《北学反应工程》教橐 第三章想反应 1分芤式操作的究全混合反应踞 第三章理想反应器 3.1分批式操作的完全混合反应器 教学目标 1.了解返混等基本概念,全混流反应器和平推流反应器的特 2.撑握分批式操作的完全混合流反应器的设计方程和操作方程以及分批式操作的优 3.掌握等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法 教学重点 1.分批式操作的完全混合流反应器的设计方程和操作方程以及分批式操作的优化 2.等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法。 教学难点 等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法 教学方法 讲练结合法 学时分配 授课时间 200年月日 教学过程 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第1页共13页
《化学反应工程》教案 第三章 理想反应器 3.1 分批式操作的完全混合反应器 第三章 理想反应器 3.1 分批式操作的完全混合反应器 教学目标 1． 了解返混等基本概念，全混流反应器和平推流反应器的特点； 2． 撑握分批式操作的完全混合流反应器的设计方程和操作方程以及分批式操作的优 化； 3． 掌握等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法。 教学重点 1． 分批式操作的完全混合流反应器的设计方程和操作方程以及分批式操作的优化； 2． 等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法。 教学难点 1. 等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法。 教学方法 讲练结合法 学时分配 2 学时 授课时间 200 年 月 日 教学过程 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 1 页 共 13 页
《北学反应工程》教橐 第三章想反应 1分芤式操作的究全混合反应踞 引入新课] 、反应器开发的三大任务 反应器的开发大致有下述三个任务:(1)根据化学反应的动力学特性来 选择合适的反应器型式:(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方 式和优化的操作设计;(③3)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。 、反应器的特性 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(包括内部构件)和几亻 尺寸而异 正因为反应流体在反应器内的流动和混合状态十分复杂,在反应器内 不仅存在浓度和温度分布,而且还存在着流速分布。这不仅会使器内流体 处于不同的温度和浓度下进行反应,而且会造成反应流体的微团具有不同 的停留时间及不同停留时间的微团之间的混合(这种混合通常称之为返 混)。为合理地对反应器进行设计就必须掌握这些特性,确立能定量地描述 它们的模型。但为了便于讨论,本章将仅就两种极端流动状况的理想反应 器的性能、设计方法及操作分析等方面进行讨论,而那些处于这两个极端 状况之间的种种非理想流动反应器的分析和计算将留待第四章讨论 [讲解]三、理想反应器的类型及特点 [副板书] 通常所指的理想反应器有两类 理想混合反应器(又称完全混合反应器) 平推流反应器(又称活塞流或挤出流反应器) 1.完全混合反应器及其特点 所谓完全混合反应器是指器内的反应流体处于完全混合状态,并意味 着反应流体在器内混合是的瞬间完成,反应流体之间进行混合所需的时间 是可忽略的。所以器内的物料具有完全相同的温度和浓度且等于反应器出 口物料的温度和浓度。换言之,理想混合反应器内的返混为无限大。 2.平推流反应器及其特点 讲解分析] 所谓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 移动,完全不存在不同停留时间的物料的混合(即返混为零),所以所有的 物料在器内具有相同的停留时间。实际中,具有良好搅拌装置的釜式反应 器均可近似地按理想混合反应器处理;面对于管径较小,管子较长和流速 较大的管式反应器均可近似地按平推流来处理 [板书]311分批式操作的全混流反应器的物料衡算式 分批式(又称间歇)操作 定义 讲解] 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 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第2页共13页
《化学反应工程》教案 第三章 理想反应器 3.1 分批式操作的完全混合反应器 ［引入新课］ ［讲 解］ ［副 板 书］ ［讲解分析］ ［板 书］ ［讲 解］ 一、反应器开发的三大任务 反应器的开发大致有下述三个任务：(1)根据化学反应的动力学特性来 选择合适的反应器型式；(2)结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方 式和优化的操作设计；(3)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。 二、反应器的特性 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(包括内部构件)和几何 尺寸而异。 正因为反应流体在反应器内的流动和混合状态十分复杂，在反应器内 不仅存在浓度和温度分布，而且还存在着流速分布。这不仅会使器内流体 处于不同的温度和浓度下进行反应，而且会造成反应流体的微团具有不同 的停留时间及不同停留时间的微团之间的混合(这种混合通常称之为返 混)。为合理地对反应器进行设计就必须掌握这些特性，确立能定量地描述 它们的模型。但为了便于讨论，本章将仅就两种极端流动状况的理想反应 器的性能、设计方法及操作分析等方面进行讨论，而那些处于这两个极端 状况之间的种种非理想流动反应器的分析和计算将留待第四章讨论。 三、理想反应器的类型及特点 通常所指的理想反应器有两类： 理想混合反应器(又称完全混合反应器) 平推流反应器(又称活塞流或挤出流反应器) 1. 完全混合反应器及其特点 所谓完全混合反应器是指器内的反应流体处于完全混合状态，并意味 着反应流体在器内混合是的瞬间完成，反应流体之间进行混合所需的时间 是可忽略的。所以器内的物料具有完全相同的温度和浓度且等于反应器出 口物料的温度和浓度。换言之，理想混合反应器内的返混为无限大。 2. 平推流反应器及其特点 所谓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 移动，完全不存在不同停留时间的物料的混合(即返混为零)，所以所有的 物料在器内具有相同的停留时间。实际中，具有良好搅拌装置的釜式反应 器均可近似地按理想混合反应器处理；面对于管径较小，管子较长和流速 较大的管式反应器均可近似地按平推流来处理。 3.1-1 分批式操作的全混流反应器的物料衡算式 一、分批式（又称间歇）操作 １．定义 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 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 2 页 共 13 页
《北学反应工程》教橐 第三章想反应 1分芤式操作的究全混合反应踞 转化率后再全部放出反应产物。 [板书]2.应用 [讲解] 图3-1-1所示的是常见的带有搅拌器的釜式反应器,通常都设置有夹套 或盘管以便加热或冷却釜内的反应物料,控制反应温度。这种釜式反应器 泛用于液相反应,在液一固相反应和气液相反应中亦可采用。 [板书]|3.优缺点 [讲解] 而釜式反应器的分批式操作也具有一般分批式操作所固有的缺点:用 于非生产性的操作时间长(即每次投料、排料、清釜和物料加热的时间),产 物的损失较大且控制费用较大等,所以适用于经济价值高、批量小的产物 如药品和精细化工产品等的生产 板书] 物料衡算式 1.非恒容过程(dV≠0) 解] 根据完全混合和分批式操作的特点可以就整个反应器在单位时间内对 组份A作物料衡算 板书] 单位时间)(单位时间)(单位时间)(4在反应器 流入的物-内流出的-内反应掉|=内的积累的 料A的量A的量的A的量(速度 GrA) d(vC) 讲解分析] 由此可得A的衡算式 d(vc) (3-1-1) 因为CA=n4,而nA=n0(-xA),所以上式可以写成以转化率表示的 形式: no A=r) (3-1-2) 积分上式可得 (3-1-3) [板书]2.V恒定(dV=0) 讲解] 由式(3-1-1)两边同时消去V积分有: (V恒定) 因为V恒定时有C4=C相(-xA)成立,所以上式可写成转化率表示的形式: 4(V恒定) 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第3页共13页
《化学反应工程》教案 第三章 理想反应器 3.1 分批式操作的完全混合反应器 ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［讲解分析］ ［板 书］ ［讲 解］ 转化率后再全部放出反应产物。 2. 应用 图 3-1-1 所示的是常见的带有搅拌器的釜式反应器，通常都设置有夹套 或盘管以便加热或冷却釜内的反应物料，控制反应温度。这种釜式反应器 广泛用于液相反应，在液—固相反应和气液相反应中亦可采用。 3. 优缺点 而釜式反应器的分批式操作也具有一般分批式操作所固有的缺点：用 于非生产性的操作时间长(即每次投料、排料、清釜和物料加热的时间)，产 物的损失较大且控制费用较大等，所以适用于经济价值高、批量小的产物 如药品和精细化工产品等的生产。 二、物料衡算式 １．非恒容过程（dV ≠ 0 ） 根据完全混合和分批式操作的特点可以就整个反应器在单位时间内对 组份 A 作物料衡算： = − − 速度 内的积累的 在反应器 的 的量 内反应掉 单位时间 的量 内流出的 单位时间 料 的量 流入的物 单位时间 A A A A 0 0 (− rA )V ( ) dt d VCA 由此可得 A 的衡算式： ( ) ( r )V dt d VC A A − = − （3-1-1） 因为VCA = nA，而 ( ) A A A n = n 1− x 0 ，所以上式可以写成以转化率表示的 形式： ( r )V dt dn A A − = − 或 + ( ) − r V = 0 dt dn A A ( r )V dt dx n A A A0 = − （3-1-2） 积分上式可得： ( ) ∫ − = Ax A A A V r dx t n 0 0 （3-1-3） ２．V 恒定（dV = 0） 由式（3-1-1）两边同时消去 V 积分有： ∫ − = − A A C C A A r dC t 0 （V 恒定） 因为Ｖ恒定时有 ( ) A A A C = C 1− x 0 成立，所以上式可写成转化率表示的形式： ∫ − = Ax A A A r dx t C 0 0 （V 恒定） 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 3 页 共 13 页
《北学反应工程》教橐 第三章想反应 1分芤式操作的究全混合反应踞 联系以上两式有 dA(V恒定) (3-1-4) 由上式所得的时间是指在一定的操作条件下为使A反应达所要求转化 率xA所需的反应时间,而不是每批操作所需的时间,后者还应包括非生产 性的操作时间to,所以每批操作所需的时间应是t+to。t0包括加料,排料, 洗釜和物料冷却等所需的用于非反应的一切辅助时间。 [板书]3.1-2恒温操作 计算方法 [讲解] 对于等温恒容的分批式操作,可将速率方程代入式(3-1-4)直接进行积分 来求得t 举例 例3-1-1在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 A+B→→Pn=C4 kmol/m3 2A→→Q=05 ca kmol /n:b 应开始时A和B的浓度均为2kmol/m3,目的产物为P,初始浓度为零, 试计算反应时间为3h时A的转化率和P的得率 [讲解] 解:因为 r=rp +2r 对于液相反应,可视为恒容系统,所以把上式(a)代入式(3-1-4) (3-1-4) 板书] C40 2C+C [略解] 积分上式有 In 2 C,(2+C 代入A的初始浓度CA0=2kmom3,反应时间t=3h,可求得组分A 的浓度 2C4(2+2)22C 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第4页共13页
《化学反应工程》教案 第三章 理想反应器 3.1 分批式操作的完全混合反应器 ［板 书］ ［讲 解］ ［举 例］ ［讲 解］ ［板 书］ ［略 解］ 联系以上两式有： ∫ ∫ − = − = − A A A x A A A C C A A r dx C r dC t 0 0 0 （V 恒定） （3-1-4） 由上式所得的时间是指在一定的操作条件下为使 A 反应达所要求转化 率 所需的反应时间，而不是每批操作所需的时间，后者还应包括非生产 性的操作时间t ，所以每批操作所需的时间应是t A x 0 0 + t 。t 包括加料，排料， 洗釜和物料冷却等所需的用于非反应的一切辅助时间。 0 3.1-2 恒温操作 一、计算方法 对于等温恒容的分批式操作，可将速率方程代入式(3-1-4)直接进行积分 来求得t 。 二、举例 例 3-1-1 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应 A + B → P P CA r = 2 [kmol (m ⋅ h)] 3 / 2A →Q 2 0.5 Q CA r = [kmol (m ⋅ h)] 3 / 反应开始时 A 和 B 的浓度均为 2 ，目的产物为Ｐ，初始浓度为零， 试计算反应时间为 3h 时 A 的转化率和 P 的得率。 3 kmol / m 解：因为 ( ) 2 2 2 2 2 0.5 2 A A A A A P Q C C C C r r r = + = + × − = + （a） 对于液相反应，可视为恒容系统，所以把上式（a）代入式（3-1-4） 中 ∫ ∫ − = − = − A A A x A A A C C A A r dx C r dC t 0 0 0 （3-1-4） 有： ( ) ∫ ∫ ∫ + = − − + = − + = − A A A A A A C C A A A C C A A A C C A A A dC C C C C dC C C dC t 0 0 0 2 1 1 2 1 2 2 2 （b） 积分上式有： ( ) ( ) 0 0 2 2 ln 2 1 A A A A C C C C t + + = （c） 代入Ａ的初始浓度 C ，反应时间 t 3 0A = 2kmol / m = 3h ，可求得组分 A 的浓度 ( ) ( ) A A A A C C C C 2 2 ln 2 1 2 2 2 2 ln 2 1 3 + = + + = 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 4 页 共 13 页
《北学反应工程》教橐 第三章想反应 1分芤式操作的究全混合反应踞 所以:CA=2482×103kmom3 所以A的转化率为 C-CA2-2.482×10 =0.9988(或9988%) C [分析] 显然,只知道A的转化率还不能确定P的生成量,因为转化的A既可 能生成P,也可能转化成Q。由题目给的速率方程知 dc 由式(a)有 dt 式(a)除以式(d)有: .l--CA e dc 分离变量 dc 积分有 1+0.5C 将有关数据代入上式得: CP1+0.5×2482×10-3≈1.3838kmol/m3 的得率 p=P-cP13838-0 06919(或6919%) [分析] 实际上这种等温操作是很难实现的,只有在反应物料中反应物的浓度 很小、反应速度很小且反应的热效应又不大的场合才可能接近于等温的条 件进行操作,而且在大多数情况下(除非涉及热敏性的反应物料)也不必 定要求在等温下操作。更多的情况是要求合理的温度序列最有利于反应的 进行,或有利于改善反应的产物分布。所以,从反应的温度操作制度来看 除了上述等温操作外尚有绝热操作和变温(又称非等温非绝热)操作。对于 后面两种形式的分批式反应器,器内反应物料的温度均随反应时间而变。 此时为求解式(3-1-4)仍需有反应器内的热量衡算式。下面就分别对这两种 情况进行讨论 [板书]3.1-3变温操作 [讲解]在此操作中通过设置在反应器内的盘管或夹套向反应器提供(或从 应器内移出)热量,只控制反应在所需的温度范围内进行。如果是向反应器 供热(如吸热反应),则采用夹套以蒸汽进行加热较之盘管更为有利,因为 它除了有较大的传热面积外还能方便地排放冷凝水;如果从反应器移热则 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第5页共13页
《化学反应工程》教案 第三章 理想反应器 3.1 分批式操作的完全混合反应器 ［分 析］ ［分 析］ ［板 书］ ［讲 解］ 所以：CA=2.482×10-3kmol/m3 所以Ａ的转化率为： 0.9988( 99.88%) 2 2 2.482 10 3 0 0 = 或 − × = − = − A A A A C C C x 显然，只知道Ａ的转化率还不能确定Ｐ的生成量，因为转化的Ａ既可 能生成Ｐ，也可能转化成Ｑ。由题目给的速率方程知 A P C dt dC = 2 （d） 由式（a）有 2 2 A A A C C dt dC − = + （a） 式(a)除以式(d)有： A P A C dC dC 2 1 = −1− （e） 分离变量 ∫ ∫ + = − A A P C C A A C P C dC dC 0 0 1 0.5 积分有 A A P C C C 1 0.5 1 0.5 2 ln 0 + + = （f） 将有关数据代入上式得： 3 3 1.3838 / 1 0.5 2.482 10 1 0.5 2 CP 2 ln = kmol m + × × + × = − P 的得率 0.6919( 69.19%) 2 1.3838 0 0 0 = 或 − = − = A P P P C C C φ 实际上这种等温操作是很难实现的，只有在反应物料中反应物的浓度 很小、反应速度很小且反应的热效应又不大的场合才可能接近于等温的条 件进行操作，而且在大多数情况下(除非涉及热敏性的反应物料)也不必一 定要求在等温下操作。更多的情况是要求合理的温度序列最有利于反应的 进行，或有利于改善反应的产物分布。所以，从反应的温度操作制度来看 除了上述等温操作外尚有绝热操作和变温(又称非等温非绝热)操作。对于 后面两种形式的分批式反应器，器内反应物料的温度均随反应时间而变。 此时为求解式(3-1-4)仍需有反应器内的热量衡算式。下面就分别对这两种 情况进行讨论。 3.1-3 变温操作 在此操作中通过设置在反应器内的盘管或夹套向反应器捉供(或从反 应器内移出)热量，只控制反应在所需的温度范围内进行。如果是向反应器 供热(如吸热反应)，则采用夹套以蒸汽进行加热较之盘管更为有利，因为 它除了有较大的传热面积外还能方便地排放冷凝水；如果从反应器移热则 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 5 页 共 13 页