第三章理想均相反应器第三章理想均相反应器概述概述1简单反应器简单反应器2讲授内容讲授内容非等温过程非等温过程4组合反应器组合反应器3反应器类型和操作方法评选反应器类型和操作方法评选5全混流反应器热稳定性分析全混流反应器热稳定性分析63. 2 简单反应器间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）间歇釜式反应器（分批加料的釜式反应器）Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)平推流平推流反应器反应器（连续加料的管式反应器）（连续加料的管式反应器）Piston(Plug) Flow Reactor (PFR)理想釜式反应器（连续加料的釜式反应器）理想釜式反应器（连续加料的釜式反应器）Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 由于层流等原因导致在于流体流 动方向垂直的截面上流速分布不 均匀，呈现抛物线状的速度分 布；由于层流等原因导致在于流体流 动方向垂直的截面上流速分布不 均匀，呈现抛物线状的速度分 布； 流速较大的湍流运动，虽然速度 分布均匀，但在边界层中因为壁 面的阻滞而使速度减慢，造成了 速度分布的不均匀性；流速较大的湍流运动，虽然速度 分布均匀，但在边界层中因为壁 面的阻滞而使速度减慢，造成了 速度分布的不均匀性； 由于涡流和湍流运动，径向和轴 向有一定程度的混合。由于涡流和湍流运动，径向和轴 向有一定程度的混合。 问题：反应器如何设计？问题：反应器如何设计？层流层流湍流湍流平推流平推流二、二、二、二、平推流反应器平推流反应器平推流反应器平推流反应器 Piston(Plug) Flow Reactor (PFR)1、连续流动反应器的基本概念、连续流动反应器的基本概念流动模型：流动模型： 反应器中流体流动与返混情况的描述，这一状况对 反应结果有非常重要的影响。反应器中流体流动与返混情况的描述，这一状况对 反应结果有非常重要的影响。 停留时间停留时间 流体粒子在反应器中的滞留时间。平均停留时间流体粒子在反应器中的滞留时间。平均停留时间返混 在流体流动方向上不同停留时间的流体粒子之间的 混合称为返混，也称为逆向混合。 平推流反应器返混 在流体流动方向上不同停留时间的流体粒子之间的 混合称为返混，也称为逆向混合。 平推流反应器返混程度为零返混程度为零Vtv=反应器中反应期的容积 的体积流量物料空时：空时：衡量反应器的生产能力，其定义为：在规定 条件下，衡量反应器的生产能力，其定义为：在规定 条件下，进入反应器的物料进入反应器的物料通过反应器体积所需的 时间。通过反应器体积所需的 时间。0V v=反应器的容积 进料的体积流量在恒容条件下，物料在反应器内的停留时间等于空时在恒容条件下，物料在反应器内的停留时间等于空时.空速：空速：单位时间、单位反应反应器体积所处理的 物料量，可表示为空时的倒数：单位时间、单位反应反应器体积所处理的 物料量，可表示为空时的倒数：1=s，生产能力 ，生产能力，生产能力 ，生产能力 s时，生产能力时，生产能力 应用较多的一种连续操作的反 应器;应用较多的一种连续操作的反 应器; 结构简单、加工方便;结构简单、加工方便; 单位容积的生产能力高，单 位面积传热面积大(长径比大);单位容积的生产能力高，单 位面积传热面积大(长径比大); 耐压高，易于控制; 耐压高，易于控制; 2、工业管式反应器的特点、工业管式反应器的特点3 3、平推流反应器平推流反应器平推流反应器平推流反应器 (Plug Flow Reactor, PFR)(Plug Flow Reactor, PFR)(1)平推流模型的基本假定和特点平推流模型的基本假定和特点?反应物料以稳定的流率进入反应器，在流动方向 上，象活塞一样有序向前移动，称之为平推流。反应物料以稳定的流率进入反应器，在流动方向 上，象活塞一样有序向前移动，称之为平推流。?特点：特点：?连续定态下，垂直于物料流动方向的各个截面上 的各种参数是连续定态下，垂直于物料流动方向的各个截面上 的各种参数是位置位置的函数（物料的温度、 浓度不 断变化）；的函数（物料的温度、 浓度不 断变化）；?垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参 数，如温度、浓度、压力、流速都相同；径向速 度均匀，径向也不存在浓度分布；垂直于物料流动方向的任一截面上物料的所有参 数，如温度、浓度、压力、流速都相同；径向速 度均匀，径向也不存在浓度分布；?所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间， 反应器中不存在所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间， 反应器中不存在返混返混，反应物料具有相同的停留 时间。，反应物料具有相同的停留 时间。?轴向不存在流体的混合。轴向不存在流体的混合。dVrdFFFAAAA)()(+=dVrdFAA)(= AAAAAdxFxFddF00)1 (=dVrdxFAAA)(0=(2)、物料衡算、物料衡算dldV000 0AAAF C x vAAF xAAxdx+AAAF C x vAAFdF+L 关键组分输入速率 关键组分关键组分关键组分输出速率转化速率累积速率dVrdxFAAA)(0=dldV0000AAAF Cx vAAF xAAxdx+AAAF C x vAAFdF+L000()AVxA A AAdxdVdxFr=000()AxA A AdxVCvr=00000()AxAAAAAdxVV Frv CC=210 0()AAxA AxAdxVCvr=210000()AAxAxAAAAdxVV Frv CC=例例4 均相气体反应在均相气体反应在185和表压和表压4kgf/cm2下按照反应式下按照反应式 A3P 在平推流反应器中进行，已知其在此条件下的在平推流反应器中进行，已知其在此条件下的 动力学方程为动力学方程为21/2()10mol/(L S)AArC=000()AxA A AdxVCvr=当进料为当进料为50%惰性气体时，求惰性气体时，求A的转化率为的转化率为80%时所需 要的反应时间。时所需 要的反应时间。 解解21/2()10mol/(L S)AArC=03 120.51AAy=00 0(1)(1) (1)(1)AA AAA AAAAxxCCCyxx=+0 04/20.0533/0.082(185273)A APCmol LRT=+001/20021/20 01/21/20.81/2 01/20(1)()10(1)(1)100(1)AAxxAA AA AA A AA AA AdxdxVCCxvrCxxCdxx= +=1/2 21/221/2 01/2(1)()10mol/(L S)=10(1)A AAA AxrCCx=+图解积分图解积分1/20.81/20(1) (1)A A Axdxx+ xA1/21/2(1) (1)AAx x+ 0.20.40.60.8面积=1.35 0.0533 100 1.357.15s=数值积分法数值积分法013502464()3 2()nxnxIdxIIIIIIII=+1/21/2(1) (1)AAx x +3.009.002.004.001.5252.331.2241.501.001.00(1) (1)AAx x +0.80.60.40.20xA1/20.81/20(1)1.34(1)7.15A A Axdxxs+=1/20.80.81/22000.820(1)1 (1)1(arcsin1)1.328AA AA AAAAxxdxdxxxxx+=7.15s=分析积分法分析积分法例例5应用管径为应用管径为D = 12.6 cm的管式反应器来进行一级不可 逆的气体的管式反应器来进行一级不可 逆的气体A的热分解反应，其计量方程为的热分解反应，其计量方程为AR+S；速 率方程为；速 率方程为(-rA)=kCA；k=7.8109 exp-19220/T(s-1)，原 料为纯气体，原 料为纯气体A，恒压，恒压P = 5atm，T = 500 0C 恒温反应。 反应过程中压力恒定，要求恒温反应。 反应过程中压力恒定，要求A的分解率达到的分解率达到 0.9，原料 气体的处理速率为，原料 气体的处理速率为FA0= 1.55 kmol / h。求所需反应器的管长求所需反应器的管长L、停留时间、停留时间t、空时、空时(理想气体理想气体)。解解 A(g)R (g) + S (g)(-rA)= kCAk =7.8109 exp -19220/T(s-1)00 0(1)(1) (1)(1)AA AAA AAAAxxCCCyxx=+00()AxAAAdxV Fr=01.55= 1.55 / =4.30/3600AFkmolhkmol s=1112=A01Ay=PA0= 5 atm0.9Ax =050.079/0.082 (500273)AnPCmol LVRT=+PVnRT=0AnPCVRT=k = 7.8 109 exp -19220/773(s-1) =0.27 (s-1)T = 500 +273 = 773K0.90.90.90000000(1) 1()(1)()1AxAAAAAAAAAAAA AdxdxdxxdxV xFrkCkCxkCx+= +0.90.900 0000(1)12ln(1)1AAAA A AAAAFFxdxVxkCxkCx+=2413.0( )VLmD=0.90.90 00 001112ln2ln0.008311A AA AAAFVxxhvkCxkx=300 0 001.55 0.082 77319.99/5AAAAFF RTvmhCP=0VdVtv=0 ()A A AFdVdxr=00(1)(1)AAAAFxRTFxFFvnPCP VRT+=0000000(1)()(1)AVVxAAAAAAAAF dxdVPdVtvRTFxr C Fx=+FFRTFvnCP V=0000( )( )( )000(1)AAAAAAAA gR gS gtFtt FxF xF x+=00000000(1)()(1)(1)(1)111lnln1018.57(1)10.124AAAxxAAAAAAAAAAA AxAAAF dxdx xr C FxkCCxxdxskxkx=+=例例6某气体的二聚反应正反应是二级反应， 反应速率常数可用下式表达122kkAP? ? ?2 15470log8.063/()kmolL h cmT= + 逆反应是一级反应，当温度为638时，12/1.27Kkk=在内径为10 cm的管式反应器内进行此反应，总进料为 F = 10 kmol/h，其中组分A与惰性气体摩尔比为1:0.5， 反应温度保持在638，p = 1kgf/cm2，求组分A的转化 率为50%时反应管的长度。00/23ppAAA p ttAnnn xxpppnnx+=122kkAP? ? ?21()()mol/(L h)AAprk ppK=00()AxAAAdxV Fr=解解00001.5Adttnnn=0(1)2(1) 3AAAA A ttAnxnxpppnnx=222(1)11()()()()33AA AAp AAxxrk ppkKxKx=0031(1)22A AAAAdtxtt nxn xnn=154705470log8.