第三章均相反應器設計13.1概述一、反應器設計的基本內容最終目標：經濟效益最大（應該包括整個過程）反應器設計的基本內容：1、選擇合適的反應器類型2、確定最佳操作條件3、計算完成規定的生產任務所需的反應器體積23.1概述二、反應器設計的基本方程物料衡算式（描述濃度變化）

能量衡算式（描述溫度變化）

動量衡算式（描述壓力變化）

33.1概述動力學方程式：描述反應的變化情況

如果反應器內各處濃度均一，恒算的控制體可選擇整個反應器；如果反應區內存在兩個或兩個以上相態，反應體積內各處的反應物組成未必相同，這時只能選擇微元體積作為控制體。43.1概述三、均相反應系統均相反應器的特征：

物料在反應器內已達到分子尺度的均勻，混合時間遠小于反應時間。

實現途徑：

1、機械攪拌2、湍流脈動3、分子擴散

考察一個反應過程是否為均相反應過程，不應僅僅著眼于反應物系的相態，更重要的是考察微元尺度的傳遞過程是否會影響反應效果。53.1概述四、理想反應器的主要類型間歇釜式反應器（分批加料）

BatchStirredTankReactor(BSTR)連續釜式反應器（連續加料）

ContinuedStirredTankReactor(CSTR)

理想管式反應器（連續加料）

PlugFlowReactor(PFR)

63.2間歇釜式反應器反應體積Vr反應器體積V有反應發生的空間體積反應體積+預留空間體積間歇反應器的設計參數：（1）反應時間t；（2）反應體積Vr7一、特點分批裝料、卸料適用于不同品種和規格的產品的生產，廣泛用于醫藥、試劑、助劑等生產。

操作時間=反應時間+輔助時間（裝料+卸料+清洗）反應器內濃度及溫度處處相等

3.2間歇釜式反應器8二、物料衡算和能量衡算方程3.2間歇反應器控制體

整個反應器體積非定態操作

反應器內物料組成和溫度隨時間或反應進程而改變

可忽略壓力變化（常用于液相反應）

描述反應器的數學模型包括物料衡算和能量衡算。

93.2間歇反應器A+B→C+D

衡容過程三、等溫間歇釜式反應器的計算（單一反應）103.2間歇反應器

II一級不可逆反應

I零級不可逆反應一級不可逆反應，反應時間與反應物料起始濃度無關113.2間歇反應器

III二級不可逆反應

IIIn級不可逆反應反應體積：Q0為單位時間內處理的反應物料的體積t0為輔助時間（經驗）123.2間歇反應器例題：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，其化學反應是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、卸料及清洗等輔助時間為1h。反應在1000C下等溫操作，起反應速率方程如下：1000C時，k1=4.76×10-4L/(mol·min)，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？133.2間歇反應器解：143.2間歇反應器15最優反應時間單位時間產物產量最大所必須滿足的條件說明：目標函數不同，結果不同。（1）如從單位產品所消耗的原料量最少著眼，則反應時間越長，原料單耗越少；（2）以生產費用最低為目標，則需滿足其中a為單位時間內反應操作費用；a0為輔助操作費用；af為固定費用。

16四、等溫間歇釜式反應器的計算（復合反應）

1、平行反應主反應A的轉化率目的產物的產量17Aiki

通式：183.2間歇反應器作業1、反應如下：A+BPrP=2cAkmol/(m3h)2AQ rQ=0.5cA2kmol/(m3h)初始狀態：cA=cA=2kmol/m3目的產物為P，求3h后A的轉化率及P的收率。193.2間歇反應器2、連串反應APQ k1

k2

203.2間歇反應器top

213.2間歇反應器作業2、對下列反應：NH3(A)+CH3OH(M)CH3NH2(B)+H2Or1=k1cAcM

CH3NH2+CH3OH(CH3)2NH+H2O

r2=k2cBcMk1/k2=0.68求一甲胺的最大收率和相應的氨的轉化率。

k1

k2

xA=0.7004YB,max=0.4406221列與反應相同個數的設計方程，且方程中至少包括每步反應的一個組分；2根據反應條件，確定定解條件；3解方程（組），求出反應時間；4Vr=Q0(t+t0)5V=Vr/f間歇反應器的設計步驟：裝料系數，常在0.4~0.85，對于沸騰或易發泡液體反應物料取0.4~0.6；對一般液體物料，取0.7~0.853.2間歇反應器233.3連續釜式反應器CSTR一、單個連續釜式反應器的相關計算（1）定態下操作（2）等容下反應24例題：用連續釜式反應器中進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯12000kg，其化學反應是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1000C下等溫操作，起反應速率方程如下：1000C時，k1=4.76×10-4L/(mol·min)，平衡常數K=2.92。試計算乙酸轉化35%時所需的反應體積。3.3連續釜式反應器CSTRABRS253.3連續釜式反應器CSTR反應器CSTRBRVr/m314.6812.38間歇反應器是變速操作，開始時反應速率最大，終了時最小，而連續式反應器是等速操作，且恰恰是在相應于間歇反應器的最小反應速率下操作，反應體積自然就增大。263.3連續釜式反應器CSTR空時越小，表示該反應器的處理物料量越大?？账僭酱螅磻鞯纳a能力越大。有質量空速和體積空速之分。273.3連續釜式反應器CSTR二、連續釜式反應器的串聯與并聯1、CSTR的串聯

Q0

xA1

xA2283.3連續釜式反應器CSTR正常動力學

反常動力學

對CSTR，兩釜串聯所需總的反應體積要小于單釜；串聯的釜數越多，所需總的反應體積越小。故對正常動力學，使用多釜串聯總是比單釜有利。293.3連續釜式反應器CSTR2、CSTR的并聯

xAf

Q0

xA1

xA2

c0

Q01

Q02

c1

c2

Vr2

Vr1303.3連續釜式反應器CSTR同一處理量，對BR只計反應時間，達到相同轉化率所需的反應體積正常動力學單釜≥多釜串聯宜采用串聯操作（零級反應相等）=等體積多釜并聯BR≤CSTR零級反應相等反常動力學單釜≥多釜串聯宜采用并聯操作（零級反應相等）=等體積多釜并聯BR≤CSTR零級反應相等313.3連續釜式反應器CSTR三、串聯釜式反應器的計算計算基準：第一個反應器的入口，逐釜計算一般情況下，釜數越多，總反應體積越小，但釜數增多，相應的管道閥門和控制儀表等也要增多，操作的復雜程度也隨之增加。

323.3連續釜式反應器CSTR各釜的反應體積間的比例也是一個優化問題。前提：釜數及最終轉化率一定目標：總反應體積最小反應級數a>1小釜在前，大釜在后=1各釜相等0<a<1大釜在前，小釜在后=0與排列方式無關<0無需串聯，并聯更佳333.3連續釜式反應器CSTR總收率和總選擇性曲線類型達到相同轉化率下的收率IS隨xA增加二單調下降間歇釜>多釜串聯>單一釜IIS隨xA增加二單調上升間歇釜<多釜串聯<單一釜四、連續釜式反應器中復合反應343.3連續釜式反應器CSTR1、平行反應

獲得選擇性和收率：（1）滿足有利的濃度和溫度條件；（2）反應器的型式及操作方式、所采用的原料濃度及配比以及加料方式等有關。（3）E主=E次時，反應的瞬時選擇性與溫度無關，一般選擇較高溫度，以提高反應器的生產強度；E主<E次時，低溫瞬時選擇性好，但生產強度不大，故存在一最佳溫度，此溫度下在連續釜式反應器中，可使目的產物的產量最大；353.3連續釜式反應器CSTR2、串聯反應

（1）不論k2/k1為何值，在相同轉化率下，間歇釜的收率總是大于連續釜的收率；（2）隨k2/k1減小，釜式反應器的收率增大；（3）E1>E2，溫度越高，則k2/k1越小，則收率越大；E1>E2，情況相反，低溫下操作可獲得較大的收率，但是溫度降低導致反應速率下降，反應器的生產強度減?。唬?）選擇合適的催化劑363.4半間歇釜式反應器

（1）要求一種反應物的濃度高而另一種反應物濃度低時；（2）為了提高某些可逆反應的產品收率，需要不斷移走產物373.4半間歇釜式反應器

383.4半間歇釜式反應器

393.4半間歇釜式反應器

403.4半間歇釜式反應器

413.4半間歇釜式反應器

423.4半間歇釜式反應器

433.4半間歇釜式反應器

443.5連續管式反應器

45463.5連續管式反應器

473.5連續管式反應器

483.5連續管式反應器

493.