第三章理想流動反應(yīng)器

第三章理想流動反應(yīng)器1第1頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)流動模型概述

3-1反應(yīng)器中流體的流動模型

反應(yīng)器類型：1、間歇反應(yīng)器：不存在停留時間分布2、平推流反應(yīng)器：不存在停留時間分布3、全混流反應(yīng)器：存在停留時間分布一、理想流動模型由流體的流動狀態(tài)分類：作業(yè)第2頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-1間歇反應(yīng)器與理想流動反應(yīng)器作業(yè)第3頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三1、平推流模型(活塞流、理想置換)指反應(yīng)物在反應(yīng)器中流體流動方向的垂直截面上，各點的流速、流向相同。特點：(1)物料的停留時間相同；(2)在同一截面上濃度、溫度相同；(3)返混程度最小。用PFR表示。作業(yè)第4頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2、全混流模型(理想混和模型)理想化的條件：(1)假定反應(yīng)器攪拌完全良好；(2)物料完全混和均勻；(3)反應(yīng)器內(nèi)各處物料的濃度、溫度相同。指剛進入反應(yīng)器的物料與已存在的物料達到瞬間混和。特點：(1)反應(yīng)器內(nèi)各點的溫度、濃度均相同；作業(yè)第5頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(2)返混程度最大；(3)各粒子的停留時間不同，具有停留時間分布。用CSTR表示。二、非理想流動模型非理想流動：凡是流體流動狀態(tài)偏離PFR和CSTR兩種理想情況的流動，稱為非理想流動。非理想流動模型介于PFR和CSTR之間；非理想流動停留時間介于PFR和CSTR之間。作業(yè)第6頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-2反應(yīng)器的推動力作業(yè)第7頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-3偏離平推流的幾種情況作業(yè)第8頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-4偏離全混流的幾種情況作業(yè)第9頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三非理想流動產(chǎn)生的影響：(1)影響化學反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性等；(2)各種參數(shù)不同。非理想流動的形成：(1)流體流動速度發(fā)生變化；(2)分子的擴散效應(yīng)。年齡：流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留的時間。返混：指不同年齡的粒子之間的混和。作業(yè)第10頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3-2反應(yīng)器設(shè)計的基本方程

基本方程包括：1、物料衡算進入量＝出去量+反應(yīng)量+累積量(1)連續(xù)系統(tǒng)：累積量＝0。(2)間歇系統(tǒng)：進入量＝0；出去量＝02、熱量衡算進入熱量＝出去熱量+反應(yīng)熱+累積熱量+熱損失反應(yīng)熱：放熱為負；吸熱為正。

作業(yè)第11頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3、動量衡算以動量守恒定律為基礎(chǔ)。實際計算時應(yīng)聯(lián)立三個方程求解。第二節(jié)理想流動反應(yīng)器

3-3間歇反應(yīng)器

對A組分作物料衡算：作業(yè)第12頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三其中：此式表示了的關(guān)系。作業(yè)第13頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-7間歇反應(yīng)過程反應(yīng)時間t的圖解積分

作業(yè)第14頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于恒容系統(tǒng)：作業(yè)第15頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-6間歇反應(yīng)過程t/CA0的圖解積分作業(yè)第16頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三表3-1理想間歇反應(yīng)器中反應(yīng)結(jié)果作業(yè)第17頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三實際操作時間包括：反應(yīng)時間t和輔助時間t’。反應(yīng)器的有效體積：例3-1以醋酸A和正丁醇B為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯，操作溫度為100℃，每批進料1kmol的A和4.96kmol的B，已知反應(yīng)速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率分別為0.5、0.9、0.99時所需的反應(yīng)時間。已知醋酸和正丁醇的密度分別為960和740解：加入物料的體積作業(yè)第18頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第19頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第20頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：用間歇反應(yīng)器生產(chǎn)乙酸乙酯50t/d，反應(yīng)方程式為：C2H5OH(A)+CH3COOH(B)CH3COOC2H5(P)+H2O(S)原料質(zhì)量配比為A:B:S=0.46:0.23:0.31，反應(yīng)在100℃等溫下進行，反應(yīng)速率為：反應(yīng)液密度為1020kg/m3，求乙酸轉(zhuǎn)化率達到35％時所需的反應(yīng)器體積，每批物料的輔助操作時間為1h。解：分子量：進料中各組分的含量：作業(yè)第21頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三假定進料為100kg(混合物)，則物料的總體積為：則各組分的初始濃度為：作業(yè)第22頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三各組分與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系：作業(yè)第23頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)時間：每批物料的生產(chǎn)時間為2.97小時。乙酸乙酯單位時間產(chǎn)量：作業(yè)第24頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三乙酸的投入量為：乙酸的體積流量：反應(yīng)器的體積：作業(yè)第25頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：如反應(yīng)：A+B→產(chǎn)物，動力學方程：恒容，初始濃度分別為0.1和0.08

，間歇反應(yīng)，A、B的為95％時所需的反應(yīng)時間。試求B的轉(zhuǎn)化率解：令：對于恒容過程：作業(yè)第26頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第27頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：某氣相分解反應(yīng)可按二級動力學方程進行：2A→B+C，已知1atm下進行反應(yīng)，反應(yīng)開始時反應(yīng)器中全部為A，試計算在間歇反應(yīng)器中反應(yīng)時間為1s、10s和10min時的轉(zhuǎn)化率。，在850℃和解：由題條件：作業(yè)第28頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當t＝1s時，當t=10s時，作業(yè)第29頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當t=10min，例題：醋酐濃度為反應(yīng)混合物密度為反應(yīng)速率為，求：(1)說明為什么二級反應(yīng)速率可寫成如上式表示的表達式；(2)當醋酐轉(zhuǎn)化率達70％時需多少時間；(3)物料的條件流量為多少。作業(yè)第30頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三解：(1)

B組分的濃度在反應(yīng)過程中基本不變，所以動力學方程：(2)(3)作業(yè)第31頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3-4平推流反應(yīng)器

應(yīng)滿足三個條件：1、正常情況下，連續(xù)穩(wěn)定操作；2、反應(yīng)器內(nèi)軸向各點的濃度不同；3、反應(yīng)器徑向速度分布均勻，不存在濃度梯度。作業(yè)第32頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對A組分作物料衡算：進入量＝出去量+反應(yīng)量+累積量化簡后得：由作業(yè)第33頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三反應(yīng)時間：一、等溫平推流反應(yīng)器動力學方程：1、反應(yīng)過程中無體積變化濃度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系：作業(yè)第34頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當n＝1時：當n≠1時：作業(yè)第35頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2、反應(yīng)過程中有體積變化定義化學膨脹率：化學膨脹率的意義：當反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)體積的變化分率。氣相反應(yīng)：化學膨脹因子：作業(yè)第36頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三化學膨脹率：其中：Ci0－初始反應(yīng)混合物的濃度(包括惰性組分)反應(yīng)物體積的變化：濃度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系：作業(yè)第37頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當n=1時：作業(yè)第38頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當n＝2時：例題：在平推流反應(yīng)器中進行某等溫二級不可逆分解反應(yīng)，反應(yīng)過程中無體積變化，物料體積流率，反應(yīng)物A的初始濃度，反應(yīng)速率常數(shù)求轉(zhuǎn)化率為70％時所需的反應(yīng)器體積為多少？解：對于二級反應(yīng)：作業(yè)第39頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：在等溫下進行丙烷裂解反應(yīng)：C3H8→C2H4+H2，若忽略副反應(yīng)，系統(tǒng)保持恒壓P=0.1MPa，V0=800l/h，當丙烷轉(zhuǎn)化率達到50％時所需平推流反應(yīng)器體積。已知動力學方程為：，該溫度下作業(yè)第40頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三解：

動力學方程為：化學膨脹率：作業(yè)第41頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：在平推流反應(yīng)器中進行氣相反應(yīng)：

和50％惰性物料組成，物料流量為4000

，進料由50％A，A與惰性物料的分子量分別為40和20，反應(yīng)速率常數(shù)為器體積。，試求當A的轉(zhuǎn)化率達到35％時的反應(yīng)作業(yè)第42頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三解：動力學方程：化學膨脹率：作業(yè)第43頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第44頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：某氣相一級不可逆反應(yīng)：，在等溫平推流反應(yīng)器中進行，加入原料為含A50％，惰性物料為50％，反應(yīng)時間為10min，出口處的體積流體為進口處的1.5倍，求此時A的轉(zhuǎn)化率及該反應(yīng)條件下的反應(yīng)速率常數(shù)。解：化學膨脹率：其中：作業(yè)第45頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對一級反應(yīng)：作業(yè)第46頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：在平推流反應(yīng)器中進行丁烯脫氫反應(yīng)生產(chǎn)丁二烯：C4H8→C4H6+H2，反應(yīng)速率方程為：，原料氣為丁烯和水蒸汽的混

合物，丁烯含量體積百分比為0.5，操作壓力為0.10133MPa，在650℃時試求丁烯轉(zhuǎn)化率為90％時的空速為多少？作業(yè)第47頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三解：作業(yè)第48頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三表3-2等溫恒容平推流反應(yīng)器計算式作業(yè)第49頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三二、變溫平推流反應(yīng)器物料衡算式：熱量衡算：進入熱量＝出去熱量+反應(yīng)熱+累積熱量+傳遞熱量由物料衡算式：作業(yè)第50頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三代入熱量衡算式中：作業(yè)第51頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三討論：1、絕熱操作此時：物料衡算式：——稱為絕熱溫升作業(yè)第52頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三絕熱溫升的意義：在絕熱條件下，A組分完全反應(yīng)使物系溫度升高的數(shù)值。2、等溫操作作業(yè)第53頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3-5全混流反應(yīng)器

對全混流反應(yīng)器作物料衡算：進入量＝出去量+反應(yīng)量+累積量作業(yè)第54頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-9全混流反應(yīng)器反應(yīng)時間的圖解法作業(yè)第55頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三表3-3平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器反應(yīng)結(jié)果作業(yè)第56頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三如果反應(yīng)器入口轉(zhuǎn)化率不等于0。例題：在全混流反應(yīng)器中進行液相可逆反應(yīng)：，反應(yīng)速率A與B分別進入反應(yīng)器，其體積流量均等于4l/min，加入的物料中A與B的濃度分別為作業(yè)第57頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三與，現(xiàn)要求B的轉(zhuǎn)化率為75％，試反應(yīng)器

的體積多大？設(shè)物料密度恒定不變。解：作業(yè)第58頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例3-2：生化工程中酶反應(yīng)A→R為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式為，某溫度下k=1.512原料中含有A0.99kmol/m3，含R為0.01kmol/m3，要求A的最終濃度降到0.01kmol/m3，當原料的進料量為V0＝10m3/h時，試求：(1)反應(yīng)速率達到最大時，A的濃度為多少；(2)采用全混流反應(yīng)器時，反應(yīng)器體積是多大；(3)采用平推流反應(yīng)器時，反應(yīng)器體積是多大；作業(yè)第59頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(4)為使反應(yīng)器體積為最小，將全混流和平推流配合使用，組合方式如何，其最小體積為多少。解：(1)為使反應(yīng)速度最大，應(yīng)有：即：作業(yè)第60頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(2)全混流反應(yīng)器的體積(3)平推流反應(yīng)器體積：作業(yè)第61頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(4)反應(yīng)速度達最大，反應(yīng)器體積可達最小假定先用全混流，后用平推流：全混流反應(yīng)器：作業(yè)第62頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三平推流反應(yīng)器：假定先用平推流，后用全混流。平推流反應(yīng)器：作業(yè)第63頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三全混流反應(yīng)器：作業(yè)第64頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：由醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，化學反應(yīng)為：CH3COOH(A)+C4H9OH→CH3COOC4H9+H2O，每小時處理原料量為735kg，反應(yīng)混合物密度為0.75kg/l，原料配比為醋酸:丁醇＝1:4.97(mol)，動力學方程為求反應(yīng)器的有效容積：(1)用一個全混流反應(yīng)器；(2)用兩個全混流反應(yīng)器串連，已知：，(3)用一個平推流反應(yīng)器。解：進料中醋酸含量：進料中丁醇含量：作業(yè)第65頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三進料的平均分子量：作業(yè)第66頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(1)全混流反應(yīng)器：(2)全混流反應(yīng)器串連：作業(yè)第67頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(3)平推流反應(yīng)器：3-6多級全混流反應(yīng)器的串連及優(yōu)化

對于平推流反應(yīng)器的串連：設(shè)1、2、……N時的轉(zhuǎn)化率。為組分A離開反應(yīng)器作業(yè)第68頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于反應(yīng)器1：同樣對于反應(yīng)器i：對于N個平推流反應(yīng)器的串連：作業(yè)第69頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三如果系統(tǒng)的溫度相同，則有：即對于N個平推流反應(yīng)器串連，相當于總體積和為VRS的一個平推流反應(yīng)器所能獲得的轉(zhuǎn)化率相同。對于平推流反應(yīng)器的并聯(lián)，可按上述方法簡化為一個反應(yīng)器的情況。但為使反應(yīng)器的總體積和最小，應(yīng)使每個反應(yīng)器的體積相同。一、多級全混流反應(yīng)器串連的計算推動力：平推流反應(yīng)器》全混流反應(yīng)器

提高推動力：全混流反應(yīng)器采用串連方式，如圖3-10。作業(yè)第70頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-10多級串連全混流反應(yīng)器的推動力作業(yè)第71頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2、多級全混流反應(yīng)器串連的解析計算多級串連情況：對第i個全混流反應(yīng)器A組分作物料衡算：進入量＝出去量+反應(yīng)量+累積量作業(yè)第72頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三或?qū)τ谝患壏磻?yīng)：

或作業(yè)第73頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第74頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三如果各反應(yīng)器的容積與溫度均相同，則有：作業(yè)第75頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3、多級全混流反應(yīng)器串連的圖解計算由物料衡算式：圖解法的步驟：(1)作出動力學方程或?qū)嶒灁?shù)據(jù))；的曲線(由(2)由式作出操作線；

作業(yè)第76頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(3)以為起點，作斜率為的直線，與線交點，再作橫軸垂線，即得一直達到要求為止。值，依次作下去，例題：在全混流反應(yīng)器中用醋酸與丁醇生產(chǎn)醋酸丁酯，反應(yīng)式為：CH3COOH(A)+C4H9OH(B)→CH3COOC4H9(C)+H2O(D)反應(yīng)在100℃下進行，動力學方程為以少量硫酸為催化劑，反應(yīng)物密度為0.75kg/l，每天生產(chǎn)2400kg醋酸丁酯，當醋酸的轉(zhuǎn)化率為50％，求：(1)用單個全混流反應(yīng)器的體積；(2)用解析法計算，配料摩爾比為A:B＝1:4.97，作業(yè)第77頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三兩個等體積串連的全混流反應(yīng)器的體積；(3)用圖解法計算三個等體積串連的全混流反應(yīng)器的總體積。解：投入的醋酸量：投入的丁醇量：投入的物料總量：634.1+103.45＝737.6kg作業(yè)第78頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(1)一個全混流反應(yīng)器(2)兩個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)作業(yè)第79頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第80頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(3)圖解法三個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)由動力學方程式計算出的關(guān)系，作圖；假定，計算，作圖，如果小于給定值即可。二、多級全混流反應(yīng)器串連的優(yōu)化對一級反應(yīng)：作業(yè)第81頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三使反應(yīng)器總體積和為最小，則應(yīng)有：則有：作業(yè)第82頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三即m個全混流反應(yīng)器串連，體積應(yīng)相等，總體積和最小。結(jié)論：(1)當n=1時，反應(yīng)器體積相等；(2)當n>1時，較小的反應(yīng)器在前；(3)當n<1時，較大的反應(yīng)器在前。作業(yè)第83頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：在兩級串連全混流反應(yīng)器中進行己二酸和己二醇的縮聚液相反應(yīng)，反應(yīng)物料中己二酸(A)與己二醇(B)按等摩爾配成，反應(yīng)速率：反應(yīng)速率常數(shù)0.278m3/min，反應(yīng)物濃度為0.08kmol/m3，反應(yīng)維持在70℃等溫條件下進行，A的轉(zhuǎn)化率為0.875，試求：(1)兩個全混流反應(yīng)器體積相同，(2)兩個全混流反應(yīng)器總體積最小這兩種情況下反應(yīng)器體積各為多少？，加料流率為解：(1)兩個等體積的全混流反應(yīng)器串聯(lián)作業(yè)第84頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三總體積：(2)使體積和最小的兩個反應(yīng)器串聯(lián)作業(yè)第85頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三令：總體積：作業(yè)第86頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3-7理想流動反應(yīng)器的組合與反應(yīng)體積比較

一、理想流動反應(yīng)器的組合反應(yīng)器的各種組合如圖3-13。作業(yè)第87頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(a)兩個全混流反應(yīng)器并聯(lián)(b)兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)第一反應(yīng)器作業(yè)第88頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三第二反應(yīng)器作業(yè)第89頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(c)平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器串聯(lián)1)平推流反應(yīng)器2)全混流反應(yīng)器作業(yè)第90頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三d)全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器串聯(lián)1)全混流反應(yīng)器作業(yè)第91頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2)平推流反應(yīng)器即等體積全混流與平推流反應(yīng)器與排列無關(guān)，最后獲得的轉(zhuǎn)化率相同。作業(yè)第92頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(e)兩個平推流反應(yīng)器并聯(lián)(f)兩個平推流反應(yīng)器串聯(lián)1)第一個平推流反應(yīng)器作業(yè)第93頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2)第二個平推流反應(yīng)器即等體積的平推流反應(yīng)器串聯(lián)和并聯(lián)的效果相同。(g)平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器并聯(lián)1)平推流反應(yīng)器作業(yè)第94頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2)全混流反應(yīng)器作業(yè)第95頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三出口處的濃度：例3-3：兩個等體積的平推流和全混流反應(yīng)器按圖3-13形成七種組合，在等溫下進行一級不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的接觸時間均為1min，計算其最終轉(zhuǎn)化率。，平推流解：(a)全混流反應(yīng)并聯(lián)作業(yè)第96頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(b)兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)(c)與(d)全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器串聯(lián)作業(yè)第97頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(e)與(f)平推流反應(yīng)器串聯(lián)與并聯(lián)(g)全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器并聯(lián)作業(yè)第98頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：等體積的平推流與全混流反應(yīng)器串聯(lián)，在等溫下進行二級不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率為與全混流反應(yīng)器的接觸時間均為1min，計算其最終轉(zhuǎn)化率。，平推流解：(1)平推流反應(yīng)器在前，全混流反應(yīng)器在后作業(yè)第99頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(2)全混流反應(yīng)器在前，平推流反應(yīng)器在后作業(yè)第100頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三平推流反應(yīng)器在前優(yōu)于全混流反應(yīng)器。作業(yè)第101頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三其它級數(shù)反應(yīng)：1、當n=1，無關(guān)；2、當n>1，平推流反應(yīng)器在前，全混流反應(yīng)器在后；3、當n<1，全混流反應(yīng)器在前，平推流反應(yīng)器在后。二、理想流動反應(yīng)器的體積比較全混流反應(yīng)器的體積：平推流反應(yīng)器的體積：作業(yè)第102頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三以作圖(圖3-14)：作業(yè)第103頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三由此可知，由圖3-14可知：1、轉(zhuǎn)化率很小時，2、與差別增加3、與差別增加即確定反應(yīng)器的形式時，只要應(yīng)考慮反應(yīng)級數(shù)、轉(zhuǎn)化率等指標。如：反應(yīng)級數(shù)高，轉(zhuǎn)化率高，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。在特殊情況下，必須使用全混流反應(yīng)器時，應(yīng)采用全混流反應(yīng)器串聯(lián)的形式。作業(yè)第104頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于一級反應(yīng)：以作圖(如圖3-15a)作業(yè)第105頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-15a多級全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器體積比較作業(yè)第106頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于二級反應(yīng)：以作圖(如圖3-15b)作業(yè)第107頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-15b多級全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器體積比較作業(yè)第108頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：如反應(yīng)：A+B→P+S，已知反應(yīng)器的體積為1升，物料的流量為，反應(yīng)速率常數(shù)為，試求：(1)在平推流反應(yīng)器中進行，轉(zhuǎn)化率為多少？(2)在全混流反應(yīng)器中進行，轉(zhuǎn)化率與(1)相同，反應(yīng)器體積為多少？(3)若全混流反應(yīng)器體積為1升，轉(zhuǎn)化率為多少？解：(1)圖解法：作業(yè)第109頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三與交點，公式法：(2)由，從上可求得：作業(yè)第110頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三公式法：(3)全混流反應(yīng)器體積為1升，此時：與交點，作業(yè)第111頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三公式法：3-8理想流動反應(yīng)器中復合反應(yīng)的選擇性

一、平行反應(yīng)作業(yè)第112頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三總選擇性定義：瞬時選擇性：對于平推流反應(yīng)器：總選擇性：對于全混流反應(yīng)器：作業(yè)第113頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于串聯(lián)的全混流反應(yīng)器：1、選擇性的溫度效應(yīng)作業(yè)第114頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當時，當時，當時，溫度無影響。溫度效應(yīng)：(1)提高溫度對活化能大的反應(yīng)有利；(2)降低溫度對活化能低的反應(yīng)有利。2、選擇性的濃度效應(yīng)當時，，可采用平推流反應(yīng)器；作業(yè)第115頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當時，當時，選擇性與濃度無關(guān)。

，可采用全混流反應(yīng)器；3、平行反應(yīng)加料方式的選擇如反應(yīng)：則瞬時選擇性：作業(yè)第116頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三1、對于間歇反應(yīng)過程當當當時，A、B同時加入；

時，A、B同時緩慢加入；

時，A一次性加入，B緩慢加入。

2、對于連續(xù)加入當時，A、B同時加入；

ABABPFRCSTR作業(yè)第117頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當時，A、B同時緩慢加入；

當時，A一次性加入，B緩慢加入。

ABCSTRAABBBBPFRCSTR作業(yè)第118頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三表3-4平行反應(yīng)的適宜操作方式作業(yè)第119頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例題：有下列液相平行反應(yīng)：已知A、B的濃度均為20B的轉(zhuǎn)化率為90％時，以下三種方式的總選擇性。(1)采用平推流反應(yīng)器；(2)采用全混流反應(yīng)器；(3)采用平推流反應(yīng)器，A由入口一次加入，B沿管長分批加入。，試定量計算當A與解：瞬時選擇性：作業(yè)第120頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三A、B等摩爾加入，則(1)采用平推流反應(yīng)器(2)采用全混流反應(yīng)器作業(yè)第121頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(3)采用平推流反應(yīng)器(A連續(xù)加入，B分段加入)ABPFR此時極限情況：作業(yè)第122頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三例3-4：平行反應(yīng)：求：(1)在全混流反應(yīng)器中縮能得到的最大，生成P的反應(yīng)為主反應(yīng)，P為主產(chǎn)物，(2)在平推流反應(yīng)器中縮能得到的最大(3)假使反應(yīng)物可加以回收，采用何種反應(yīng)器型式可使最大？作業(yè)第123頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三解：(1)全混流反應(yīng)器使CP最大，應(yīng)有作業(yè)第124頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三代入選擇性式中：(2)平推流反應(yīng)器作業(yè)第125頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三使CP最大，CA＝0(3)未反應(yīng)A分離返回反應(yīng)器，保持應(yīng)選全混流反應(yīng)器。作業(yè)第126頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三，即S有最大值。由于產(chǎn)物中不含A，則：二、連串反應(yīng)1、連串反應(yīng)的選擇性作業(yè)第127頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三如反應(yīng)：各組分表示的反應(yīng)速度：(1)(2)(3)由(1)式積分：(4)將(4)代入(2)式中：作業(yè)第128頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(5)(6)此式為一階線性常微分方程，解為：將(6)式代入(3)中，再積分：作業(yè)第129頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-16連串反應(yīng)的濃度-時間關(guān)系討論：(1)由(4)式，t↑，A組分的濃度呈指數(shù)下降；(2)由(6)式，L組分的濃度存在極大值；作業(yè)第130頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(3)若，t↑，M組分的濃度增加。瞬時選擇性：2、連串反應(yīng)的溫度、濃度效應(yīng)當時，當時，當時，溫度無影響。作業(yè)第131頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三濃度效應(yīng)取決于主、副反應(yīng)級數(shù)的相對大小。主反應(yīng)級數(shù)大，主反應(yīng)級數(shù)小，由于3、連串反應(yīng)最佳反應(yīng)時間和最大收率收率的定義：作業(yè)第132頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三最佳反應(yīng)時間：使L濃度達最大時的反應(yīng)時間。對于間歇反應(yīng)器或平推流反應(yīng)器：最大收率可由(6)求導，使作業(yè)第133頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第134頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三最大收率：當時，作業(yè)第135頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于全混流反應(yīng)器：對A組分作物料衡算：進入量＝出去量+反應(yīng)量對L組分作物料衡算：作業(yè)第136頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對M組分作物料衡算：要使CL最大，則有：作業(yè)第137頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三作業(yè)第138頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-17一級連串反應(yīng)的最大收率作業(yè)第139頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當時，以作圖3-18：作業(yè)第140頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-18一級連串反應(yīng)的作業(yè)第141頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(1)平推流反應(yīng)器的選擇性>全混流反應(yīng)器的選擇性；相同時，(2)時，(3)時，例題：一級不可逆反應(yīng)進料流量為0.5m3/min，CA0=1kmol/m3，CL0=CM0=0，試求：(1)采用單個VR=1m3的全混流反應(yīng)器，(2)采用兩個VR=0.5m3的全混流反應(yīng)器串聯(lián)，(3)采用單個VR=1m3的平推流反應(yīng)器時，反應(yīng)器出口主產(chǎn)物L的濃度。作業(yè)第142頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三解：(1)單個全混流反應(yīng)器

(2)兩個全混流反應(yīng)器串聯(lián)第一反應(yīng)器出口處：作業(yè)第143頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三第二反應(yīng)器出口處：對L作物料衡算：作業(yè)第144頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(3)平推流反應(yīng)器例題：一級連串反應(yīng)求：(1)在單個全混流反應(yīng)器，(2)在單個平推流反應(yīng)器中的最大收率及相應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)化率。解：(1)全混流反應(yīng)器作業(yè)第145頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(2)平推流反應(yīng)器作業(yè)第146頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3-9全混流反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性：指操作條件偏離定常態(tài)擾動時，反應(yīng)器能否恢復或保持定常態(tài)所規(guī)定的操作狀態(tài)。作業(yè)第147頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-19化學反應(yīng)器穩(wěn)定性和靈敏性的區(qū)別作業(yè)第148頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三操作條件變化會出現(xiàn)兩種情況：1、擾動消除后，能較快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)；2、微小干擾后，使反應(yīng)器的操作狀態(tài)失控，偏離原來的操作狀態(tài)，干擾消除后，系統(tǒng)不能恢復原來的狀態(tài)。一、全混流反應(yīng)器的多態(tài)對于一級反應(yīng)：A→P物料衡算式：作業(yè)第149頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三其中：－A組分的摩爾分數(shù)－混合物摩爾流率反應(yīng)器內(nèi)的放熱量：其中：如圖3-20(曲線)。作業(yè)第150頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三圖3-20全混流反應(yīng)器放熱與移熱曲線155153156作業(yè)第151頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三如果物系密度恒定，則有：移熱速率：如圖3-20(直線)。多態(tài)：QR與QC交點即為定常態(tài)操作點，多個交點即為全混流反應(yīng)器的多態(tài)。

作業(yè)第152頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三討論：(圖3-20)1、穩(wěn)定操作點：對于，溫度下降；，溫度上升；即溫度無論怎樣變化，都能自動恢復到穩(wěn)定點——稱為真穩(wěn)定操作點。對于，溫度上升；，溫度下降；－假穩(wěn)定操作點。作業(yè)第153頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2、原因：對于當發(fā)生擾動時，系統(tǒng)溫度升高，即此時：如果系統(tǒng)溫度降低，即此時：作業(yè)第154頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三穩(wěn)定操作點條件：(1)、必要條件：(2)、充分條件：二、操作參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響1、進口溫度的影響對于4點：溫度升高，迅速達到8點——起燃點，裝置開車時利用此點，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度迅速升到所需要的溫度。作業(yè)第155頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對于6點：降低溫度，迅速降到2點——熄火點，裝置停車時利用此點，使反應(yīng)器內(nèi)的溫度迅速降低。2、進料流量的影響(圖3-22)作業(yè)第156頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三：當，仍為直線，斜率下降。：當，仍為曲線，斜率下降。3、可逆放熱反應(yīng)(圖3-21)操作點應(yīng)放在曲線的最高點附近。作業(yè)第157頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三4、可逆吸熱反應(yīng)與只有一個交點——穩(wěn)定點。第三章總結(jié)

一、反應(yīng)器的類型1、間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間：恒容：反應(yīng)器體積：作業(yè)第158頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三2、平推流反應(yīng)器(1)恒溫下：一級反應(yīng)：二級反應(yīng)作業(yè)第159頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三二級反應(yīng)其中：(2)非恒容下膨脹因子：膨脹率：作業(yè)第160頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三一級反應(yīng)：二級反應(yīng)：(3)變溫過程絕熱操作：絕熱溫升：任一轉(zhuǎn)化率下的溫度：等溫操作：作業(yè)第161頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三3、全混流反應(yīng)器反應(yīng)器體積：反應(yīng)時間：如果反應(yīng)器入口轉(zhuǎn)化率為二、多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)解析計算：作業(yè)第162頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三對一級反應(yīng)(各反應(yīng)器體積相同)：平推流反應(yīng)器串聯(lián)，可按一個平推流反應(yīng)器處理。三、多級全混流反應(yīng)器的優(yōu)化作業(yè)第163頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三1、當n=1時，反應(yīng)器體積相等；2、當n>1時，較小的反應(yīng)器在前；3、當n<1時，較大的反應(yīng)器在前。四、反應(yīng)器的組合1、當n=1，無關(guān)；2、當n>1，平推流反應(yīng)器在前，全混流反應(yīng)器在后；3、當n<1，全混流反應(yīng)器在前，平推流反應(yīng)器在后。五、復合反應(yīng)的選擇性1、溫度效應(yīng)作業(yè)第164頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三(1)提高溫度對活化能大的反應(yīng)有利；(2)降低溫度對活化能低的反應(yīng)有利。2、濃度效應(yīng)(1)當主反應(yīng)級數(shù)>副反應(yīng)級數(shù)時，可采用平推流反應(yīng)器；(2)當主反應(yīng)級數(shù)<副反應(yīng)級數(shù)時，可采用全混流反應(yīng)器3、加料方式當時，A、B同時加入；

ABABPFRCSTR作業(yè)第165頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當時，A、B同時緩慢加入；

當時，A一次性加入，B緩慢加入。

ABCSTRAABBBBPFRCSTR4、選擇性(1)平推流反應(yīng)器作業(yè)第166頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三瞬時選擇性：總選擇性：連串反應(yīng)最佳反應(yīng)器時間：連串反應(yīng)最大濃度：最大收率：作業(yè)第167頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三當時，最大收率：(2)全混流反應(yīng)器最佳反應(yīng)時間：最大濃度：作業(yè)第168頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三最大收率：當時，最大收率：六、熱穩(wěn)定性1、必要條件：2、充分條件：作業(yè)第169頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)思考題1、間歇釜反應(yīng)器有何特點?它與活塞流反應(yīng)器有何異同?2、活塞流反應(yīng)器有何特點?3、全混流反應(yīng)器有何特點?它與間歇釜反應(yīng)器有何異同?4、返混的含義是什么?返混是否總是有害的?5、造成非理想流動的主要因素有哪些?其根本原因是什么?6、返混能造成非理想流動,對否?非理想流動是由返混造成的?對否?7、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程包括哪些內(nèi)容?8、間歇釜反應(yīng)器體積計算時應(yīng)考慮哪些問題?為什么？它與CSTR的計算有何異同?第170頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三9絕熱溫升的物理含義是什么?該數(shù)值的大小反映了什么工程概念?10、串、并連操作各有何特點?工業(yè)上何時采用串聯(lián)操作?何時采用并聯(lián)操作?兩者是否可以互相代替?為什么?11、一般情況下返混對反應(yīng)結(jié)果都有不利影響,對否？為何工業(yè)上常選用CSTR?12、CSTR串聯(lián)為何好于單個大體積的CSTR?是否工業(yè)上都用多個CSTR串聯(lián)來代替單個CSTR?多釜串聯(lián)時是否串聯(lián)級數(shù)越多越好?為什么?13、對一級不可逆反應(yīng),在相同的反應(yīng)條件下完成相同的任務(wù)時,兩個體積相同的CSTR串聯(lián)、并聯(lián)的結(jié)果是否相同?如果不相同，哪種結(jié)果好？14、多釜串聯(lián)時,如各釜體積相同,其操作線有何特點?第171頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三15、CSTR與PFR串聯(lián)操作時,其順序的變化是否影響反應(yīng)結(jié)果?為什么?16、CSTR與PFR并聯(lián)操作是否合理?為什么?17、什么條件下串聯(lián)操作與單個反應(yīng)器操作的結(jié)果完全相同?為什么?18、反應(yīng)體積的變化是否影響反應(yīng)結(jié)果?它是通過什么途徑起的作用?對于不同反應(yīng)級數(shù)的反應(yīng)影響程度是否相同?19、轉(zhuǎn)化率與體積變化相比哪個對反應(yīng)結(jié)果影響大?為什么？20、反應(yīng)體積增大與減少對反應(yīng)結(jié)果有何影響?對不同反應(yīng)級數(shù)的反應(yīng)影響程度是否相同?為什么?21、如果主反應(yīng)級數(shù)大于副反應(yīng)級數(shù),體積增大對反應(yīng)是否有利?為什么？22、如果反應(yīng)溫度提高后,目的產(chǎn)物的選擇性明顯增加,從中可以得出什么結(jié)論?第172頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三23、提高某指定反應(yīng)物濃度的操作方法有哪些?說明其理由?24、返混對串聯(lián)反應(yīng)是否總是不利的?為什么?25、反應(yīng)物的初始濃度對反應(yīng)的選擇性、收率是否有影響?為什么?26、瞬時選擇性與總選擇性有何關(guān)系?兩者是否可以相等?為什么?27、反應(yīng)器多態(tài)的物理含義是什么?數(shù)學含義是什么?28、對吸熱反應(yīng)講,有無多態(tài)問題?對不可逆放熱反應(yīng)講,有無多態(tài)問題?對可逆放熱反應(yīng)是否一定有多態(tài)問題?為什么?29、采用什么措施可以調(diào)整著火溫度?著火點有何特點?30、采用什么措施可以調(diào)整息火溫度?息火點有何特點?31、熱穩(wěn)定點有何特點？一個反應(yīng)是否可以有多個穩(wěn)定點?工業(yè)上應(yīng)選擇什么樣的點作為操作點？32、惰性組分是否對熱穩(wěn)定點有影響？為什么？第173頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)計算題1、在平推流反應(yīng)器中進行氣相反應(yīng)：A→3B，反應(yīng)器進口,含Ａ65％，其余為惰性組分(mol％)，反應(yīng)是在550K和３kg/cm2下進行反應(yīng)，已知進料中Ａ的流量為10mol／min，為使轉(zhuǎn)化率達80％，試求：⑴所需的空速為多少；⑵反應(yīng)器的有效容積為多少？2、某氣相反應(yīng)：，已知物料的體積流量

，轉(zhuǎn)化率

(純Ａ進料)：⑴單個平推流反應(yīng)器；⑵單個全混流反應(yīng)器；⑶兩個等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)。計算下列各情況的反應(yīng)器的體積3、某氣相反應(yīng)：Ａ→Ｂ＋２Ｃ，已知：體積各為多少？若進料中含Ａ75％，其余為惰性物料（mol％）。,試求當xA＝0.85時，平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的第174頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三4、某氣相不可逆反應(yīng)：A→B＋2C，在60℃，5atm下的平推流反應(yīng)器內(nèi)進行,原料氣中含75％的A和25％的惰性物料（mol％），物料的質(zhì)量流量為分別為60和40，反應(yīng)速度常數(shù)為0.11s-1，轉(zhuǎn)化率控制為75％,A和惰性物料的分子量5、在一體積為１６０升的全混流反應(yīng)器中進行如下液相可逆反應(yīng)：正反應(yīng)速率常數(shù)

逆反應(yīng)速率常數(shù)比3:4的體積流量同時加入反應(yīng)器，加入的物料中Ａ與Ｂ的濃度分別為，Ａ和Ｂ兩種原料以體積與的轉(zhuǎn)化率為65％，試求每種原料的體積流量。，假設(shè)系統(tǒng)密度不變，限制組分6、在一平推流反應(yīng)器中進行某一級不可逆反應(yīng)：A→P，已知Ａ的轉(zhuǎn)化率為85％，在此基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個相同的反應(yīng)器，試求：(1)串聯(lián)后Ａ的總轉(zhuǎn)化率；(2)若出口轉(zhuǎn)化率仍保持為85％，則物料的體積流量如何改變。第175頁，共181頁，2023年，2月20日，星期三7、在平推流反應(yīng)器中，以乙烷氣體為原料進行裂解制乙烯：C2Ｈ6→C2Ｈ4＋Ｈ2；動力學方程式為：壓力為1.4atm(絕壓)，反應(yīng)速度常數(shù)k=16.45s-1，進料為乙烷與水的混合物，其配比乙烷:水＝1:0.5(體積)，乙烷進料速度為20噸／時，乙烷的轉(zhuǎn)化率為60％，設(shè)反應(yīng)器在恒壓下進行，試計算反應(yīng)時間和反應(yīng)器的體積。，反應(yīng)溫度為