化学反应工程第三章理想反应器

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1、化学反应工程课程讲稿第三章理想反应器（IdealReactor）所谓反应器的特性主要是指器内反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等，它们又将随反应器的几何结构和几何尺寸而异。反应器内不仅存在浓度和温度分布，还存在流速分布。理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。完全混合反应器是指器内反应流体处于完全混合状态，在反应器内的混合是瞬间完成的，以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同。且等于反应器出口处物料浓度和温度，返混达最大限度。平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移

2、动，完全不存在不同停留时间的物料的混合。不存在返混。具有良好搅拌装置的釜式反应器近似按完全混合反应器处理，而管径小，管子较长和流速大的管式反应器按平推流反应器处理。3.1分批式操作的完全混合反应器•Batchreactor(discontinuouslyoperatedstirredtankreactor)所谓分批式（又称间歇）操作，是指反应物料一次投入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。分批式操作的缺点：非生产性的操作时间长（即每次投料、放料、清釜和加热的时间），产物

3、的损失较大且控制费用较大。⎛单位时间流入⎞⎛单位时间内⎞⎛单位时间内⎞⎛A在反应器内⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝的物料A的量⎠—⎝流出的A的量⎠—⎝反应掉A的量⎠=⎝的积累速度⎠d(VC)A00（-rA）Vdt可得A的衡算式：d(VC)A−=−(r)VAdt写成转化率的形式xA：dxAndtA0=（-rA）V积分得：xAdxAt=nA0∫0V(−r)A35化学反应工程课程讲稿xAdxACAdlA或t=CA0∫0−rA=－∫CA0−rA(V恒定)t为使A反应达到所要求转化率xA所需时间，非生产时间t0,每批操作所需时间为t+t0。对

4、于等温分批式操作直接将－rA代入积分可得t。但大多数是非等温操作（绝热操作和变温操作）。3.1－1变温操作用夹套内蒸汽加热，用冷却盘管放热。反应器内热量衡算：⎛单位时间内由环境⎞⎛单位时间内由于⎞⎛反应器内热量⎞⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝传给反应器的热量⎠＋⎝反应的放热量⎠＝⎝的积累速度⎠d(cρTV)vUA（Tm－T）(-ΔHr)(-rA)Vdtd(cρTV)v即UA（Tm－T）+(-ΔHr)(-rA)V=dt式中：U为总括传热系数，A为传热面积，cv和ρ为反应流体的定容比热和密度，ΔHr反应的焓变，Tm冷却（或加热）介质的温度。dxA

5、ndt对于恒容过程，将A0=-rAV代入上式dTdxUAAβdt＝dt＋ρcvV（Tm－T）式中CA0β=（－ΔHρcr）v上式为变温操作热量衡算式，要求反应时间要将xAdxACAdlAt=CA0∫0−rA=－∫CA0−rA联立求解。3.1－2绝热操作d(cρTV)v(-ΔHr)(-rA)V=dt对于恒容过程有36化学反应工程课程讲稿dT(−ΔHr)dTdxA(−rA)βCρdt＝v或dt＝dtCA0ρc（β=（－ΔHr）v）χt=0,T=T0,χA=A0。χ积分得T=T0=β（χA-A0）χC注：当原始物料中不含产物则A0=0，如含有产

6、物p（若为P0）,则须按计量系数换算。αA(C)P0αp⎧⎫⎪'⎡αA⎤⎪⎨CA0+⎢CP0⎥⎬αχ⎪⎩⎣P⎦⎪⎭A0='C式中A0为原始物料中A的浓度，αAC'P0CA0=CA0+αP表示当原料按无产物基准来换算的组分。χ利用T=T0+β（χA-A0）xAdxACAdlA代入t=CA0∫0−rA=－∫CA0−rA求所需时间t。kmol3例1.一级不可逆液相反应A=2R−rA=kCAmh其中：⎡748.4⎤9⎢−⎥−151047Jk=9.52×10exp⎣T⎦(h)，已知：ΔHr=mol，A（吸热反应）；kmol2.09JcCC3v=g反

7、应物料R0=0,R的分子量MR=60，A0=2.30mh要求反应终了A的转化率xA为0.7，装置生产能力为50000kg产物R／天。所提供的加热蒸汽可在所不惜110℃至180℃之间调节。根据估算t0=0.75h，试求：21）50℃下进行等温操作所需的有效容积？传热系数为1799.2kJ/mh℃。2）温操作所需的容积？初温50℃，最高温超过65℃，相应的传热面积？解：1）等温操作(i)反应时间t的计算xAdxA1xAdxA11t=CA0∫0−kCA=k∫01−xA=kln1−xA37化学反应工程课程讲稿k=0.9211lnt=0.921−0

8、.7=1.13h每批操作时间为（t+t0）=1.31+0.75=2.06h(ii)反应器容积确定：kmolC3终了时的浓度，CR=2A0xA=3.22mVCMRR50000t+t0=24500