2022年化学反应工程知识点讲义.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载学问点 7. 反应器设计概述一、主要讲解内容本讲主要介绍三种抱负反应器抱负的间歇式反应器、应器的含义及基本设计思路；二、学习要求全混流反应器及平推流反把握三种抱负反应器的内涵,懂得各种反应器抱负型的联系与区分；三、视频（已录制完成）四、讲义本章主要给大家介绍的是如何进行反应器的设计,何种反应器又是最优的反应器？反应器依据其操作方式可分为间歇式反应器、连续流淌式反应器及半连续 （或半间歇式）反应器,而从反应器抱负性的角度分,可将反应器分为抱负反应器及实际反应器,本讲 要介绍的就是三种抱负反应器的概念,包括抱负的间歇式反应器（BR）、平推流反应器（PFR）及全混流反应器（ MFR）；1. 抱负的间歇式反应器抱负的间歇式反应器如图1 所示,物料一次性投入反应器中,其特点为在任何时刻反应器中均具有均一的温度和均一的浓度,但是温度和浓度可能会随时间而变,属于一 种非稳态操作；图 1 抱负的间歇式反应器2. 全混流反应器全混流反应器是一种连续流淌式反应器,物料连续流入流出, 反应器中具有均一的温度和均一的浓度,且不随时间而变,反应器中温度和浓度与出口一样；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载V r温度和浓度相同图 2 全混流反应器提到全混流反应器需要介绍一个新的概念返混,指的是不同停留时间物料之间的混合；对于全混流反应器,其返混是一种极端的情形,刚刚进入反应器的物料和停留 时间无限长的物料之间存在混合,且反应器中物料的状态和出口完全一样,其返混记为；全混流具有温度浓度恒定的特性,所以其中反应速率是一个常数；3. 平推流反应器平推流反应器是一种管式反应器,下两特点：物料连续流淌, 流体在管内作平推流流淌具有如（1）在与流淌方向呈垂直的截面上没有流速分布,在同一轴向位置具有均一的温 度和浓度；浓度和温度等会随轴向位置而变,因此反应速率是轴向位置的函数；（2）在流体流淌的方向不存在流体质点间的混合,即无返混现象,或者返混为 0；因此,各质点具有相同的停留时间 ,等于反应时间 t；图 3 平推流反应器对于各类反应器, 进行反应器的设计需要反应器的设计方程,设计方程主要来源于 两个方面,物料衡算方程和热量衡算方程；恒温反应只需物料衡算方程,变温反应需要 两者相结合；物料衡算方程：反应物= 反应物+ 反应物由于+ 反应物在微流入某流出的反应而消逝元中累积的微元的速率掉的速率速率速率名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载热量衡算方程,能量流入某= 能量量流+ 由于反应而消+ 在微元中能量失的能量微元的速率出的速率累积的速率的速率五、小结本讲主要介绍了三种抱负反应器抱负的间歇式反应器、平推流反应器、全混流反应器的含义,要求把握三种抱负反应器抱负的内涵,其中的区分与相像之处 . 六、自测题（无）名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载学问点 8. 抱负的间歇式反应器及其设计运算一、主要讲解内容本部分主要讲解抱负的间歇式反应器的设计方程、时反应器的设计运算、反应器设计方程的图解表示；二、学习要求特定反应在间歇式反应器中进行把握间歇式反应器的设计方程, 把握恒容和变容反应在间歇式反应器中进行时的不 同,把握间歇式反应器设计方程的图解表示；三、视频（已录制完成）四、讲义 物料衡算方程,流入 =流出+因反应而消逝 +累积 对于间歇式反应器, 在正常操作的条件下, 流入 =流出=0,以反应物 A 为着眼组分,就因反应而消逝的速率 =-rA.V；累积的速率 =dNA；从而可得,dtdNArA Vdt分别变量得,dtdNArA V从 0 时刻到 t 时刻积分,tdtNAdNA0NA0rA V得,又NANA01XA,dNAtANAdNA（1）NA 0 r A VN0 dXA,就（ 1）式可变形为,（2）NA 0XAdXAt0rA V（1）式及 2式即抱负的间歇式反应器的设计方程；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载NAiNA 01XAi,（1）式及 2式分别如 t=0 时, A 的摩尔数为 NAi 转化率为 XAi,就成为如下形式：tNNAdNAA（3）NAirA VtA0XAdX（4）XAirA V留意,流体的体积和反应速率都不行以从积分号中提出,这是由于随着反应的进行 二者可能都会逐步发生变化；对于恒容反应, A=0, V=Const.,就,dNAdCAV设计方程可写作,tCAdCAACA0XAdXA01XA（5）CA0rA0rA特别地,对于 1 级不行逆恒容反应,r AkCAkC A,带入（ 5）式得,tCA0XAdXACA0XdXAln1XA0rA0kCA01XA对于变容反应 ,V=V0 1+ A XA,tXAV 01NA0dXArAXA1CA0dXArACA 0XA1dXArA（ 6）0AXA0AXA0AXA特别地,假如为 1 级不行逆变容反应,rAAkCAkCA 01XA,带入（6）式得,1AXAtCA0XA1dXArACA0XdXA0AXA01AXAkCA01XA=ln11AXAXA可以发觉,对于在间歇式反应器中进行的一级不行逆反应,如速率常数一样,不论 反应是恒容仍是变容,达到相同的转化率所需的时间是一样的；由（4）式可得,名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备XA欢迎下载tdXA表示在图上,1 VNA00rA Vt,如图 1 所示；X A 曲线下方 0XA 之间的面积即rANA01areaNt0Ar VX A A0 XA 图 1 间歇式反应器设计方程的图解表示对于恒容的情形,设计方程如（表示,参见图 2；5）式所示,就同样可将此设计方程以图解的方式1CA areatareat C A00 areaCt0X A XA ArACA0 CA 图 2 恒容间歇式反应器设计方程的图解表示 需要留意：间歇式反应器中进行的反应,反应器的体积大小不影响转化率,影响转 化率的主要因素是反应时间；间歇式反应器的生产才能主要取决于反应器的有效体积；五、小结名师归纳总结 1.间歇式反应器的设计方程为：第 6 页,共 15 页tNAdNA或tNA 0XAdXANA0 2.r A V0rA V在间歇式反应器中进行的恒容一级不行逆反应和变容一级不行逆反应均满意：3.tln1XA；图上表示间歇式反应器的设计方程- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 1学习必备N欢迎下载areatAr VA00 XA XA 恒容时,1CA areatareat C A00 areaCt0X A XA ArACA0 CA 六、自测题1.抱负的间歇式反应器的设计方程为tNAdNA或tNA0XAdXA；NA 0 rA V0rAV2.在间歇式反应器中进行的恒容反应：0 5 CA mol/L minAPr ACA0=1 mol/L, 如最终 CA=0.2mol/L X A=0.8, 所需反应时间 t=3.22min；3.间歇式反应器中的变容反应恒温恒压的气相反应 A2PrA0 5 CA mol/L minCA0=1 mol/L, 如 XA 达到 0.8, 所需反应时间 t=3.22min；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载学问点 9. 平推流反应器及其设计运算一、 主要讲解内容主要介绍了平推流反应器的设计方程及其图解表示；二、学习要求把握平推流反应器的设计方程、其推导过程及其图解表示方法,把握平推流反应器和间歇式反应器设计方程的区分与联系；三、视频（已录制完成）四、讲义平推流反应器和全混流反应器属于连续流淌式反应器,对于连续流淌式反应器第一需要定义两个新的量空时 和空速 s,这两个量仅适用于流淌反应器；有体积空时 / 空速和质量空时 /空速之分,二者是不等同的,在本课程中指的是体积空时 /空速；空时 定义为,V v 0,时间单位 其中 V 为反应器有效体积, v0为反应器入口处的进料的体积流率；空时指处理一个反应器体积的进料所需的时间；空时并非简洁的时间,它可以表达流淌反应器的处理量；越小,处理量越大 . 空速 s 和空时之间互为倒数,s1,时间-1 和反 t ；空速也不是一个简洁的速度,指单位时间内可以处理几个反应器体积进料；应时间 t 不等同；例如 ,对于平推流反应器 ,如为恒容反应 , t ,如为变容反应 ,通过对平推流反应器做物料衡算可推得其设计方程,本章只考虑等温反应的情形,如图 1 所示,反应器中物料的浓度随着轴向位置的不同而不同,对平推流反应器列物料平稳方程,只能挑选其中的一个微分段,如图1 中所给的体积为 dV 或者说长度为 dl 的微分段进行物料衡算,这个小微元中浓度可视为一恒定值,即反应速率为一恒定值,根 据物料衡算方程,流入 =流出 + 因反应而消逝 + 累积名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 考虑稳态流淌的情形,就累积速率为学习必备欢迎下载0；F AF AdFArAdV即,dF Ar AdVdF AF AF dXAF A01-XA得,F dX A 0Ar A dV分别变量,dXAdVrAFA 0从反应器入口到出口积分,XAdXAVdV0rA0FA0得,又由于,F A0C v ,就,V0CVXAfdXAXAfdXA7 FA0rAVFA0A0v 0CA00rA此即平推流反应器的设计方程；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载图 1 平推流反应器示意图对于恒容反应,就,CACA01XAdCAdCACA0dX ,带入（ 7）式中得,CAfCA0XAfdXA0r ACA0r A回忆恒容的间歇式反应器的设计方程, CAdCAtNAdNANA0rACA0 VrA可以发觉,对于恒容反应,达到肯定的转化率在间歇式反应器中所需的反应时间和平推流反应器中所需的空时是相等的；跟据平推流反应器的设计方程,也可将其表示在图上,如图2 所示；CA 1一般情形1恒容情形areaCA0ArrAarea0 XA XA CA CA0 图 2 平推流反应器设计方程的图解表示五、小结1. 平推流反应器的设计方程恒容时,CAfV0CVv 0CA0XAfdXAFAA00rAdCACA0rA2. 对于恒容反应,达到肯定的转化率在间歇式反应器中所需的反应时间和平推流反应器中所需的空时相等；3. 平推流反应器设计方程的图解表示名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1一般情形学习必备欢迎下载恒容情形1ArrAareaCA0area0 XA XA CA CA0 CA 六、自测题1. 某液相反应AR 于 50下在间歇反应器中进行,反应物A 转化 80需要 8min,如果于相同条件下在平推流反应器中进行,就达到同样的转化率需要的空时为 8min ；2. 纯气体 A 浓度 2 mol/L ,摩尔流率 100mol/min在平推流反应器里分解生成一系列产 物,其动力学为名师归纳总结 A.2 5products ,rA 10min1CA第 11 页,共 15 页在一个 22 L 的反应器里进行反应所能达到的转化率为90%；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载学问点 10. 全混流反应器及其设计运算一、主要讲解内容本讲主要介绍全混流反应器设计方程及其推导过程,以及设计方程的图解表示,讲述了利用全混流反应器进行动力学数据求取的方法,比；二、学习要求对平推流及全混流反应器进行了对把握全混流反应器设计方程及其推导,会利用全混流反应器试验数据分析运算反应动力学数据；三、视频（已录制完成）四、讲义全混流反应器示意于图1 中,其中 FA0 为入口处的摩尔流率 , mol/hr,mol/min ；CA0为入口处A 的浓度, mol/Liter, mol/m3；v0入口处物料的体积流率, m 3/hr； m 3/min, Liter/hr, Liter/min ；FA 0v CA0CA0 , v0 F A0 CA0 CA CA 图 1 全混流反应器示意图依据物料平稳关系,流入 =流出 + 因反应而消逝 + 累积名师归纳总结 考虑稳态流淌的情形,就累积速率为0；就：rAVV第 12 页,共 15 页F A0F A其中,FAFA01XA,得,rAF A01XAF A0- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载或：FA0XACA0v XArAV变形得,V0CA0XAFArA或者,V C A 0 X Av 0 r A 这就是全混流反应器的设计方程；特别地,对于恒容反应,C A 0 X A C A 0 C ,其V C A 0 C A设计方程可写作,；v 0 r A说明,依据全混流反应器的特性,全混流反应器设计方程中的反应速率-r A 即等于出口处的反应速率 -r Af；如在入口处反应物已经发生转化,设转化率为 XAi,就设计方程应写为 , VC A0XAfXAiCA0XAfXAi1 Ar XA 图上,v 0rAr Af这是全混流反应器设计方程的通用形式；依据其设计方程,可以知道在XAiXAf 之间高度为1的矩形的面积,如图2 所示；rAf1ArX Ai X Af areaCA0X A 图 2 全混流 反应器设计方程的图解表示依据全混流反应器的设计方程, 可以依据详细的转化率要求运算处理肯定量原料所需的反应器大小,对反应器进行设计,或者运算肯定体积反应器所能实现的处理才能；名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载另一方面,全混流反应器的特性使其成为一种进行动力学讨论的很好的反应器,由其设计方程可推得,rAfv CA0XAfXAiV通过转变 v0 或 CA0 进行一系列的试验,可以得到一系列的表 1 全混流反应器动力学试验数据r Af,如表 1 所示；v0CA0XAiXAfCAf-rAf利用全混流反应器进行动力学求取方面的例题参见课件；对于给定的反应可比较全混流反应器和平推流反应器的优劣,对于单一反应,挑选反应器的标准主要是达到反应要求的条件所需反应器的大小,或者空时 的大小；如图3 所示,反应级数 n<0 时,全混流反应器优于平推流反应器,反应级数 n>0 时,平推流反应器优于全混流反应器,反应级数n=0 时,两种反应器成效相当；CA0CA0n<0 MFR 1CA 0n=0 MFR XA CA 0CA0XAn>0 ArMFR PFR PFR PFR XAi XAf XA X Ai XAf XAf XA 图 3 平推流反应器与全混流反应器对比五、小结 1. 全混流反应器的设计方程,VCA 0XAv 0rA恒容时可写作,名师归纳总结 VCA 0rCA第 14 页,共 15 页v 0A- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备rAf欢迎下载A0XAfXAi,由此可进行动力学数2. 利用全混流反应器的设计方程可得,v CV据的求取；3. 对于单一反应, 挑选反应器的标准主要是达到反应要求的条件所需反应器的大小,或者空时 的大小；反应级数 n<0 时,全混流反应器优于平推流反应器,反应级数 n>0 时,平推流反应器优于全混流反应器,反应级数 六、自测题n=0 时,两种反应器成效相当；1. 某液相反应A R 于 50下在间歇反应器中进行,反应物 A 转化 80需要 10min,假如同样条件下在全混流反应器中进行,达到同样的转化率需要的空时 不能确定；2. 完全混合反应器 （全混流反应器） 内物料的温度和浓度 均一,并且 等于 （大于/小于 /等于）反应器出口物料的温度和浓度；3.对于反应级数大于零的单一反应,全混流反应器与平推流反应器相比哪个更优. 平推流反应器；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页