3
W
（4）计算反应体积
VR v0 (t t) 0.2673 (7.649 0.5) 2.178(m3 )
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（5） 根据物料特性确定装料系数 ，计算反应器体积
Vt
VR f 2.178 0.75 2.904(m3 )
对于沸腾或鼓泡的物料：
※ 相关问题讨论
3. 何谓物料粒子或流体微团？ 假定反应器内的物料是以粒子或微团构成的，这种粒子或微团是 大量分子的集合体，具有宏观线度，与宏观粒子相比，其大小可以说 是微不足道，但与单个原子或分子相比，又是一个很大的分子集团， 能反映出物料特性参量的统计规律。如： 单个分子 转化率
0 100%
；物料粒子
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
（1）问题分析
操作时间 t t0
不变； 单 位 时 间 产 量
t0
t
延长；
cAห้องสมุดไป่ตู้
减小；
rA
降低
最优操作时间
topt
tc
第3章 理想流动均相反应器设计
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
（2）建立目标函数 单时产量
最终总产量 总操作时间
PR VRCR t t0
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（2） 查阅辅助时间计算每批次的操作时间，即
操作时间 (t t ) 7.649 0.5
（3）根据物料处理量计算单位时间内处理物料的体积量，即
272.684 v0 (m / h) 267.3( L / h) 0.2673 ( m 3 / h) 1.02

0
dxA rAV R
（一般方程）
n rA kc A
k k 0 exp( E / RT )
（3）适用于 n 级、可、不可逆反应动力学方程
（不可逆反应）
rA kc AcB
第3章 理想流动均相反应器设计
3.1.2 等温等容过程设计方程
t n A0

x Af
0
dxA rAV R
第3章 理想流动均相反应器设计
【问题思考】
（1）该反应过程是等容还是变容过程？
（2）该反应是几级反应？ （3）反应级数与速率常数单位有何联系？ （4）该物料体系是难发泡体系还是易发泡体系？ （5）该反应的动力学方程有几种表达形式？ （6）各反应物的初始浓度是多少？
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
第3章 理想流动均相反应器设计
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5. 何谓理想反应器？
如果反应器内物料呈理想流动，则称之为理想反应器。如：
（1）间歇搅拌釜式反应器——物料呈搅拌均匀状态 Batch-Stirred Tank Reactor（BSTR）
（2）连续搅拌釜式反应器——物料呈全混流状态
Continuous-Stirred Tank Reactor （CSTR） （3）平推流反应器——物料呈活塞流状态
A+B L+M dc A k c c k c c c A B c L M dt (c A0 cB 0 )
kc t
Kc x (2 x Ae 1) x A ln Ae 2c A0 x Ae x A
2A
L+M
dc A 2 kc c A kccL cM dt
K c x Ae (2 x Ae 1) x A kc t ln c A0 x Ae x A
dAT 0 dt
极值条件式为：
用为 a0 。设固定费用
品的总费用为
cR
t0
C
M
cR f (t )
斜率
对边 MD 邻边 AD
A
O
根据辅助时间 t0 确定 A 点， 由A点作直线与曲线相切，
D
t
得切点M，由M点坐标确定 t 。
图解法确定最优反应时间
第3章 理想流动均相反应器设计
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
若以生产费用最低为目 标，设单位时间内操作 费用为a ，辅助操作费 极值条件为：
f 0.4 ~ 0.6
对于不沸腾或不鼓泡的物料：
f 0.7 ~ 0.85
第3章 理想流动均相反应器设计
● 设计计算步骤
（6） 对设备结构如搅拌装置进行合理放大（化工原理）。
（7）依据反应物系的腐蚀性能、操作压强的大小和环保要求，选用
不同材质的反应器（设备与防腐）。
作业：P61，T3-1.
第3章 理想流动均相反应器设计
例如：对于反应：
A R
dPR dt
VR (t t0 )
存在极值的必要条件：
dcR VR cR dt 0 2 (t t0 )
即:
dcR c R dt t t0
（最优条件式）
第2章 均相反应动力学
● 间歇釜操作优化——最佳反应时间
最优条件式分析与图解方法
dcR c MD R dt t t0 AD
第3章 理想流动均相反应器设计
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2. 何谓返混？（不同于混合） 在搅混状况下，反应器内所有物料粒子 的停留时间各不相同，它们之间会发生 混合。把这种具有不同停留时间的物料 粒子之间的混合称为返混。 如： BSTR内只发生混合不出现返混。 CSTR内既发生混合又出现返混。 连续 间歇
第3章 理想流动均相反应器设计
n A0 t VR

x Af
0
dxA rA
t c A0

x Af
0
dxA rA
（一般方程）
（等容过程）
x Af
（等容过程设计方程） 一级反应
rA kcA
1 kt ln 1 xA
（一级反应等温 等容设计方程）
kt c A0

0
dxA c A0 (1 x A )
t c A0
（一般方程）
t n A0
t n A0


x Af
0
dxA 积分面积. rAV R
0
x Af
xA
第3章 理想流动均相反应器设计
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2. 一般方程的“一般性”体现在哪里？ （1）适用于等、变容过程。
x Af
t n A0
VR, g VR,0 (1 A x A )
（2）适用于等、变温过程。
dni 转化率 xi ni 0
* 黄莳；论流体质点和流体微团两概念，气象教育与科技，1996，37（1）：18 -19.
第3章 理想流动均相反应器设计
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3. 何谓均相与非均相反应器？ （1）所谓相指的是物料在反应器内所呈现的一种聚集状态。 （2）如果物料在反应器内聚集成一种均匀相态称为均相，否则为非 均相。 （3）如果物料在反应器内呈现均匀液态或气态，统称为均相反应器。 （4）如果物料在反应器内呈现两个或两个以上相态，称为非均相反 应器。如：气-固相催化反应器；气-液反应器；液-液反应器； 液-固反应器；气-液-固反应气等。
xA c A0 kt 1 xA
1 1 kt c A c A0
第3章 理想流动均相反应器设计
附表2. 等温等容液相单一可逆反应设计方程 反 应 动力学方程
dcA cB kc c A kc dt
设计方程
c A0 c A c Ae
可逆反应(产物初始浓度为零)
A
B
)t ln (k c k c
k2 c A0{1 exp[(k1 k2 )t ]} k1 k2
k1 L
A
k2 M
L
cM
A
k1
k2

M
dc A k1c A dt dc L k1c A k 2 cL dt
dc M k 2 cL dt
c A cA0 exp(k1t )
cL k1c A0 [exp( k2t ) exp(k1t )] k1 k2
第3章 理想流动均相反应器设计
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4. 时空慨念与特性分布的数学表达 （1）反应空间——反应物料所占据的部分反应器空间，也称之为反 应系统。 ( x, y, z ) （2）特性分布——浓度、温度、压力、反应速度等参量的分布。 （3）某一时刻，反应系统中任意一点的浓度分布 c A (ti ) f ( x, y, z ) （4）任意时刻，反应系统中某一点的浓度分布 c A ( xi , yi , zi ) f (t ) （5）某一时刻，所有特性参量在各点上均匀分布，称为均匀体系， 即 PA (ti ) f ( x, y, z) constan t
第3章 理想流动均相反应器设计
附表3. 温等容液相多重反应设计方程（产物初始浓度为零） 反应类型 动力学方程
dc A ( k1 k 2 )c A dt
dc L k1c A dt dc M k2c A dt
动力学方程积分式
cA cA0 exp[(k1 k2 )t ]
cL k1 c A0{1 exp[(k1 k2 )t ]} k1 k2
k2 exp(k2t ) k1 exp(k1t ) ] k1 k2 cM c A 0 c A c L c A0 [1
第3章 理想流动均相反应器设计
● 等温等容过程设计举例
【例3-1】 在拟等温间歇釜中进行氯乙醇的皂化反应 CH2Cl-CH2OH + NaHCO3 → CH2OH-CH2OH + NaCl + CO2 生产乙二醇，产量为 20kg/h 。以 15 %（质量分数）的NaHCO3水溶 液及 30%（质量分数）的氯乙醇水溶液为原料，反应釜装料中氯乙醇 和碳酸氢钠的摩尔比为 1:1 ，混合液的相对密度为 1.02 。该反应对 氯乙醇和碳酸氢钠均为一级，在该反应温度下反应速率常数为：5.2 L / (mol· h) 。要求转化率达到 98% ，若辅助时间为 0.5 h，装填系数 取0.75 。试计算反应釜的实际体积。