1、釜式及均相管式反應器第1頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四緒論1第一章 應用化學反應動力學及反應器設計基礎6第二章 氣-固相催化反應本征及宏觀動力學34第三章 釜式及均相管式反應器70第四章 反應器中的混合及對反應的影響106第五章 固定床氣-固相催化反應工程126第六章 氣-液反應工程176第七章 流-固相非催化反應212第八章 流化床反應工程236第九章 氣-液-固三相反應工程270第2頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第一節 間歇釜式反應器第二節 連續流動均相管式反應器第三節 連續流動釜式反應器第四節 理想流動反應器的組合和比較第五節 多重

2、反應的選擇率第六節 半間歇釜式反應器第七節 釜式反應器中進行的多相反應 第八節 討論與分析參考文獻習題第三章 釜式及均相管式反應器第3頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 二、 間歇釜式反應器的數學模型 1. 等溫等容液相單一反應 2. 等溫等容液相多重反應 三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 2. 反應時間的優化 3. 配料比 4. 反應溫度 第三章 釜式及均相管式反應器第4頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 第5頁，共91頁，202

3、2年，5月20日，13點38分，星期四特點: 1 由于劇烈攪拌，反應器內物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應器內濃度處處相等，因而排除了物質傳遞對反應的影響； 2 具有足夠強的傳熱條件，溫度始終相等，無需考慮器內的熱量傳遞問題； 3 物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間。優點： 操作靈活，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產品生產缺點：裝料、卸料等輔助操作時間長，產品質量不穩定第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 第6頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四精細化工產品的生產中的液相反應、液液非均相反應；有色冶金及化學礦加工中的液固反應；生物反應

4、中的微生物發酵反應；聚合物生產中的乳液聚合及懸浮液聚合；第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 第7頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四Standardised stirred tank reactor sizes反應釜規格4006301000250040006300總容積L5338471447346053748230夾套容積L120152216368499677換熱面積m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸(mm) d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170

5、019002100h2125013001550206025003050標準尺寸( according to DIN)Deutschland , Germany Deutsche industry norm 第8頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四反應釜規格4006301000250040006300總容積L5338471447346053748230夾套容積L120152216368499677換熱面積m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸(mm) d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290

6、011001300170019002100h2125013001550206025003050標準尺寸( according to DIN)第9頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 二、 間歇釜式反應器的數學模型 1. 等溫等容液相單一反應 2. 等溫等容液相多重反應 三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 2. 反應時間的優化 3. 配料比 4. 反應溫度 第三章 釜式及均相管式反應器第10頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四二、 間歇釜式反應器的數學模型用數學模型描述反應物組成隨時間

7、的變化情況對整個反應器進行物料衡算：0流入量 = 流出量 + 反應量 + 累積量0單位時間內反應量 = 單位時間內消失量等容過程，液相反應第11頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四圖解積分示意圖t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0第12頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四二、間歇反應器的數學描述 1. 等溫等容液相單一反應一級不可逆反應1st. Order Reaction（irreversible）第13頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四反應級數反應速率殘余濃度式轉化率式n=0n=1n=2n級n1表31

8、 理想間歇反應器中整級數單反應的反應結果表達式第14頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四k增大(溫度升高）t減少反應體積減小討論：間歇反應器中的單反應反應濃度的影響1. k的影響零級反應：t與初濃度CA0正比一級反應：t與初濃度CA0無關二級反應：t與初濃度CA0反比3. 殘余濃度零級反應：殘余濃度隨t直線下降一級反應：殘余濃度隨t逐漸下降二級反應：殘余濃度隨t慢慢下降反應后期的速度很小；反應機理的變化第15頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四由表中所列結果，可以得出以下幾點結論。對于任一級反應，當CA0、xAf或CAf確定后，kt即為定值：當k，t

9、；當k，t。對于任一級反應都是如此。當轉化率xAf確定后，反應時間與初始濃度的關系和反應級數有關。0級反應： ， 成正比1級反應： ， 無關2級反應： ， 成反比利用上述的反應特性，可以定性判別反應級數，例如確定xAf，然后測定的關系，判別反應級數。第16頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四3.殘余濃度和反應時間的關系（轉化率和反應時間的關系）0級反應： ， 直線下降1級反應： 較緩慢下降2級反應： 緩慢下降對于一級或二級不可逆反應，在反應后期CA的下降速率，即xA的上升速率相當緩慢，若追求過高的轉化率或過低的殘余濃度，則在反應后期要花費大量的反應時間。第17頁，共91頁

10、，2022年，5月20日，13點38分，星期四University DortmundChemical Engineering DepartmentChair of Technical Chemistry BC0tdcdtCn=1n=2n=0Reaction rate r:reaction progress as a function of the reaction order n tangent第18頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四C0tCn=1n=2n=0Reaction rate r:reaction progress as a function of the r

11、eaction order n 第19頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第20頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 二、 間歇釜式反應器的數學模型 1. 等溫等容液相單一反應 2. 等溫等容液相多重反應 三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 2. 反應時間的優化 3. 配料比 4. 反應溫度 第三章 釜式及均相管式反應器第21頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四 2. 等溫等容液相多重反應第22頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四例31以醋

12、酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應器中生產醋酸丁酯（C），操作溫度為100，每批進料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反應速率試求醋酸轉化率xA分別為0.5、0.9、0.99時所需反應時間。解：CH3COOH+C4H9OHCH3COOC4H9+H2OA的初始濃度計算：可求出，投料總體積為0.559m3醋 酸 A1kmol60kg0.062m3正丁醇 B4.96kmol368kg0.496m3第23頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第一節 間歇釜式反應器 一、 釜式反應器的特征 二、 間歇釜式反應器的數學模型 1. 等溫等容液相單一反應 2. 等溫等容液相多重

13、反應 三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 2. 反應時間的優化 3. 配料比 4. 反應溫度 第三章 釜式及均相管式反應器第24頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四 三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 反應時間與反應器大小無關只要保證兩者的反應條件相同和設備結構如攪拌裝置合理放大，便可達到同樣的反應效果。反應體積的設計計算： 實際操作時間=反應時間(t) + 輔助時間 (t)反應體積VR是指反應物料在反應器中所占的體積 VR=Q0 (t+t)據此關系式，可以進行反應器體積的設計計算反應體積要比反應器體積小，一般為0.40.85第

14、25頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四補充例題：用間歇反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質量比為A：B：S=1：2：1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h。反應在100下等溫操作，其反應速率方程為 100時，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數K=2.92。試計算乙酸轉化35 % 時所需的反應體積。根據反應物料的特性，若反應器填充系數取0.75，則反應器的實際體積是多少？第26頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，

15、星期四通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應器的原料液量為解：首先計算原料處理量V0根據題給的乙酸乙酯產量，可算出每小時乙酸需用量為其次計算原料液的起始組成。 第27頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四然后，將題給的速率方程變換成轉化率的函數。代入速率方程，整理后得式中 代入到基本公式中得：t=118.8min實際反應器體積：12.38m3/0.7516.51m3第28頁，共91頁，2022年，5月20日，13

16、點38分，星期四三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 2. 反應時間的優化 反應時間越長，則單釜生產的產量增大；但是，反應時間越長，則單釜生產的周期越長，按單位時間的計算的產量不一定增加。 PR 單位時間的產品產量CR為反應終了時的產物濃度第29頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四2. 反應時間的優化 (以單位時間產量最大為優化目標) 代入上式后，可求出最優反應時間。 一級不可逆反應1st. Order Reaction（irreversible）第30頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四t0CR ttoptOptimal tim

17、etCR第31頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四2. 反應時間的優化 (以生產費用最低優化目標) 將CR t 代入上式后，可求出最優反應時間。 單位質量產品的總費用：第32頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四( a0 t0+af )CR ttoptOptimal timetCR第33頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四 三、 間歇釜式反應器的工程放大及操作優化 1. 工程放大 2. 反應時間的優化 3. 配料比 4. 反應溫度 第34頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第二節 連續流動均相管式反應器 一、

18、 均相管式反應器的特征 二、 平推流均相管式反應器的數學模型 1. 等溫等容平推流均相反應器 2. 絕熱等容平推流均相反應器 3. 變溫變容平推流均相反應器 低碳烴管式裂解爐第三章 釜式及均相管式反應器第35頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第二節 連續流動均相管式反應器 一、 均相管式反應器的特征 反應物料以穩定流量流入反應器，在反應器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動沿著物料的流動方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動方向的任一截面上物料的所有參數，如溫度、濃度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質點在反應器中具有相同的停留時間，反應器中不存在返混。第36頁，共

19、91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四 Plug flow reactorX=Z/2X=ZCA,OCA, outCAtx = 0timeZZ/2CA,OCA, outCAxpositionx x + xx0ZZ/2第37頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四特點：連續定態下，各個截面上的各種參數只是位置的函數，不隨時間而變化；徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；反應物料具有相同的停留時間。一、 均相管式反應器的特征第38頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四Schematic of a Steam Cracker for Ethylene

20、Production from Naphthaheating gasCrack gas coolerCrack gas125 bar steamSteamNaphtha preheaterNaphthaburnerRadiation zoneconvection zoneFeed water第39頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四High Pressure Polymerisation of EthylenePressure : 1500 2500 bar（1bar0.1MPa）Residence time: 100 150 sReactor: Diam. 34 50

21、mm; L = 400 900 mcompressionpurgepolymerisationdepositionLP-stripperHP-stripper150-300atHP-compressorLP-compressor1500-3000barTubular reactor and stirred tankWax separation第40頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第41頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四Tube reactor第42頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四裂解爐用于乙烯生產的管式裂解爐第43頁，

22、共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四反應物料以穩定流量流入反應器，在反應器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動平推流(Plug-Flow) 模型Plug-Flow Reactor (PFR)第44頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四二、 平推流均相管式反應器的數學模型 1. 等溫等容平推流均相反應器 第45頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四V0 CA0CAfxAfxA=0V0CA0(1xA)V0CA0 (1xAdxA)rAdVRdVR ( = A dl )xAxA+ dxA1. 等溫平推流均相反應器流入量 = 流出量 + 反應量 + 累

23、積量0第46頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四間歇反應器與FPR的等效性1. 等溫平推流均相反應器等溫等容時，平均停留時間第47頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四化學計量學，膨脹因子若反應過程無體積變化1. 等溫平推流均相反應器第48頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四平均停留時間接觸時間標準接觸時間第49頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四反應級數反應速率反應器體積轉化率式n=0n=1n=2n級n1表32 等溫等容平推流反應器計算式第50頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四反應級

24、數反應速率殘余濃度式轉化率式n=0n=1n=2n級n1表31 理想間歇反應器中整級數單反應的反應結果表達式第51頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四用平推流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100下等溫操作，其反應速率方程為已知100時，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數K=2.92。試計算乙酸轉化35 % 時所需的反應體積。第52頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四解答1：

25、VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3第53頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應器的原料液量為解：首先計算原料處理量V0根據題給的乙酸乙酯產量，可算出每小時乙酸需用量為其次計算原料液的起始組成。 第54頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四然后，將題給的速率方程變換成轉化率的函數。代入速率方程，整理后得式中 代入到基本公式中得：t=118

26、.8min實際反應器體積：12.38m3/0.7516.51m3第55頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四解答2：由于乙酸與乙醇的反應為液相反應，故可認為是等容過程。等容下活塞流反應器的空時與條件相同的間歇反應器反應時間相等，已求出達到題給要求所需的反應時間為t=118.8min。改用活塞流反應器連續操作，如要達到同轉化率，要求應使空時=t=118.8min。原料處理理為V0=4.155m3/h因此，反應體積VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3 第56頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四 第二節 連續流動均相管式反應器 二、 平推流

27、均相管式反應器的數學模型 1. 等溫平推流均相反應器 2. 絕熱等容平推流均相反應器 3. 變溫變容平推流均相反應器- 低碳烴管式裂解爐第57頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四2. 絕熱等容平推流均相反應器 變溫平推流反應器變溫平推流反應器，其溫度、反應物系濃度、反應速率均沿流動方向變化，需要聯立物料衡算式和熱量衡算方程式，再結合動力學方程求解。第58頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四物料衡算(穩定狀態) ： 熱量衡算：對象為dVR物料帶入熱量物料帶走熱量傳向環境熱量反應熱0式中分別為i組分的摩爾流量、i組分的等壓摩爾熱容、微元體積中物料溫度、環

28、境溫度、反應熱（放熱為負，吸熱為正）0dVRT T+dT第59頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四由物料衡算和熱量衡算及動力學方程三者聯立，采用差分法或Runge-Kutta法求解。當過程為等溫或絕熱過程時，可以簡化。1.等溫過程熱量衡算式簡化為由則有 積分 式中A為換熱面積第60頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四2.絕熱過程熱量衡算式簡化為由則有令稱為絕熱溫升，即為在絕熱條件下組分A完全反應時物料的溫升。則積分之，得當xA0=0,有第61頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第62頁，共91頁，2022年，5月20日，13點3

29、8分，星期四熱量衡算式物料衡算式：動力學方程式：第63頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第64頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四初始條件l=0l=16m第65頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四lTPOCO2PC0.7953 0.1489 0.0558 460.6 16.0 0.7727 0.1596 0.0577 451.8 14.4 0.7468 0.1719 0.0813 441.8 12.8 0.7274 0.1811 0.0915 434.1 11.2 0.7133 0.1878 0.0989 428.5 9.6

30、0.7025 0.1929 0.1046 424.1 8.0 0.6940 0.1969 0.1091 420.5 6.4 0.6870 0.2003 0.1128 417.6 4.8 0.6811 0.2031 0.1159 415.1 3.2 0.6760 0.2055 0.1185 413.0 1.6 0.6584 0.2036 0.1380 411.0 0.0 第66頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四T l第67頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四PCCO2PO第68頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第三章 釜式及均

31、相管式反應器第三節 連續流動釜式反應器 一、 連續流動釜式反應器的特征及數學模型 二、 多級全混釜的串聯及優化 1. 多級全混釜的濃度特征 2. 多級全混釜串聯的計算 3. 多級全混釜串聯的優化 三、 全混流反應器的熱穩定性 1. 熱穩定性和參數靈敏性的概念 2. 全混流反應器的多態 3. 物料進口溫度和進料流量對全混釜熱 穩定性的影響和“起燃”與“熄火” 4. 最大允許溫差 5. 單一可逆放熱反應第69頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四第三節 連續流動釜式反應器 一、 連續流動釜式反應器的特征及數學模型 第70頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四

32、全混流（perfectly mixed flow）模型假設：反應物料以穩定流量流入反應器，在反應器中，剛進入的新鮮物料與存留在反應器中的物料瞬間達到完全混合。特點：反應器中所有空間位置的物料參數都是均勻的，而且等于反應器出口處的物料性質，物料質點在反應器中的停留時間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布。第71頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四tresidence timeContinuous Stirred Reactor (CSTR) CA,inCA, outCAttime0tCA,OCA, outCAxposition0第72頁，共91頁，2022年，

33、5月20日，13點38分，星期四touttout/2CA,OCA, outCAttime t = tout/2t = tout Batch reactor (discontinuously operated stirred tank reactor)Ideal reactorsCA,OCA, outCAxt = 0position00第73頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四取整個反應器為衡算對象流入量 = 流出量 + 反應量 + 累積量0進口中已有A第三節 連續流動釜式反應器 一、 連續流動釜式反應器的特征及數學模型 第74頁，共91頁，2022年，5月20日，13點3

34、8分，星期四全混流反應器的圖解積分(對比右圖的PFR圖解積分)CA0CACAfCACA0CAf第三節 連續流動釜式反應器 一、 連續流動釜式反應器的特征及數學模型 第75頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四平推流反應器與全混流反應器的比較第76頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四用全混流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100下等溫操作，其反應速率方程為已知100時，k=4.7610-4L/

35、（molmin），平衡常數K=2.92。試計算乙酸轉化35 % 時所需的反應體積。第77頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應器的原料液量為首先計算原料處理量V0根據題給的乙酸乙酯產量，可算出每小時乙酸需用量為其次計算原料液的起始組成。 第78頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四將題給的速率方程變換成轉化率的函數。因為代入速率方程，整理后得式中 第79頁

36、，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四用全混流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100下等溫操作，其反應速率方程為已知100時，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常數K=2.92。試計算乙酸轉化35 % 時所需的反應體積。第80頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四例題中三種反應器體積比較BSTR：VR12.68m3 (實際體積為16.51m3）PFR： VR8.227m3CSTR：VR14.68m3返混：不同年齡粒子之間的混合返混的基本效應：反應物濃度的下降和生成物濃度的上升。上述效應相應地會在反應速率的大小上體現出來。對于其速率隨著反應物濃度增加而增加的反應過程，返混的效果是降低了反應速率第81頁，共91頁，2022年，5月20日，13點38分，星期四例32生化工程中酶反應AR為自催化反應，反應速率式rA=kcAcR，某溫度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A 0.99kmol