1、第3章 均相反应过程 第一讲 雷泽 本章要求： 掌握均相反应器设计计算的基本原理和方法； 熟悉各种均相反应器的性能特征，并能结合反应 的特点选择反应器形式和操作方式。 几种典型简单反应器V, C A0 分批操作釜式（完全混合）反应器（BR）V Batch Reactor-间歇反应器半分批操作釜式反应器（SBR）Semibatch Reactor成分A 连续操作平推流反应器（PFR ）成分BPlug Flow Reactor连续操作釜式反应器 （CSTR）Continuous Stirred Tank reactorC AV, C A 生成物R反应器开发的任务：根据反应动力学特性来选择合适的反应
2、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。 3.1 物料在反应器内的流动模型流动模型 为研究反应器内流体的实际流动型态，在 不改变其实际性质的前提下，对流体流经反应 器时的实际流动和混合状况的本质规律加以适 当的理想化的描述。这种适当理想化的流动形 态称为流动模型。 理想置换 理想流动模型 理想混合 （本节讨论） 流动模型 非理想流动模型 轴向分散模型 多级串联模型 3.1.1 平推流模型（或活塞流、或理想置换）反应物料按一定的流率定态操作条件下进入反应 器，并且以一致的方向向前移动，在整
3、个截面上 各处的流速完全相等。T、c、p、u 相等特征：流体所有粒子在反应器中的停留时间相同， 并且等于流体通过该反应器所需的时间。 管式反应器中流体的流动型式基本上是理想置换。 3.1.2 全混流模型（理想混合、完全混合）流体以定态流率进入反应器后，刚进入反应器 的新鲜物料粒子与存留在反应器中的粒子能在 瞬间发生完全混合（新旧混合时间t=0 ）。基本特征：T,C T,C整个反应器中1.釜内各点的T、C都相同；2.釜内各点的T、C= 出口处的物料的T、 C。 时间 （1）反应时间tr反应物料从开始反应至达到某一要求转化 率所持续的时间。 （2）停留时间t和平均停留时间t 停留时间t：物料质点进
4、入反应器至离开反 应器所经历的时间；平均停留时间 t ：物料流中各质点在反应器中 tV 的停留时间的平均值。流体在反应器内的体积流量（1）空时在连续流动反应器中，反应体积V与指定状态 下进料流体的体积流量0之比，称为空间时间， 简称空时。 V反应器体积 s 0进料的体积流量空时的物理意义：在指定状态下，反应器处 理与反应体积相等量的物料所需的时间。（2）空速SV在连续流动反应器中，指定状态下进料流体的 体积流量0与反应体积 V之比，称为空间速度， 简称空速。SV= 0/V=1/ S -1 （3-4-2） 空速的物理意义：在指定状态下，单位时间、 单位反应体积内所能处理的物料体积。 混合与返混同
5、龄混合 一般意义上的混合。非同龄混合返混完全不返混活塞流模型完全返混全混流模型部分返混微观混合 分子尺度上的混合宏观混合 分子微团上的混合 A P 恒容反 3.2 简单反应器 3.2.1间歇反应器应，取一小滴液 即代表全釜。 求达到规定的转化率物料在反应器内所需的反应时间。作微元时间dt内的物料衡算：dt时 间 内 dt时 间 内 dt时 间 内 进入反应 排出反应 由于反应 = + 器中物料 器的物料 而消失的 A的量A的量A的量0 = 0 + ( -r A V)dt+ dt时 间 内 反应器的 物料 A的 累积量dn A r A V dt dn A 0r AV dn A 0 1x A dn
6、 An A 0 dt dt dn A dt dx A dt dx A dt dx A x A tn A 0分离变量，积分0 V r A dx A tc A 0恒容时， 0 c A 0c A r A dc A （3-2-1）xA 将 c A 0 c A tdx A 代入式（3-2-1），得：c A 0 dc A （3-2-2） c A 0r A 分批式操作反应器的基本设计方程式将不同级数反应的(-rA )表达式代入设计方程可 得到不同级数反应的反应时间和转化率计算式：以一级反应为例， rA kc A 1 c A 0 tc A 0r A dx A x A tc A 0 A c A0kc A c A
7、 0 ln k c A c A 0 dx A x A A r A c A 0 1 x A k 0 A 1 ln 1 k 1 x A 式（3-2-1）和式（3-2-2）也可采用图解积分求解。dc A tc A 0r r A A 1- rA 面积=t/cA00 xA 1 - rA 面积=t0c A c A0图3-2-1 恒容情况下分批式操作反应器的图解计算计算反应器体积 对连续操作的釜式反应器，处理一定量的物料所 需反应器占有时间=反应时间（ t）+ 辅助时间（t）反应器有效容积（反应体积）;日处理量 Vt t 240 t t 每小时处理的 物料的体积 计算反应器的体积反应器的实际体积为：V V
8、R 装料系数 反应器有效体积占总体积的分率，=0.40.85有泡沫产生或 有搅拌，旋涡 有沸腾现象，不大，取0.7取0.40.65 反应很平静，取 0.750.85 计算反应器的体积V D D大，水平方向的搅拌混合将发生困难；D小，高度增加，对垂直方向的搅拌不利。 选H：D=1：1的搅拌反应器例3-1在343K时，等摩尔比的己二酸与己二 醇以H 2 SO 4为催化剂，在间歇操作搅拌釜式反 应器中进行缩聚反应生产醇酸树脂。以己二酸 为着眼组分的反应动力学公式为: rA kc A 21 c A,0 4 10 kmol L , k1. 97 L kmol min 3 1 1 (1)计算己二酸的转化率达0.5,0.6,0.8,0.9所需的反 应时间是多少? (2)每天处理 2400kg己二酸，每批 操作的辅助时间t =1h，装料系数=0.75，求己二 酸的转化率达0.8时所需要反应器的体积。
