化学反应工程
化学工程及工艺教研室
第三章 均相反应器
Lanzhou Petro-chemical Vocation College of Technology
3 均相理想反应器
根据动力学特性 反应器 开发的 任 务 结合动力学 和反应器特性 根据产量 选择合适的反应器型式 确定操作方式和优化操 作 条 件
（3.1-2）
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3.1.3 几个时间概念
（1）反应持续时间tr 简称为反应时间，是反应物料反 应达到要求的转化率所需的时间。 （2）停留时间t 又称接触时间，是指流体微元从反应 器入口到反应器出口所经历的时间。
（3）平均停留时间 t 是指各流体微元从反应器入口到 反应器出口所经历的平均时间。 （4）空间时间τ 是指反应器有效容积VR与流体体积 流率V0之比 。 （5）空间速度SV 是指单位时间内投入单位有效反应 器容积VR内的物料标准体积。
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2、间歇反应器设计方程 由式（3.1-1）可知：
Fin Fout Fr Fb
（3.2-1）
根据间歇反应器的特点，选择反应器的有效体积VR为单元 体积，单元时间为dt。 对于间歇反应过程， 由于， 所以， 故： 分离变量积分得：
' 0 0 ( rA )V R
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3.1 反应器设计基础
3.1.1 反应器的分类
分类依据 相态 反应器型式 均 相 、 非 均 相 管式、釜式、塔式等 连 续 式 、 间 歇 式 绝热式、换热式等
反 应 器
结构型式 操作方式 换热方式
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3.1.2 反应器设计的基础方程
设计计算、确定反应器 尺 寸 、 评 价 。
间歇操作充分搅拌釜式反应器
理想反 应器的 型 式
连续操作充分搅拌釜式反应器 活 反 塞 应 流 器 反 应 组 器 合
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• • • • • •
3.1 反应器设计基础 3.2 等温条件下理想反应器的设计分析 3.3 非等温条件下理想反应器的设计 3.4 理想流动反应器的组合 3.5 循环反应器 3.6 反应器型式和操作方式评选
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3.2.2 理想置换反应器（平推流反应器） the Plug Flow Reactor
理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同 速度向前流动，犹如活塞一样在反应其中向前平推，故又 称为活塞流或平推流反应器。 1、理想置换反应器的特性
（1）由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器 内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间相同。
搅拌器 进料口
（2）由于一次性加料，一次性出料，反应 过程中无进料、出料；反应器内物料停留 时间相等，无返混现象。 （3）间歇操作，有辅助生产时间。一个生 产周期包括：反应时间、加料时间、出料 时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。
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夹套
出料口 图3-1 间歇反应器示意图
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式（3.2-6）的几何意义如下图：
1
' ( rA )V R
1 ( rA )
tr c A0
1 ( rA )
t 面积 r n A0
面积
面积 t r
0
xA
0
xA
0 cA
c A0
图3-2 BR的图解计算
图3-3 恒容情况BR的图解计算
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FA FA0 (1 x A ) dFA FA0 dx A
石油化学工程系
SV
V0 N
VR
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（3.1-3）
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3.2 等温条件下理想反应器的设计分析
等温条件下反应器的设计计算就是动 力学方程式、物料衡算式的结合
3.2.1 间歇操作的充分搅拌釜式反应器Batch Reactor
1、间歇反应器特点 （1）由于良好的搅拌、混合，反应器各 位置物料温度、浓度处处均一。
FA xA dl
dV
FA dFA x A dx A
cA FA xA V
L
图3-5 平推流反应器物料衡算示意图
物料衡算： 定常态下： 所以： 由于，
Fin Fout Fr Fb
（3.2-7） （3.2-8） （3.2-9） （3.2-10）
累积量Fb 0
FA ( FA dFA ) (rA )dVR 0
（2）在同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、浓度 等）是一致的。 （3）在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不 随时间改变。
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2、等温理想置换反应器的设计方程 根据平推流反应器的特点，选择单元时间dτ及单元体积dV （下图所示）。
c A0 F A0 x A0 V0
Δτ进入Δv 物料A的量Fin = mol/s Δτ排出Δv 物料A的量Fout mol/s Δτ内Δv中物 料A的累积量Fb mol/s Δτ内Δv中物 料A的消耗量Fr mol/s
+
+
（3.1-1）
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（2）热量衡算式 Δτ内随物流流 入Δv的热量Qin + kJ/s = Δτ内随物流流 出Δv的热量Qout + kJ/s Δτ内Δv中化学反 应放出的热量Qr + kJ/s Δτ内Δv中 累积的热量Qb KJ/s Δτ内Δv与环境 交换的热量Qu KJ/s
dn A dt
（3.2-2） （3.2-3） （3.2-4） （3.2-5）
n A n A0 (1 x A ) dn A n A0 dx A
' ( rA )V R n A0
dx A dt
xA
tr
0
t
dt n A0
dx A
' (rA )VR
0
（3.2-6）
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设计计算 反应器 设计计算 校核计算 反应器的工艺尺寸
反应器的压力降、传热面 积、产品质量等是否合格
动力学方程式
反应器设计的 基础方程式 物料衡算式
热量衡算式
动量衡算式
பைடு நூலகம்
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反应器设计计算时，必须建立物料浓度、 温度均匀的单元体积△V和单元时间△τ。
（1）物料衡算式