1、第十三章均相化学反应器第十三章均相化学反应器第一节间歇与半间歇反应器第二节完全混合流反应器第三节平推流反应器本章主要内容本章主要目的阐述各类均相化学反应器的设计计算方法反应器设计的目的选择合适的反应器型式确定最佳的操作条件计算达到规定的目标所需要的反应体积确定反应器的主要尺寸。第十三章均相化学反应器反应器设计用到的基本方程反应动力学方程物料衡算式能量衡算式动量衡算式第十三章均相化学反应器A的输入量A的输出量A的反应量A的积累量qnA0 qnA ( rA )Vd nA /dt反应器的物料衡算单位时间内反应物A 的物料衡算式：体积 VA的存在量nAA的反应量RA (kmol/s)A的输入量qnA0
2、 (kmol/s)A的输出量qnA (kmol/s)反应器的基本方程微元 V中反应物A的变化一、间歇反应器二、半间歇反应器第一节间歇与半间歇反应器本节的主要内容1. 间歇反应器的操作方法将反应物料按一定比例一次加到反应器内，然后开始搅拌，使反应器内物料的浓度和温度保持均匀。反应一定时间，反应率达到所定的目标之后，将混合物料排出反应器。之后再加入物料，进行下一轮操作，如此反复。一、间歇反应器2. 间歇反应器的设计计算设计计算的目的(1)确定达到一定的反应率时需要的反应时间（t ）(2)根据反应时间确定转化率或反应后的各组分浓度（C ）第一节间歇与半间歇反应器间歇反应器的基本方程间歇反应器的物料衡
3、算图浓度cA物质量nA体积VqnA0 qnA ( rA )V d nA /dt第一节间歇与半间歇反应器VrtnAAdd=(12.2.1)(12.2.2)=A0AAA0dxVrxnt(12.2.3)VrtxnAAA0dd=与反应速率的定义式形式相同=A0AAA0dxrxct(12.2.4)（恒容反应）=A0AAAdccrct(12.2.6)（恒容反应）第一节间歇与半间歇反应器间歇反应器的基本方程表 13.1.1 恒容恒温间歇与平推流反应器的设计方程 反应 反应速率方程 设计方程 kr =Aktxccc =AA0AA0)(A0kct 0A=c )(A0kct AAkcr =ktxcc = )1ln
4、()ln(AA0A2AAkcr = ktcc=A0A11nkcrAA= 1)1(1A1A01A01A= nnnnxcccktn )1( = )1( n PA AmAmAcKcVr+=)1ln(1AmAA0mxKxcVt =PBAB+ BAAckcr = )1(lnlnAB0AA0BB0AB0BA0xcxcccccc=ktcc )(A0BB0=【例题13.1.1 】 间歇反应器中发生一级反应A B(恒容反应) ，反应速率常数k为0.35 h-1，要使A的去除率达到90，则 A在反应器中需反应多少小时？解：设xA为转化率，则cA的值为cA =cA0 (1-xA )= cA0 (1-0.90)=0.
5、10cA0根据设计方程：cA /cA0 =e-kt有0.10 cA0 /cA0 =e-0.35t解得t =6.58h第一节间歇与半间歇反应器间歇反应器的图解设计法A0积ct=面t=积面=A0AAA0xrdxct(12.2.4)=A0AAAccrdct(12.2.6)第一节间歇与半间歇反应器0Ax 1/rAA0cAc0 1/rA(1)将两种或两种以上的反应物、或其中的一些组分一次性放入反应器中，然后将某一种反应物连续加入反应器。特点： 可控制加入成分在反应器中的浓度，便于控制反应速率。(2)将反应物料一次性加入反应器，在反应过程中将某个产物连续取出。特点： 可以使反应产物维持在低浓度水平（利于可
6、逆反应向生成产物的正方向进行；防止分泌产物对微生物生长的抑制作用）。二、半间歇反应器（一）半间歇反应器的操作方法第一节间歇与半间歇反应器半间歇操作的特点(1)与间歇操作一样，是一个非稳态过程(2)与间歇操作不同之处：反应混合液的体积随时间而变化。第一节间歇与半间歇反应器反应量-rAVA的流入量A0VA0cqqn=ABccV浓度 ，体积tqnntqnntqnttxnnnA0A0AA0A0AA0A0A1)(AAA+=+=的量时间内加入的的起始量的量时间内反应消耗掉的nA ( nA0 qnA0 t)(1xA ) （二）半间歇反应器的设计计算1. 转化率的定义第一节间歇与半间歇反应器2. 半间歇反应器
7、的设计方程单位时间内A的加入量：qnA0 qV cA0单位时间内A的排出量：0反应量：( rA )V积累量：d nA /dtd( cA V)/dtcA (dV/dt)+V(dcA /dt)物料衡算式：qV cA0 =(rA )V+ cA (dV/dt)+V(dcA /dt) (13.1.2)qV cA0 =(rA )V+ cA qV +V(dcA /dt) (13.1.3)VV0 qV t第一节间歇与半间歇反应器反应量-rAVA的流入量A0VA0cqqn=ABccV浓度 ，体积【例题 13.1.2】对于由反应 (a)和 (b)构成的反应系统，试定性说明在下述半间歇操作 时的反应系统中各组分的浓
8、度变化。(1)先向反应器中加入 A，之后连续加入B。(2)先向反应器中加入 B，之后连续加入A。A+BP，r1 k1 cA cB (a)A+PQ ，r2 k2 cA cP (b) 第一节间歇与半间歇反应器AcBcQc(a)先加入 A，连续加入 B时的变化 (b)先加入 B，连续加入 A时的变化BcPcQctctcA+BP，r1 k1 cA cB (a)A+PQ ，r2 k2 cA cP (b)第一节间歇与半间歇反应器(1) 对于一个实际规模的均相连续反应器，影响反应物转化率的主要因素有哪些？(2) 间歇反应器的一般操作方式是什么？你能举出哪些间歇反应器的例子？(3) 半间歇反应器有哪几种操作方
9、式？(4) 半间歇反应器与间歇反应器相比有哪些异同点？(5) 对于半间歇反应器，转化率是如何定义的？本节思考题第一节间歇与半间歇反应器一、单级反应器二、多级串联反应器第二节 全混流反应器本节的主要内容一、单级反应器（一）操作方法与特点操作方法：连续恒定地向反应器内加入反应物，同时连续不断地把反应液排出反应器，并采取搅拌等手段使反应器内物料浓度和温度保持均匀。全混流反应器是一种理想化的反应器。应用： 污水的pH 中和槽、混凝沉淀槽以及好氧活性污泥的生物反应器（常称曝气池）第二节 全混流反应器设计计算的目的：得到停留时间、反应器体积等（二）基本方程与设计方法第二节 全混流反应器基本方程的一般形式全
10、混流槽式连续反应器(Continuous Stirred Tank Reactor， CSTR)在稳态状态下，组成不变，反应速率恒定，即d nA /dt=0 qnA0 qnA ( rA )V dnA /dt反应量-rAV浓度cA体积 VA的流入量A0V0A0cqqn=A的流出量AVAcqqn=rA V qnA0 qnArA V qV0 cA0 qV cArA V qnA0 xArA V qv0 cA0 xAAAA0rxc=令 V/qv0(12.3.5)AAA0rcc=(12.3.7) 恒容反应第二节 全混流反应器表 13.2.1 恒容全混流反应器的设计方程 反应 反应速率方程 设计方程 AAk
11、cr = )1(A0Akcc += 2AAkcr = 1)41(2121A0A+= ckkc PA nAkcrA= nkcccAAA0)( = PBA + BAAckcr = )(1(AA0B0AAA0xccxxkc= QAPA21kkA21A)( ckkr +=A1Pckr = A2Qckr = )(121A0Akkcc+= )(1211A0Pkkkcc+= )(1212A0Qkkkcc+= QPA21kkA1Ackr = P2A1Pckckr = P2Qckr = 1A0A1 kcc+= )1)(1(211A0Pkkkcc+= )1)(1(21221A0Qkkkkcc+= 【例题13.2.
12、1 】完全混合流反应器中发生一级反应A B，反应速率常数k为0.35 h-1，要使A的去除率达到90，则A需在反应器中停留多少小时？解：设xA为转化率，则cA的值为cA =cA0 (1-xA )= cA0 (1-0.90)=0.10cA0根据反应平衡方程： =(cA0 -cA )/kcA有 =(cA0 -0.10cA0 )/(0.350.10 cA0 )=25.7h第二节 全混流反应器【 例题 13.1.1】 间歇反应器中发生一级反应 A B(恒容反应) ，反应速率常数k 为 0.35 h-1，要使A的去除率达到90，则 A在反应器中需反应多少小时？解：设 xA为转化率，则cA的值为cA=cA
13、0(1-xA)= cA0(1-0.90)=0.10cA0根据设计方程： cA/cA0=e-kt有 0.10cA0/cA0=e-0.35t解得 t=6.58h第一节 间歇与半间歇反应器第二节 全混流反应器全混流反应器的图解设计法A0积c=面=积面 (cA0 xA )/-rA ( cA0 cA )/ rA（恒容反应）第二节 全混流反应器间歇反应器的图解设计法A0面 积ct=t=面 积=A0AAA0xrdxct(12.2.4)=A0AAAccrdct(12.2.6)第一节 间歇与半间歇反应器0Ax1/rAA0cAc01/rAA0c0Ac-1/rA0Ax-1/rA二、多级串联反应器（一）多级串联全混流
14、反应器的基本方程c0c1c24321 +=42 1 2 n31cn第二节 全混流反应器A0c0 Ac 1/rAiincqqAVA=1)-A(V1)-A(iincqq =在恒容条件下，第i 个反应器的基本设计方程为：0AA0AAninniqqqx=iiiiiiiirxxcrccqVA)1(AA0AAA)1(AV)(=(13.2.1)第二节 全混流反应器（二）多级串联反应器的逐步计算法一级恒容反应：rAikcAiiiiiiiiikcccrccqVAA)1(AAA)1(AV=10AA11 kcc+=)1)(1(121A021AA2 kkckcc+=+=)1()1)(1(210AAnnkkkcc +=Liiikcc+=1)1(AA第二节 全混流反应器（二）多级串联反应器的逐步计算法二级恒容反应：rAikcAi22AA)1(AAA)1(AV iiiiiiiikcccrccqV=iiiikckc2411)1(AA+=第二节 全混流反应器
