動與混合狀態u 返混：不同停留時間的流體微團之間的混返混：不同停留時間的流體微團之間的混 合稱之為返混。合稱之為返混。u 停留時間：停留時間：u 空時和空速：空時和空速：u返混無窮大： 理想混合，是指反應流體在反應器內的混合瞬間完成，混合所需的時間可以忽略。反應器內各點的物料具有相同的溫度和濃度且等于反應器出口物料的溫度和濃度。u返混為零： 反應物料在反應器內以同一流速和沿同一方向流動，所有的物料質點在反應器內的停留時間都相同，不存在返混。 全全混混流流反反應應器器 平推流反應器理理想想反反應應器器l根據流動模型，

2、理想反應器分為：根據流動模型，理想反應器分為：3.1 3.1 間歇操作的完全混合反應器間歇操作的完全混合反應器n特點n釜式反應器結構： 加熱方式 攪拌器形式 溫度測量一、間歇反應器特點一、間歇反應器特點n1. 反應物料一次加入，產物一次取出。需要一定非生產性時間；n2.非穩態操作，反應器內濃度、溫度隨反應時間連續變化，產品質量不易穩定；n3.同一瞬時，反應器內各點溫度相同、濃度相同。夾套式蒸汽加熱反應釜夾套式蒸汽加熱反應釜內外盤管式加熱不銹內外盤管式加熱不銹鋼反應釜鋼反應釜裝配式熱電偶裝配式熱電偶鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶WRNK仿進口桿式傳感器仿進口可調節壓簧螺釘式熱電偶二、間歇反應器計算二、間歇

3、反應器計算1.反應時間的計算 根據物料衡算的積累速度反應器中的反應量單位時間的流出量單位時間的流入量單位時間AAAARAVrAdndtRAVrAdndt 即：即：對于間歇系統達到一定轉化率所需時間取決于反應速率，而與反應器體積大小無關；反應器的大小由處理量決定。AxRAAAVrdxnt0000AfAxAAxAdxtCr積分得積分得(1)：恒容時：恒容時：間歇反應器的間歇反應器的設計方程設計方程（1）間歇釜反應器圖解間歇釜反應器圖解CACAfCA0AfACCAArdCt0Ar1Ar1xAxA0 xAfAfAxxAAArdxCt00/2. 反應器有效體積反應器有效體積VR的計算的計算 一個操作周期

4、時間：(tt0) 物料處理量為v0(m3/h)反應器的有效體積 VR=v0 (tt0)式中：t0 輔助生產時間，包括加料、排料、 洗反應器和物料的升溫、冷卻。v0 平均每小時反應物料的體積處理量。3.反應器實際體積反應器實際體積V的計算的計算 反應器的實際體積是考慮了裝料系數后的實際體積(不包括換熱器攪拌器的體積)。RVV 是裝料系數，一般為是裝料系數，一般為0.40.85，n不起泡、不沸騰物料取不起泡、不沸騰物料取0.70.85，n起泡、沸騰物料取起泡、沸騰物料取0.40.6。n理想間歇反應器中簡單反應的結果反應級數反應速率式轉化率式零級rA=kkt=cA0 xA一級rA=kcA二級rA=k

5、cA21ln11ktAAktxex或 00011AAAAAAc ktxc ktxxc kt或 +3.2 平推流反應器平推流反應器（丙烷分解丙烷分解）CA CA0 CAout 管長 Z/2 Z CA CA0 0 Z/2 CAout Z 時間 圖 3.4-1 平推流反應器圖示 一、平推流反應器的特征一、平推流反應器的特征1.通過反應器的物料質點，通過反應器的物料質點，軸向上以同一流速流動，軸向上以同一流速流動，在在流動方向上沒有返混流動方向上沒有返混。2.徑向上物料徑向上物料濃度、溫度濃度、溫度相同相同。 3.所有質點在反應器中所有質點在反應器中 的的停留時間都相同停留時間都相同。二、平推流反應器

6、時間的計算二、平推流反應器時間的計算流入量流出量反應量累積量流入量流出量反應量累積量AFAAdFFdARrV0ddAARFrVAA0AddFFxA2A1RAA00AdxxVxcvr平推流反應器圖解計算平推流反應器圖解計算若在平推流反應器中進行摩爾數增加的氣相反若在平推流反應器中進行摩爾數增加的氣相反應，則平均停留時間是否與空時相等？應，則平均停留時間是否與空時相等？Ar1xAxA0 xAf00/AfAxAAxAdxCr3.3 理想連續攪拌釜式反應器理想連續攪拌釜式反應器全混流反應器全混流反應器一、特點一、特點1. 反應器內各空間位置溫度、濃度均一。2. 返混無窮大3.反應器內濃度、溫度與出口處

7、濃度、溫度相同。CA0 FA0 v0 T0 CA FA v Tm，out Tout G Tm，in G VR T=Tout Ci=Ci，out 全混流反應器濃度全混流反應器濃度-時間圖時間圖tCACA0t0t二、全混流反應器的設計方程二、全混流反應器的設計方程 FA0 FA rAVR 0 的積累速度反應器中的反應量單位時間的流出量單位時間的流入量單位時間AAAAAAARrvFFvV000AAArCC0AAArxC0全混流反應器全混流反應器設計方程設計方程恒容時恒容時 FA0 FA = rAVRA0AAC-C =r全混流反應器圖解計算全混流反應器圖解計算CACA0Ar1CCACA0AfA0CAC

8、AdCt = -r間歇釜和全混流反應器比較間歇釜和全混流反應器比較Ar1CA0AAC-C =r3.4 組合反應器平推流反應器組合平推流反應器組合全混釜反應器串聯全混釜反應器串聯不同形式反應器的組合不同形式反應器的組合1.平推流反應器的串、并聯操作特點：若忽略物料在管線中的停留，則特點：若忽略物料在管線中的停留，則并聯反應器，每個支線應保證空時相等；并聯反應器，每個支線應保證空時相等；串聯反應器，與總體積為串聯反應器，與總體積為V V的單個反應器反應的單個反應器反應 結果相同。結果相同。2.2.多釜串聯組合的全混流反應器多釜串聯組合的全混流反應器多級全混流反應器串聯的特點多級全混流反應器串聯的特

9、點CAfCA0Ar1CA1CA2CA3CA0CA1CA2CA3CA4（橫向切割（橫向切割限制返混）限制返混）解析計算（逐釜計算法）：解析計算（逐釜計算法）：iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCVV)()()(,1,1,00,當當n=1n=1時時AiiAiAiiCkCC1iiAiAikCC111當各釜容積相同且在相同的溫度下操作時當各釜容積相同且在相同的溫度下操作時NiAANkCC)1 (10單釜空時，單釜空時，V=NVi=Nv0 i穩態穩態 定容定容)11(.11,1 ,2,01 ,0,miimAmAAAAAAmAkCCCCCCCC)(111AiAiiAiAiAiAiiCCrrCCb

10、.根據動力學方程做根據動力學方程做rA CA關系曲線關系曲線rACACA1CA2CA3CA0 圖解法圖解法 反應速率方程為反應速率方程為物料衡算式為：物料衡算式為：A+B R （CB0 CA0 ，2級反應）級反應） 3.5 3.5 半連續操作的釜式反應器半連續操作的釜式反應器VCR=vCA0t-VCAAB半連續操作的釜式反應器半連續操作的釜式反應器CA / CA0CR / CA0C / CA03.6 反應器非等溫過程分析基本概念和原理基本概念和原理非等溫反應器設計非等溫反應器設計全混流反應器的熱穩定性分析全混流反應器的熱穩定性分析一、基本概念和原理n反應熱Hr，J/mol。吸熱為正，放熱為負。

11、21Tr2r1pTHHc dT cp-生成物與反應物之差。n平衡常數平衡常數K（范（范-霍夫方程）霍夫方程）r2HdlnKdTRTn溫度對不可逆反應的影響允許最允許最高溫度高溫度 最優操最優操作溫度作溫度 r1r2r3r4n反應速率隨反應速率隨溫度的升高溫度的升高而增大；而增大；n最優操作溫最優操作溫度取決于系度取決于系統可允許的統可允許的最高操作溫最高操作溫度。度。n溫度對可逆反應的影響允許最允許最高溫度高溫度 最優操最優操作溫度作溫度 r1r2r3r4n反應速率隨反應速率隨溫度的升高溫度的升高而增大；而增大；n最優操作溫最優操作溫度取決于系度取決于系統可允許的統可允許的最高操作溫最高操作溫

12、度。度。最優溫最優溫度分布度分布 允許允許最高操最高操作溫度作溫度 n 反應速率存在反應速率存在一最大值，其一最大值，其對應溫度為最對應溫度為最佳溫度；佳溫度；如何求解最如何求解最優溫度？優溫度？二、間歇反應器熱量衡算二、間歇反應器熱量衡算U-總括傳熱系,w/(m2K)； A-傳熱面積,m2；cp-反應流體的比熱，J/(kgK)；-密度,kg/m3 ;Tm-換熱介質溫度，K；量積累速度反應器中熱傳給環境的熱量單位時間內體系反應的放熱量單位時間內p()()()RAARmdc TVHr VUA TTdtHrA-反應熱，反應熱，J/molA。對于恒容過程，rA=CA0dxA/dtp()AmRdxdT

13、UATTdtdtc Vr0p()AAHCcp()()()RAARmdc TVHr VUA TTdt對于間歇操作，溫度與轉化率的大小有關。對于間歇操作，溫度與轉化率的大小有關。n間歇反應器恒溫操作計算0dtdT()()AARmHr VUA TT反應放出反應放出( (或吸收或吸收) )的熱量必須等于體系與換熱介質交的熱量必須等于體系與換熱介質交換的熱量。換的熱量。p()AmRdxdTUATTdtdtc Vn反應器絕熱操作計算0000p()c)(AAAAAATTxHCxxx三、平推流反應器熱量衡算設管徑為D，流體在微元段中恒壓熱容為CP(J/molK)：流體流入微元段帶入的熱量 流體流出微元段帶出的

14、熱量 流體在微元段反應放出的熱量 從微元段傳給換熱介質的熱量 tptFc TtptFc (T+dT)0ARrATr dV (-H)mU(T-T )(D)dldln帶入的熱量+反應放出的熱量= 帶出的熱量傳給換熱介質的熱量 T00T0A()()dd()d()/dAr AmtptmAr AtptAr SHDU TTTlFcDU TTTFHFcxr S0T0dd()()dtptAArAmFcTFxHDU TTl對于絕熱操作，對于絕熱操作，DU（T-Tm)=0：A2A1x00T0 x()dAr AAtptFTTHxFcn對于非絕熱操作1.設計方程：設計方程：2.熱量衡算式：熱量衡算式：A2A1RAA0

15、0AdxxVxcvr0T00A0T0Add()()d() ddd()tptAAr AmAmtptAAr AFcTFxHDU TTlFDU TTxFcTFxHSr3.試差求解以上兩式試差求解以上兩式四、全混流反應器的熱量衡算與熱穩定性四、全混流反應器的熱量衡算與熱穩定性n換熱器的選擇與計算n考察反應器操作的熱穩定性實現穩定的定常態操作(1)(1)全混流反應器的熱量衡算方程全混流反應器的熱量衡算方程v0 CpT0v CpTrAVR（-Hr）UA(T-Tm)00()()()ARAPmr VHvCTTUA TT恒容反應 g()ARAQr VH00m000m()()()()rPPPQvc TTUA TT

16、T vcUAvc TUAT放熱速率，放熱速率，與反應溫度呈與反應溫度呈非線非線性關系，性關系，S形曲線。形曲線。移熱速率（熱交換速率），移熱速率（熱交換速率），與與反應溫度呈反應溫度呈線性關系。線性關系。00()()()ARAPmr VHvCTTUA TT形狀？形狀？（2 2）全混流反應器操作的熱穩定性分析）全混流反應器操作的熱穩定性分析 （一（一級放熱反應）級放熱反應）QrQTQg123在哪點在哪點操作？操作？放熱反應QrQTQg12可逆放熱反應穩定操作點（真穩定）：穩定操作點（真穩定）： 具有抗外界干擾能力的操作點稱之為穩具有抗外界干擾能力的操作點稱之為穩定操作點。反之稱為假穩定操作點。定

17、操作點。反之稱為假穩定操作點。多重定常態：多重定常態：判據：判據：GrdQdQdTdT具有具有一個以上一個以上定常態點。定常態點。QT（反應溫度反應溫度）Qg234Qr調節定常態點的方法：調節定常態點的方法：1.改變改變T0或或Tm567891 A BCDE000m()()rPPQT vcUAvTcATU進料溫度進料溫度進料溫度進料溫度T0對定常態操作點的影響對定常態操作點的影響123467895T T0A B C D E 著火點著火點 熄火點熄火點 著火著火 溫度溫度 熄火熄火 溫度溫度 調節定常態點的方法：調節定常態點的方法：2.改變改變U或或AQQgQrT增大增大U或或A降低降低U或或A

18、000m()()rPPQT vcvc TTUAUAa調節定常態點的方法：調節定常態點的方法：3.改變進料流量改變進料流量v0000m0m000 ()()/(1)()rPPPPPQT vcUAvc TUATvcUATUATTcvcv g0()/ARAPQr VHvc （）增加流量增加流量n流量由流量由A A增大增大時，定態點如時，定態點如何變化？何變化？n流量由流量由D D下降下降時，定態點如時，定態點如何變化？何變化？n可逆放熱反應最適宜操作點a a、b b、c c哪個操作哪個操作點合適？點合適？n吸熱反應的熱穩定性： 只有一個定態點，不存在熱穩定性問題。TQQgQr3.6 3.6 反應器形式和操作方式評選反應器形式和操作方式評選1.單一反應Ar1xAxA0 xAf00/AfAxAAxAdxCr0AfA0A/()/ACxxr00/AiACC轉化率很低時，平推和全轉化率很低時，平推和全混體積相差不大；轉化率混體積相差不大；轉化率越高，返混對反應影響越越高，返混對反應影響越大，平推的體積遠小于全大，平推的體積遠小于全混。而且反應級數越高，混。而且反應級數越高，影響越大。影響越大。同一反應不同反應器性能比較同一反應不同反應器性能比較xA