2020/5/2
第三章 理想间歇反应器
上海工程技术大学 化学化工学院 化学工程与工艺系
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
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3.1 理想反应器类型 3.2 反应器设计基本方程 3.3 理想间歇反应器 3.4 动力学方程的实验测定
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化学反应工程/理想间歇反应器
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的
产品生产
精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
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对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
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t的计算（直接计算和图解法）
，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe) ，K ，CAe ,（k1+k2) ,(CA-CAe)
引出最优温度
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最优反应温度和最优温度序列
(rA ) T
C A , x A一定
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3.1 理想反应器类型
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2020/5/2 3.2 反应器设计基本方程
3.2.1 基本内容
选择合适的反应器型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
对放热反应：H 0 0 ，T ，K
温度升高对反应平衡不利，向逆方向移动。
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可逆反应的速率特征
设：CP0 0 (rA ) (k1 k2 )(C A C Ae )
对吸热反应：T ，K ，（k1+k2) 温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。
对放热反应：T T
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反应速率 rA=kCA rA=kCA2
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t CA dCA
CA0
rA
kt ln CA0 CA
t
CA0
x Af 0
dxA rA
1 kt ln
1 xA
kt 1 1 CA CA0
C A0 kt
xA 1 xA
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实际操作时间（tT)=反应时间(t) + 辅助时间 (tC) 反应体积V是指反应物料在反应器中所占的体积
V 0 tT 0 单位生产时间所处理的物料量，m3 / s
1/rA —xA
11ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t/CA0
1/rA —CA
t
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3.3.2 简单反应
简单一级反应 简单二级反应 简单零级反应 简单n级反应
计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化
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3.2.2 基本方程
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物料衡算方程
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积
量
反应单元
流入
反应消耗 流出
累积
反应器 间歇式
反应单元 整个反应器
CT 0kt
(C A0
CP0 )kt
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3.3.3 均相可逆反应
可逆反应的平衡特性（设均为一级）
（酯化反应）
(rA ) (rA )1 (rA )2 k1C A k2CP
（1）若k2>k1 ，则须保持足够低的Cp ，才能向右进行； （2）反应达到平衡时， 平衡常数：K = k1/k2
间歇式
整个反应器
0
0
√
√
平推流(稳态)
微元长度
√
√
√
0
全混釜(稳态)
整个反应器
√
√
√
0
非稳态
√
√
√
√
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动量衡算方程
气相流动反应器的压降大时，需要考 虑压降对反应的影响，需进行动量衡 算。但有时为了简化计算，常采用估 算法。
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反应后期的速度很小；反应机理的变化
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末期动力学
反应后期转化程度（从弱到强）二级>一级>零级
采用非关键组分过量，可提高转化程度。
AB P
1.0 5
设过量化： M CB0 C A0
C A0
xA
C A0kt
流入量 流出量
0
0
反应量 √
累积量 √
平推流(稳态)
微元长度
√
√
√
0
全混釜(稳态)
整个反应器
√
√
√
0
非稳态
√
√
√
√
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热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
反应单元
带入 反应热累 带出 积
传给环境
反应器
反应单元
带入量 带出量 反应热 累积量
kC AC P
反应初期：CA大，CP很小
反应进行：CA ,CP ,(-rA)
反应后期：CA 小，CP 较高 ，(-rA)
存在(-rA) max
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dC A C A (CT 0 C A )
1 CT 0
dC A CA
dC A CT 0 C A
kt
ln
C A0 (CT 0 C A ) C A (CT 0 C A )
平衡浓度：C Ae , CPe
K CP0
C Ae
CA0 CP0 1 K
, xAe
C A0 1 K
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（3）Van’t Hoff 方程 d (ln K ) H 0
dT
RT 2
H 0
K K 0e RT
对吸热反应：H 0 0，T ，K
温度升高对反应平衡有利，向正方向移动。
1 M
ln (MC A0 C A ) C A (1 M )
2 M=1
C A0kt
1 M
ln (M 1 xA ) (1 xA )(1 M )
0
CAOkt
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自催化反应
特点：反应产物本身具有催化作用，如发酵过程。
A P P P
(rA )
dCA dt
3.3 理想间歇反应器
3.3.1 特征和数学描述
特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上 的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了 物质传递对反应的影响；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑 器内的热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同 的反应时间。