页数：36页文件大小：1.44 MB来源： 化学反应工程ppt课件
本课件为第三章理想流动反应器。先建立流动模型与返混、年龄、寿命等概念，对比三类反应器的特性与反应推动力，再给出物料衡算、热量衡算与动量衡算三类基本方程，最后分别推导间歇、平推流与全混流反应器的设计计算式。
第三章讨论理想流动反应器，包括间歇反应器、平推流反应器与全混流反应器三类。
本章以流动模型为核心，建立反应器设计的基本方程并进行体积与时间的计算。
反应器中的流动状况影响反应结果，需要用数学模型描述。
图中 (a)(b)(c) 分别对应三种反应器构型，以原课件图片为准。
间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)，主要组成如下。
特点：反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间。
平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)，又称活塞流模型或理想置换模型。
该反应器由一根管子构成，反应介质在管内流动，是连续操作系统中最简单的结构；加热或移热一般通过管壁进行。
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动。
特点：沿物料流动方向温度、浓度不断变化；垂直于流动方向的任一截面上温度、浓度、压力、流速都相同，所有物料质点具有相同的停留时间，反应器中不存在返混。
全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)，又称连续搅拌槽式反应器或理想混合反应器。
该反应器由配备搅拌系统、进料管与出料管的釜体构成；假定釜内任一点的浓度、温度等强度性质具有相同数值，并连续进料、连续出料以移出含产物的反应混合物。
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。
特点：反应器内所有空间位置的物料参数都均匀，且等于出口处物料性质；物料质点的停留时间参差不齐，有的很长、有的很短，形成停留时间分布。
反应器特性分析
| 项目 | BSTR 间歇搅拌反应器 | PFR 平推流反应器 | CSTR 全混流反应器 |
|---|---|---|---|
| 投料 | 一次加料（起始） | 连续加料（入口） | 连续加料（入口） |
| 年龄 | 年龄相同（某时） | 年龄相同（某处） | 年龄不同 |
| 寿命 | 寿命相同（中止） | 寿命相同（出口） | 寿命不同（出口） |
| 返混 | 全无返混 | 全无返混 | 返混极大 |
| 反应器 | 反应推动力 |
|---|---|
| 间歇搅拌反应器 BSTR | 反应推动力随反应时间逐渐降低 |
| 平推流反应器 PFR | 反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低 |
| 全混流反应器 CSTR | 反应推动力不变，等于出口处反应推动力 |
非理想流动模型：偏离平推流的情况主要有
非理想流动模型：偏离全混流的情况主要有
这些非理想因素使实际停留时间分布偏离理想全混流的指数分布，从而影响最终转化率与目的产物的选择性。
流动状况对化学反应的影响，由物料停留时间不同所造成。
3-2 反应器设计的基本方程：反应器设计的基本内容包括
反应器设计的基本方程包括
物料衡算方程：某组分流入量 = 某组分流出量 + 某组分反应消耗量 + 某组分累积量。
| 反应器类型 | 反应单元 | 累积量 | 反应量 | 流出量 | 流入量 |
|---|---|---|---|---|---|
| 间歇式 | 整个反应器 | √ | √ | 0 | 0 |
| 平推流（稳态） | 微元长度 | 0 | √ | √ | √ | 全混釜（稳态） | 整个反应器 | 0 | √ | √ | √ |
| 非稳态 | — | √ | √ | √ | √ |
本表依据源文件「累积量/反应量/流出量/流入量」的符号顺序还原，勾选符号对应原课件的√标记。
热量衡算方程：带入的热焓 = 带出的热焓 + 反应热 + 热量的累积 + 传给环境的热量。
| 反应器类型 | 反应单元 | 累积量 | 反应热 | 带出量 | 带入量 |
|---|---|---|---|---|---|
| 间歇式 | 整个反应器 | √ | √ | 0 | 0 |
| 平推流（稳态） | 微元长度 | 0 | √ | √ | √ |
| 全混釜（稳态） | 整个反应器 | 0 | √ | √ | √ |
| 非稳态 | — | √ | √ | √ | √ |
原文另标注「传给环境的热量」一项，各工况取值未明确，表中未列，建议对照原图确认。
动量衡算方程：气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为简化计算，常采用估算法。
对于液相反应或压降较小的气相反应，动量衡算通常可以忽略，反应器按等压处理。
3-3 间歇反应器
特点
优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，如精细化工产品。缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定。
对整个反应器进行物料衡算：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量，其中流入量与流出量均为 0。
因此：单位时间内反应量 = 单位时间内消失量。对等容液相过程，可由此得到反应时间与浓度的关系。
本页给出 1/rA—xA 与 1/rA—CA 的图解积分示意，具体图线以原课件为准。
间歇反应器中的单反应：反应速率分别取 rA=kCA（一级）与 rA=kCA2（二级）两种情形进行积分求解。
积分结果与曲线以原课件图片为准。
本页以图示方式给出间歇反应器中单反应的浓度—时间关系与积分结果。不同反应级数对应的浓度—时间曲线形状不同，可用于由实验数据判别反应级数。
源文件未提取到图中的数值与算式，建议对照原图补充。
反应后期速度很小，并可能出现反应机理的变化。
3-4 平推流反应器
特点
对微元长度作物料衡算：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量（稳态时累积量为 0）。
由此得到平推流反应器的基本设计方程。
算式以原课件图片为准。
二、等温平推流反应器的计算：在等温条件下对平推流反应器进行设计计算，由动力学方程积分求取达到规定转化率所需的反应体积。
具体算式以原课件图片为准。
本页延续等温平推流反应器的计算，给出图解积分形式与反应体积的求取方法。图解积分适用于动力学方程难以解析积分的情形，可由实验测定的速率数据直接求取所需反应体积。
具体图示与算式以原课件图片为准。
3-5 全混流反应器：反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。
对整个反应器作物料衡算：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量（稳态时累积量为 0）。进口中已含有组分 A 时需在衡算式中计入。
全混流反应器 τ 的图解积分：由于釜内浓度恒为出口浓度，1/rA—CA 图上的积分面积为一矩形，可直接写出停留时间与浓度的关系。
图示以原课件图片为准。
平推流反应器与全混流反应器的比较：在相同进料与相同最终转化率下，全混流反应器所需体积大于平推流反应器，原因是全混流的反应推动力始终等于出口处的低推动力。
三种理想反应器的特点及其基本方程的建立，作业：3-2、3-4、3-5。
要求
作业
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