化學(xué)反應(yīng)工程

化學(xué)反應(yīng)工程第1頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1理想流動(dòng)管式反應(yīng)器的特點(diǎn)第2頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.1理想流動(dòng)管式反應(yīng)器的特點(diǎn)理想管式反應(yīng)器的特點(diǎn)：理想管式反應(yīng)器適用于氣相或液相均相反應(yīng)以及氣固或液固相非均相反應(yīng)連續(xù)定態(tài)下，各個(gè)截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù)，不隨時(shí)間而變化；徑向速度均勻，徑向也不存在濃度分布；反應(yīng)物料具有相同的停留時(shí)間。本章第3頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一u[m/s]l=L[m]t=l/u[s]l=0[m]t=0[s]返回假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng)，也可稱為活塞流反應(yīng)器（PistonFlowReactor－PFR）或理想置換反應(yīng)器。沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動(dòng)方向的任一截面上物料的所有參數(shù)，如溫度、濃度、壓力、流速都相同。第4頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一理想管式反應(yīng)器基本方程流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量0第5頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一理想管式反應(yīng)器基本方程本章第6頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)時(shí)間、空時(shí)和空速τ

稱為空間時(shí)間，簡(jiǎn)稱空時(shí)，它是度量連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器生產(chǎn)強(qiáng)度的一個(gè)參數(shù)。空速（SV）指單位時(shí)間單位反應(yīng)器體積所能處理的物料的標(biāo)準(zhǔn)體積。反應(yīng)時(shí)間（t）主要用于間歇反應(yīng)器，指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間。對(duì)液體通常在25?C下測(cè)得的體積流率；氣體是在0?C，1atm下測(cè)量的體積流率。第7頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間停留時(shí)間（t）是指反應(yīng)物料微元從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間。它不是過程的自變量，當(dāng)物料微元體在反應(yīng)器中停留時(shí)間各不相同時(shí)，則停留時(shí)間存在分布，稱為停留時(shí)間分布，這時(shí)可用平均停留時(shí)間（）表示停留時(shí)間的大小。定義式為：氣固催化反應(yīng)指單位時(shí)間單位催化劑體積所能處理的物料的標(biāo)準(zhǔn)體積。第8頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一幾個(gè)時(shí)間概念的關(guān)系間歇反應(yīng)器物料具有相同的停留時(shí)間，不存在停留時(shí)間分布，而且停留時(shí)間等于反應(yīng)時(shí)間。理想管式反應(yīng)器物料也具有相同的停留時(shí)間，也不存在停留時(shí)間分布。當(dāng)流動(dòng)偏離理想的平推流時(shí)，各物料微團(tuán)具有不同的停留時(shí)間，存在停留時(shí)間分布。恒容過程中物料體積流率不隨反應(yīng)進(jìn)行而變化，則空時(shí)和平均停留時(shí)間相等。非恒容過程則需考慮反應(yīng)進(jìn)行對(duì)物料體積流率的影響。第9頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一等溫等容理想管式反應(yīng)器中簡(jiǎn)單反應(yīng)的結(jié)果第10頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)于液相反應(yīng)可以看作恒容系統(tǒng)，對(duì)于等溫等壓的氣相過程可以有：所以反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率對(duì)氣相反應(yīng)的體積濃度有影響。對(duì)于反應(yīng)前后分子數(shù)不變的氣相反應(yīng)仍可看作恒容系統(tǒng)，否則就要求出v與v0的關(guān)系反應(yīng)前后分子數(shù)變化的氣相反應(yīng)第11頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分子總數(shù)變化率（膨脹因子）

若有下列一反應(yīng)，在反應(yīng)時(shí)間為τ時(shí)，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率是xA，則：

aA+bB→sSnA0

nB00t=0

nA0(1-xA)nB0-（b/a）nA0

xA（s/a）nA0

xAt=τ在t=0時(shí)反應(yīng)體系的分子總數(shù)為：n0=nA0+nB0在t=τ時(shí)反應(yīng)體系的分子總數(shù)為：n=

nA0(1-xA)＋nB0-（b/a）nA0

xA＋（s/a）nA0

xA＝n0＋[(s-b-a)／a]nA0

xA上式中(s-b-a)／a叫做該反應(yīng)的分子總數(shù)變化率，也稱膨脹因子，用δA表示。分子總數(shù)變化率的物理意義是：每變化一個(gè)分子反應(yīng)物A，總分子數(shù)改變?chǔ)腁個(gè)。同理可以定義δB、δS。第12頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由前式可以看出，在t=τ時(shí)反應(yīng)物A的摩爾分?jǐn)?shù)yA應(yīng)為：

第13頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)于等溫等壓的氣相過程還可以有：注意第14頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、由上式可以看出，對(duì)于等溫等壓的氣相反應(yīng)，反應(yīng)物濃度不但是轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，還是分子總數(shù)變化率的函數(shù)，這就是連續(xù)操作和間歇操作所不同的地方。2、對(duì)于液相反應(yīng)，濃度可用摩爾分率表示，也有式（1）的關(guān)系，但是沒有式（2）、（3）的關(guān)系。3、第15頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)于等溫等壓的氣相反應(yīng)，由式（2)可知：同理由式（3）可得：第16頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣相反應(yīng)的膨脹率（ε）

由式可知：對(duì)于等溫等壓的氣相反應(yīng)，則可以有：

對(duì)于等溫等壓的氣相反應(yīng)，

就是該反應(yīng)組分A全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的“膨脹率”，記作εA，則：

第17頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一用ε表示氣相反應(yīng)中組分濃度第18頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)于等溫等壓的氣相反應(yīng)，反應(yīng)物A經(jīng)過一定體積反應(yīng)器或一定長(zhǎng)度反應(yīng)管后的濃度cA應(yīng)為

n級(jí)反應(yīng)的速率表達(dá)式為：

注意變分子氣相反應(yīng)的反應(yīng)器計(jì)算第19頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第20頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一其它形式的設(shè)計(jì)方程1、用分壓表示濃度：第21頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例一2、用摩爾分?jǐn)?shù)表示濃度：其它形式的設(shè)計(jì)方程第22頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有如下一個(gè)分解反應(yīng)：該反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，已知在反應(yīng)溫度時(shí)k=0.23[1/s],反應(yīng)物A的起始濃度為1.00[mol/L]。若要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到90％，試計(jì)算A的日處理量為189[m3]的連續(xù)操作的管式反應(yīng)器的體積。例二第23頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一管式反應(yīng)器里進(jìn)行下列一個(gè)不可逆一級(jí)裂解反應(yīng)：已知這個(gè)裂解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為若反應(yīng)條件下（1[大氣壓]，546[K])的kp=0.785[mol/m3.s.大氣壓]，試計(jì)算（1）日處理量為432[m3]（操作條件下的體積流量）原料氣，要求裂解轉(zhuǎn)化率達(dá)到82.6％時(shí)所需管式反應(yīng)器體積；（2）若用內(nèi)徑為100mm的鋼管為反應(yīng)器，則這個(gè)反應(yīng)器的管長(zhǎng)是多少？解答第24頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：（1）計(jì)算該裂解反應(yīng)在管式反應(yīng)器中空間時(shí)間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系：已知：n=1，δA＝（1＋1－1）/1=1（因?yàn)槭菤庀喾磻?yīng)，且反應(yīng)前后分子數(shù)不同），yA0=1第25頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）計(jì)算反應(yīng)器體積：已知：v0=432[m3/日]＝432/(24×3600)=5[L/s]（3）計(jì)算反應(yīng)管長(zhǎng)度：例三第26頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氯乙烯的合成是在固定床催化反應(yīng)器中進(jìn)行的，其反應(yīng)為：已知該反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為：若乙炔和氯化氫進(jìn)料比為1：1，反應(yīng)溫度下k＝0.0965[1/s]。催化劑床層空隙率為0.4。乙炔的轉(zhuǎn)化率為67％，每小時(shí)處理2845[m3]混合原料氣時(shí)催化劑床層體積應(yīng)為多少？解答第27頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：例四第28頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在一個(gè)平推流反應(yīng)器中，由純乙烷進(jìn)料裂解制造乙烯，年生產(chǎn)能力為14萬噸乙烯，反應(yīng)是一級(jí)不可逆反應(yīng)，要求達(dá)到乙烷轉(zhuǎn)化率為80％，反應(yīng)器在1100K等溫，恒壓600[kPa]下操作，已知反應(yīng)活化能為347.3[kJ/mol]，1000K時(shí)，k＝0.0725[1/s]。設(shè)計(jì)工業(yè)規(guī)模的管式反應(yīng)器的體積。解答第29頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解：（1）反應(yīng)器流出的乙烯摩爾流率是：第30頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章第31頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器亦稱全混流反應(yīng)器或理想混合反應(yīng)器，ContinuedStirredTankReactor故簡(jiǎn)稱(CSTR)本章內(nèi)容：連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的均相反應(yīng)連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器中的濃度分布與返混返混的原因與限制返混的措施第32頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一全混流假設(shè)第33頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一全混流假設(shè)假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中，剛進(jìn)入的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料瞬間達(dá)到完全混合。VcAv0vcA單位時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)釜的A的量單位時(shí)間在反應(yīng)釜中A的反應(yīng)量單位時(shí)間流出反應(yīng)釜的A的量＝＋對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的組分A進(jìn)行物料衡算為：第34頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)所以全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)為：反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，不隨時(shí)間變化，而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間參差不齊，有的很長(zhǎng)，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。反應(yīng)器內(nèi)濃度不隨時(shí)間變化，為一常數(shù)。第35頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器的基本方程第36頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解析法求解1、對(duì)于氣相反應(yīng)：第37頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解析法求解2、對(duì)于液相和反應(yīng)前后分子數(shù)無變化的氣相反應(yīng)則為以下形式：第38頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平推流與全混流反應(yīng)結(jié)果對(duì)比第39頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平推流與全混流的對(duì)比（1）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng)，在相同的工藝條件下，為達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，平推流反應(yīng)器所需體積總比全混流反應(yīng)器所需體積小。對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n<0的不可逆反應(yīng)情況正相反。1/(-rA)第40頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率趨近于零時(shí)，平推流和全混流的體積相等，隨著轉(zhuǎn)化率的增加，全混流體積和平推流體積比迅速增加。1/(-rA)第41頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng),當(dāng)轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，隨著反應(yīng)級(jí)數(shù)的增加，全混流所需體積與平推流所需體積比迅速增大。n1>n2n21/(-rA)第42頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）如果反應(yīng)體積增加，會(huì)增加全混流和平推流的體積比率，即反應(yīng)體積膨脹會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致全混流反應(yīng)器的效率下降。如果體積減小，則情況相反。然而體積的變化對(duì)反應(yīng)器大小的影響與流動(dòng)狀況的影響相比要小得多，它屬于次要因素。例：有一級(jí)不可逆液相反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為x時(shí)，在平推流反應(yīng)器中所需體積為Vp；若在同樣工藝條件下反應(yīng)放在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行所需體積為Vm，（1）試推導(dǎo)Vp和Vm的關(guān)系；（2）上述反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為50％時(shí)，要使Vp＝Vm，則反應(yīng)在這兩種反應(yīng)器中的反應(yīng)速率常數(shù)比為多少？解答第43頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第44頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)于難以求解的方程可以用圖解法求解。(-rA)操作線動(dòng)力學(xué)平衡線圖解法求解第45頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(-rA)第46頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例一(-rA)第47頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有如下一個(gè)分解反應(yīng)：該反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，已知在反應(yīng)溫度時(shí)k=0.23[1/s],反應(yīng)物A的起始濃度為1.00[mol/L]。若要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到90％，試計(jì)算A的日處理量為189[m3]的全混流反應(yīng)器的體積。例二第48頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在連續(xù)操作的理想攪拌釜中進(jìn)行以下一個(gè)不可逆二級(jí)反應(yīng)：已知A的起始濃度為1[mol/L]，反應(yīng)速率常數(shù)k=1[L/s.mol]。試求空間時(shí)間為1[s]時(shí)該反應(yīng)在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率。解：對(duì)于二級(jí)反應(yīng)，在連續(xù)操作理想攪拌釜中操作有：例三第49頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)操作理想攪拌釜中分別加入含反應(yīng)物A4[mol/L]和含反應(yīng)物B2[mol/L]的液體各50[L/min]，試求要使B的轉(zhuǎn)化率達(dá)到70％時(shí)所需的反應(yīng)器的體積。已知該反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)方程為，其中k=0.8[L/mol.min]。解：例四第50頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有一液相基元反應(yīng)在393K時(shí)，正、逆反應(yīng)速率常數(shù)分別為k1=8[L/mol.min]，k2=1.7[L/mol.min]。若反應(yīng)在一全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，其中反應(yīng)器中料液的體積為100[L]，兩股物料同時(shí)等體積流量導(dǎo)入反應(yīng)器，其中一股含A3[mol/L]，另一股含B2[mol/L]，求B的轉(zhuǎn)化率為80％時(shí)，每股料液的進(jìn)料體積流量為多少？V=100[L]xB=0.8A3[mol/L]B2[mol/L]解答第51頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一例五解：液相基元反應(yīng)，忽略密度變化，進(jìn)口各組分濃度由于等體積混合有：第52頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在全混流反應(yīng)器中發(fā)生己二酸（A）與己二醇（B）等摩爾比生成醇酸樹脂（C）的聚合反應(yīng)：由實(shí)驗(yàn)知其化學(xué)反應(yīng)速率方程為其中k在反應(yīng)溫度下為1.97[L/kmol.min]，cA,0=0.004[kmol/L]，若每天處理2400[kg]A。求（1）要使A的轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到50％，60％，80％和90％，所需的空間時(shí)間為多少？（2）要達(dá)到上述要求分別需要設(shè)計(jì)多大的反應(yīng)器的體積？第53頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第54頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)攪拌釜中的濃度分布特征第55頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一管式循環(huán)反應(yīng)器xA1cA1,v1,xA2cA2,v2,平推流反應(yīng)器cA0,v0,x0=0xA2cA2,v1,xA2cA2,Rv2K基本假設(shè)：（1）反應(yīng)器內(nèi)為平推流流動(dòng)；（2）循環(huán)物料量與離開系統(tǒng)的物料量之比為R＝vr/v2，且管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)變化；（3）整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。vr反應(yīng)系統(tǒng)第56頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒容過程，定常態(tài)下有反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)出口流量相等，即v2＝v0。對(duì)K點(diǎn)進(jìn)行物料衡算有：第57頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)第一點(diǎn)假設(shè)，該反應(yīng)器體積可按下式計(jì)算：上兩式即為循環(huán)平推流反應(yīng)器體積計(jì)算公式。第58頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）當(dāng)R=0時(shí)，上式為普通平推流反應(yīng)器的計(jì)算式。（2）當(dāng)R→∞時(shí)，反應(yīng)器處于恒xA2下操作，即為全混流反應(yīng)器。（3）當(dāng)0<R<∞時(shí)，反應(yīng)器屬于非理想流動(dòng)反應(yīng)器。實(shí)際上，只要R足夠大，如R等于25時(shí)，即可以認(rèn)為是等濃度操作。大循環(huán)比操作的反應(yīng)過程對(duì)在實(shí)驗(yàn)室中研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)十分重要，可使動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)處理大為簡(jiǎn)化。第59頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一循環(huán)反應(yīng)器的性能第60頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一連續(xù)釜式反應(yīng)器中的返混返混專指不同停留時(shí)間物料之間的混合返混是物料連續(xù)化后出現(xiàn)的一種混合現(xiàn)象間歇攪拌釜中不存在返混理想管式反應(yīng)器是沒有返混的連續(xù)反應(yīng)器連續(xù)釜是返混達(dá)到極限狀態(tài)的連續(xù)反應(yīng)器返混改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，造成物料的停留時(shí)間分布返混是連續(xù)反應(yīng)器中的一個(gè)重要工程因素第61頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返混的原因和限制返混的措施返混的原因設(shè)備中存在不同尺寸的環(huán)流不均勻的速度分布返混造成的結(jié)果改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布造成物料的停留時(shí)間分布限制返混的措施——分割（縱向分割和橫向分割）第62頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多釜串聯(lián)反應(yīng)器單位時(shí)間進(jìn)入反應(yīng)釜的A的量單位時(shí)間在反應(yīng)釜中A的反應(yīng)量單位時(shí)間流出反應(yīng)釜的A的量＝＋對(duì)第i個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的組分A進(jìn)行物料衡算為：第63頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一注意：若N個(gè)釜體積相同，則1=

2=

i=

N（i為單個(gè)反應(yīng)釜的空間時(shí)間），反應(yīng)器的總空時(shí)=Ni。若N個(gè)釜體積不相同，則1≠

2≠

i≠

N。對(duì)于多釜串聯(lián)的操作型計(jì)算就是利用上式分別對(duì)每個(gè)釜列出操作方程，由并結(jié)合流動(dòng)體系的動(dòng)力學(xué)方程，一釜一釜的計(jì)算下去，直至算出第N釜的轉(zhuǎn)化率。對(duì)于多釜串聯(lián)的設(shè)計(jì)型計(jì)算則應(yīng)將各個(gè)釜的操作方程結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程聯(lián)立求解以得出，進(jìn)而求出反應(yīng)器的體積V。若釜數(shù)較多則計(jì)算較為復(fù)雜。本章第64頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、多釜串聯(lián)反應(yīng)器的計(jì)算亦可用圖解法計(jì)算，原理同單釜圖解法的原理。只是操作線有N條。5、多釜串聯(lián)的反應(yīng)器，由于釜間無返混，使返混程度減小，當(dāng)N∞時(shí)，多釜串聯(lián)全混反應(yīng)器組的操作就相當(dāng)于平推流反應(yīng)器。6、通常在工業(yè)中常采用3～4個(gè)釜串聯(lián)操作，這樣的設(shè)備投資合理。為了便于檢修，多數(shù)反應(yīng)器體積做得大小結(jié)構(gòu)相同。本章第65頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(-rA)操作線動(dòng)力學(xué)平衡線若N個(gè)釜體積相同，則1=

2=

i=

N，則各條操作線互相平行，否則就不平行。若N個(gè)釜反應(yīng)溫度控制相同，則在整個(gè)反應(yīng)器中動(dòng)力學(xué)平衡線就是一條，否則就有N條。圖解法用于操作性計(jì)算時(shí)較為簡(jiǎn)單，但圖解法用于設(shè)計(jì)型計(jì)算時(shí)要用試差法較為復(fù)雜。返回第66頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回(-rA)第67頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回(-rA)第68頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在等體積的兩個(gè)釜串聯(lián)的反應(yīng)器中進(jìn)行以下一個(gè)不可逆二級(jí)基元反應(yīng)，若已知反應(yīng)速率常數(shù)k=1[L/s.mol]，A的起始濃度為1[mol/L]，試求空間時(shí)間為1[s]時(shí)該反應(yīng)在反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率。返回第69頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有如下一個(gè)分解反應(yīng)：該反應(yīng)是一級(jí)反應(yīng)，已知在反應(yīng)溫度時(shí)k=0.23[1/s],反應(yīng)物A的起始濃度為1.00[mol/L]。若要求轉(zhuǎn)化率達(dá)到90％，試計(jì)算A的日處理量為189[m3]的兩釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器的體積（兩個(gè)釜體積相同）。返回第70頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有一一級(jí)不可逆反應(yīng)，已知化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k＝3.45[1/h]，今擬在一個(gè)全混流反應(yīng)釜中進(jìn)行，若最終轉(zhuǎn)化率xA為95％，該反應(yīng)處理的物料量可達(dá)1.82[m3/h]。（1）求該全混流反應(yīng)器的體積為多大？（2）今若改用兩個(gè)體積相等的全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作，要達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，求該反應(yīng)器的總體積為多大？（3）又若改用N個(gè)體積相等的全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作，當(dāng)N足夠大時(shí)，試證明所需反應(yīng)器的總體積趨近于平推流反應(yīng)器在同樣工藝條件下所需的反應(yīng)器的體積。

解答第71頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第72頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第73頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一已知某一級(jí)不可逆基元反應(yīng)，其中化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)k＝0.0806[1/min]，日處理溶液量為14400[L]，求（1）在兩個(gè)體積相等的串聯(lián)反應(yīng)釜中進(jìn)行該反應(yīng)時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%，需要反應(yīng)器總體積為多大？（2）若要使該反應(yīng)在第一釜的出口轉(zhuǎn)化率等于45％，第二釜的出口轉(zhuǎn)化率等于90％，求此二釜串聯(lián)反應(yīng)器的總體積為多大？解答第74頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第75頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第76頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)過程中的混合現(xiàn)象及其對(duì)反應(yīng)的影響混合現(xiàn)象的分類停留時(shí)間分布及其性質(zhì)連續(xù)釜式反應(yīng)器中的固相反應(yīng)微觀混合及其對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響非理想流動(dòng)模型非理想流動(dòng)反應(yīng)器的計(jì)算第77頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一混合現(xiàn)象的分類同齡混合不同齡混合宏觀混合微觀混合完全相混（均相反應(yīng)）完全不相混（固相加工反應(yīng)）兩者之間全混流平推流兩者之間預(yù)混合湍流混合分子擴(kuò)散本章第78頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間分布及其性質(zhì)分布的基本概念停留時(shí)間分布函數(shù)的表達(dá)停留時(shí)間分布密度函數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)停留時(shí)間分布函數(shù)的性質(zhì)停留時(shí)間分布函數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定停留時(shí)間分布的數(shù)字特征理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布本章第79頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分布的基本概念凡是由大量“個(gè)體”所組成的“集合”中，具有某—參數(shù)的個(gè)體數(shù)在集合中所占分率的變化，就叫做在集合中某參數(shù)的分布。如，停留時(shí)間分布中“個(gè)體”是指物料微團(tuán)，“整體”是指所研究的流體，“參數(shù)”為停留時(shí)間。參數(shù)分布可以用表格、直方圖和函數(shù)三種形式來表示。返回第80頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表格形式停留時(shí)間范圍t?t+Δt[s]分率ΔN/N停留時(shí)間范圍t?t+Δt[s]分率ΔN/N0～11～22～33～40.035 0.107 0.178 0.242 4～55～66～77～80.2140.1430.0710.01ΣΔN/N=1.000返回第81頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一直方圖形式t[s]返回第82頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一函數(shù)形式t[s]f(t)[1/s]t1t2返回第83頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間分布函數(shù)的表達(dá)具有停留時(shí)間t的微元占所觀測(cè)微元數(shù)的分率稱為出現(xiàn)停留時(shí)間t的概率，不同的停留時(shí)間具有不同的概率，這種概率隨停留時(shí)間t改變的規(guī)律稱為停留時(shí)間分布。如果出現(xiàn)停留時(shí)間在(a，b)區(qū)間內(nèi)微元的概率等于f(t)稱為停留時(shí)間分布密度函數(shù)。而停留時(shí)間小于和等于t的微元出現(xiàn)的概率F(t)稱為停留時(shí)間分布函數(shù)，顯然有：F(0)＝0，F(xiàn)(∞)＝1。第84頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一已知物料在連續(xù)操作的反應(yīng)器里停留時(shí)間分布密度函數(shù)為求在流動(dòng)體系中停留時(shí)間為90～110[s]的物料在總進(jìn)料中所占的分率。返回第85頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間分布密度函數(shù)的性質(zhì)性質(zhì)1、歸一化性質(zhì)：因此，可以用該性質(zhì)來檢查由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或由計(jì)算得到的停留時(shí)間分布密度函數(shù)是否正確。

試驗(yàn)證函數(shù)是否是正確的停留時(shí)間分布密度函數(shù)。第86頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一性質(zhì)2、停留時(shí)間的平均值與停留時(shí)間分布密度函數(shù)的關(guān)系為若物料的總量為N，停留時(shí)間為t1的物料有ΔN1，停留時(shí)間為t2的物料有ΔN2，停留時(shí)間為ti的物料有ΔNi，則停留時(shí)間的平均值為：第87頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間分布的方差σ2直接反映了各微元停留時(shí)間與平均停留時(shí)間之間的離差：例：已知物料在連續(xù)操作的反應(yīng)器里停留時(shí)間分布密度函數(shù)為求物料在流動(dòng)體系的平均停留時(shí)間和方差。第88頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一性質(zhì)3、停留時(shí)間改變常數(shù)倍后的停留時(shí)間分布密度函數(shù)與原停留時(shí)間分布函數(shù)的關(guān)系為：

f(t/a)=af(t)返回第89頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第90頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定停留時(shí)間分布函數(shù)往往要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定才能得到。測(cè)定停留時(shí)間分布函數(shù)的常用方法為物理示蹤法，即在流動(dòng)體系的入口處加一定量的示蹤物以后，測(cè)定出口物料流里示蹤物濃度隨時(shí)間的變化。有色顏料、放射性同位素其他不參加化學(xué)反應(yīng)而又可以很方便地分析其濃度的惰性物質(zhì)，都可以作為示蹤物。根據(jù)示蹤物加入方式的不同可分為不同的實(shí)驗(yàn)方法，常見的是“脈沖注入法”和“階躍（梯）注入法”。返回第91頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一脈沖注入法脈沖法是將一定量的示蹤物在盡可能短的時(shí)間內(nèi)突然注入反應(yīng)器進(jìn)口，同時(shí)檢測(cè)反應(yīng)器出口濃度隨時(shí)問的變化函數(shù)關(guān)系。反應(yīng)器出口的濃度——時(shí)間曲線通常簡(jiǎn)稱為c曲線。假設(shè)反應(yīng)器只有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，示蹤物在反應(yīng)器內(nèi)只有流動(dòng)分散，沒有擴(kuò)散分散。在某一瞬時(shí)t～t+Δt時(shí)間內(nèi)，示蹤物離開反應(yīng)器的量ΔN為

由于示蹤物在t=0時(shí)刻脈沖注入，在t時(shí)刻測(cè)到的示蹤物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間為t，因此ΔN實(shí)際上就是在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間介于t～t+Δt之間的示蹤物量。第92頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ΔN與以脈沖注入的示蹤物總量No之比便是示蹤物停留時(shí)間在(t，t+Δt)之間的概率，即

根據(jù)停留時(shí)間分布密度函數(shù)的定義式，若v0=v，則反應(yīng)器的停留時(shí)間分布密度函數(shù)為返回第93頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一階躍注入法階躍實(shí)驗(yàn)過程中，示蹤物在t=0時(shí)刻開始，以恒定的體積流量和濃度連續(xù)注入反應(yīng)器或進(jìn)料完全切換為相同體積流量具有恒定示蹤物濃度的流體。階躍法同樣要求示蹤物與反應(yīng)物料具有相同的流動(dòng)特性和物理性質(zhì)，在反應(yīng)器中不被吸附、不參加反應(yīng)。

由于示蹤物是在t=0以后才連續(xù)加入反應(yīng)器的，在t時(shí)刻流出反應(yīng)器的示蹤物的停留時(shí)間皆小于和等于時(shí)刻t。時(shí)刻t=0時(shí)加入的示蹤物在t時(shí)刻出反應(yīng)器的部分在反應(yīng)器中的停留時(shí)間恰好為t，而在時(shí)刻t才加入反應(yīng)器的示蹤物在中的停留時(shí)間為0。第94頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一在階梯輸入法中，t秒時(shí)由出口測(cè)出的是停留時(shí)間為0→t秒的示蹤物，即凡是停留時(shí)間小于或等于t的示蹤物，在t秒時(shí)都可以由出口流出來；所以階梯輸入法在t秒時(shí)所測(cè)定的示蹤物濃度c(t)應(yīng)為返回第95頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一停留時(shí)間分布的數(shù)字特征（1）停留時(shí)間分布的一次矩（平均停留時(shí)間）不管反應(yīng)器流動(dòng)特性如何，停留時(shí)間分布具有什么樣的特征，其平均停留時(shí)間都可由反應(yīng)器體積和流量來計(jì)算

(2)停留時(shí)間分布的二次矩(方差)方差的數(shù)值大小，表示分布的“散”度，σ2越大，表示分布函數(shù)越分散；σ2越小，分布函數(shù)分散程度越小，越接近平推流。完全平推流時(shí)，σ2=0。

第96頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）對(duì)比時(shí)間θ定義無因次對(duì)比時(shí)間θ：返回第97頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布（1）平推流反應(yīng)器的停留時(shí)間分布特性平推流反應(yīng)器中沒有返混，所以反應(yīng)物料都具有完全相同的停留時(shí)間，其分布函數(shù)圖上只有在t=處出現(xiàn)一個(gè)高度無限、寬度為零的峰值。表示為：

利用以上性質(zhì)，可得到F(t)=0，t<且F(t)=1，t≥因此可得平推流反應(yīng)器停留時(shí)間分布的方差為0。第98頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）全混流反應(yīng)器的停留時(shí)間分布特性全混流反應(yīng)器出口的濃度與反應(yīng)器內(nèi)完全一樣，可以通過物料衡算獲得停留時(shí)間分布函數(shù)。假如在某瞬時(shí)向全混流反應(yīng)器脈沖注入一定量的示蹤物，由于示蹤物不參與化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)示蹤物量隨示蹤物從反應(yīng)器出口流出而減少，對(duì)示蹤物作物料衡算單位時(shí)間輸入-單位時(shí)間流出=示蹤物在釜釜中示蹤物的量釜的示蹤物的量中的積累量

0vc(t)Vdc(t)/dt0-vc(t)=Vdc(t)/dt將初始條件t=0時(shí)，c=c0

代入上式并令v=v0解得：第99頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由脈沖法計(jì)算公式可得全混流反應(yīng)器停留時(shí)間分布密度函數(shù)為因此，全混流反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)為假如用階梯法向全混流反應(yīng)器注入一定量的示蹤物，則對(duì)示蹤物作物料衡算為：第100頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一單位時(shí)間輸入-單位時(shí)間流出=示蹤物在釜釜中示蹤物的量釜的示蹤物的量中的積累量

v0c0

vc(t)Vdc(t)/dt令v=v0全混流反應(yīng)器的平均停留時(shí)間為空間時(shí)間τ，停留時(shí)間分布的方差σ2t＝τ2

返回第101頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一非理想流動(dòng)模型除了兩種理想反應(yīng)器外，還有一些由理想反應(yīng)器組合的流動(dòng)模型可以通過理論分析得到其分布參數(shù)，如擴(kuò)散模型，平推流與全混流串聯(lián)、并聯(lián)的反應(yīng)器模型和多釜串聯(lián)（多級(jí)全混流）模型等。其停留時(shí)間分布函數(shù)隨組合的方式、各反應(yīng)器的參數(shù)變化而變化。實(shí)際反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)情況復(fù)雜，人們通過測(cè)量、分析其停留時(shí)間分布函數(shù)，獲得其表觀特征，從而研究其流動(dòng)特性。本章第102頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一多釜串聯(lián)模型多釜串聯(lián)流動(dòng)模型得基本假設(shè)：（1）它是由N個(gè)體積相等的理想攪拌釜串聯(lián)而成；（2）釜間的管道中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。假如用脈沖輸入法測(cè)定停留時(shí)間分布規(guī)律，則t時(shí)間在第1釜的出口示蹤物的濃度為：各釜體積相同且v=v0，則對(duì)于第2釜進(jìn)行物料衡算可得：?jiǎn)挝粫r(shí)間輸入-單位時(shí)間流出=示蹤物在釜釜中示蹤物的量釜的示蹤物的量中的積累量

vc1(t)

vc2(t)Vdc2(t)/dt第103頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一vc1(t)－

vc2(t)＝Vdc2(t)/dt將代入可得:第104頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第105頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由脈沖法計(jì)算公式可得全混流反應(yīng)器停留時(shí)間分布密度函數(shù)為討論：（1）N是多釜串聯(lián)的模型參數(shù)，表示了流動(dòng)狀態(tài)偏離理想流動(dòng)的程度。N=1為CSTR模型，N→∞為PFR模型。（2）多釜串聯(lián)和單個(gè)理想攪拌釜相比，其停留時(shí)間分布更加集中。第106頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）多釜串聯(lián)流動(dòng)模型中平均停留時(shí)間為：第107頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第108頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一全混流、平推流組合模型若以全混流串聯(lián)平推流，以τs和τp分別表示全混流和平推流反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間，如果將示蹤物從全混流反應(yīng)器脈沖注入，t時(shí)刻時(shí)，全混流反應(yīng)器出口濃度為

物料以此濃度流經(jīng)后續(xù)平推流反應(yīng)器。因此，可以預(yù)測(cè)再經(jīng)過時(shí)間τp可以在平推流反應(yīng)器出口，測(cè)到的濃度與全混流反應(yīng)器出口在時(shí)間t時(shí)的濃度相同。第109頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顯然，反應(yīng)物料從進(jìn)入全混流反應(yīng)器到出平推流反應(yīng)器至少需要停留時(shí)間τp。如果考查t時(shí)刻出口的物料，這些物料在平推流反應(yīng)器中停留的時(shí)間為τp，而在全混流反應(yīng)器中停留的時(shí)間為t-τp。當(dāng)t<τp時(shí)，示蹤物濃度為0；當(dāng)t≥τp時(shí)，示蹤物濃度為coexp[-(t-τp)/τS]。因此，反應(yīng)器的停留時(shí)間分布密度函數(shù)為f(t)=0，

t<τp

f(t)=(1/τS)exp[-(t-τp)/τS]，t≥τp

例題第110頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一個(gè)容積為1[L]的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)釜和容積為1[L]的活塞流管式反應(yīng)器串聯(lián)使用，已知物料的體積流量為0.5[L/s]。求（1）該串聯(lián)的反應(yīng)器出口處的停留時(shí)間分布密度函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式；（2）物料在該體系的平均停留時(shí)間和方差各為多少？（3）停留時(shí)間小于平均停留時(shí)間的物料所占的分率為多少?1[L]1[L]第111頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一解:(1)該反應(yīng)器的停留時(shí)間分布密度函數(shù)為：當(dāng)t<τp＝1/0.5=2[s]時(shí)f(t)=0[1/s]，當(dāng)t≥2[s]時(shí)f(t)=(1/τS)exp[-(t-τp)/τS]

＝0.5exp[-(t-2)/2][1/s]返回第112頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一擴(kuò)散模型

軸向擴(kuò)散模型是仿照Fick擴(kuò)散定律假設(shè)以物料分子擴(kuò)散來模擬實(shí)際反應(yīng)器的。模型中用軸向擴(kuò)散系數(shù)De來表征一維返混。也就是認(rèn)為非理想流動(dòng)的關(guān)廂反應(yīng)器種物料的返混是由于其流動(dòng)在平推流的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)軸向的反向擴(kuò)散所造成的。它是基于如下的基本假設(shè)：沿著與流體流動(dòng)方向垂直的每個(gè)截面上具有均勻的徑向濃度，軸向濃度有變化。整體流動(dòng)是平推流疊加分子擴(kuò)散。其中主流是平推流，逆流的分子擴(kuò)散遵循Fick擴(kuò)散定律。在每個(gè)截面上和沿流體流動(dòng)方向，流體速度和擴(kuò)散系數(shù)均為一恒定值。

返回第113頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化概述影響反應(yīng)場(chǎng)所濃度的工程因素簡(jiǎn)單反應(yīng)過程反應(yīng)器型式的比較自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化可逆反應(yīng)過程的優(yōu)化平行反應(yīng)過程的優(yōu)化串聯(lián)反應(yīng)過程的優(yōu)化第114頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一簡(jiǎn)單反應(yīng)過程反應(yīng)器型式的比較若有n級(jí)不可逆反應(yīng)對(duì)于平推流反應(yīng)器，其設(shè)計(jì)方程為：對(duì)于全混流反應(yīng)器，其設(shè)計(jì)方程為：當(dāng)初始條件相同時(shí)，得：第115頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一討論第116頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng)，在相同的工藝條件下，為達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，平推流反應(yīng)器所需體積最小，全混流反應(yīng)器所需體積最大。換句話說，若反應(yīng)器體積相同則平推流反應(yīng)器中可達(dá)到最高轉(zhuǎn)化率，全混流反應(yīng)器中的轉(zhuǎn)化率最低。對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n<0的不可逆反應(yīng)情況正相反。（2）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率趨近于零時(shí)，平推流和全混流的體積相等，隨著轉(zhuǎn)化率的增加，全混流體積和平推流體積比迅速增加。因此，過程要求的程度越高，返混的影響越大。對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n<0的不可逆反應(yīng)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率趨近于零時(shí)，平推流和全混流的體積相等，隨著轉(zhuǎn)化率的增加，平推流體積和全混流體積比迅速增加。第117頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng),當(dāng)轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，隨著反應(yīng)級(jí)數(shù)的增加，全混流所需體積與平推流所需體積比迅速增大，反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，反應(yīng)對(duì)濃度推動(dòng)力的依賴越強(qiáng)，返混對(duì)反應(yīng)影響越嚴(yán)重。（4）如果反應(yīng)體積增加，會(huì)增加全混流和平推流的體積比率，即反應(yīng)體積膨脹會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致全混流反應(yīng)器的效率下降。如果體積減小，則情況相反。然而體積的變化對(duì)反應(yīng)器大小的影響與流動(dòng)狀況的影響相比要小得多，它屬于次要因素。本章第118頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化 自催化反應(yīng)的反應(yīng)速率受反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度的影響。反應(yīng)初期，盡管反應(yīng)物濃度較高，但產(chǎn)物濃度較低，所以反應(yīng)速率較小。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)物濃度不斷增加，反應(yīng)物濃度雖然降低，但濃度仍然較高。因此，反應(yīng)速率不斷增加。當(dāng)增加到某個(gè)值時(shí)，反應(yīng)物濃度降低對(duì)速率的影響，超過了產(chǎn)物濃度增加對(duì)速率的影響，反應(yīng)速率開始降低。典型的自催化反應(yīng)速率－濃度曲線如圖所示。第119頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平推流與全混流反應(yīng)器評(píng)比（1）低轉(zhuǎn)化率的自催化反應(yīng)，全混流優(yōu)于平推流。1/(-rA)第120頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）轉(zhuǎn)化率足夠高時(shí)，平推流較合適。但應(yīng)注意，自催化反應(yīng)要求進(jìn)料中有一些產(chǎn)物，否則平推流反應(yīng)器不適合，此時(shí)應(yīng)采用循環(huán)平推流反應(yīng)器。1/(-rA)第121頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一循環(huán)平推流反應(yīng)器方程為：通過改變循環(huán)比可以改變反應(yīng)器的性能，對(duì)于一定的反應(yīng)，可以使反應(yīng)器體積最小，這時(shí)的循環(huán)比稱為最佳循環(huán)比?？捎傻玫阶罴蜒h(huán)比Rm。推導(dǎo)如下：循環(huán)平推流反應(yīng)器第122頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第123頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1/(-rA)1/(-rA)BABCDEABCD的面積BC長(zhǎng)度ABCE的面積AB長(zhǎng)度第124頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)器的組合CDABEF全混流串聯(lián)平推流的組合反應(yīng)器體積等于矩形ABEF面積與ABCD面積之和1/(-rA)第125頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ABEF產(chǎn)物反應(yīng)物循環(huán)分離器全混流串聯(lián)分離裝置的組合反應(yīng)器的體積為矩形ABEF的面積。但要考慮分離裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用。例題1/(-rA)第126頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一自催化反應(yīng)的速率方程為：原料組成為含A13％，含P1％（摩爾百分?jǐn)?shù)），且A、P的初始濃度和為1[kmol/L]，出口流中P的濃度為0.9[kmol/L]，計(jì)算采用下列各種反應(yīng)器時(shí)的空間時(shí)間各為多少？（1）平推流反應(yīng)器；（2）全混流反應(yīng)器；（3）平推流與全混流反應(yīng)器的最佳組合。解答第127頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第128頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第129頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第130頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章第131頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可逆反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)典型可逆反應(yīng)，A的化學(xué)反應(yīng)速率為設(shè)反應(yīng)級(jí)數(shù)為正值。則隨反應(yīng)進(jìn)行（反應(yīng)物濃度下降），反應(yīng)速率下降，為使反應(yīng)器體積最小，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。為提高反應(yīng)速率可通過改變可逆反應(yīng)的平衡，即從混合物中不斷移去產(chǎn)物，有利于反應(yīng)向生成產(chǎn)物方向進(jìn)行。如果是雙組分反應(yīng)，可以使其中一種廉價(jià)組分過量，以利于平衡向產(chǎn)物端移動(dòng)。第132頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可逆反應(yīng)過程的溫度效應(yīng)可逆吸熱反應(yīng)，T?，k?，K?，反應(yīng)速率?;可逆放熱反應(yīng)，T?，k?，而K?，反應(yīng)速率變化不定。應(yīng)根據(jù)不同溫度區(qū)間，由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)熱力學(xué)2個(gè)影響因素中主要因素決定。第133頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可逆放熱反應(yīng)的速率隨溫度的變化規(guī)律第134頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一最優(yōu)溫度與平衡溫度示意圖xT平衡線等速率線0二氧化硫氧化反應(yīng)T－x圖示意最優(yōu)溫度線第135頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可逆反應(yīng)過程最優(yōu)溫度條件的控制第136頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平行反應(yīng)過程的優(yōu)化典型的平行反應(yīng)A的反應(yīng)速率為B的反應(yīng)速率為C的反應(yīng)速率為第137頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（1）n1>n2，m1>m2，維持反應(yīng)物A、D在高濃度水平，可增大選擇性。因此，采用無返混濃度推動(dòng)力大的平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器對(duì)提高反應(yīng)對(duì)目的產(chǎn)物D的選擇性有利。（2）n1>n2

，m1

<m2，應(yīng)該維持反應(yīng)物A在高濃度水平，而反應(yīng)物D在低濃度水平。這種情況下可以采用：①半間歇反應(yīng)器，反應(yīng)物A一次性加入，反應(yīng)物D緩慢連續(xù)加入；②平推流反應(yīng)器，反應(yīng)物A軸向進(jìn)料，反應(yīng)物D側(cè)向連續(xù)進(jìn)料；③多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器，反應(yīng)物A只從第一個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口加入，反應(yīng)物D分別加入各個(gè)反應(yīng)器。三種加料方式均可得到較高的反應(yīng)選擇性。第138頁(yè)，共152頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）n1<n2

，m1>m2

，應(yīng)維持反應(yīng)物A在低濃度水平，反應(yīng)物D在高濃度水平。相應(yīng)可采用：①半間歇反應(yīng)器，反應(yīng)物D一次性加入，反應(yīng)物A緩慢連續(xù)加入；②平推流反應(yīng)器，反應(yīng)物D軸向進(jìn)料，反應(yīng)物A側(cè)向連續(xù)進(jìn)料；③多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器，反應(yīng)物D只從第一個(gè)反應(yīng)器進(jìn)口加