化学反应工程知识点7~10讲义

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1、知识点7.反应器设计概述一、主要讲解内容本讲主要介绍三种理想反应器——理想的间歇式反应器、全混流反应器及平推流反应器的含义及基本设计思路。二、学习要求掌握三种理想反应器的内涵，理解各种反应器理想型的联系与区别。三、视频（已录制完成）四、讲义本章主要给大家介绍的是如何进行反应器的设计，何种反应器又是最优的反应器？反应器按照其操作方式可分为间歇式反应器、连续流动式反应器及半连续（或半间歇式）反应器，而从反应器理想性的角度分，可将反应器分为理想反应器及实际反应器，本讲要介绍的就是三种理想反应器的概念，包括理想的间歇式反

2、应器（BR）、平推流反应器（PFR）及全混流反应器（MFR）。1.理想的间歇式反应器理想的间歇式反应器如图1所示，物料一次性投入反应器中，其特点为在任何时刻反应器中均具有均一的温度和均一的浓度，但是温度和浓度可能会随时间而变，属于一种非稳态操作。图1理想的间歇式反应器2.全混流反应器全混流反应器是一种连续流动式反应器，物料连续流入流出，反应器中具有均一的温度和均一的浓度，且不随时间而变，反应器中温度和浓度与出口一致。温度和浓度相同图2全混流反应器提到全混流反应器需要介绍一个新的概念——返混，指的是不同停留时间物料

3、之间的混合。对于全混流反应器，其返混是一种极端的情况，刚刚进入反应器的物料和停留时间无限长的物料之间存在混合，且反应器中物料的状态和出口完全一致，其返混记为∞。全混流具有温度浓度恒定的特性，所以其中反应速率是一个常数。3.平推流反应器平推流反应器是一种管式反应器，物料连续流动，流体在管内作平推流流动具有如下两特征：（1）在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布，在同一轴向位置具有均一的温度和浓度。浓度和温度等会随轴向位置而变，因此反应速率是轴向位置的函数。（2）在流体流动的方向不存在流体质点间的混合，即无返混现象，

4、或者返混为0。因此，各质点具有相同的停留时间，等于反应时间t。图3平推流反应器对于各类反应器，进行反应器的设计需要反应器的设计方程，设计方程主要来源于两个方面，物料衡算方程和热量衡算方程。恒温反应只需物料衡算方程，变温反应需要两者相结合。物料衡算方程：反应物流入某微元的速率反应物流出的速率反应物由于反应而消失掉的速率反应物在微元中累积的速率=++热量衡算方程，能量流入某微元的速率能量量流出的速率由于反应而消失的能量的速率在微元中能量累积的速率=++五、小结本讲主要介绍了三种理想反应器——理想的间歇式反应器、平推流

5、反应器、全混流反应器的含义，要求掌握三种理想反应器理想的内涵，其中的区别与相似之处.六、自测题（无）知识点8.理想的间歇式反应器及其设计计算一、主要讲解内容本部分主要讲解理想的间歇式反应器的设计方程、特定反应在间歇式反应器中进行时反应器的设计计算、反应器设计方程的图解表示。二、学习要求掌握间歇式反应器的设计方程，掌握恒容和变容反应在间歇式反应器中进行时的不同，掌握间歇式反应器设计方程的图解表示。三、视频（已录制完成）四、讲义物料衡算方程，流入=流出+因反应而消失+累积对于间歇式反应器，在正常操作的条件下，流入=流

6、出=0，以反应物A为着眼组分，则因反应而消失的速率=(-rA).V；累积的速率=。从而可得，分离变量得，从0时刻到t时刻积分，得，（1）又，，则（1）式可变形为，（2）（1）式及(2)式即理想的间歇式反应器的设计方程。若t=0时,A的摩尔数为NAi转化率为XAi，则，（1）式及(2)式分别成为如下形式：（3）（4）注意，流体的体积和反应速率都不可以从积分号中提出，这是由于随着反应的进行二者可能都会逐渐发生变化。对于恒容反应，εA=0，V=Const.，则，设计方程可写作，（5）特殊地，对于1级不可逆恒容反应，，带

7、入（5）式得，对于变容反应，V=V0(1+eAXA)，（6）特殊地，如果为1级不可逆变容反应，，带入（6）式得，=可以发现，对于在间歇式反应器中进行的一级不可逆反应，若速率常数一致，不论反应是恒容还是变容，达到相同的转化率所需的时间是一样的。由（4）式可得，表示在图上，~XA曲线下方0~XA之间的面积即，如图1所示。XA0XA图1间歇式反应器设计方程的图解表示对于恒容的情况，设计方程如（5）式所示，则同样可将此设计方程以图解的方式表示，参见图2。XA0XACACACA0图2恒容间歇式反应器设计方程的图解表示需要注

8、意：间歇式反应器中进行的反应，反应器的体积大小不影响转化率，影响转化率的主要因素是反应时间。间歇式反应器的生产能力主要取决于反应器的有效体积。五、小结1.间歇式反应器的设计方程为：或2.在间歇式反应器中进行的恒容一级不可逆反应和变容一级不可逆反应均满足：。3.图上表示间歇式反应器的设计方程XA0XA恒容时，XA0XACACACA0六、自测题1.理想的间歇式反应器的设计方程