第13章均相化學(xué)反應(yīng)器

1、第十三章 均相化學(xué)反應(yīng)器第十三章 均相化學(xué)反應(yīng)器第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器第二節(jié) 完全混合流反應(yīng)器第三節(jié) 平推流反應(yīng)器本章主要內(nèi)容一、間歇反應(yīng)器二、半間歇反應(yīng)器第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器本節(jié)的主要內(nèi)容1. 間歇反應(yīng)器的操作方法 將反應(yīng)物料按一定比例一次加到反應(yīng)器內(nèi)，然后開始攪拌，使反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度保持均勻。反應(yīng)一定時間，反應(yīng)率達到所定的目標之后，將混合物料排出反應(yīng)器。之后再加入物料，進行下一輪操作，如此反復(fù)。一、間歇反應(yīng)器第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器由于劇烈攪拌、混合，反應(yīng)器內(nèi)有效空間中各位置的物料溫度、濃度都相同；由于一次加料，一次出料，反應(yīng)過程中沒有加料、出料，所有物料在反應(yīng)器中停留

2、時間相同，不存在不同停留時間物料的混合，即無返混現(xiàn)象；出料組成與反應(yīng)器內(nèi)物料的最終組成相同；為間歇操作，有輔助生產(chǎn)時間。一個生產(chǎn)周期應(yīng)包括反應(yīng)時間、加料時間、出料時間、清洗時間、加熱（或冷卻）時間等。2. 間歇反應(yīng)器特點第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器 反應(yīng)器有效容積中物料溫度、濃度相同，故選擇整個有效容積VR作為衡算體系。在單位時間內(nèi)，對組分A作物料衡算：的積累量物料中單位時間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時間的量的物料單位時間排出的量的物料單位時間進入AAAARRRRVVVV1ARAsmoldd00tnVr3.3.間歇反應(yīng)器設(shè)計方程間歇反應(yīng)器設(shè)計方程第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器整理得分離變量并積分得為

3、間歇反應(yīng)器設(shè)計計算的通式。 它表達了在一定操作條件下，為達到所要求的轉(zhuǎn)化率xA所需的反應(yīng)時間tr。1A0ARAsmolddtxnVrAr0RAAA00rddxtVrxntt第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器在恒容條件下，上式可簡化為：A0AA1xccAA0AAA0AAA0rddccxrcrxct第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器內(nèi)為達到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間間歇反應(yīng)器內(nèi)為達到一定轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間tr，只是動，只是動力學(xué)方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無力學(xué)方程式的直接積分，與反應(yīng)器大小及物料投入量無關(guān)。關(guān)。 已知反應(yīng)動力學(xué)方程和組分A的濃度變化，就能按上式計算反應(yīng)時間。 一般采用數(shù)值積分

4、或圖解法。4 4、反應(yīng)時間的計算、反應(yīng)時間的計算第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 設(shè)有單一反應(yīng) AP 動力學(xué)方程為 AnArkC 00000(35)AfAfAfAxxCAAAAACAAAndxdxdCtCVrrr積分上式，可計算A的殘余濃度和轉(zhuǎn)化率。A A、數(shù)值積分、數(shù)值積分第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器0級反應(yīng)： ， 直線下降；1級反應(yīng)： 較緩慢下降；2級反應(yīng)： 緩慢下降。對于一級或二級不可逆反應(yīng)，在反應(yīng)后期，CA的下降速率，即xA的上升速率相當緩慢。若追求過低的殘余濃度，即過高的轉(zhuǎn)化率，則在反應(yīng)后期要花費大量的反應(yīng)時間。ACt隨ACt隨ACt隨0AACCkt0

5、ktAACC e001AAACCC kt殘余濃度和反應(yīng)時間的關(guān)系殘余濃度和反應(yīng)時間的關(guān)系第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器【例題13.1.1】間歇反應(yīng)器中發(fā)生一級反應(yīng)A B(恒容反應(yīng))，反應(yīng)速率常數(shù)k為0.35 h-1，要使A的去除率達到90，則A在反應(yīng)器中需反應(yīng)多少小時？ 解：設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為 cA=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根據(jù)設(shè)計方程：cA/cA0=e-kt 有0.10cA0/cA0=e-0.35t 解得t=6.58h第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器B、間歇反應(yīng)器的圖解設(shè)計法A0積ct面t積面A0AAA0 xrdxct(12.2.4)A0AAAccrdc

6、t(12.2.6)第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器0Ax1/rAA0cAc01/rA 對于給定的生產(chǎn)任務(wù)，即單位時間處理的原料量qnAkmol.h-1以及原料組成CA0 kmol.m-3、達到的產(chǎn)品要求xAf及輔助生產(chǎn)時間t、動力學(xué)方程等，均作為給定的條件，設(shè)計計算出間歇反應(yīng)器的體積。5. 設(shè)計計算過程第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器由式 計算反應(yīng)時間tr；計算一批料所需時間tt； tt=tr+t；t為輔助生產(chǎn)時間 計算反應(yīng)器有效容積VR；A0AAA0rdxrxctttqVVr0R第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器 計算反應(yīng)器總體積VR。反應(yīng)器總體積應(yīng)包括有效容積、分離空間、輔助部件占有體積。通常有效容積占總體積

7、分率為6085，該分率稱為反應(yīng)器裝填系數(shù)，由生產(chǎn)實際決定。RRVV【例題13.1.2】某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70用間歇釜并以H2SO4作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)動力學(xué)方程為：cA0=4 kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097. 1k第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器若每天處理2400kg己二酸，每批操作輔助生產(chǎn)時間為1h，反應(yīng)器裝填系數(shù)為0.75，求：(1)轉(zhuǎn)化率分別為xA=0.5，0.6，0.8，0.9時，所需反應(yīng)時間為多少?(2)求轉(zhuǎn)化率為0.8，0.9時，所需反應(yīng)器體積為多少?第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器解：(1)達

8、到要求的轉(zhuǎn)化率所需反應(yīng)時間為：xA=0.5xA=0.6 tr=3.18hxA=0.8 tr=8.5hxA=0.9 tr=19.0hAfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10. 26015 . 015 . 041097. 113rt第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器(2)反應(yīng)器體積的計算xA= 0.8時：tt=tr+t=8.5+1=9.5h每小時己二酸進料量qnA0，己二酸相對分子質(zhì)量為146，則有：處理體積為：實際反應(yīng)器體積VR：10nAhkmol684. 0146242400q130A0nA0hm171. 04684. 0cqqV第一節(jié) 間歇與半

9、間歇反應(yīng)器反應(yīng)器有效容積VR：實際反應(yīng)器體積VR：當xA=0.9時：tt=19+1=20hVR=0.17120=3.42m3VR=3.420.75=4.56m33t0Rm63. 15 . 9171. 0tqVV3RRm17. 275. 063. 1VV第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器 (1)將兩種或兩種以上的反應(yīng)物、或其中的一些組分一次性放入反應(yīng)器中，然后將某一種反應(yīng)物連續(xù)加入反應(yīng)器。 特點：可控制加入成分在反應(yīng)器中的濃度，便于控制反應(yīng)速率。 (2)將反應(yīng)物料一次性加入反應(yīng)器，在反應(yīng)過程中將某個產(chǎn)物連續(xù)取出。 特點：可以使反應(yīng)產(chǎn)物維持在低濃度水平（利于可逆反應(yīng)向生成產(chǎn)物的正方向進行；防止分泌產(chǎn)物對微

10、生物生長的抑制作用）。二、半間歇反應(yīng)器（一）半間歇反應(yīng)器的操作方法第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器半間歇操作的特點(1)與間歇操作一樣，是一個非穩(wěn)態(tài)過程(2)與間歇操作不同之處：反應(yīng)混合液的體積隨時間而變化。第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器反應(yīng)量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積tqnntqnntqnttxnnnA0A0AA0A0AA0A0A1)(AAA的量時間內(nèi)加入的的起始量的量時間內(nèi)反應(yīng)消耗掉的nA(nA0qnA0t)(1xA) （二）半間歇反應(yīng)器的設(shè)計計算1. 轉(zhuǎn)化率的定義第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器2. 半間歇反應(yīng)器的設(shè)計方程單位時間內(nèi)A的加入量：qnA0qVcA0單位時間內(nèi)A

11、的排出量：0反應(yīng)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(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器反應(yīng)量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積(1) 對于一個實際規(guī)模的均相連續(xù)反應(yīng)器，影響反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的主要因素有哪些？(2) 間歇反應(yīng)器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應(yīng)器的例子？(3) 半間歇反應(yīng)器有哪幾種操作方式？(4) 半間歇反應(yīng)器與間歇反應(yīng)器相比有哪些異

12、同點？(5) 對于半間歇反應(yīng)器，轉(zhuǎn)化率是如何定義的？本節(jié)思考題第一節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器上一次課內(nèi)容小結(jié)上一次課內(nèi)容小結(jié)1 1、膨脹因子、膨脹因子2 2、返混、返混3 3、反應(yīng)速率、反應(yīng)速率4 4、單一不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率的微分式和積分式、單一不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率的微分式和積分式5 5、半衰期計算、半衰期計算一、單級反應(yīng)器二、多級串聯(lián)反應(yīng)器第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 本節(jié)的主要內(nèi)容一、單級反應(yīng)器（一）操作方法與特點1、操作方法：連續(xù)恒定地向反應(yīng)器內(nèi)加入反應(yīng)物，同時連續(xù)不斷地把反應(yīng)液排出反應(yīng)器，并采取攪拌等手段使反應(yīng)器內(nèi)物料濃度和溫度保持均勻。全混流反應(yīng)器是一種理想化的反應(yīng)器。應(yīng) 用：污水的pH中和槽

13、、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反應(yīng)器（常稱曝氣池）第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 2、全混流反應(yīng)器的特點、全混流反應(yīng)器的特點 反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)（濃度、溫度等）處處相等，且等于物料出口處的物料參數(shù)； 物料參數(shù)不隨時間而變化； 反應(yīng)速率均勻，且等于出口處的速率，不隨時間變化； 返混3、適用范圍：、適用范圍： 攪拌反應(yīng)器，強烈攪拌。第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 全混釜中各處物料均一，故選整個反應(yīng)器有效容積VR為物料衡算體系，對組分A作物料衡算。的積累量物料中單位時間內(nèi)的量消失的物料內(nèi)反應(yīng)單位時間的量的物料單位時間排出的量的物料單位時間進入AAAARRRRVVVV0RfAAfA0Vrqqnn( )A fr式中指按出

14、口濃度計算的反應(yīng)速率。（二）全混流反應(yīng)器基本設(shè)計方程（二）全混流反應(yīng)器基本設(shè)計方程第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 整理得到： 恒容條件下又可以簡化為：RfAA0AfnA0VrxxqfA0AAfnA0RrxxqVfA0AAf0A0RrxxcqVVfAAfA0rcc第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 已知反應(yīng)動力學(xué)方程和組分A的濃度變化，就能按上式計算反應(yīng)時間和計算反應(yīng)器體積。 一般采用數(shù)值積分或圖解法。00nA0AVcqq【例題13.2.1】完全混合流反應(yīng)器中發(fā)生一級反應(yīng)A B，反應(yīng)速率常數(shù)k為0.35 h-1，要使A的去除率達到90，則A需在反應(yīng)器中停留多少小時？ 解：設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為 cA=cA0(1-

15、xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0 根據(jù)反應(yīng)平衡方程：=(cA0-cA)/kcA 有=(cA0-0.10cA0)/(0.350.10cA0)=25.7h 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器的圖解設(shè)計法A0積c面積面(cA0 xA)/-rA(cA0cA)/rA（恒容反應(yīng)） 第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 A0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA【例題13.2.1】某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70采用CSTR反應(yīng)器，并以H2SO4作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)動力學(xué)方程為： cA0=4 kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133m

16、inkmolm1097. 1k第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 若每天處理2400kg己二酸，求己二酸轉(zhuǎn)化率分別80、90時，所需反應(yīng)器的體積。(已知己二酸分子量146）解：已知：2A2A0A1xkcr110nAmkmol0114. 0hkmol684. 0146242400inq130A0nA0hm171. 04684. 0cqqV第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 由設(shè)計方程 代入數(shù)據(jù)，xAf=0.8時 代入數(shù)據(jù)，xAf=0.9時2Af20A0AAf0nAR1xkcxxqV3223Rm23. 78 . 0141097. 18 . 00114. 0V3223Rm6 .329 . 0141097. 19 . 00114

17、. 0V第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 N個全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作在工業(yè)生產(chǎn)上經(jīng)常遇到。其中各釜均能滿足全混流假設(shè)，且認為釜與釜之間符合平推流假定，沒有返混，也不發(fā)生反應(yīng)。VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0 xAmxAixAi-1xA2xA1二、多級串聯(lián)反應(yīng)器（一）多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器的基本方程第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 對任意第i釜中關(guān)鍵組分A作物料衡算。 對恒容、定常態(tài)流動系統(tǒng)，qV0不變， ，故有： 對于N釜串聯(lián)操作的系統(tǒng)，總空間時間：iViqV0RiiiiiiirccrxxcAA1AA1AA0AN21第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 小于單個全混釜達到

18、相同轉(zhuǎn)化率xAN操作時的空間時間。由于釜與釜之間不存在返混，故總的返混程度小于單個全混釜的返混。43214231A0c0Ac1/rA第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）多級串聯(lián)反應(yīng)器的逐步計算法一級恒容反應(yīng)：rAikcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV10AA11kcc)1)(1 (121A021AA2kkckcc)1 ()1)(1 (210AAnnkkkcciiikcc1)1(AA第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 n10AAn1iikcc0001AAmAmAmAACCCxCC 1111mAmiixk （331）123.m等容過程 故 當每級體積相等時第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 11111

19、11mmAmiixkk （332）1/1111mAmkx（333）001/111RRimAmmVVmVmVkx（334） 則可進一步簡化總體積或第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 【例題13.2.3】乙酸的水解反應(yīng)，可以近似地看作一級反應(yīng)，該反應(yīng)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的速度送入一完全混合流反應(yīng)器。試求以下幾種情況時的乙酸的轉(zhuǎn)化率。(1)反應(yīng)器的體積為0.80m3時；(2)0.40m3的反應(yīng)器，二個串聯(lián)使用時；(3)0.20m3的反應(yīng)器，四個串聯(lián)使用時。第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (1)反應(yīng)器的體積為0.8

20、0m3時s96060/105080. 03330AA1mol/m0 .1649601077. 216001kcc%7 .72600164600A0A1A0A1cccx平均空間時間第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (2)0.40m3的反應(yīng)器，二個串聯(lián)使用時s48060/105040. 033232A0A2mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kcc%6 .816006 .110600A0A2A02Acccx每個槽的平均空間時間第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (3)0.20m3的反應(yīng)器，四個串聯(lián)使用時s24060/105020. 033434A0A4mol/m1 .78)2401077. 21

21、 (600)1 (kcc%0 .876001 .78600A0A3A0A4cccx每個槽的平均空間時間第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 對于非一級反應(yīng)，采用解析法計算比較麻煩，一般采用圖解法計算。 1）等溫等容過程，且各級體積相同（1）圖解法基本原理 將上述兩個方程同時繪于兩線交點的橫坐標即為CAi.。AArC圖上（三）圖解計算法iiiiccr)1(AAA操作方程)(AAckfri速率方程第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 的直線與OM線交于A1點，其橫坐標即為CA1；c. 由于各級溫度相同，所以各級

22、的動力學(xué)曲線均為OM線 ; 且為等容過程，各級體積相等：（2）作圖步驟AArC1123.ma.在 圖上標出動力學(xué)曲線OMd. 過CA1作CA0 A1的平行線，與OM曲線交于A2,其橫坐標即為C A2 。如此下去，當最終濃度等于或小于規(guī)定出口濃度時，所作平行線的根數(shù)就是反應(yīng)器級數(shù)。b.以初始濃度CA0為起點，過CA0作斜率為第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 如果各級溫度不同，則需作出各級的動力學(xué)曲線 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，依此 求出CA1 、C

23、A2、 CA3。-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3M1M2M3O第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 2) 等容、各級體積相同，但溫度不同3)等容、等溫但各級體積不同AArC的各直線斜率 不相同，1如圖依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1 、CA2 、 CA3。 如果各級體積不相同，則CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1OM第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 【例題13.2.3】已知一級反應(yīng)A B在10個串聯(lián)的完全混合流反應(yīng)器(CSTR)中進行，假設(shè)反應(yīng)速率常數(shù)k為0.35 h-1，反應(yīng)物A的初始濃度為150 mg/L，10個CSTR完全相同，A在

24、每個CSTR中的停留時間是1/1.5 h，分別采用公式法和圖解法求A的轉(zhuǎn)化率。 第二節(jié) 全混流反應(yīng)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(lián)的CSTR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。對于完全混合流反應(yīng)器，基本方程為第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 圖解法：如圖所示，以rA對cA作圖得反應(yīng)曲線，以1/的斜率構(gòu)造三角曲線圖得10個CSTR反應(yīng)器的反應(yīng)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(lián)的CSTR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率

25、為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。AAAddkcrtc一級反應(yīng)速率方程為第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 0501001500102030405060Slope=1.50h-1rA /(mgL1h1)cA/(mgL1)三、多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化三、多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化 在設(shè)計反應(yīng)器時，物料處理量V0、進料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm是由工藝條件確定的。 如何確定反應(yīng)器級數(shù)m和各級的體積，使總體積最小。 反應(yīng)器級數(shù)越多,反應(yīng)推動力增大,但設(shè)備投資、工藝流程和操作控制變得復(fù)雜，因此需要綜合考慮。 以下討論，當物料處理量V0、進料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm和反應(yīng)器級數(shù)m確定后，如何最佳

26、分配各級轉(zhuǎn)化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 為使VR最小，將上式分別對xA1、xA2、xAm1求偏導(dǎo)數(shù)，并令之為零，則有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x0(1,2,.1)RAiVimx 對于等溫等容過程，各級反應(yīng)器體積為 反應(yīng)器總體積 為以上共有（m-1）個方程，可解出（m-1）個待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。001()AAiAiRiAiV CxxVr第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 1121000102001210.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAA

27、mAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVxVimxkxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx111111AiAiAiAixxxx111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim反應(yīng)器總體積 即化簡后即由上式上式表示：對于一級不可逆反應(yīng)，當各級的體積相等時，總反應(yīng)體積最小。 以一級不可逆反應(yīng)為例(1) 全混流連續(xù)反應(yīng)器的一般操作方式是什么？你能舉出哪些間歇反應(yīng)器的例子？(2) 與間歇反應(yīng)器相比，對于同一反應(yīng)，在同樣的反應(yīng)條件下，達到同樣的轉(zhuǎn)化率，所需全混流連續(xù)反應(yīng)器

28、的體積有何不同？為什么？本節(jié)思考題第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 (3) 對于一簡單不可逆反應(yīng)，在反應(yīng)器總有效體積和反應(yīng)條件不變的條件下，隨著全混流反應(yīng)器的級數(shù)的增加，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率如何變化？為什么？轉(zhuǎn)化率的極限值是什么？(4) 簡述多級全混流反應(yīng)器的解析計算法。(5) 簡述多級全混流反應(yīng)器的圖解計算法。本節(jié)思考題第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 一、簡單的平推流反應(yīng)器二、具有循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 本節(jié)的主要內(nèi)容一、簡單的平推流反應(yīng)器平推流反應(yīng)器的特點：1. 物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動方向連續(xù)變化，不隨時間變化；2. 任一載面上的物料參數(shù)相同，反應(yīng)速率只隨軸向變化；3. 反應(yīng)物料在反

29、應(yīng)器內(nèi)停留時間相同，即反應(yīng)時間相同；4. 返混0（一）操作方式 將物料連續(xù)流入、并連續(xù)取出，在反應(yīng)器內(nèi)使物料沿同一方向、以同樣的速度流動 活塞流(piston flow) 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 平推流反應(yīng)器是一種理想反應(yīng)器。（二）平推流反應(yīng)器的基本方程 在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，dnA/dt=0 qnAqnA dqnA (rA)dVdnA/dt dqnA (rA)dV(12.3.11)0 , ,A0V0A0A0 xqcqnVAAVA ,qxcqdVAAA ,xcqnAAAAddxxqqnnV第三節(jié) 連續(xù)反應(yīng)器的解析 基本方程的不同表達形式AAddrVqn(12.3.12)AAA0ddrVxqnAAVd)(

30、drVcq(12.3.13a)(12.3.13b)微分形式A0AAA0dxnrxqVA0AAA0 xrdxc(12.3.15)(12.3.18)積分形式第三節(jié) 連續(xù)反應(yīng)器的解析 對于恒容過程： 以上設(shè)計方程關(guān)聯(lián)了反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器體積和進料量四個參數(shù)，可以根據(jù)給定條件從三個已知量求得另一個未知量。A0AA1xcc2A1AAARdccVrcqV第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 一般采用數(shù)值積分或圖解法。一般采用數(shù)值積分或圖解法?！纠}13.3.2】平推流反應(yīng)器中發(fā)生一級反應(yīng)A B，反應(yīng)速率常數(shù)k為0.35 h-1，要使A的去除率達到90，則A需在反應(yīng)器中停留多少小時？ 設(shè)xA為轉(zhuǎn)化率，則cA的值為cA

31、=cA0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0根據(jù)反應(yīng)平衡方程：cA/cA0=e-k有(0.10cA0)/cA0=e-0.35解得=6.58h 解：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 反應(yīng)時間，反應(yīng)時間，其含義是反應(yīng)物料進入反應(yīng)器后從實際發(fā)生反應(yīng)的時刻起到反應(yīng)達到某一程度（如某個轉(zhuǎn)化率）時所需的反應(yīng)時間停留時間，停留時間，是指反應(yīng)物從進入反應(yīng)器的時刻算起到它們離開反應(yīng)器的時刻為止在反應(yīng)器內(nèi)共停留了多少時間，對分批操作的對分批操作的間歇反應(yīng)器和連續(xù)操作的平推流反應(yīng)器來說反應(yīng)時間和停留時間歇反應(yīng)器和連續(xù)操作的平推流反應(yīng)器來說反應(yīng)時間和停留時間是一致的間是一致的，而對于所有具

32、有“返混”的全混流反應(yīng)器，由于器內(nèi)反應(yīng)流體的流動狀況極為復(fù)雜，既有可能短路，亦可能有死區(qū)和循環(huán)流。所以其出口物料中有些微團可能在器內(nèi)停留魏短的時間，而有的可能很長，具有停留時間分布，一般用平均停留時間表示?？臻g時間，空間時間，稱簡空時，反應(yīng)器有效體積(V)與進料流體的體積流量(qv)之比值。【例題13.2.1】某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70采用平推流反應(yīng)器，并以H2SO4作催化劑進行縮聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，實驗測得反應(yīng)動力學(xué)方程為： cA0=4 kmol.m-3132AAminmkmolkcr1133minkmolm1097. 1k第二節(jié) 全混流反應(yīng)器 若每天處理2400kg己二

33、酸，求己二酸轉(zhuǎn)化率分別80、90時，所需反應(yīng)器的體積。2A2A0A1xkcr110nAmkmol0114. 0hkmol684. 0146242400inq130A0nA0hm171. 04684. 0cqqV2A1AAA0A0RdxxVrxcqV解：已知：對平推流反應(yīng)器：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 222AAA0A02A20AA0A0R111dxxkcxkcxcqVxV33Rm45. 16018 . 018 . 041097. 1171. 0V3Rm26. 3V代入數(shù)據(jù)xA=0.8時：xA=0.9時：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 將前面的結(jié)果匯總 從上表可看出，達到同樣結(jié)果間歇反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器所需反應(yīng)

34、體積略大些，這是由于間歇過程需輔助工作時間所造成的。而全混釜反應(yīng)器比平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器所需反應(yīng)體積大得多，這是由于全混釜的返混造成反應(yīng)速率下降所致。當轉(zhuǎn)化率增加時，所需反應(yīng)體積迅速增加。反應(yīng)器有效容積平推流反應(yīng)器間歇釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器xA=0.81.45 m32.17 m37.23m3xA=0.93.26 m34.56 m332.6 m3【例題13.3.1】在例題13.2.3中，假如反應(yīng)在1個平推流反應(yīng)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(zhuǎn)化率，并與例題13.2.3中的結(jié)果比較。對于平推流反應(yīng)器，基本方程為 kcc eA0A于是有mg/L5 .14e

35、)150()67. 6)(35. 0(Ac所以1個平推流反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。解：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 xA88.0%【例題13.3.3】乙酸的水解反應(yīng)，可以近似地看作一級反應(yīng)，該反應(yīng)在300K時的速率方程為： rA=2.7710-3cA mol/(m3s) 將乙酸濃度為600 mol/m3的液體以0.050 m3/min的速度送入一有效體積為0.80 m3的平推流反應(yīng)器，求反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率。 第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 對于一級反應(yīng)，在恒容條件下：rA=kcA=kcA0(1-xA) A0AA0AVA0)1 (dxxkcxqcV930. 096

36、0e131077. 2Ax)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkxe1A解：第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 kxe1A根據(jù)題意，k=2.7710-3 s1s96060/ )1050(80. 03s根據(jù)題意，k=2.7710-3 s1s96060/ )1050(80. 03s第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 圖解計算法A0積c面積面A0cAcA0AAA0dxrxc(12.3.18)A0AAAdccrc(12.3.19) 0Ax1/rA01/rA304mkmolcA1318. 0hmqV2A3A1097. 1cr13minmkmol某廠生產(chǎn)醇酸樹脂是使己二酸與己二醇以等摩爾比在70用間歇釜并以H2SO4作催化劑進行縮

37、聚反應(yīng)而生產(chǎn)的，假設(shè)反應(yīng)為恒容體系，已知關(guān)鍵組分己二酸的初始濃度，每小時的處理量，實驗測得反應(yīng)動力學(xué)方 求當己二酸轉(zhuǎn)化率為80時，分別用全混流反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器反應(yīng)時所需反應(yīng)器的有效體積和停留時間。 程為第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 2Af0AAf2Af20AAf00R11)(xkcxxkcxcrccqVAAAfAV3Rm61. 718. 03 .42VqV第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 解（1）對全混流反應(yīng)器：代入數(shù)據(jù)xA=0.8得hqVV3 .42min07.25388 . 0141097. 18 . 023RAf0AA0ARdxVrxcqV（2）對平推流反應(yīng)器：fxVxxkcxkcxcqVAAf0A02

38、A20AA0AR111dAf3Rm52. 118. 046. 8VqV代入數(shù)據(jù)xA=0.8得hqVV46. 8min6 .5072 . 041097. 18 . 03R第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 (1)將排出反應(yīng)器的混合物的一部分不經(jīng)任何處理直接返送到入口處。二、具有循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器（一）循環(huán)反應(yīng)器的操作方法反應(yīng)器反應(yīng)物料產(chǎn)物循環(huán)(a)反應(yīng)器反應(yīng)物料產(chǎn)物未反應(yīng)物料循環(huán)(b)分離器(2)在反應(yīng)器出口設(shè)一分離裝置，將反應(yīng)產(chǎn)物分離取出，只把未反應(yīng)的物料返送到反應(yīng)器入口處。第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 (3)微生物培養(yǎng)中常用的一種形式。在反應(yīng)器出口設(shè)置菌體分離器，將反應(yīng)產(chǎn)生的菌體濃縮，把濃縮后的菌體的一部分或

39、全部返送到反應(yīng)器 生成物營養(yǎng)物質(zhì)菌體分離器菌體濃縮液第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 （二）循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計方法Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，(a) 平推流循環(huán)反應(yīng)器VeV3qq排出反應(yīng)器的體積流量循環(huán)物料的體積流量循環(huán)比第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 1. 循環(huán)反應(yīng)器的物料衡算反應(yīng)器系統(tǒng)外圍，即虛線部分的轉(zhuǎn)化率xAe(qnA0qnAe)/ qnA0 (13.3.2)即：qnAeqnA0(1xAe)/ qnA0(13.3.3) Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAec

40、xqqnMN3VA3qqn，第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 反應(yīng)器出口點(2)A的物質(zhì)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，qAVAnA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 1. 進入反應(yīng)器的物質(zhì)流量不是qnA0而是qnA1 qnA1

41、qnA01(1xAe)(13.3.7)2. 進入反應(yīng)器的物料是新鮮物料與反應(yīng)后物料的混合物。故對反應(yīng)器本身進行物料衡算時，不能使用qnA0定義的轉(zhuǎn)化率xA。 幾點說明與注意點第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe) (13.3.4)qnA0 qnA2qnA0(1xAe) (13.3.10)不難理解xAe可以視為與qnA0，即qnA0(1)為基準的反應(yīng)器出口(2)處的xA2相等。 A0A0AAnnnqqqx第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 2. 循環(huán)反應(yīng)器的等價反應(yīng)器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(b) 與(a)等價的反應(yīng)器(a)

42、平推流循環(huán)反應(yīng)器第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，等價反應(yīng)器系統(tǒng)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(huán)流在M點處混合所產(chǎn)生的組成變化，被假設(shè)為是在反應(yīng)器M內(nèi)所發(fā)生的。進入反應(yīng)器M的物料流為未反應(yīng)物料qV0，A的進入量為qnA0，假想是由于在該反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生反應(yīng)， A的排出量變?yōu)閝nA1。第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(3)反應(yīng)器M出口處的轉(zhuǎn)化率xA1為：)1 ()1 (1)1 (A0AeA0A00AA1A0A1nnnnnnqxqqqqqx1A1Aexx(13.3.13)第三節(jié) 平推流反應(yīng)器 Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM系統(tǒng)b的主反應(yīng)器與原系統(tǒng)有相同的反應(yīng)體積和轉(zhuǎn)化率，因此可以利用該系統(tǒng)對原系統(tǒng)進行設(shè)計計算。AeA0AeA0A0A2A0A2)1 ()1 ()1 (xqqqqqqxnnnnnn(4)以qnA0為基準的反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率xA2為：(5)主反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量流