第一课 理想间歇反应器与理想管式反应器

反应工程

高等反应工程

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参考数目化学反应工程原理。张濂，许志美，袁 向前。华东理工大学出版社，2000.10 催化反应工程。朱炳辰，翁惠新，朱子 彬。中国石化出版社，2001.7

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第一课理想间歇反应器与典型化学反应的基 本特征 理想管式反应器

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理想间歇反应器与典型化学反 应的基本特征

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常用工业反应器

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优化的技术指标

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反应速率的浓度效应幂函数型双曲线型 级数型 ( rA ) kC CB A k C C B A ( rA ) [1 k AC A k B C B ]n2 ( rA ) a0 a1C A a2C A

幂函数型常用于均相以及非理想吸附的气固催 化反应；双曲线型大多在理想吸附的气固催化 反应中应用；级数型则在对反应特征了解甚少 时采用的数值回归模型。

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常见的典型化学反应简单反应(包括自催化反应) 可逆反应 伴有平行副反应的复杂反应(或平行反应) 伴有串连副反应的复杂反应(或串连反应) 工业反应器中除了化学反应外还有物理过程。 当反应器中没有任何物理传递过程的影响因素存 在时，反应结果唯一地由化学因素决定。实际工 业反应器当然不存在这种理想状态，但是有两种 反应器的性能和行为相当地接近这种理想状态。 一种是搅拌充分的间歇釜式反应器；另一种是连 续流动理想管式反应器。

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反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式根据反应系统的动力学特性，结合反应器 的流动特征和传递特性，使反应结果最佳。

确定最佳的工艺条件还必需使反应器在一定的操作范围内具有 良好的运转特性，而且要有抗干扰的能力。

计算所需反应器体积

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反应器设计基本方程反应动力学方程式 物料衡算方程式某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+ 某组分积累量

热量衡算方程式带入的热焓=流出的热焓+反应热+热量的积累+传 向环境的热量

动量衡算方程式当气相流动反应器的压降大时，需要考虑压力对 反应速率的影响，此时需要进行动量衡算。

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理想间歇反应器的特征由于剧烈的搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度 上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了 物质传递对反应的影响。 由于反应器内具有足够的传热条件，反应器内各处 温度始终相等，因而无需考虑反应器内的热量传递 问题。 反应器内物料同时加入并同时停止反应，所有物料 具有相同的反应时间。 理想间歇反应器的反应结果将唯一地由化学动 力学所确定。

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理想间歇反应器性能的数学描述在理想间歇反应器中，由于剧烈搅拌，槽内物 料的浓度和温度达到均一，因而可以对整个反 应器进行物料衡算。间歇操作中流入量和流出 量都

等于零。 反应组分A的物料衡算式：dnA 0 0 ( rA )V dt 1 dnA n A0 dxA ( rA ) V dt V dt 恒容间歇反应 n dCA CA A ( rA ) V dt

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反应体积与反应时间单位生产时间所处理的物料量由生产任 务所确定，因此反应体积可按下式计算：V v0 tT tT t t c

v 0 为单位生产时间所处理的物料量t T 为每批物料的操作时间，等于反应时间 t

和辅助时间 t c之和。 反应达到一定的转化率 x Af 时所需反应时间tdnA ( rA )V dtt n A0 dx A x A 0 V ( r ) Ax Af

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对于液相反应，反应前后液体的体积变化不大， 可作等容过程处理dx A t C A0 x A0 ( r ) Ax Af

dC A t C A 0 ( r ) AC Af

间歇反应过程 t / C A0 的图解积分

间歇反应过程反应 时间 t 的图解积分

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理想间歇反应器中的简单反应