1、第三章 均相化學反應器第三章 均相化學反應器第一節 間歇與半間歇反應器第二節 完全混合流反應器第三節 平推流反應器本章主要內容本章主要目的闡述各類均相化學反應器的設計計算方法反應器設計的目的 選擇合適的反應器型式 確定最佳的操作條件 計算達到規定的目標所需要的反應體積 確定反應器的主要尺寸。第十三章 均相化學反應器反應器設計用到的基本方程 反應動力學方程 物料衡算式 能量衡算式 動量衡算式第十三章 均相化學反應器A的輸入量A的輸出量A的反應量A的積累量qnA0qnA(rA)VdnA/dt反應器的物料衡算單位時間內反應物A的物料衡算式：體積VA的存在量nAA的反應量RA(kmol/s)A的輸入量

2、qnA0(kmol/s)A的輸出量qnA(kmol/s)反應器的基本方程微元V中反應物A的變化一、間歇反應器二、半間歇反應器第一節 間歇與半間歇反應器本節的主要內容1.間歇反應器的操作方法將反應物料按一定比例一次加到反應器內，然后開始攪拌，使反應器內物料的濃度和溫度保持均勻。反應一定時間，反應率達到所定的目標之后，將混合物料排出反應器。之后再加入物料，進行下一輪操作，如此反復。一、間歇反應器2.間歇反應器的設計計算設計計算的目的(1)確定達到一定的反應率時需要的反應時間（t）(2)根據反應時間確定轉化率或反應后的各組分濃度（C）第一節間歇與半間歇反應器間歇反應器的基本方程間歇反應器的物料衡算圖

3、濃度cA物質量nA體積VqnA0qnA(rA)VdnA/dt第一節間歇與半間歇反應器VrtnAAdd(12.2.1)(12.2.2)A0AAA0dxVrxnt(12.2.3)VrtxnAAA0dd與反應速率的定義式形式相同A0AAA0dxrxct(12.2.4)（恒容反應）A0AAAdccrct(12.2.6)（恒容反應）第一節間歇與半間歇反應器間歇反應器的基本方程【例題13.1.1】間歇反應器中發生一級反應AB(恒容反應)，反應速率常數k為0.35h-1，要使A的去除率達到90，則A在反應器中需反應多少小時？解：設xA為轉化率，則cA的值為cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0

4、.10cA0根據設計方程：cA/cA0=e-kt有0.10cA0/cA0=e-0.35t解得t=6.58h第一節間歇與半間歇反應器間歇反應器的圖解設計法A0積ct面t積面A0AAA0 xrdxct(12.2.4)A0AAAccrdct(12.2.6)第一節間歇與半間歇反應器0Ax1/rAA0cAc01/rA(1)將兩種或兩種以上的反應物、或其中的一些組分一次性放入反應器中，然后將某一種反應物連續加入反應器。特點：可控制加入成分在反應器中的濃度，便于控制反應速率。(2)將反應物料一次性加入反應器，在反應過程中將某個產物連續取出。特點：可以使反應產物維持在低濃度水平（利于可逆反應向生成產物的正方向

5、進行；防止分泌產物對微生物生長的抑制作用）。二、半間歇反應器（一）半間歇反應器的操作方法第一節間歇與半間歇反應器半間歇操作的特點(1)與間歇操作一樣，是一個非穩態過程(2)與間歇操作不同之處：反應混合液的體積隨時間而變化。第一節間歇與半間歇反應器反應量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積tqnntqnntqnttxnnnA0A0AA0A0AA0A0A1)(AAA的量時間內加入的的起始量的量時間內反應消耗掉的nA(nA0qnA0t)(1xA)（二）半間歇反應器的設計計算1.轉化率的定義第一節間歇與半間歇反應器2.半間歇反應器的設計方程單位時間內A的加入量：qnA0qVcA0單

6、位時間內A的排出量：0反應量：(rA)V積累量：dnA/dtd(cAV)/dtcA(dV/dt)+V(dcA/dt)物料衡算式：qVcA0=(rA)V+cA(dV/dt)+V(dcA/dt)(13.1.2)qVcA0=(rA)V+cAqV+V(dcA/dt)(13.1.3)VV0qVt第一節間歇與半間歇反應器反應量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積【例題13.1.2】對于由反應(a)和(b)構成的反應系統，試定性說明在下述半間歇操作時的反應系統中各組分的濃度變化。(1)先向反應器中加入A，之后連續加入B。(2)先向反應器中加入B，之后連續加入A。A+BP，r1k1cAcB

7、(a)A+PQ，r2k2cAcP(b)第一節間歇與半間歇反應器AcBcQc(a)先加入A，連續加入B時的變化(b)先加入B，連續加入A時的變化BcPcQctctcA+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b)第一節間歇與半間歇反應器(1)對于一個實際規模的均相連續反應器，影響反應物轉化率的主要因素有哪些？(2)間歇反應器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應器的例子？(3)半間歇反應器有哪幾種操作方式？(4)半間歇反應器與間歇反應器相比有哪些異同點？(5)對于半間歇反應器，轉化率是如何定義的？本節思考題第一節 間歇與半間歇反應器一、單級反應器二、多級串聯反應器第二節 全混

8、流反應器 本節的主要內容一、單級反應器（一）操作方法與特點操作方法：連續恒定地向反應器內加入反應物，同時連續不斷地把反應液排出反應器，并采取攪拌等手段使反應器內物料濃度和溫度保持均勻。全混流反應器是一種理想化的反應器。應用：污水的pH中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反應器（常稱曝氣池）第二節全混流反應器設計計算的目的：得到停留時間、反應器體積等（二）基本方程與設計方法第二節全混流反應器基本方程的一般形式全混流槽式連續反應器(ContinuousStirredTankReactor，CSTR)在穩態狀態下，組成不變，反應速率恒定，即dnA/dt=0qnA0qnA(rA)VdnA/dt反應

9、量-rAV濃度cA體積VA的流入量A0V0A0cqqnA的流出量AVAcqqnrAVqnA0qnArAVqV0cA0qVcArAVqnA0 xArAVqv0cA0 xAAAA0rxc令V/qv0(12.3.5)AAA0rcc(12.3.7)恒容反應第二節全混流反應器【例題13.2.1】完全混合流反應器中發生一級反應AB，反應速率常數k為0.35h-1，要使A的去除率達到90，則A需在反應器中停留多少小時？解：設xA為轉化率，則cA的值為cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根據反應平衡方程：=(cA0-cA)/kcA有=(cA0-0.10cA0)/(0.350.10c

10、A0)=25.7h第二節全混流反應器第二節 全混流反應器 全混流反應器的圖解設計法A0積c面積面(cA0 xA)/-rA(cA0cA)/rA（恒容反應）第二節全混流反應器A0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA二、多級串聯反應器（一）多級串聯全混流反應器的基本方程c0c1c243214212n31cn第二節全混流反應器A0c0Ac1/rAiincqqAVA1)-A(V1)-A(iincqq在恒容條件下，第i個反應器的基本設計方程為：0AA0AAninniqqqxiiiiiiiirxxcrccqVA)1(AA0AAA)1(AV)(13.2.1)第二節全混流反應器（二）多級串聯反應器的逐步計算法一級

11、恒容反應：rAikcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV10AA11kcc)1)(1 (121A021AA2kkckcc)1 ()1)(1 (210AAnnkkkcciiikcc1)1(AA第二節全混流反應器（二）多級串聯反應器的逐步計算法二級恒容反應：rAikcAi22AA)1(AAA)1(AViiiiiiiikcccrccqViiiikckc2411)1(AA第二節全混流反應器【例題13.2.2】乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為：rA=2.7710-3cAmol/(m3s)。將乙酸濃度為600mol/m3的液體以0.050m

12、3/min的速度送入一完全混合流反應器。試求以下幾種情況時的乙酸的轉化率。(1)反應器的體積為0.80m3時；(2)0.40m3的反應器，二個串聯使用時；(3)0.20m3的反應器，四個串聯使用時。第二節全混流反應器(1)反應器的體積為0.80m3時s96060/105080. 03330AA1mol/m0 .1649601077. 216001kcc%7 .72600164600A0A1A0A1cccx平均空間時間第二節全混流反應器(2)0.40m3的反應器，二個串聯使用時s48060/105040. 033232A0A2mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kcc

13、%6 .816006 .110600A0A2A02Acccx每個槽的平均空間時間第二節全混流反應器(3)0.20m3的反應器，四個串聯使用時s24060/105020. 033434A0A4mol/m1 .78)2401077. 21 (600)1 (kcc%0 .876001 .78600A0A3A0A4cccx每個槽的平均空間時間第二節全混流反應器（三）圖解計算法iiiiirccqVAA)1(AViiiiccr)1(AAA操作方程)(AAckfri速率方程icA irA i1反應曲線) 1 A(ic第二節全混流反應器0AcrAA3cA2c31斜率A1c21A0c11反應曲線圖解計算法的步驟

14、第二節全混流反應器0AcrA【例題13.2.3】已知一級反應AB在10個串聯的完全混合流反應器(CSTR)中進行，假設反應速率常數k為0.35h-1，反應物A的初始濃度為150mg/L，10個CSTR完全相同，A在每個CSTR中的停留時間是1/1.5h，分別采用公式法和圖解法求A的轉化率。第二節全混流反應器公式法：A0A)11(ckcnn15081734. 0150)667. 0)(35. 0(11(Annnc當n=10時,有mg/l180A1c所以10個串聯的CSTR反應器的轉化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。對于完全混合流反應器，基本方程為第二節全混流反應器圖

15、解法：如圖所示，以rA對cA作圖得反應曲線，以1/的斜率構造三角曲線圖得10個CSTR反應器的反應曲線，從圖中讀出第10個CSTR的出口濃度cA為18mg/L。所以10個串聯的CSTR反應器的轉化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。AAAddkcrtc一級反應速率方程為第二節全混流反應器0501001500102030405060Slope=1.50h-1rA /(mgL1h1)cA/(mgL1)(1)全混流連續反應器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應器的例子？(2)與間歇反應器相比，對于同一反應，在同樣的反應條件下，達到同樣的轉化率，所需全混流連續反應器的時

16、間有何不同？為什么？本節思考題第二節全混流反應器(3)對于一簡單不可逆反應，在反應器總有效體積和反應條件不變的條件下，隨著全混流反應器的級數的增加，反應物的轉化率如何變化？為什么？轉化率的極限值是什么？(4)簡述多級全混流反應器的解析計算法。(5)簡述多級全混流反應器的圖解計算法。本節思考題第二節全混流反應器一、簡單的平推流反應器二、具有循環操作的平推流反應器第三節平推流反應器本節的主要內容一、簡單的平推流反應器平推流反應器的特點：在連續穩態操作條件下，反應器各斷面上的參數不隨時間變化而變化。反應器內各組分濃度等參數隨軸向位置變化而變化，故反應速率亦隨之變化。在反應器的徑向端面上各處濃度均一，

17、不存在濃度分布。（一）操作方式將物料連續流入、并連續取出，在反應器內使物料沿同一方向、以同樣的速度流動活塞流(pistonflow)第三節平推流反應器第三節平推流反應器平推流反應器一般應滿足以下條件：管式反應器：管長是管徑的10倍以上。固相催化反應器：填充層直徑是催化劑粒徑的10倍以上。設計計算的目的：得到停留時間、反應器體積等第三節平推流反應器平推流反應器的基本方程在穩態狀態下，dnA/dt=0qnAqnAdqnA(rA)dVdnA/dtdqnA(rA)dV(12.3.11)0 , ,A0V0A0A0 xqcqnVAAVA ,qxcqdVAAA ,xcqnAAAAddxxqqnnV（二）基本

18、方程和設計計算方法基本方程的不同表達形式AAddrVqn(12.3.12)AAA0ddrVxqnAAVd)(drVcq(12.3.13a)(12.3.13b)微分形式第三節平推流反應器基本方程第三節平推流反應器A0AAA0dxnrxqVA0AAA0 xrdxc(12.3.15)(12.3.18)積分形式恒容反應的基本方程AA0AAdccrc在恒容條件下：cAcA0(1-xA)，即-cA0dxAdcA(12.3.19)第三節平推流反應器恒溫恒容反應的設計方程：與間歇反應相同（表13.1.1）A0AAA0dxrxct(12.2.4)（恒容反應）A0AAAdccrct(12.2.6)（恒容反應）第一

19、節 間歇與半間歇反應器間歇反應器的基本方程第三節平推流反應器【例題13.3.1】在例題13.2.3中，假如反應在1個平推流反應器中進行，且停留時間與10個串連CSTR的總停留時間相同，試計算A的轉化率，并與例題13.2.3中的結果比較。對于平推流反應器，基本方程為kcc eA0A于是有mg/L5 .14e )150()67. 6)(35. 0(Ac所以1個平推流反應器的轉化率為：xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。解：第三節平推流反應器xA88.0%第三節 平推流反應器 【例題13.3.2】平推流反應器中發生一級反應AB，反應速率常數k為0.35h-1，要使A的去除率達到9

20、0，則A需在反應器中停留多少小時？設xA為轉化率，則cA的值為cA=cA0(1-xA)=cA0(1-0.90)=0.10cA0根據反應平衡方程：cA/cA0=e-k有(0.10cA0)/cA0=e-0.35解得=6.58h解：第三節平推流反應器【例題13.3.3】乙酸的水解反應，可以近似地看作一級反應，該反應在300K時的速率方程為：rA=2.7710-3cAmol/(m3s)將乙酸濃度為600mol/m3的液體以0.050m3/min的速度送入一有效體積為0.80m3的平推流反應器，求反應器出口處的轉化率。第三節平推流反應器對于一級反應，在恒容條件下：rA=kcA=kcA0(1-xA)A0A

21、A0AVA0)1 (dxxkcxqcV930. 0960e131077. 2Ax)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkxe1A解：第三節平推流反應器kxe1A根據題意，k=2.7710-3s1s96060/ )1050(80. 03s第三節平推流反應器圖解計算法A0積c面積面A0cAcA0AAA0dxrxc(12.3.18)A0AAAdccrc(12.3.19)0Ax1/rA01/rA(1)將排出反應器的混合物的一部分不經任何處理直接返送到入口處。二、具有循環操作的平推流反應器（一）循環反應器的操作方法反應器反應物料產物循環(a)反應器反應物料產物未反應物料循環(b)分離器(2)在反應器出口

22、設一分離裝置，將反應產物分離取出，只把未反應的物料返送到反應器入口處。第三節平推流反應器(3)微生物培養中常用的一種形式。在反應器出口設置菌體分離器，將反應產生的菌體濃縮，把濃縮后的菌體的一部分或全部返送到反應器 生成物營養物質菌體分離器菌體濃縮液第三節 平推流反應器 （二）循環反應器的設計方法Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，(a) 平推流循環反應器VeV3qq排出反應器的體積流量循環物料的體積流量循環比第三節 平推流反應器 1.循環反應器的物料衡算反應器系統外圍，即虛線部分的轉化率xAe(qnA0qn

23、Ae)/qnA0(13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/qnA0(13.3.3)Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，第三節平推流反應器反應器出口點(2)A的物質流量qnA2(1)qnAeqnA0(1)(1xAe)(13.3.4)N點出的物料衡算qnA3qnAeqnA0(1xAe)(13.3.5)混合點M處的物料衡算式為：qnA1qnA0qnA3(13.3.6)由(13.3.5)和(13.3.6)式可得：qnA1qnA01(1xAe)(13.3.7)V，c，q，qAVAnA00VA0cqqnA11V

24、A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，第三節平推流反應器1.進入反應器的物質流量不是qnA0而是qnA1qnA1qnA01(1xAe)(13.3.7)2.進入反應器的物料是新鮮物料與反應后物料的混合物。故對反應器本身進行物料衡算時，不能使用qnA0定義的轉化率xA。幾點說明與注意點第三節平推流反應器qnA2(1)qnAeqnA0(1)(1xAe)(13.3.4)qnA0qnA2qnA0(1xAe)(13.3.10)xAe可以視為與qnA0，即qnA0(1)為基準的反應器出口(2)處的xA2相等。A0A0AAnnnqqqx第三節平推流反應器2.循環反應器的

25、等價反應器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(b)與(a)等價的反應器(a)平推流循環反應器第三節平推流反應器Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，等價反應器系統的特點(1)物料流的體積流量qV0qV0(1)，組成與原物料流相同，所以qnA0qnA0(1)。(2)原物料流與循環流在M點處混合所產生的組成變化，被假設為是在反應器M內所發生的。進入反應器M的物料流為未反應物料qV0，A的進入量為qnA0，假想是由于在該反應器內產生反應，A的排出量變為qnA1。第三節平推流反

26、應器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(3)反應器M出口處的轉化率xA1為：)1 ()1 (1)1 (A0AeA0A00AA1A0A1nnnnnnqxqqqqqx1A1Aexx(13.3.13)第三節平推流反應器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM系統b的主反應器與原系統有相同的反應體積和轉化率，因此可以利用該系統對原系統進行設計計算。AeA0AeA0A0A2A0A2)1 ()1 ()1 (xqqqqqqxnnnnnn(4)以qnA0為基準的反應器出口處的轉化率xA2為：(5)主反應器內的質量流量與體積流量分別為：q

27、nAqnA0(1)(1xA)(13.3.15)qVqV0(1)(1+AxA)(13.3.16)第三節平推流反應器AeAe)1(AAA0d)1 (xxnrxqV設計方程3.循環反應器的設計方法等價反應器的設計A0AAA0dxnrxqV(12.3.15)參照第十二章積分反應器的設計方程第三節平推流反應器A2A1AA0AdxxnxVqrAeAe)1(AA0A)1 (xxnrxdqV設計方程ABCDEFG2CDAB 0Ax1AexAex圖解解析法第三節平推流反應器1/rA【例題13.3.4】對于如圖13.3.3所示的平推流循環反應器，試推導出恒溫、恒容條件下的設計方程。對于恒容反應，反應過程中體積恒定，故反應器的設計方程可簡單地表示為：混合點M處的A的物料衡算式為：A1AeAAccrdcA1V0VAe0V0A0V)(cqqcqcq解：第三節平推流反應器Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，將式代入式整理可得：式即為平推流循環反應器在恒容條件下的基本設計方程。 AeAeA01AAV0d)1 (cccrcqV 所以1)(AeA0A1ccc 第三節 平推流反應器