化学反应器设计原理.ppt

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1、化学反应器设计原理化学反应器设计原理n n一、课程性质、目的与任务一、课程性质、目的与任务一、课程性质、目的与任务一、课程性质、目的与任务n n 化学反应器是化工工艺过程的核心，是工程化学反应器是化工工艺过程的核心，是工程化学反应器是化工工艺过程的核心，是工程化学反应器是化工工艺过程的核心，是工程n n设计和工业生产操作的关键。设计和工业生产操作的关键。设计和工业生产操作的关键。设计和工业生产操作的关键。n n 通过本课程的学习，了解几种典型反应器的基通过本课程的学习，了解几种典型反应器的基通过本课程的学习，了解几种典型反应器的基通过本课程的学习，了解几种典型反应器的基n n本特点，掌握反应器

2、的基本设计原则和计算方法本特点，掌握反应器的基本设计原则和计算方法本特点，掌握反应器的基本设计原则和计算方法本特点，掌握反应器的基本设计原则和计算方法n n，能够结合具体反应过程进行反应器的工程分析，能够结合具体反应过程进行反应器的工程分析，能够结合具体反应过程进行反应器的工程分析，能够结合具体反应过程进行反应器的工程分析n n和设计计算，为反应过程的工程设计和实际工业和设计计算，为反应过程的工程设计和实际工业和设计计算，为反应过程的工程设计和实际工业和设计计算，为反应过程的工程设计和实际工业n n反应器的优化操作奠定基础。反应器的优化操作奠定基础。反应器的优化操作奠定基础。反应器的优化操作奠

3、定基础。n n二、教学基本内容与基本要求二、教学基本内容与基本要求二、教学基本内容与基本要求二、教学基本内容与基本要求n n 阐述了阐述了阐述了阐述了釜式、管式、流化床釜式、管式、流化床釜式、管式、流化床釜式、管式、流化床等反应器的基本等反应器的基本等反应器的基本等反应器的基本n n特点、设计基本原则和计算方法；反应器的强度特点、设计基本原则和计算方法；反应器的强度特点、设计基本原则和计算方法；反应器的强度特点、设计基本原则和计算方法；反应器的强度n n、刚度、稳定性计算及结构设计等内容。要求能、刚度、稳定性计算及结构设计等内容。要求能、刚度、稳定性计算及结构设计等内容。要求能、刚度、稳定性计

4、算及结构设计等内容。要求能n n够根据具体反应过程进行反应器的工程分析和设够根据具体反应过程进行反应器的工程分析和设够根据具体反应过程进行反应器的工程分析和设够根据具体反应过程进行反应器的工程分析和设n n计计算，为未来实际工作和科研工作打下坚实的计计算，为未来实际工作和科研工作打下坚实的计计算，为未来实际工作和科研工作打下坚实的计计算，为未来实际工作和科研工作打下坚实的n n基础。基础。基础。基础。n n 第一章第一章 绪绪 论论n n本章要求：本章要求：本章要求：本章要求：n n一、了解化学反应器的三种操作方式和特点。一、了解化学反应器的三种操作方式和特点。一、了解化学反应器的三种操作方式

5、和特点。一、了解化学反应器的三种操作方式和特点。n n二、了解化学反应器的主要类型、结构和工作原二、了解化学反应器的主要类型、结构和工作原二、了解化学反应器的主要类型、结构和工作原二、了解化学反应器的主要类型、结构和工作原n n 理。理。理。理。n n 化工产品、医药产品（化学合成）等工业过程化工产品、医药产品（化学合成）等工业过程化工产品、医药产品（化学合成）等工业过程化工产品、医药产品（化学合成）等工业过程n n均采用化学均采用化学均采用化学均采用化学n n方法将原料方法将原料方法将原料方法将原料n n加工成为有加工成为有加工成为有加工成为有n n用的产品。用的产品。用的产品。用的产品。n

6、 n生产过程生产过程生产过程生产过程n n包括三个组成部分。包括三个组成部分。包括三个组成部分。包括三个组成部分。原料预处理过程原料预处理过程(物理、化学处理物理、化学处理)化学加工过程化学加工过程 (物质转化物质转化)反应产物分离、反应产物分离、提纯提纯(物理处理物理处理)目的产物目的产物副产物副产物原原 料料未反应原料未反应原料图图1.1典型的化学加工过程典型的化学加工过程n n 第一、三两部分属于单元操作的研究范围；第一、三两部分属于单元操作的研究范围；第一、三两部分属于单元操作的研究范围；第一、三两部分属于单元操作的研究范围；n n第二部分是化学反应工程的研究对象，是生产第二部分是化学

7、反应工程的研究对象，是生产第二部分是化学反应工程的研究对象，是生产第二部分是化学反应工程的研究对象，是生产n n过程的核心。过程的核心。过程的核心。过程的核心。n n1.1 化学反应工程化学反应工程 n n 1 1、化学反应工程的研究对象、化学反应工程的研究对象、化学反应工程的研究对象、化学反应工程的研究对象n n 化学反应工程主要包括两个方面的内容，即化学反应工程主要包括两个方面的内容，即化学反应工程主要包括两个方面的内容，即化学反应工程主要包括两个方面的内容，即n n反应动力学反应动力学反应动力学反应动力学和和和和反应器设计反应器设计反应器设计反应器设计分析。分析。分析。分析。n n 反应

8、动力学反应动力学反应动力学反应动力学研究化学反应进行的机理和速研究化学反应进行的机理和速研究化学反应进行的机理和速研究化学反应进行的机理和速n n率，获得反应器设计与操作所需的知识与信息。率，获得反应器设计与操作所需的知识与信息。率，获得反应器设计与操作所需的知识与信息。率，获得反应器设计与操作所需的知识与信息。n n如反应模式、速率方程及反应活化能等，其中速如反应模式、速率方程及反应活化能等，其中速如反应模式、速率方程及反应活化能等，其中速如反应模式、速率方程及反应活化能等，其中速n n率方程可表示为：率方程可表示为：率方程可表示为：率方程可表示为：n n 对于一定的反应物系而言，对于一定的

9、反应物系而言，对于一定的反应物系而言，对于一定的反应物系而言，r r 随时间、空间变随时间、空间变随时间、空间变随时间、空间变n n化。其中，化。其中，化。其中，化。其中，r r 为反应系统中某一组分的反应速率为反应系统中某一组分的反应速率为反应系统中某一组分的反应速率为反应系统中某一组分的反应速率n n，代表浓度的矢量，代表浓度的矢量，代表浓度的矢量，代表浓度的矢量，P P 为系统的总压。为系统的总压。为系统的总压。为系统的总压。n n 反应器设计反应器设计反应器设计反应器设计研究反应器内上述因素的变化研究反应器内上述因素的变化研究反应器内上述因素的变化研究反应器内上述因素的变化n n规律，

10、确定最优工况和适宜的反应器型式和尺寸规律，确定最优工况和适宜的反应器型式和尺寸规律，确定最优工况和适宜的反应器型式和尺寸规律，确定最优工况和适宜的反应器型式和尺寸n n。注意：前者研究反应本身的规律，与反应器内注意：前者研究反应本身的规律，与反应器内注意：前者研究反应本身的规律，与反应器内注意：前者研究反应本身的规律，与反应器内n n各局部的状况有关（从点上着眼）；后者的设计各局部的状况有关（从点上着眼）；后者的设计各局部的状况有关（从点上着眼）；后者的设计各局部的状况有关（从点上着眼）；后者的设计n n与分析则从面上（体上）着手。与分析则从面上（体上）着手。与分析则从面上（体上）着手。与分析

11、则从面上（体上）着手。n n2 2、化学反应的分类（反应工程学科）化学反应的分类（反应工程学科）化学反应的分类（反应工程学科）化学反应的分类（反应工程学科）n n 为了便于研究和应用，需将化学反应进行分为了便于研究和应用，需将化学反应进行分为了便于研究和应用，需将化学反应进行分为了便于研究和应用，需将化学反应进行分n n类。常见的化学反应分类、方法和种类见下表，类。常见的化学反应分类、方法和种类见下表，类。常见的化学反应分类、方法和种类见下表，类。常见的化学反应分类、方法和种类见下表，n n一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。一些可能同时属于两个或者

12、更多的反应种类。一些可能同时属于两个或者更多的反应种类。n n例如：例如：例如：例如：为气固相催化反应为气固相催化反应为气固相催化反应为气固相催化反应n n3 3、反应过程、反应过程、反应过程、反应过程n n 反应过程一般包括反应过程一般包括反应过程一般包括反应过程一般包括:n n 物理现象物理现象物理现象物理现象传递现象传递现象传递现象传递现象(热量、动量和能量传递热量、动量和能量传递热量、动量和能量传递热量、动量和能量传递n n 过程过程过程过程)；n n 化学现象化学现象化学现象化学现象化学反应；化学反应；化学反应；化学反应；n n 例如，利用氢气和氮气合成氨的反应包括下列例如，利用氢气

13、和氮气合成氨的反应包括下列例如，利用氢气和氮气合成氨的反应包括下列例如，利用氢气和氮气合成氨的反应包括下列n n过程：过程：过程：过程：氢气、氮气的加热；氢气、氮气的加热；氢气、氮气的加热；氢气、氮气的加热；氢气、氮气向催氢气、氮气向催氢气、氮气向催氢气、氮气向催n n化剂内外表面的扩散；化剂内外表面的扩散；化剂内外表面的扩散；化剂内外表面的扩散；氢气、氮气在催化剂表氢气、氮气在催化剂表氢气、氮气在催化剂表氢气、氮气在催化剂表n n面的吸附；面的吸附；面的吸附；面的吸附；氢气、氮气在催化剂表面的反应；氢气、氮气在催化剂表面的反应；氢气、氮气在催化剂表面的反应；氢气、氮气在催化剂表面的反应；n

14、n氢气、氮气、氨气在催化剂表面的解析；氢气、氮气、氨气在催化剂表面的解析；氢气、氮气、氨气在催化剂表面的解析；氢气、氮气、氨气在催化剂表面的解析；产产产产n n物的扩散；物的扩散；物的扩散；物的扩散；产物的冷却。产物的冷却。产物的冷却。产物的冷却。n n4 4、化学反应工程的作用、化学反应工程的作用、化学反应工程的作用、化学反应工程的作用n n 在化学产品生产和加工过程的开发、反应器在化学产品生产和加工过程的开发、反应器在化学产品生产和加工过程的开发、反应器在化学产品生产和加工过程的开发、反应器n n的设计、放大起着重要的作用。运用化学反应工的设计、放大起着重要的作用。运用化学反应工的设计、放

15、大起着重要的作用。运用化学反应工的设计、放大起着重要的作用。运用化学反应工n n程知识可以：程知识可以：程知识可以：程知识可以：n n 提高反应器的放大倍数，减少试验次数和开发提高反应器的放大倍数，减少试验次数和开发提高反应器的放大倍数，减少试验次数和开发提高反应器的放大倍数，减少试验次数和开发n n 周期；周期；周期；周期；n n 对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产对现有反应装置操作工况进行优化，提高生产n n 效率；效率；效率；效率；n n开发环境优良的绿色生产路线和工艺。开发环境优良的绿色生产路线和工艺

16、。开发环境优良的绿色生产路线和工艺。开发环境优良的绿色生产路线和工艺。n n5 5、反应器的操作方式反应器的操作方式反应器的操作方式反应器的操作方式n n 间歇操作反应器、半间歇半连续操作反应器、间歇操作反应器、半间歇半连续操作反应器、间歇操作反应器、半间歇半连续操作反应器、间歇操作反应器、半间歇半连续操作反应器、n n连续操作反应器连续操作反应器连续操作反应器连续操作反应器。液体液体气体气体气体气体气体气体液体液体液体液体液体液体气体气体气体气体间歇式间歇式间歇式间歇式半连续式半连续式半连续式半连续式连续式连续式连续式连续式n n1.21.2 化学反应器的类型化学反应器的类型化学反应器的类型

17、化学反应器的类型n n 反应器的类型很多，按工作原理来分反应器的类型很多，按工作原理来分反应器的类型很多，按工作原理来分反应器的类型很多，按工作原理来分，可分可分可分可分n n为以下几种类型。为以下几种类型。为以下几种类型。为以下几种类型。n n(1)(1)管式反应器管式反应器管式反应器管式反应器n n 特点：反应特点：反应特点：反应特点：反应n n器的长度远大于器的长度远大于器的长度远大于器的长度远大于n n内径、且内部无内径、且内部无内径、且内部无内径、且内部无n n零部件。零部件。零部件。零部件。n n应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：n n多用于多用于多用于多用于均相反应均相反应

18、均相反应均相反应过程。过程。过程。过程。原料原料原料原料产物产物产物产物原料原料原料原料产物产物产物产物原料原料原料原料原原原原料料料料管式反应器管式反应器管式反应器管式反应器n n(2)(2)釜式反应器釜式反应器釜式反应器釜式反应器n n 特点：特点：特点：特点：高度与直径比高度与直径比高度与直径比高度与直径比n n约为约为约为约为2-32-3内设搅拌装置和内设搅拌装置和内设搅拌装置和内设搅拌装置和n n档板。档板。档板。档板。n n 应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：均相、多均相、多均相、多均相、多n n相反应相反应相反应相反应过程均可。过程均可。过程均可。过程均可。n n(3)(3

19、)塔式反应器塔式反应器塔式反应器塔式反应器n n 特点：特点：特点：特点：高度远大于直径，高度远大于直径，高度远大于直径，高度远大于直径，n n内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积。内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积。内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积。内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积。n n 应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：用于用于用于用于多相反应多相反应多相反应多相反应过程。过程。过程。过程。液体液体气体气体产物产物产物产物釜式反应器釜式反应器釜式反应器釜式反应器填料塔反应器填料塔反应器喷雾塔反应器喷雾塔反应器板式塔反应器板式塔反应器n n(4)(4)固定床固定床固

20、定床固定床反应器反应器反应器反应器n n 特点：特点：特点：特点：底层内部装有底层内部装有底层内部装有底层内部装有n n不动的固体颗粒，固体不动的固体颗粒，固体不动的固体颗粒，固体不动的固体颗粒，固体n n颗粒可以是催化剂或是颗粒可以是催化剂或是颗粒可以是催化剂或是颗粒可以是催化剂或是n n反应物反应物反应物反应物 。n n 应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：用于用于用于用于多相多相多相多相n n反应反应反应反应系统。系统。系统。系统。n n(5)(5)流化床流化床流化床流化床反应器反应器反应器反应器n n 特点：特点：特点：特点：反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬反应过程中反应器内部有

21、固体颗粒的悬反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬反应过程中反应器内部有固体颗粒的悬n n浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能。浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能。浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能。浮和循环运动，提高反应器内液体的混合性能。固定床鼓泡反应器固定床鼓泡反应器n n应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：多相反应多相反应多相反应多相反应体系体系体系体系n n，可以提高传热速率。，可以提高传热速率。，可以提高传热速率。，可以提高传热速率。n n(6)(6)移动床移动床移动床移动床反应器反应器反应器反应器n n 特点：特点：特点：特点：固体颗粒固体颗粒固体颗粒固体颗粒n

22、n自上而下作定向移动自上而下作定向移动自上而下作定向移动自上而下作定向移动n n与反应流体逆向接触。与反应流体逆向接触。与反应流体逆向接触。与反应流体逆向接触。n n应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：n n用于用于用于用于多相体系多相体系多相体系多相体系，催化剂可以连续再生。，催化剂可以连续再生。，催化剂可以连续再生。，催化剂可以连续再生。n n(7)(7)滴流床滴流床滴流床滴流床反应器反应器反应器反应器n n 特点：特点：特点：特点：是固定反应器的一种，但反应物还包括是固定反应器的一种，但反应物还包括是固定反应器的一种，但反应物还包括是固定反应器的一种，但反应物还包括流化床反应器流化床

23、反应器流化床反应器流化床反应器移动床反应器移动床反应器移动床反应器移动床反应器n n包括气液两种。包括气液两种。包括气液两种。包括气液两种。n n应用范围：应用范围：应用范围：应用范围：属于固定床的属于固定床的属于固定床的属于固定床的n n一种，用于使用固体催化一种，用于使用固体催化一种，用于使用固体催化一种，用于使用固体催化n n剂的剂的剂的剂的气液反应气液反应气液反应气液反应过程过程过程过程 。n n (8)(8)交流交流交流交流磁场流化床磁场流化床磁场流化床磁场流化床反应器反应器反应器反应器n n 特点：特点：特点：特点：床内的固体颗粒床内的固体颗粒床内的固体颗粒床内的固体颗粒n n在在

24、在在交流交流交流交流磁场作用下做旋转运磁场作用下做旋转运磁场作用下做旋转运磁场作用下做旋转运n n动，进入床内液体中的离子动，进入床内液体中的离子动，进入床内液体中的离子动，进入床内液体中的离子n n做不规则的螺旋运动，可以极大地提高反应速做不规则的螺旋运动，可以极大地提高反应速做不规则的螺旋运动，可以极大地提高反应速做不规则的螺旋运动，可以极大地提高反应速n n率。率。率。率。滴流床反应器滴流床反应器磁场流化床反应器磁场流化床反应器固定床固定床旋转床旋转床磁磁固定固定床床n n第二章第二章第二章第二章 釜式反应器釜式反应器釜式反应器釜式反应器n n本章要求：本章要求：本章要求：本章要求：n

25、n一、一、一、一、熟练掌握等温间歇釜式反应器反应时间和体熟练掌握等温间歇釜式反应器反应时间和体熟练掌握等温间歇釜式反应器反应时间和体熟练掌握等温间歇釜式反应器反应时间和体n n 积的计算积的计算积的计算积的计算（单一反应、平行与连串反应）（单一反应、平行与连串反应）（单一反应、平行与连串反应）（单一反应、平行与连串反应）；n n二、二、二、二、熟练掌握连续釜式反应器反应时间和体积的熟练掌握连续釜式反应器反应时间和体积的熟练掌握连续釜式反应器反应时间和体积的熟练掌握连续釜式反应器反应时间和体积的n n 计算；计算；计算；计算；n n三、三、三、三、掌握连续釜式反应器的串联和并联；掌握连续釜式反应

26、器的串联和并联；掌握连续釜式反应器的串联和并联；掌握连续釜式反应器的串联和并联；n n四、四、四、四、掌握釜式反应器中平行与连串反应选择性的掌握釜式反应器中平行与连串反应选择性的掌握釜式反应器中平行与连串反应选择性的掌握釜式反应器中平行与连串反应选择性的n n 分析，连接和加料方式的选择；分析，连接和加料方式的选择；分析，连接和加料方式的选择；分析，连接和加料方式的选择；n n五、五、五、五、了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。了解串联釜式反应器最佳体积的求取方法。n n 反应器设计的任务是确定进行化学反应的反应器设

27、计的任务是确定进行化学反应的反应器设计的任务是确定进行化学反应的反应器设计的任务是确定进行化学反应的最最最最n n佳操作条件佳操作条件佳操作条件佳操作条件和完成规定的生产任务所需的和完成规定的生产任务所需的和完成规定的生产任务所需的和完成规定的生产任务所需的反应器反应器反应器反应器n n体积和主要尺寸体积和主要尺寸体积和主要尺寸体积和主要尺寸。n n2.1 2.1 釜式反应器的物料衡算方程釜式反应器的物料衡算方程釜式反应器的物料衡算方程釜式反应器的物料衡算方程n n 反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：反应器设计的基本内容：n n 选择合适的反应器类型、确定最佳操

28、作条件、选择合适的反应器类型、确定最佳操作条件、选择合适的反应器类型、确定最佳操作条件、选择合适的反应器类型、确定最佳操作条件、n n计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺计算完成规定的生产任务所需的反应器体积（尺n n寸）。寸）。寸）。寸）。n n 基本方程基本方程基本方程基本方程:物料衡算物料衡算物料衡算物料衡算 描述浓度的变化规律描述浓度的变化规律描述浓度的变化规律描述浓度的变化规律能量衡算能量衡算能量衡算能量衡算 描述温度的变化规律描述温度的变化规律描述温度的变化规律描述温度的变化规律动量衡算动量衡

29、算动量衡算动量衡算描述压力的变化情况描述压力的变化情况描述压力的变化情况描述压力的变化情况n n注意：首先要选择控制体注意：首先要选择控制体注意：首先要选择控制体注意：首先要选择控制体,如果反应器内各处浓度如果反应器内各处浓度如果反应器内各处浓度如果反应器内各处浓度n n均一，衡算的控制体选择整个反应器。均一，衡算的控制体选择整个反应器。均一，衡算的控制体选择整个反应器。均一，衡算的控制体选择整个反应器。n n如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应如果反应区内存在两个或两个以上相态，反应n n体积内各点的反应物料

30、组成未必相同，这时只能体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能体积内各点的反应物料组成未必相同，这时只能n n选择微元体积作为控制体。选择微元体积作为控制体。选择微元体积作为控制体。选择微元体积作为控制体。n n 对于复杂反应，方程数将大大增多。对于复杂反应，方程数将大大增多。对于复杂反应，方程数将大大增多。对于复杂反应，方程数将大大增多。n n2.2 2.2 等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）n n 特点：分批装、卸；适用于不同品种和规格产

31、特点：分批装、卸；适用于不同品种和规格产特点：分批装、卸；适用于不同品种和规格产特点：分批装、卸；适用于不同品种和规格产n n品的生产，广泛用于精细化工产品、医药、助剂品的生产，广泛用于精细化工产品、医药、助剂品的生产，广泛用于精细化工产品、医药、助剂品的生产，广泛用于精细化工产品、医药、助剂n n等生产。等生产。等生产。等生产。n n 操作时间操作时间操作时间操作时间 =反应时间反应时间反应时间反应时间 +辅助时间（装辅助时间（装辅助时间（装辅助时间（装+卸卸卸卸+清洗）清洗）清洗）清洗）n n一、一、一、一、反应时间和体积的计算反应时间和体积的计算反应时间和体积的计算反应时间和体积的计算n

32、 n A A 关键组分关键组分关键组分关键组分n n （单一反应）（单一反应）（单一反应）（单一反应）n n 若整个反应器中浓度均一若整个反应器中浓度均一若整个反应器中浓度均一若整个反应器中浓度均一,将整个反应器作为将整个反应器作为将整个反应器作为将整个反应器作为n n控制体控制体控制体控制体,根据物料衡算方程有：根据物料衡算方程有：根据物料衡算方程有：根据物料衡算方程有：n n初值条件为：初值条件为：初值条件为：初值条件为：n n该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。该式可用于均相、多相，等温或非等温过程。n

33、n对于间歇反应器，由于对于间歇反应器，由于对于间歇反应器，由于对于间歇反应器，由于 ，若为均相则，若为均相则，若为均相则，若为均相则 （否则不行），反应时间可为：（否则不行），反应时间可为：（否则不行），反应时间可为：（否则不行），反应时间可为：n n设反应速率方程为设反应速率方程为设反应速率方程为设反应速率方程为 （不可逆反应），则（不可逆反应），则（不可逆反应），则（不可逆反应），则n n ，在等温下有，在等温下有，在等温下有，在等温下有:n n n n 当温度当温度当温度当温度T T 时，反应速率常数时，反应速率常数时，反应速率常数时，反应速率常数 k k ，导致达到规，导致达到规，导致

34、达到规，导致达到规n n定转化率所用的反应时间定转化率所用的反应时间定转化率所用的反应时间定转化率所用的反应时间 t t 。对于可逆放热反。对于可逆放热反。对于可逆放热反。对于可逆放热反n n应，是上面的结论仍然正确吗？应，是上面的结论仍然正确吗？应，是上面的结论仍然正确吗？应，是上面的结论仍然正确吗？n n注意注意注意注意:，与与与与 、无关；与无关；与无关；与无关；与 有关。有关。有关。有关。n n 与操作时间、单位时间内处理反应物料的与操作时间、单位时间内处理反应物料的与操作时间、单位时间内处理反应物料的与操作时间、单位时间内处理反应物料的n n体积体积体积体积 之间的关系为：之间的关系

35、为：之间的关系为：之间的关系为：n n 实际的反应器体积为：实际的反应器体积为：n n 沸腾或易发泡液体物料：沸腾或易发泡液体物料：n n 一般流体：一般流体：n n二、最优反应时间二、最优反应时间二、最优反应时间二、最优反应时间n n 对于间歇釜式反应器，总操作时间可以表示对于间歇釜式反应器，总操作时间可以表示对于间歇釜式反应器，总操作时间可以表示对于间歇釜式反应器，总操作时间可以表示n n为：为：为：为：n n 当反应时间当反应时间当反应时间当反应时间 时，时，时，时，但，但，但，但 。n n而比值而比值而比值而比值 不总是增加的，存在最优值。如将不总是增加的，存在最优值。如将不总是增加的

36、，存在最优值。如将不总是增加的，存在最优值。如将n n目标函数定义为：目标函数定义为：目标函数定义为：目标函数定义为：n n通过求解通过求解通过求解通过求解 得最佳反应时间。得最佳反应时间。得最佳反应时间。得最佳反应时间。n n 2.32.3 等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）（复合反应）（复合反应）（复合反应）n n一、平行反应一、平行反应一、平行反应一、平行反应n n 在等温间歇反应器中，设进行的反应为一级平在等温间歇反应器中，设进行的反应为一级平在等温间歇反应器中，设进行的反应为一级平在等温间歇反应器中，设进行的反

37、应为一级平n n行反应：行反应：行反应：行反应：P P 为目的产物为目的产物为目的产物为目的产物n n 根据物料衡算可以得到：根据物料衡算可以得到：根据物料衡算可以得到：根据物料衡算可以得到：Q Q为副产物为副产物为副产物为副产物n n 其中只有两个独立反应。对于均相，恒容过其中只有两个独立反应。对于均相，恒容过其中只有两个独立反应。对于均相，恒容过其中只有两个独立反应。对于均相，恒容过n n程方程进一步变为：程方程进一步变为：程方程进一步变为：程方程进一步变为：n n 设初值条件为：设初值条件为：设初值条件为：设初值条件为：，n n则方程的解为则方程的解为则方程的解为则方程的解为:n n 将

38、将将将 代入上式得：代入上式得：代入上式得：代入上式得：；n n 反应物系的组成随时间的变化关系如图反应物系的组成随时间的变化关系如图反应物系的组成随时间的变化关系如图反应物系的组成随时间的变化关系如图2-12-1所所所所n n示，由图可见，示，由图可见，示，由图可见，示，由图可见，n n 因为两个反应均因为两个反应均因为两个反应均因为两个反应均n n是一级反应，于是有：是一级反应，于是有：是一级反应，于是有：是一级反应，于是有：n n 由于由于由于由于 P P 是目的产物，是目的产物，是目的产物，是目的产物，n n为了得到更多的为了得到更多的为了得到更多的为了得到更多的P P，则，则，则，则

39、n n希望希望希望希望k k1 1 k k2 2。图图图图2-12-1 组成随时间的变化关系组成随时间的变化关系组成随时间的变化关系组成随时间的变化关系n n二、连串反应二、连串反应二、连串反应二、连串反应n n 设在等温间歇反应器中进行如下的连串反设在等温间歇反应器中进行如下的连串反设在等温间歇反应器中进行如下的连串反设在等温间歇反应器中进行如下的连串反n n应：应：应：应：n n 假设反应均为一级，根据物料衡算得：假设反应均为一级，根据物料衡算得：假设反应均为一级，根据物料衡算得：假设反应均为一级，根据物料衡算得：n n设初值条件为：设初值条件为：设初值条件为：设初值条件为：n n首先可以

40、解出：首先可以解出：首先可以解出：首先可以解出：n n将该式带入方程，有：将该式带入方程，有：将该式带入方程，有：将该式带入方程，有：n n解方程得解方程得解方程得解方程得：n n 反应物系组成随时间的变化关系如图反应物系组成随时间的变化关系如图反应物系组成随时间的变化关系如图反应物系组成随时间的变化关系如图2-22-2所示，所示，所示，所示，n n如果如果如果如果 P P是目的产物，其值有最优解。通过是目的产物，其值有最优解。通过是目的产物，其值有最优解。通过是目的产物，其值有最优解。通过 对时对时对时对时n n间求导，可以得到：间求导，可以得到：间求导，可以得到：间求导，可以得到：n n如

41、果如果如果如果 ，则，则，则，则:图图图图2-2 2-2 连串反应组分随时间的变化关系连串反应组分随时间的变化关系连串反应组分随时间的变化关系连串反应组分随时间的变化关系n n2.4 2.4 连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的反应体积连续釜式反应器的反应体积n n 连续釜式反应器：基本在定态下操作，物料有连续釜式反应器：基本在定态下操作，物料有连续釜式反应器：基本在定态下操作，物料有连续釜式反应器：基本在定态下操作，物料有n n进有出。进有出。进有出。进有出。n n一、连一、连一、连一、连续釜式反应器的特点续釜式反应器的特点续釜式反应器的特点续釜式反应器的特点n

42、n 反应器的参数不随时间变化，不存在时间自反应器的参数不随时间变化，不存在时间自反应器的参数不随时间变化，不存在时间自反应器的参数不随时间变化，不存在时间自n n变量，也没有空间自变量，变量，也没有空间自变量，变量，也没有空间自变量，变量，也没有空间自变量，n n多用于液相反应，恒容操多用于液相反应，恒容操多用于液相反应，恒容操多用于液相反应，恒容操n n作出口处的作出口处的作出口处的作出口处的C C、T T 反应器内反应器内反应器内反应器内n n的的的的C C、T T 相同。相同。相同。相同。n n根据物料衡算方程得根据物料衡算方程得根据物料衡算方程得根据物料衡算方程得:图图2-3 连续釜式

43、反应器连续釜式反应器 n n 对于一级反应：对于一级反应：对于一级反应：对于一级反应：n n 对于恒容过程，有对于恒容过程，有对于恒容过程，有对于恒容过程，有 ，即，即，即，即n n ，由此得到：，由此得到：，由此得到：，由此得到：n n注意：注意：注意：注意：反应器内反应器内反应器内反应器内C C、T T 恒定，内部各点处的反恒定，内部各点处的反恒定，内部各点处的反恒定，内部各点处的反n n应速率相同，应速率相同，应速率相同，应速率相同，连连连连续釜式反应器是等速反应器。续釜式反应器是等速反应器。续釜式反应器是等速反应器。续釜式反应器是等速反应器。n n当同时进行多个反应时，只要进、出口组成

44、和当同时进行多个反应时，只要进、出口组成和当同时进行多个反应时，只要进、出口组成和当同时进行多个反应时，只要进、出口组成和n nQ QOO已知，就可以针对一个组分求出反应体积已知，就可以针对一个组分求出反应体积已知，就可以针对一个组分求出反应体积已知，就可以针对一个组分求出反应体积V Vr r。n n二、两个重要的物理量二、两个重要的物理量二、两个重要的物理量二、两个重要的物理量空时、空速空时、空速空时、空速空时、空速n n(1)(1)空时空时空时空时 衡量生产能力（对连续反应器而言）衡量生产能力（对连续反应器而言）衡量生产能力（对连续反应器而言）衡量生产能力（对连续反应器而言）n n 其定义

45、为：其定义为：其定义为：其定义为：n n ，生产能力，生产能力，生产能力，生产能力 ；，生产能力，生产能力，生产能力，生产能力 。（比较时（比较时（比较时（比较时n nQ QO O 应在相同的应在相同的应在相同的应在相同的T T，P P下求得，即在同一基准下进行下求得，即在同一基准下进行下求得，即在同一基准下进行下求得，即在同一基准下进行n n比较比较比较比较)n n(2)(2)空速空速空速空速 单位反应体积、单位时间内所处理的单位反应体积、单位时间内所处理的单位反应体积、单位时间内所处理的单位反应体积、单位时间内所处理的n n物料量可表示为空时的倒数，即：物料量可表示为空时的倒数，即：物料量

46、可表示为空时的倒数，即：物料量可表示为空时的倒数，即：n n s s 时，生产能力时，生产能力时，生产能力时，生产能力。n n比较基准比较基准比较基准比较基准“标准情况下的体积流量标准情况下的体积流量标准情况下的体积流量标准情况下的体积流量”，对于有固体，对于有固体，对于有固体，对于有固体n n催化剂参与的反应，催化剂参与的反应，催化剂参与的反应，催化剂参与的反应，用催化剂空速（往往以催化用催化剂空速（往往以催化用催化剂空速（往往以催化用催化剂空速（往往以催化n n剂质量或体积衡量）。剂质量或体积衡量）。剂质量或体积衡量）。剂质量或体积衡量）。n n2.5 2.5 连续釜式反应器的串联与并联连

47、续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联n n 实际生产中，将会遇到使用多个釜式反应器实际生产中，将会遇到使用多个釜式反应器实际生产中，将会遇到使用多个釜式反应器实际生产中，将会遇到使用多个釜式反应器n n的问题。如何的问题。如何的问题。如何的问题。如何n n联接使用是需联接使用是需联接使用是需联接使用是需n n要解决的问题，要解决的问题，要解决的问题，要解决的问题，n n基本原则是应基本原则是应基本原则是应基本原则是应n n尽可能使反应尽可能使反应尽可能使反应尽可能使反应n n器的总体积最小。器的总体积最小。器的总体积最小。器的总体积最小。正常动力学正常动

48、力学反常动力学反常动力学图图2-4 釜式反应器的体积比较釜式反应器的体积比较 n n 根据根据根据根据 可知：可知：可知：可知：越大，则体越大，则体越大，则体越大，则体n n积越大；反之则越小。由图中看出，对于正常动积越大；反之则越小。由图中看出，对于正常动积越大；反之则越小。由图中看出，对于正常动积越大；反之则越小。由图中看出，对于正常动n n力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使用力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使用力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使用力学，多釜串联有利；对于反常动力学，则使用n n单釜有利，如使用多釜，单釜有利，如使用多釜，单釜有利，如使用多釜，单釜有利，如

49、使用多釜，n n采用并联的方式。采用并联的方式。采用并联的方式。采用并联的方式。n n 对于釜式反应器对于釜式反应器对于釜式反应器对于釜式反应器n n的并联，如图所示。的并联，如图所示。的并联，如图所示。的并联，如图所示。n n操作中加入每个反操作中加入每个反操作中加入每个反操作中加入每个反n n应器中物料量的分应器中物料量的分应器中物料量的分应器中物料量的分n n配按下列方法进行。配按下列方法进行。配按下列方法进行。配按下列方法进行。图图2-5 并联的釜式反应器并联的釜式反应器 n n 通常可以采取通常可以采取通常可以采取通常可以采取 ，这时整个反应系统，这时整个反应系统，这时整个反应系统，

50、这时整个反应系统n n最优。即要：最优。即要：最优。即要：最优。即要：n n这时有：这时有：这时有：这时有：n n一、串联釜式反应器的计算一、串联釜式反应器的计算一、串联釜式反应器的计算一、串联釜式反应器的计算n n 假设假设假设假设N N个串联的釜式反应器如下图所示。通过个串联的釜式反应器如下图所示。通过个串联的釜式反应器如下图所示。通过个串联的釜式反应器如下图所示。通过n n对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。对每个釜进行物料衡算，得到系统的计算方程。n n 针对一级不可逆反应进行计算（其它级数反针对