1、化學反應工程化學反應工程簡單反應器2概述1第3章均相反應過程非等溫過程4組合反應器3化學反應工程化學反應工程全混流釜式反應器的熱穩定性6反應器類型和操作方法的評選5第3章均相反應過程攪拌釜中的流動與傳熱7化學反應工程化學反應工程 需要解決的問題大致是：（）如何通過實驗建立反應的動力學方程并加以應用；（）如何根據反應的特點與反應器的性能特征選擇反應器型式及操作方式；（）如何計算等溫與非等溫過程的反應器大小及其生產能力。 平均停留時間3.1 概述化學反應工程化學反應工程 空時的定義為：在規定條件下，進入反應器的物料通過反應器體積所需的時間稱為空時，用符號表示，并可寫成： 空速的定義為：在規定條件下

2、，單位時間內進入反應器的物料體積相當于幾個反應器的容積，或單位時間內通過單位反應器容積的物料體積，稱為空速，用符號 表示，可寫成：3.1 概述化學反應工程化學反應工程3.2 簡單反應器12間歇反應器間歇反應器平推流反應器平推流反應器3全混流反應器全混流反應器化學反應工程化學反應工程可以寫出微元時間 內的物料衡算式。整理并積分得：3.2.1 間歇反應器化學反應工程化學反應工程在恒容條件下，式（3-5）可簡化為：3.2.1 間歇反應器化學反應工程化學反應工程如圖3-4所示，這時可有：故3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程 對整個反應器而言，應將式（3-7）積分： 若以下標0代表進料狀態

3、， 代表進入反應器時物料的轉化率， 代表離開反應器的轉化率。這樣，可得更一般地表達平推流反應器的基礎設計式：3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程 對恒容系統：3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程 例例3-23-2均相氣體反應在185和表壓 下按照反應式 在平推流反應器中進行，已知其在此條件下的動力學方程為當進料為50惰性氣體時，求的轉化率為80時所需的時間。3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程 解解根據式（3-10）其中對于非恒容系統：根據 的定義，可求得此式可用

4、圖解積分或數值積分求解之。3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程3.2.2 平推流反應器（）圖解積分 以 為橫坐標，以 為縱坐標，描繪曲線下的面積，即為積分值。由下表及下圖可得：化學反應工程化學反應工程（）數值積分法 利用辛普森法則：故3.2.2 平推流反應器化學反應工程化學反應工程 如圖3-6所示，可有：故 因為全混釜反應器多用于液相恒容系統，故式（3-11）可簡化為3.2.3 全混流反應器化學反應工程化學反應工程3.2.3 全混流反應器化學反應工程化學反應工程3.2.3 全混流反應器化學反應工程化學反應工程3.3 組合反應器12 平推流反應器的串聯、平推流反應器的串聯、并聯或并串

5、聯并聯或并串聯 具有相同或不同體積的具有相同或不同體積的N N個個全混釜的串聯全混釜的串聯化學反應工程化學反應工程3.3 組合反應器34不同型式反應器的串聯不同型式反應器的串聯循環反應器循環反應器5半連續操作的反應器半連續操作的反應器化學反應工程化學反應工程 對反應組分作第一個反應器的物料衡算，根據式（3-8）可有同理，對第i個反應器，可求得若每個反應器內溫度相同， 相等，則有：3.3.1 平推流反應器的串聯、并聯或并串聯化學反應工程化學反應工程因系統為定態流動，且對恒容系統， 不變， ，故有：3.3.2 具有相同或不同體積的N個全混釜的串聯化學反應工程化學反應工程如各釜容積與溫度均相等，則有

6、3.3.2 具有相同或不同體積的N個全混釜的串聯化學反應工程化學反應工程3.3.3 不同型式反應器的串聯 可對四個反應器分別寫出如下關系式?；瘜W反應工程化學反應工程3.3.4 循環反應器化學反應工程化學反應工程 令對反應器作物料衡算，可有：進反應器的濃度對平推流反應器積分，即可得到出口物料的濃度。3.3.4 循環反應器化學反應工程化學反應工程3.3.4 循環反應器（詳見教材P46）化學反應工程化學反應工程3.3.4 循環反應器 例如對一級反應： 如各管等溫、等容積、等循環比，則：化學反應工程化學反應工程 為了更形象地表示循環反應器的性能，定義： 對定常態下的恒容過程，和、的關系是：式（3-18

7、）可寫成：23vv流量離開反應器物料的體積循環物料的體積流量循環比3.3.4 循環反應器化學反應工程化學反應工程 對于一級反應，積分得： 對于非恒容系統：此時的 可根據變容過程的式（2-77）得：3.3.4 循環反應器化學反應工程化學反應工程 因為系統壓力視為恒定，故在M點匯合的流體可以直接加和，因之有：3.3.4 循環反應器以式（3-30）代入式（3-29）得：代入式（3-27）得： 化學反應工程化學反應工程 考慮反應： 如物料的密度在反應過程中恒定不變，則在任意時間內物料的體積為：在微元時間 內對組分作物料衡算：故有 3.3.5 半連續操作的反應器化學反應工程化學反應工程3.3.5 半連續

8、操作的反應器代入式（3-34）得：寫成差分的形式為：對反應物作物料衡算得： 聯合式（3-33）、式（3-37）及式（3-38）、式（3-39）就可用數值法逐段求出相應各時間t時的 了?；瘜W反應工程化學反應工程3.4 非等溫過程12溫度的影響溫度的影響非等溫操作非等溫操作3一般圖解設計程序一般圖解設計程序化學反應工程化學反應工程 3.4.1 溫度的影響（）反應熱和溫度 如已知的反應熱為在溫度 時的數據，而系統的反應溫度為 ，此時，可以根據能量守恒定律而求得，表示為： 通常熱容與溫度的關系為：化學反應工程化學反應工程 把此關系代入式（3-41）得： 如果溫度范圍 不很大，在此范圍內組分的熱容可取平

9、均值 代表，則：3.4.1 溫度的影響化學反應工程化學反應工程（）化學平衡 根據熱力學關系，溫度對反應平衡常數的影響為若反應熱隨溫度而變化時，應在積分中加以考慮，則為：3.4.1 溫度的影響化學反應工程化學反應工程（）反應溫度和最優溫度3.4.1 溫度的影響化學反應工程化學反應工程3.4.1 溫度的影響化學反應工程化學反應工程（）間歇釜式反應器的計算 對定容操作的間歇釜式反應器，其能量衡算可依一般的方法寫出：上式各項除以 ，并取極限 ，得：若系絕熱操作，則對 的一級不可逆反應，物料衡算結果為：3.4.2 非等溫操作化學反應工程化學反應工程（）平推流反應器的計算熱量衡算為：由于平推流反應器的物料

10、衡算式為3.4.2 非等溫操作化學反應工程化學反應工程3.4.2 非等溫操作把式（3-56）代入式（3-55）整理可得： 若反應器系絕熱操作，上述熱量衡算式可簡化為：對整個絕熱反應過程，積分上式得：如對反應 ，有化學反應工程化學反應工程式（3-58）的積分結果為： 對恒容過程， 。當反應物全部轉化時， ，則有： 對于非絕熱操作熱交換速率恒定的情況傳熱系數U恒定的情況3.4.2 非等溫操作化學反應工程化學反應工程（）全混流釜式反應器的計算3.4.2 非等溫操作如圖3-17所示，其熱量衡算式為：其物料衡算式為：或化學反應工程化學反應工程3.4.3 一般圖解設計程序化學反應工程化學反應工程（）絕熱操

11、作結合式（3-56）得： 在一些特定情況下，即當 時，反應熱與溫度無關，此時，式（3-67）和式（3-68）簡化為：3.4.3 一般圖解設計程序化學反應工程化學反應工程3.4.3 一般圖解設計程序（詳見教材P59）化學反應工程化學反應工程（）非絕熱操作 若以Q表示加于各種型式的反應器中每摩爾反應物A的總熱量（包括熱損失在內），則根據能量平衡可以寫出：對于3.4.3 一般圖解設計程序化學反應工程化學反應工程3.5 反應器類型和操作方法的評選12單一反應單一反應復合反應復合反應化學反應工程化學反應工程（）簡單反應器的大小比較間歇釜式反應器平推流管式反應器全混流釜式反應器 對平推流，由方程（3-10

12、）給出：3.5.1 單一反應化學反應工程化學反應工程 對全混流，由方程（3-11）給出：以式（3-72）除以式（3-73），得： 對恒容系統， 上式簡化為：3.5.1 單一反應化學反應工程化學反應工程若初始進料與初始濃度相同，還可簡化為： 式（3-75），式（3-76）可以圖解形式表示在圖3-22上，它直接表示了為達到一定轉化率時所需的平推流和全混流的體積比。3.5.1 單一反應化學反應工程化學反應工程3.5.1 單一反應化學反應工程化學反應工程3.5.1 單一反應化學反應工程化學反應工程（）不同型式反應器的組合不同大小的全混流串聯操作時，若轉化率已經給定，要如何確定其最優組合。3.5.1 單

13、一反應化學反應工程化學反應工程3.5.1 單一反應 當 ，即 時，顯然長方形面積為最大。所以化學反應工程化學反應工程不同型式簡單反應器組合的最優排列3.5.1 單一反應化學反應工程化學反應工程（）平行反應 對全混流釜式反應器，由于釜內濃度是均勻的且等于出口濃度，故瞬時收率等于總收率，或為：全混釜的總收率 與平推流反應器總收率 之間的關系為：3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程 對任一型式反應器，產物的出口濃度直接從下式得：這樣，利用式（3-81），可以用圖3-29所示的圖解方法求得不同型式反應器的 。3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程 如圖3-30所示的三種不同的 曲線，為獲

14、得最大的 ，應分別采用平推流反應器、全混流釜式反應器以及全混釜和平推流的串聯三種反應器型式。3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程對反應若反應為3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程（）連串反應3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程取 ，可求得產物濃度的最大值及相應位置?；喌茫?相應最大產物的濃度為： 對各種 比值的典型的濃度-時間曲線示于圖3-32（a）。圖3-32（b）為與時間無關的標繪，關聯了反應物和產物的濃度。3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程3.5.2 復合反應化學反應工程化學反應工程3.6 全混流釜式反應器的

15、熱穩定性12全混流釜式反應器的定態基本全混流釜式反應器的定態基本方程式方程式全混流釜式反應器的熱穩定性全混流釜式反應器的熱穩定性3定態熱穩定性的判據定態熱穩定性的判據化學反應工程化學反應工程 對簡單的一級反應 ，其物料和熱量衡算的動態方程式為： 在定態條件下：3.6.1 全混流釜式反應器的定態基本方程式化學反應工程化學反應工程這樣，可從動態微分方程式過渡到定態的代數方程，表達為： 從式（3-91）可以看出，等號左邊實際上代表散失或移去熱量的速率 ，而等號右邊代表反應放出熱量的速率 ，兩者都是T的函數，即：3.6.1 全混流釜式反應器的定態基本方程式化學反應工程化學反應工程 若以1mol的計算的

16、反應熱為 ，則在單位時間內反應的放熱速率 值亦一定。即：如對一級反應，已知 和平均停留時間的關系為：代入式（3-94）得：3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程 和反應的放熱速率曲線相反，單位時間自系統散失的熱量或熱交換的速率與溫度呈線性關系，在絕熱情況下，它僅為進料的熱焓變化，表示為非絕熱操作則需考慮熱交換量： （）真穩定和假穩定操作點（）改變進口溫度的影響3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程（）改變進料流量的影響 為了研究進料流量變化對反應器內操作狀態的影響，可對式(3-95)及

17、式(3-97)作如下修改：3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程（）自熱反應以單位摩爾進料計算的放熱速率為：3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程而以單位摩爾進料計算的熱焓變化為3.6.2 全混流釜式反應器的熱穩定性化學反應工程化學反應工程定態穩定操作點應具有如下兩個條件：3.6.3 定態熱穩定性的判據按照熱定常條件，需使 ,故而按照熱穩定條件，需使式（3-105）除以式（3-106）便得：化學反應工程化學反應工程3.7 攪拌釜中的流動與傳熱12攪拌釜的結構和槳葉特性攪拌釜的結構和槳葉

18、特性攪拌釜內的混合過程攪拌釜內的混合過程3攪拌功率的計算攪拌功率的計算4攪拌釜的傳熱攪拌釜的傳熱化學反應工程化學反應工程 釜內的攪拌混合作用，不一定是對均相物料的，它大致具有以下幾種效果。拌合用于互溶液體間的混合，以消除反應器內的溫度和濃度梯度；懸浮使固體分散在流體中，如攪動漿態物料，攪拌鹽塊以促進鹽類的溶解等；分散將一種氣體或液體分散在另一種流體中，如廢水處理時的吹氣，在萃取或乳化過程中液滴的形成等；傳熱加劇混合物料或冷、熱表面間的熱交換等。3.7 攪拌釜中的流動與傳熱化學反應工程化學反應工程3.7.1 攪拌釜的結構和槳葉特性化學反應工程化學反應工程3.7.1 攪拌釜的結構和槳葉特性化學反應工程化學反應工程3.7.1 攪拌釜的結構和槳葉特性（教材詳見P79、P80）化學反應工程化學反應工程3.7.1 攪拌釜的結構和槳葉特性化學反應工程化學反應工程（）流體力學槳葉的 數和 數分別為：攪拌槳葉采用循環因數3.7.2 攪拌釜內的混合過程化學反應工程化學反應工程（）釜式反應器內的混合概念 在湍流條件下，間歇攪拌釜內的混合時間，可用下式估算可將全混釜的平均停留時間和混合時間相聯系。所以3.7.2 攪拌釜內的混合過程化學反應工程化學反應工程