–当反应为强放热反应，即（-ΔHr）很大时，可通 过控制A的滴加速率vCA0来控制放热量，从而控 制反应温度。
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
–即反应器与环境之间无热交换，由此，上述热量衡算式
中第一项为0
(rA )(Hr )V
d(Cv VT )
dx A dt
(rA )V
即
t nA0
xA
dx A
0 (rA ) V
当反应体积V恒定（V=V0）时，有
t nA0 xA dx A
V0 0 (rA )
C A0
xA dx A 0 (rA )
dC C A0
A
C A (rA )
t
nA0
xA dxA 0 V (rA )
CA0
xA dxA 0 (rA )
k
C
2 A
kmol ( A) /( L min)
k 1.97L /(kmol min)
C A0 0.004kmol / L 若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为 1h，反应器装填系数为0.75，求：
（1）转化率分别为xA=0.5、0.6、0.8、0.9时，所需 反应时间？
（2）求转化率为0.8、0.9时，所需反应器体积？
解：（1）达到要求的转化率所需反应时间为：
tr
CA0
xAf 0
dx A
kC
2 A0
(1
x A )2
1 xAf kC A0 1 xAf
xAf 0.5, xAf 0.6,
xAf 0.8,
1
0.5 1
tr
1.97 0.004
1
0.5
60
2.10h
1
0.6 1
tr
1.97 0.004 1
(等容：V V0 )
dC C A 0
A
CA (rA )
应用
–若给出投料、出料情况以及反应动力学，就可以 根据上述方程式来求解所需反应时间
求解方法有
–解析积分 –作图 –数值积分等
–若给出反应器体积，可求出产量
–若给出产量，也可计算相应所需反应器体积
辅助时间
–装、卸料，清洗，升、降温等所需时间
对组分A： vC A0
(rA )V
d (VC A ) dt
vC A0
kC AV
d (VC A ) dt
– C中AA0：的滴初加始液浓中度A）的；浓度（注意：不是反应器
– CA：t时刻反应器中A的浓度； – v：A的滴加速率，体积/时间；
– V：反应器中反应物体积，为一个随时间t的
变化量；
dV
v dt
反应器特征
半分批（半间歇）操作
–在反应过程中某一反应组分连续缓慢地加入 反应器，或某一产物连续不断地从反应器内 排出，而其它反应组分或反应产物则象分批 操作那样一次投入或一次从反应器内排出。
流动模式
–反应器内呈完全混合
操作目的
控制反应速率以控制反应的热效应，以 便温度控制
有目的地抑制某一副反应的反应速率以 期改善反应的产物分布，提高产物的收 率
装填系数
反应器的有效体积 反应器的实际体积
VR V
– 对于不起泡、不沸腾的物料，φ=0.7~0.85
–对于易起泡、沸腾的物料，φ=0.4~0.6
由于是间歇操作，在前述计算中要考虑辅 助时间以及反应器的装填系数
反应体积
VR v (t反 t辅） v t总
V
v t总
–式中，v为单位时间所要求处理的物料量，可从产量 及出料组成加以计算
2.17m3
–同理，可计算xA=0.9时所需反应器体积：
tt 19 1 20h VR' 171 20 / 1000 3.42m3 VR 3.42 / 0.75 4.65m3
反应器的热量衡算
变温操作
–热量衡算
单位时间由环境传 + 单位时间内反
入反应器的热量
应的放热量
UA(Tm T ) (rA )(Hr )V
称之为返混
流动模式
平推流
–返混=0 –基本假设
在垂直与流体流动方向的任一截面上流速均一 相对于主体流动的扩散可以忽略不计
全混流
–返混=∞ –基本假设
反应器有效容积中任一点处的组成、温度等状态完全相同 出口物流的各种状态与反应器中相应状态相同。
理想反应器与非理想反应器
理想反应器
–理想混合（完全混合）反应器和平推流反应器 –本章介绍
反应器分析
以A + B → R（二级不可逆反应）为例：
rA k ' C ACB
若反应物A连续滴加，反应物B一次性投
入反应器，则反应物B远较A过量，可认
为CB=const，此时，可认为该反应为拟
一级不可逆反应，即：
rA k'CACB k'CACB0 kC A
(k k'CB0 )
物料衡算
对于等温反应，只需物料衡算式即可求解，但 这仅适用于反应物浓度低，反应速率低且反应 热效应不大的场合
更多的操作为非等温操作，因此还需考虑热量 衡算
例如：某厂生产醇酸树脂是使己二醇和己二酸以等摩 尔比在70℃用间歇釜并以H2SO4作催化剂进行缩聚反 应而生产的，实验测得该反应动力学方程为：
rA
C A0
kV
k(V0 vt) k(V0 t)
v
对产物R：
VCR vC A0t VC A
C R kt (1 e kt )
C A0
k (V0 t )
v
能量分析
反应器中的放热速率：
Q (Hr )(rA )V (Hr )kC AV (H r )vC A0 (1 ekt )
t 0, Q 0 t , Q vC A0 (H r )
= 反应器内热量 的积累速率
d(Cv VT)
dt
– U：总括传热系数；
Tm ：冷却（或加热）介质温度
– T：反应器内物料温度； A ：传热面积；
– C负v、。ρ：定容比热、密度；ΔHr：反应焓变，吸热为正，放热为
–若反应体积恒定，整理上述方程可得：
dT dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(Hr )(rA )V
总操作时间为：
tt tr t' 8.5 1 9.5h
每小时处理己二酸（分子量为146）等总体积量为：
2400 v0 24146 0.004 171L / h
反应器有效容积为：
VR' v0 tt 171 9.5 1630L 1.63m3
实际所需反应器体积为：Βιβλιοθήκη VRVR'
1.63 0.75
第三章 理想反应器
概述 分批式操作的完全混合反应器（Batch Reactor,
B.R.） 半分批式操作的釜式（完全混合）反应器 连续操作的完全混合流反应器(Continuous Stirred
Tank Reactor，CSTR) 多釜串联组合的全混流反应器 （N-CSTR） 平推流反应器 (Plug Flow Reactor, PFR) 循环操作的平推流反应器
0.6
60
3.18h
1
0.8 1
tr
1.97 0.004 1 0.8
60
8.5h
xAf 0.9,
1
0.9 1
tr
1.97 0.004
1
0.9
60
19.0h
–由上述结果可见，随转化率的增加，所需反应时间急剧增 加。因此，在确定最终转化率时应该考虑到这一情况。
（2）反应体积的计算
–当xA=0.8时，
完全混合
–反应器内各点温度、浓度等状态完全相同
反应器的物料衡算
对某一关键组分A
（单位时间 -（单位时间 -（单位时间 =（A在反应器内 流入的物料 流出的物料 反应消耗掉 累积的速率）
A的量） A的量） A的量）
0
0
( rA )V
d(VCA ) dt
整理得
d(VCA ) dt
dnA dt
nA0
这些特性与反应器的几何尺寸、结构（包括内构件） 有关