第三章 均相反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算

1、第三章 均相化學(xué)反應(yīng)器第一節(jié) 反應(yīng)器與反應(yīng)操作第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器第四節(jié) 完全混合流反應(yīng)器第四節(jié) 平推流反應(yīng)器本章主要內(nèi)容第一節(jié) 反應(yīng)器與反應(yīng)操作反應(yīng)器與反應(yīng)操作一、反應(yīng)操作 利用化學(xué)或生物反應(yīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)或污染物處理時(shí)，需要通過反應(yīng)條件等的控制，使反應(yīng)向有利的方向進(jìn)行。為達(dá)到這種目的而采取的一系列工程措施通稱為反應(yīng)操作(operation of reaction)。二、反應(yīng)器反應(yīng)器 (reactor) ：進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)的容器的總稱?；瘜W(xué)反應(yīng)器 (chemical reactor) 生物反應(yīng)器 (bioreactor/biological reactor) 反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的外部條件

2、，同一反應(yīng)在具有不同特性的反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，也會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)結(jié)果。反應(yīng)器研究開發(fā)的主要目的： 選擇合適的反應(yīng)器型式； 反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算（確定反應(yīng)器的尺寸）； 確定操作方式和優(yōu)化操作條件； 反應(yīng)器性能的評價(jià)。反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動(dòng)狀態(tài)、混合狀態(tài)、濃度與溫度分布、質(zhì)量和能量傳遞性能等反應(yīng)器的特性及其決定因素反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作方式、操作條件等 反應(yīng)器與反應(yīng)操作三、反應(yīng)器的操作方式 間歇操作（分批操作）(batch operation) 充/排式操作 (fill and draw operation) 連續(xù)操作 (continuous operation) 半間歇操作 (semi-batch oper

3、ation) 半連續(xù)操作 (semi-continuous operation)反應(yīng)器與反應(yīng)操作（一）間歇操作（分批操作） 將反應(yīng)原料一次加入反應(yīng)器，反應(yīng)一段時(shí)間或達(dá)到一定的反應(yīng)程度后一次取出全部的反應(yīng)物料，然后進(jìn)入下一輪操作。濃度cA物質(zhì)的量nA體積V 反應(yīng)器與反應(yīng)操作操作特點(diǎn)：反應(yīng)過程中既沒有物料的輸入，也沒有物料的輸出，不存在物料的進(jìn)與出?；咎卣鳎洪g歇反應(yīng)過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的過程，反應(yīng)器內(nèi)組成隨時(shí)間變化而變化。反應(yīng)時(shí)間濃度完全混合流反應(yīng)器反應(yīng)物反應(yīng)產(chǎn)物主要優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，設(shè)備費(fèi)低，適用于小批量生產(chǎn)或小規(guī)模廢水的處理。主要缺點(diǎn)：設(shè)備利用率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，每批的操作條件不易相同，不便自動(dòng)控制

4、。間歇操作的主要特點(diǎn) 反應(yīng)器與反應(yīng)操作連續(xù)地將原料輸入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)地流出反應(yīng)器（二）連續(xù)操作處理水污水曝氣池二沉池回流污泥剩余污泥初沉池連續(xù)操作的應(yīng)用（污水的活性污泥處理系統(tǒng)）反應(yīng)器與反應(yīng)操作反應(yīng)量-rAV濃度cA體積VA的流入量A0V0A0cqqnA的流出量AVAcqqn操作特點(diǎn)物料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)輸出，時(shí)刻伴隨著物料的流動(dòng)?；咎卣鬟B續(xù)反應(yīng)過程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)各處的各處的組成不隨時(shí)間變化。（反應(yīng)組分、濃度可能隨位置變化而變化。）主要優(yōu)點(diǎn)便于自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，反應(yīng)程度與產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。規(guī)模大或要求嚴(yán)格控制反應(yīng)條件的場合，多采用連續(xù)操作。主要缺點(diǎn)靈活性小，設(shè)備投資高。連

5、續(xù)操作的主要特點(diǎn)反應(yīng)器與反應(yīng)操作操作：原料與產(chǎn)物中的一種或一種以上為連續(xù)輸入或輸出，而其它成分分批加入或取出的操作稱為半間歇操作或半連續(xù)操作。（三）半間歇操作/半連續(xù)操作主要特點(diǎn)：半間歇操作具有間歇操作和連續(xù)操作的某些特點(diǎn)。反應(yīng)器內(nèi)的組成隨時(shí)間變化而變化。反應(yīng)量-rAV濃度cA，cB體積VA的流入量A0VA0cqqn應(yīng)用：生物反應(yīng)器的分批補(bǔ)料操作 (fedbatch operation)，又稱“補(bǔ)料分批操作”，俗稱“流加操作”反應(yīng)器與反應(yīng)操作四、反應(yīng)器的類型（一）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分類：釜（槽）式(tank)反應(yīng)器、管式(tubular)反應(yīng)器、塔式(column/tower)反應(yīng)器、固定床(fi

6、xed bed reactor)、膨脹床 (expanded bed reactor)、流化床(fluidized bed reactor)等。 （二）按反應(yīng)物的聚集狀態(tài)分類：均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器（如氣-液反應(yīng)器等）（三）按反應(yīng)操作分類：間歇反應(yīng)器（分批反應(yīng)器）、連續(xù)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器以及恒溫反應(yīng)器、非恒溫反應(yīng)器等。（四）按流態(tài)分類：理想流反應(yīng)器和非理想流反應(yīng)器。完全混合流（全混流）反應(yīng)器和推流反應(yīng)器。反應(yīng)器與反應(yīng)操作五、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)選擇合適的反應(yīng)器型式；確定最佳的操作條件；計(jì)算達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)所需要的反應(yīng)體積，確定反應(yīng)器的主要尺寸。反應(yīng)器設(shè)計(jì)用到的基本方程： 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、物料/能量/

7、動(dòng)量衡算式反應(yīng)器與反應(yīng)操作一、間歇反應(yīng)器二、半間歇反應(yīng)器第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器本節(jié)的主要內(nèi)容非穩(wěn)態(tài)物料衡算：非穩(wěn)態(tài)物料衡算：貯槽內(nèi)裝滿濃度為貯槽內(nèi)裝滿濃度為10的某溶液的某溶液2000kg，把濃度為，把濃度為0.2%的同種物質(zhì)溶液以的同種物質(zhì)溶液以100kg/h的速度送進(jìn)槽內(nèi)，混的速度送進(jìn)槽內(nèi)，混合均勻后以同樣的速度排出，求濃度降為合均勻后以同樣的速度排出，求濃度降為1%所用的所用的時(shí)間。時(shí)間。micimocoM、c解：解：對于這個(gè)問題，雖然流入和流出的流量相同，但流入與流出流體的組分對于這個(gè)問題，雖然流入和流出的流量相同，但流入與流出流體的組分濃度不同，因此，這道題是非穩(wěn)態(tài)的物料衡算問題

8、。濃度不同，因此，這道題是非穩(wěn)態(tài)的物料衡算問題。對于無化學(xué)反應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)問題，物料衡算有：對于無化學(xué)反應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)問題，物料衡算有：流入的量流出的量累積量流入的量流出的量累積量微元時(shí)間內(nèi)流入的溶質(zhì)量：微元時(shí)間內(nèi)流入的溶質(zhì)量：dtcmiidtcmoo微元時(shí)間內(nèi)流出的溶質(zhì)量：微元時(shí)間內(nèi)流出的溶質(zhì)量：微元時(shí)間內(nèi)累積溶質(zhì)量：微元時(shí)間內(nèi)累積溶質(zhì)量：)(cMd總質(zhì)量：總質(zhì)量：總質(zhì)量：總質(zhì)量：總質(zhì)量：總質(zhì)量：dtmidtmodM對總質(zhì)量列等式有：對總質(zhì)量列等式有：dMdtmdtmoi0oimmdtdMM不隨時(shí)間發(fā)生變化不隨時(shí)間發(fā)生變化對溶質(zhì)列等式有：對溶質(zhì)列等式有：)(cMddtcmdtcmooii又有：溶液在

9、槽內(nèi)混合均勻又有：溶液在槽內(nèi)混合均勻ccocmcmdtcMdoii )()(ccmdtdcMiiiomm 又：又：分部積分，有：分部積分，有：021dtMmccdciccimin150ln21ccccmMiii1. 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(shí)間，反應(yīng)率達(dá)到所定的目標(biāo)之后，將混合物料排出反應(yīng)器。之后再加入物料，進(jìn)行下一輪操作，如此反復(fù)。一、間歇反應(yīng)器2. 間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算的目的(1)確定達(dá)到一定的反應(yīng)率時(shí)需要的反應(yīng)時(shí)間(2)根據(jù)反應(yīng)時(shí)間確定轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)后的各組分濃度第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)

10、器間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程及設(shè)計(jì)方法 A0AAA0dxrxct（恒容反應(yīng)） A0AAAdccrct（恒容反應(yīng)） VrtnAAddA0AAA0dxVrxntVrtxnAAA0dd第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器【例題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(dá)到90，則A在反應(yīng)器中需反應(yīng)多少小時(shí)？ 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(jì)方程：cA/cA0=e-kt 有0.10cA0/cA0=e-0.35t 解得t=6.58h第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器的圖解設(shè)計(jì)法A0積

11、ct面t積面A0AAA0 xrdxct(12.2.4)A0AAAccrdct(12.2.6)0Ax1/rAA0cAc01/rA第二節(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(diǎn)：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(gè)產(chǎn)物連續(xù)取出。 特點(diǎn)：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(jìn)行；防止分泌產(chǎn)物對微生物生長的抑制作用）。二、半間歇反應(yīng)器（一）半間歇反應(yīng)器的操作方法第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器半間歇操作的特點(diǎn)(1)與間歇操作一

12、樣，是一個(gè)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(shí)間而變化。反應(yīng)量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器tqnntqnntqnttxnnnA0A0AA0A0AA0A0A1)(AAA的量時(shí)間內(nèi)加入的的起始量的量時(shí)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(jì)計(jì)算1. 轉(zhuǎn)化率的定義第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器2. 半間歇反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程單位時(shí)間內(nèi)A的加入量：qnA0qVcA0單位時(shí)間內(nèi)A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：qVcA

13、0=(rA)V+ cA(dV/dt)+V(dcA/dt) (13.1.2)qVcA0=(rA)V+ cAqV+V(dcA/dt) (13.1.3)VV0qVt反應(yīng)量-rAVA的流入量A0VA0cqqnABccV濃度，體積第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器【例題2】對于由反應(yīng)(a)和(b)構(gòu)成的反應(yīng)系統(tǒng)，試定性說明在下述半間歇操作時(shí)的反應(yīng)系統(tǒng)中各組分的濃度變化。(1)先向反應(yīng)器中加入A，之后連續(xù)加入B。(2)先向反應(yīng)器中加入B，之后連續(xù)加入A。A+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b) 第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器AcBcQc(a)先加入A，連續(xù)加入B時(shí)的變化(b)先加入B，連續(xù)加入

14、A時(shí)的變化BcPcQctctcA+BP，r1k1cAcB(a)A+PQ，r2k2cAcP(b)第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器(1) 對于一個(gè)實(shí)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)器相比有哪些異同點(diǎn)？(5) 對于半間歇反應(yīng)器，轉(zhuǎn)化率是如何定義的？本節(jié)思考題第二節(jié) 間歇與半間歇反應(yīng)器一、單級反應(yīng)器二、多級串聯(lián)反應(yīng)器第三節(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(diǎn)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(shí)連續(xù)不斷地把反應(yīng)

15、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、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）第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）設(shè)計(jì)方法全混流槽式連續(xù)反應(yīng)器(continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)反應(yīng)量-rAV濃度cA體積VA的流入量A0V0A0cqqnA的流出量AVAcqqnqnA0qnA(rA)VdnA/dt在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，組成不變，反應(yīng)速率恒定，即dnA/dt=0 rAV qnA0 qnArAV qV0 cA0 qVcA【例題3】完全混合流反應(yīng)器中發(fā)生一級反

16、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(dá)到90，則A需在反應(yīng)器中停留多少小時(shí)？ 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)反應(yīng)平衡方程：=(cA0-cA)/kcA 有=(cA0-0.10cA0)/(0.350.10cA0)=25.7h 第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器的圖解設(shè)計(jì)法A0積c面積面(cA0 xA)/-rA(cA0cA)/rA（恒容反應(yīng)） 第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 A0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA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c0c1c24321421

17、2n31cnA0c0Ac1/rA第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 iincqqAVA1)-A(V1)-A(iincqq在恒容條件下，第i個(gè)反應(yīng)器的基本設(shè)計(jì)方程為：0AA0AAninniqqqxiiiiiiiirxxcrccqVA)1(AA0AAA)1(AV)(第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）多級串聯(lián)反應(yīng)器的逐步計(jì)算法一級恒容反應(yīng)：rAikcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV10AA11kcc)1)(1 (121A021AA2kkckcc)1 ()1)(1 (210AAnnkkkcciiikcc1)1(AA第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 （二）多級串聯(lián)反應(yīng)器的逐步計(jì)算法二級恒容反應(yīng)：rAik

18、cAi22AA)1(AAA)1(AViiiiiiiikcccrccqViiiikckc2411)1(AA第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 【例題4】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(shí)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(shí)的乙酸的轉(zhuǎn)化率。(1)反應(yīng)器的體積為0.80m3時(shí)；(2)0.40m3的反應(yīng)器，二個(gè)串聯(lián)使用時(shí)；(3)0.20m3的反應(yīng)器，四個(gè)串聯(lián)使用時(shí)。第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 (1)反應(yīng)器的體積為0.80m3時(shí)s96060/105080. 03330A

19、A1mol/m0 .1649601077. 216001kcc%7 .72600164600A0A1A0A1cccx平均空間時(shí)間第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 (2)0.40m3的反應(yīng)器，二個(gè)串聯(lián)使用時(shí)s48060/105040. 033232A0A2mol/m6 .110)4801077. 21 (600)1 (kcc%6 .816006 .110600A0A2A02Acccx每個(gè)槽的平均空間時(shí)間第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 (3)0.20m3的反應(yīng)器，四個(gè)串聯(lián)使用時(shí)s24060/105020. 033434A0A4mol/m1 .78)2401077. 21 (600)1 (kcc%0 .876001 .7

20、8600A0A3A0A4cccx每個(gè)槽的平均空間時(shí)間第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 （三）圖解計(jì)算法iiiiirccqVAA)1(AViiiiccr)1(AAA操作方程)(AAckfri速率方程icA irA i1反應(yīng)曲線) 1 A(ic0AcrA第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 A3cA2c31斜率A1c21A0c11反應(yīng)曲線圖解計(jì)算法的步驟0AcrA第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 【例題5】已知一級反應(yīng)A B在10個(gè)串聯(lián)的完全混合流反應(yīng)器(CSTR)中進(jìn)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(gè)CSTR完全相同，A在每個(gè)CSTR中的停留時(shí)間是1/1.5 h，分別采用公式法和圖解

21、法求A的轉(zhuǎn)化率。 第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 公式法：A0A)11(ckcnn15081734. 0150)667. 0)(35. 0(11(Annnc當(dāng)n=10時(shí), 有 mg/l180A1c所以10個(gè)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，基本方程為第三節(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(gè)CSTR反應(yīng)器的反應(yīng)曲線，從圖中讀出第10個(gè)CSTR的出口濃度cA為18mg/L。所以10個(gè)串聯(lián)的CSTR反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-18.0)/150100%=88.0%。A

22、AAddkcrtc一級反應(yīng)速率方程為0501001500102030405060Slope=1.50h-1rA /(mgL1h1)cA/(mgL1)第三節(jié) 全混流反應(yīng)器 (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(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率，所需全混流連續(xù)反應(yīng)器的體積有何不同？為什么？本節(jié)思考題第三節(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(jì)算法。(

23、5) 簡述多級全混流反應(yīng)器的圖解計(jì)算法。本節(jié)思考題第三節(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)器第四節(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(diǎn)：在連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件下，反應(yīng)器各斷面上的參數(shù)不隨時(shí)間變化而變化。反應(yīng)器內(nèi)各組分濃度等參數(shù)隨軸向位置變化而變化，故反應(yīng)速率亦隨之變化。在反應(yīng)器的徑向端面上各處濃度均一，不存在濃度分布。（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(dòng) 活塞流(piston flow) 第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 （一）平推流反應(yīng)器的基本方程 在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，dnA

24、/dt=0 qnAqnA dqnA (rA)dVdnA/dt dqnA (rA)dV0 , ,A0V0A0A0 xqcqnVAAVA ,qxcqdVAAA ,xcqnAAAAddxxqqnnV（二）設(shè)計(jì)計(jì)算方法恒溫恒容反應(yīng)的設(shè)計(jì)方程：與間歇反應(yīng)相同第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 基本方程的不同表達(dá)形式AAddrVqnAAA0ddrVxqnAAVd)(drVcq微分形式A0AAA0dxnrxqVA0AAA0 xrdxc積分形式【例題6】在例題5中，假如反應(yīng)在1個(gè)平推流反應(yīng)器中進(jìn)行，且停留時(shí)間與10個(gè)串連CSTR的總停留時(shí)間相同，試計(jì)算A的轉(zhuǎn)化率，并與例題5中的結(jié)果比較。對于平推流反應(yīng)器，基本方程為 kcc

25、 eA0A于是有mg/L5 .14e )150()67. 6)(35. 0(Ac所以1個(gè)平推流反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率為：xA=(150-14.5)/150100%=90.3%。解：第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 xA88.0%第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 【例題7】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(dá)到90，則A需在反應(yīng)器中停留多少小時(shí)？ 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)反應(yīng)平衡方程：cA/cA0=e-k有(0.10cA0)/cA0=e-0.35解得=6.58h 解：第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 【例題8】乙酸的水

26、解反應(yīng)，可以近似地看作一級反應(yīng)，該反應(yīng)在300K時(shí)的速率方程為： rA=2.7710-3cA mol/(m3s) 將乙酸乙酯濃度為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。 第四節(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. 0960e131077. 2Ax)1ln(Axk)1ln(AVxqkVkxe1A解：第四節(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

27、意，k=2.7710-3 s1s96060/ )1050(80. 03s第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 圖解計(jì)算法A0積c面積面A0cAcA0AAA0dxrxcA0AAAdccrc(12.3.19) 0Ax1/rA01/rA(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。第四節(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，

28、把濃縮后的菌體的一部分或全部返送到反應(yīng)器 生成物營養(yǎng)物質(zhì)菌體分離器菌體濃縮液第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 （二）循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)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 第四節(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即：qnAeqnA0(1xAe)/ qnA0Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnM

29、N3VA3qqn，第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 反應(yīng)器出口點(diǎn)(2)A的物質(zhì)流量 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe) N點(diǎn)出的物料衡算 qnA3qnAeqnA0(1xAe) 混合點(diǎn)M處的物料衡算式為： qnA1qnA0qnA3 可得： qnA1qnA01(1xAe) V，c，q，qAVAnA00VA0cqqnA11VA1cqqnA2V2A2cqqnAeAeVeAecxqqnMN3VA3qqn，第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 1. 進(jìn)入反應(yīng)器的物質(zhì)流量不是qnA0而是qnA1 qnA1qnA01(1xAe)2. 進(jìn)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(jìn)行物料衡算時(shí)，不能使用q

30、nA0定義的轉(zhuǎn)化率xA。 幾點(diǎn)說明與注意點(diǎn)第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 qnA2(1) qnAeqnA0(1)(1xAe)qnA0 qnA2qnA0(1xAe)不難理解xAe可以視為與qnA0，即qnA0(1)為基準(zhǔn)的反應(yīng)器出口(2)處的xA2相等。 A0A0AAnnnqqqx第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 2. 循環(huán)反應(yīng)器的等價(jià)反應(yīng)器Vcqqn，AVAA0V0A0cqqnA1A1xqnAeA2A2xxqnM(b) 與(a)等價(jià)的反應(yīng)器(a) 平推流循環(huán)反應(yīng)器第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 Vcqqn，AVAA00VA0cqqnA1V1A1cqqnA2V2A2cqqnAeAeeVAecxqqnMN3VA3qqn，等價(jià)反應(yīng)

31、器系統(tǒng)的特點(diǎn)(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(diǎn)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(jìn)入反應(yīng)器M的物料流為未反應(yīng)物料qV0，A的進(jìn)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。第四節(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第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 Vcqqn，AVAA0V0A0cqqn

32、A1A1xqnAeA2A2xxqnM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(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。AeA0AeA0A0A2A0A2)1 ()1 ()1 (xqqqqqqxnnnnnn(4)以qnA0為基準(zhǔn)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)量流量與體積流量分別為：qnAqnA0(1)(1xA)qV qV0(1)(1+AxA)第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 AeAe)1(AAA0d)1 (xxnrxqV設(shè)計(jì)方程3. 循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法等價(jià)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)A0AAA0dxnrxqV參照第十二章 積分反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 A2A1AA0AdxxnxVqrAeAe)1(AA0A)1 (xxnrxdqV設(shè)計(jì)方程ABCDEFG2CDAB 0Ax1AexAex圖解解析法第四節(jié) 平推流反應(yīng)器 1/rA【例題13.3.4】對于如圖13.3.3所示的平推流循環(huán)反應(yīng)器，試推導(dǎo)出恒溫、恒容條件下的設(shè)計(jì)方程。 對于恒容反應(yīng)，反應(yīng)過程中體積恒定，故反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可簡單地