均相反应动力学和理想反应器.ppt

第一章 均相反应动力学和理想反应器,学习目的,了解反应程度、转化率、化学反应速率、化学动力学方程等基本知识；了解反应器设计的基本概念及基础方程；了解理想反应器在非等温条件下的设计、组合；掌握化学反应动力学方程的建立及应用;掌握等温条件下间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的设计。,学习重点与难点,总反应速率与组分的生成速率的关系；单一和复合反应的动力学特点及其动力学方程的建立;等温条件下间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的设计。,Chapter 1 Chemical Kinetics of Homogenous Reactions&Ideal Reactor,第一节 基本概念,考察温度、反应组分、催化剂和压力对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。,化学组分：任意具有确定性质的化合物或元素；,均相反应：,气相均相反应、液相均相反应.,均相反应动力学:研究化学反应进行的机理和速率，以获得工业反应器设计与操作所需的动力学知识和信息，如反应模式、速率方程及反应活化能等。,由于参与化学反应的各组分均匀地处于同一相内，研究均相动力学时，就不计过程物理因素（三传）的影响。,一、化学计量方程,将反应物经过化学反应生成产物的过程用定量关系式进行描 述。,化学计量方程表示的是反应物、生成物在化学反应过程中量的变化关系。,注意：貌似方程式，其实并非方程式。,1、化学反应式,2、化学计量方程,1）只表示反应过程中参与反应组分间量的变化关 系，与反应的历程无关；,化学计量方程特点：,2）将计量方程乘以非零常数以后，可得到一个新 的计量方程，不会改变组分之间量的 变化关系；为了消除计量系数在数值上的这种不 确定性，规定计量系数之间不应含有除1以外的 任何公因子。,二、反应程度,反应初始量：nA0 nB0.nR0 nS0,反应终态量：nA nB.nR nS,生成量：nA-nA0 nB-nB0.nR-nR0 nS-nS0,注意：反应程度是一个函数，其值随时间变化而变化；反应程度是一个累积量，其数值恒为正；是一广延性质的量，与体系的量有关。（将某一均相系统人为地划分为若干部分，如果某一性质与其中所含物质的量成正比，则称为广延性质，也称为容量性质。）,任何反应组分的反应量与其化学计量系数之比值，也称为化学反应进度.,反应程度,(ksi 克西),三、转化率,3、针对不同的反应物，计算出来的转化率不一样。,某组分反应（转化）的分率。,注意：,1、目前普遍使用关键组分的转化率来表示反应进行的程度；,2、关键组分只针对反应物而言；,4、计算转化率的基准，也即初始状态的选择问题。连续反应器：进口处的状态；间歇反应器：开始反应时的状态；串联反应器：进入第一个反应器的原料为准，而不是以各反应器各自的进 料组成为基准，这样有利于计算和比较。,单程转化率和全程转化率物料循环的必要性 例如：合成氨、合成甲醇等。单程转化率：原料通过反应器一次达到的转化率（以反应器进口物料为基准）；,全程转化率：,新鲜原料进入反应系统到离开系统所达到的转化率（以新鲜原料为基准）,全程转化率=12-15%,转化率和反应进度之间的关系：,任意组分在某时刻的摩尔数与组成之间的关系：,四、化学反应速率,由于反应的持续进行，故反应物不断减少，产物不断增多，各组分量随时间是变化的，所以反应速率是指某一瞬间状态下的“瞬时反应速率”。,反应程度是一个广度量，不能代表速度。,单位反应物系中反应程度随时间的变化率为反应速度。,反应速率：,在反应系统中，在单位反应时间内，单位反应区中反应物的反应量或产物的生成量（浓度、分压、摩尔数）。,注意：,五、反应动力学方程,描述反应速率与影响反应速率的因素之间的函数关系式，也称为速率方程。,均相反应：,（温度效应*浓度效应）,对于不可逆反应过程：,体积反应速率常数,速率常数之间的互换,表面反应速率常数或质量反应速率常数,解：,考虑反应A3P，其动力学方程表为：,试推导在恒容下以总压p表示的动力学方程。,例(习题12):,反应分子数和反应级数：基元反应：反应物分子按化学反应式在碰撞中一步直接转化为生成物分子（化学反应的反应式能代表反应的真正过程）。非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经过几个基元反应才能转化成生成物分子的反应。反应级数：动力学方程式中浓度项的指数。基元反应：反应级数等于化学反应式计量系数：非基元反应：都是通过实验的进行确定的，一般不等于化学计量系数。,级数越大，该组分浓度的变化对反应速率的影响越显著；如果级数等于0，则说明该组分浓度变化对反应速率无影响；如果级数为负，则说明该组分浓度的增加，反而抑制了反应的进行，使反应速率下降。,反应级数的物理意义：,反应级数的大小反应了该组分浓度对反应速率的影响程度。,速率常数在数值上等于 时的反应速率，故又称为比反应速率。其值显著取决于温度的高低，其它因素如催化剂、总压、离子强度、溶剂等对的影响比温度对其影响要小得多，故假设仅为温度的函数。用Arrhenius方程来描述，即：活化能的物理意义：活化能反应了温度对反应速率常数的影响程度。,活化能：将反应分子激发到可进行反应的“活化状态”所需要的能量。1、以 对1/T绘图，可得到一直线，直线斜率即-E/R。E越大，斜率越大，反之亦反；2、活化能越大，温度对反应速率常数影响越显著；3、对于给定反应，反应速率常数与温度的关系在低温时比高温时更敏感。,六、化学反应的分类,单一反应系统：一组特定的反应物反应生成一组特定的产物。复合反应过程：一组特定的反应物同时进行n个不同的单反应，生成n组不同的产物，也即在系统中发生2个或以上的化学反应过程，称该系统为复合反应（多重反应，复杂反应）。可逆反应过程：自催化反应过程：平行反应过程：连串反应过程：,动力学方程求解步骤：1）分解:将复合反应分解为若干个单一反应，并按单一反应过程求得各自的动力学方程；2）求和:在复合反应系统中，某一组分对化学反应的贡献通常用该组分的生成速率来表示。当该组分同时参与若干个单一反应时，该组分的生成速率应该是其在各个单一反应中的生成速率之和。,例：,对于复合反应，反应产物中有目的产物和副产物。转化率、目的产物的收率和选择率来评价反应程度和产物分布。收率：；选择率：注意:1、对于单一反应：Y=xA(关键组分)对于复杂反应：YxA2、收率也有单程和全程之分（循环物料系统）3、转化率xA只能说明总的结果，Y说明在转化的反应物生成目的产物的比例。,动力学方程：,等温恒容过程：,积分,单一不可逆反应：,常见的整数级数的动力学方程的积分结果（表1-1）,1）积分式左边为kt，右边由cA,cA0共同决定。当反应初始条件和反应结果不变的时候，如果反应速率常数以一倍数增加，则反应时间将以相同倍数下降。,2）当转化率xA确定之后，反应时间与初始浓度之间的关系和反应级数有关。,0级反应：t与cA0成正比；,1级反应：t与cA0无关；,2级反应：t与cA0成反比。,由于1级反应所需时间仅与转化率xA有关，而与初始浓度无关。因此，可以用改变初始浓度的方法来鉴别所考察的是否属于一级反应。,3）残余浓度与时间的关系（转化率与时间的关系）,3）残余浓度与时间的关系（转化率与时间的关系）,对于1级或2级不可逆反应，在反应后期，cA下降速率（xA的上升速率）相当缓慢，高转化率或低残余浓度会使反应所需时间大幅度地增长。,3）残余浓度与时间的关系（转化率与时间的关系）,0级反应：cA随t直线下降；,1级反应：cA随t缓慢下降；,2级反应：cA随t缓慢下降。,第二节 动力学方程的建立方法,动力学方程的建立是以实验数据为基础的，实验室反应器可以是间歇操作的，也可以是连续操作的。液相均相反应大多采用间歇反应器。动力学方程建立步骤：1）在固定温度下，测定不同时刻的浓度，得到，确定反应级数和这个温度的反应速率常数；2）变化温度，测定不同温度下的速率常数，得到 的关系，然后得到活化能E和指前因子。实验数据的处理方法可以采用积分法和微分法。,1、积分法,3）以ti为横坐标，f(ci)为纵坐标，作图。如果得到过原点的直线，则说明所 假设的动力学方程是正确的，直线斜率为反应动力学常数k。否则，再重新假设另一动力学方程，再重复上述步骤，加以检验。,1）首先根据对该反应的初步认识，先假设一个不可逆反应动力学方程，如：(-rA)=kf(ci)，经过积分运算后得到f(ci)=kt的关系式，例如前面得到的0级、1、2级积分式；,2）将实验得到的ti下的ci数据代入f(ci)的函数中，得到各ti下的f(ci)数据；,如果要求取反应活化能，则再选取若干温度，重复以上步骤，求得不同温度下的反应动力学常数k，根据Arrhenius方程求取。,已知：,求：速率方程。,醋酸和丁酯的初始浓度分别为0.2332和1.16kmol/m3。测得不同时间下醋酸转化量如下表所示：,等温条件下进行醋酸（A）和丁醇（B）的酯化反应：,例1-1：,解：积分法求解。1）假设速率方程并积分。虽然所给反应为可逆反应，但由于题目中数据均为醋酸转化率较低时的数据，故可忽略逆反应的影响；同时，在反应过程中，丁醇浓度可视为不变，丁醇又大量过剩，故假设正反应速率方程为：,2）求得ti对应的f(ci)数据；,3）以tif(ci)作图。,若要求反应的活化能E及指前因子k0，则需要改变温度，再重复上述步骤，再根据：,求得E及k0。,2、微分法1）首先根据实验数据，进行数值或图解微分，得到反应速率；2）将不可逆反应速率方程线性化，如：两边取对数得：3）以 为横坐标，为纵坐标，作图，所得直线的斜率即为反应级数，截距为，从而求得反应级数和速率常数的值。,可逆反应：,用符号表示为：,例：,由实验数据归纳出其动力学方程式为：,可见其为一非基元反应，若实验开始时，没有HBr存在，利用下表数据，,建立动力学方程。,求：动力学方程,已知:,求：速率方程。,解：微分法求解。,1)首先根据实验数据，进行数值或图解微分，得到反应速率(-rA)，为已知数据；,2)将不可逆反应速率方程线性化：,设动力学方程式为：,3)以lncA为横坐标，ln(-dcA/dt)为纵坐标，作图,可得q=1.35，此即总反应级数。,注意：该法只有当速率仅为一个反应物浓度的函数时，才适用。然而，用过量法也可以决定反应速率与各反应物浓度之间的关系。,3、最小方差解析法,线性回归,非线性回归,速率方程取决于多个组分浓度，且不能用过量法求解的情况。,搜寻这些参数值，使测量反应速率与计算反应速率的方差和最小。,有三个以上参数时，常用若干次测量数据来求取速度方程的最佳值。,第三节、反应器设计基础,3、计算完成规定的生产任务（给定产量等）所需的反应器体积（尺寸）最终的目标是经济效益最大。(不仅仅针对反应系统，应该包括整个过程),反应器开发的任务,1、选择合适的反应器类型（依据：化学反应动力学特性）；,2、确定最佳的操作条件（结合动力学和反应器特性）；,一、反应器的分类 反应器：在工业上发生化学反应过程的装置。,这两部分物料的组成是相同的，混合后形成的新物料其组成必然与原物料的组成相同。这种混合不会影响反应过程的进行。,从本质上讲，反应器类型不影响反应动力学特性。但是，不同类型反应器内，流体流动状况不一样。,简单混合：相互混合的两部分物料是在相同时间进入反应器的。,返混：流动反应器内，处于不同进料时间的两股物料之间发生的混合。,由于物料在反应器内的停留时间不同，则反应程度不同，二者的组成也不相同，混合后形成的新物料其组成将与原物料的组成不同，化学反应速率也将随之发生变化。,与正常通过反应器的物料相比，返混存在死角、短路/近路和回流等工程因素。,原因：,反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。,机械搅拌引起物料运动方向与主体流动方向相反；,存在一定程度的返混，但是物料返混程度介于平推流反应器与全混流反应器之间,按物料在反应器内返混情况进行分类：,间歇反应器,简单混合,间歇操作的充分搅拌的槽式反应器,理想置换反应器,平推流反应器或活塞流反应器,可有径向混合（简单混合），但无轴向混合（即无返混）,例如物料在管内流速较快的管式反应器。,全混流反应器,返混达最大值,连续操作，充分搅拌的槽式反应器,非理想流动反应器,物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模型分类如下：理想流动模型 流动模型 非理想流动模型 特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。,平推流模型全混流模型,所需反应器体积的计算：已知生产任务条件（原料量、原料组成及对产品的要求），通过设计计算，确定反应器的工艺尺寸（反应器直径、高度）；,二、反应器设计的基础方程,反应器的工艺设计包括两部分内容：,反应器设计计算所涉基础方程式：,反应器的校核计算：即有一给定的反应器（已知反应器大小），确定产品达到一定质量要求的前提下，能否完成产量；或保持一定产量时，质量是否合格。,动力学方程、物料衡算方程与热量衡算方程。,1、物料衡算方程,描述浓度的变化规律，针对的是体积元，在所选体积元中，物料温度和浓度必须是均匀的。在满足这个前提下，应尽可能使该体积元更大。,间歇反应,稳态连续,2、能量衡算,描述温度的变化规律。,温度对化学反应速率有着显著作用，为了确定某一时间每一点的温度和组成，必须将物料衡算方程和热量衡算方程结合起来。对反应器中的体积元进行热量衡算，有：,对于稳态操作，累积热为0，有；,对于稳态操作的绝热反应器，累积热为0，同时与外界无热交换，有：,即反应热完全用来升高或降低物料温度。,动量衡算（描述压力的变化情况）:,反应物料进行反应,达到所要求的转化率所需要的时间，也称反应持续时间。,三、几个时间概念,1、反应时间,主要用于间歇反应器，其中不包括装料、卸料、升温、降温等非反应的辅助时间。,2、停留时间 和平均停留时间,在反应器中，由于流动状态和化学反应的不同，物料微元体在反应器中的停留时间是各不相同的，存在一个分布，称为停留时间分布。,停留时间,流体微元从反应器入口到出口所经历的时间，又称为接触时间，主要用于连续流动反应器。,各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间。,平均停留时间,空间时间表示的是在进口条件下，处理一个反应器体积的流体所需要的时间。如 即表示每 可处理与反应器有效容积相等的物料量，反映了连续流动反应器的生产强度。但空间时间不是停留时间。,3、空间时间,反应器有效容积与流体特征体积流率（反应器入口温度及入口压力下，转化率为0时的体积流率）之比值。,空间时间为一人为规定的参量，可以作为过程的自变量，用空间时间可以方便地表示流动反应器的基本设计方程。,标准空速通常用于比较设备生产能力的大小。,4、空间速度,单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料标准体积：,为进口流体在标准状态下的体积流率。,空速和标准空速,对于气固相催化反应，空间速度的定义为：单位时间内，通过单位催化剂体积/质量的物料标准体积流率。,标准空速是在标准状况下测量的体积流率(液体：25；气体：0、一个大气压)；而空间时间是在进口条件下测量的体积流率。,气相,液相,标准空速可视为空间时间的倒数,标准空速不能视为空间时间的倒数,第四节、等温条件下理想反应器的设计分析,反应器设计计算所涉及到的基础方程，包括反应动力学方程、物料衡算方程及热量衡算方程，对于等温、恒压过程，只需要动力学方程结合物料衡算方程就够了。,间歇,平推流,全混釜,一、间歇反应器,(Batch Reactor，间歇操作的充分搅拌槽式反应器),1、定义及特点,常见的带有搅拌器的釜式反应器,通常设置有夹套或盘管以便加热或冷却釜内反应物料，控制反应温度。,反应物料一次性地投入反应器内，在反应过程中，不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到规定的转化率后，再全部放出反应物料。,间歇操作定义：,充分混合：,反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度和浓度）各处均一。,这种反应器广泛应用于液相反应，在液固反应中也有应用。,1)由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位 置的物料温度和浓度都相同；2)反应物料同时投加又同时取出，物料的停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；3)出料组成与反应器内物料的最终组成相同；4)为间歇操作，有辅助时间/非反应时间（投料、卸料、清洗及物料加热与冷却时间）整个操作时间=反应时间+辅助时间,间歇反应器特点:,存在非反应时间(投料、卸料、清洗及物料加热与冷却时间)；产物损失较大；操作费用高等。,BR缺点：,通常用于产值高、批量小的产物如药品和精细化工产品等的生产。,衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器有效容积（V）在dt时间内对A作物料衡算：A流入量=A流出量+A反应量+A累积量,2、间歇反应器的设计方程,该式为间歇反应器设计计算的通式，可用于均相、多相，等温或非等温过程。对于间歇反应器恒容过程，由于dV=0，若为均相：,由上式，只要已知反应动力学方程就能计算反应时间。一般采用数值积分或图解法。已知动力学数据1/rAxA 曲线，然后求取xA0 xAf之间曲线下的面积即为t/CA0。同样也可作出 1/rAcA 曲线，然后求取cA0cAf之间曲线下 的面积即为反应时间t.,BR中，达到一定转化率所需反应时间，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关，故动力学方程常在间歇反应器内进行测定。,例：（P18例1-2）,由环氧乙烷水合反应间歇反应器数据确定速度常数k。将2kmol/m3的500ml的环氧乙烷水溶液与500ml含0.9%(质量分数)硫酸的水溶液混合，在55下进行反应，测定乙二醇浓度随反应时间的变化数据，如表：,由这些数据确定55的反应速度常数。水通常过量，可以认为水是常数，反应对环氧乙烷来说是1级。,例：解：该反应为等温液相反应，可以认为是恒容过程，设计计算式为：,由于水大量过量，任意时刻水浓度与初始浓度相同，所以速率方程与水浓度无关，故速率方程为：则速率方程为：,对于给定的生产任务（单位时间处理的原料量、原料组成、达到的产品要求及辅助生产时间、动力学方程等都已经给定），求出间歇反应器的体积。1)计算反应时间tr：2)计算反应一批料所需时间tt:tt=tr+t3)计算每批投料量：FA=FAtt4)计算反应器有效体积VR：VR=V0(tr+t),3、设计计算过程,5）计算反应器总体积 VR，反应器总体积应包括有效容积、分离空间、辅助部件等所占有的体积，通常，有效容积占总体积分率为0.60.85,该分率称为反应器装填系数，由生产时间决定。,1）已知：，求：能否满足处理量或产量FA的要求。A、计算：恒容：；变容：B、求 tr:C、计算反应一批料所需时间tt:tt=tr+tD、求处理量，看是否满足要求：,4、校核计算过程,2）已知：，求：出口组成cA能否满足要求。A、求单位时间处理的体积：V0=FA/cA0;B、求每批料所允许的总时间tt：;C、求相应的允许反应时间 tr：tr=tt-t;D、求 cA：E、将计算出的cA与生产任务要求的cA相比较，若计算出的cA小于生产任务要求的cA，则认为该反应器能满足要求。,某厂生产醇酸树脂是使用己二酸和己二醇以等摩尔比在70下，用间歇釜以硫酸为催化剂进行缩聚反应而生产的，实验测得反应动力学方程为：若每天处理2400kg己二酸，每批操作辅助生产时间为1小时，反应器填充系数为0.75，求：1）转化率分别为xA=0.5,0.6,0.8,0.9时，所需反应时间为多少？2）求转化率为0.8,0.9时，所需反应器体积为多少？,例：P21页例1-3,解：1）反应为液相等温过程，可按恒容过程来处理，故达到要求的转化率所需反应时间为：将转化率代入即可。xA=0.5:tr=2.10h;xA=0.6:tr=3.18h;xA=0.8:tr=8.5h;xA=0.9:tr=19.0h。由上述结果可见，随转化率的增加，所需反应时间急剧增加。因此，在确定最终转化率时应考虑到这种情况。,2)xA=0.8:tt=tr+t=9.5h,每小时己二酸进料量:,单位时间处理的物料体积为：,反应器有效容积：,实际反应器体积：,1、平推流反应器的定义和特性1）定义：通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，象活塞一样在反应器中向前推进，故又称为活塞流或平推流反应器。Piston Flow Reactor2）特性：A、物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化；B、任一载面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化；C、反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同，返混0,二、平推流反应器（理想置换反应器）,反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：微元体积dVR在单位时间内对A作物料衡算：A流入量 A流出量 A反应量 A累积量,2、平推流反应器的设计方程,若以下标0代表进入系统的物料转化率为0的状态，xA1代表进入该反应器时物料A的转化率，xA2代表离开该反应器时物料A的转化率，这样，上式就可一般表达为：对于恒容过程:,例：P23页例1-4,3、等温变容过程,液相均相反应,气相反应,反应前后，摩尔数相同,反应前后，摩尔数不同,但温度、压力保持不变,1)、膨胀因子定义：每转化1mol的A时反应混合物增加或减少的量为化学膨胀因子。,xA=0,nA0 nB0 nR0 nS0,xA,nA nB nR nS,注意：只涉及计量关系。,摩尔数增加;,等分子反应；,摩尔数减少.,例：计算下列反应的化学膨胀因子1.A+BP+S 2.AP+S 3.A+3B2P,2)、膨胀率(epsilon)定义：反应物A全部转化后系统体积的变化分率，即：,注意：不仅涉及到计量关系，还涉及到A组分的起始摩尔分数。,仅适用于物系体积随转化率变化呈线性关系的情况，即：,等温等压:,例2-7,3)、变容系统中参数之间的关系（组分浓度、摩尔分数、分压和反应速率与转化率之间的关系）,A,B,C,D,由此可得各级反应相应的积分式。,例：,常压、高温下氨在铁催化剂上分解，反应计量方程式为：,现有95%的氨和5%惰性气体原料进入反应器，在反应器出口处测得未分解的氨为3%，求氨的转化率及反应器出口处各组分的摩尔分数。,已知：,、,、,、,求：,解：,均相气相反应，其动力学方程为-rA=kcA，该过程在185，400kPa下在一平推流反应器中进行，其中k=10-2s-1。进料量FA0=30kmol/h，A原料含惰性气50%，为使反应器出口转化率达到80%，该反应器体积应为多大？已知：求：VR,例：P25例1-5,解：,在PFR中，由纯乙烷进料裂解制造乙烯，年生产能力为14万吨乙烯，反应为一不可逆1级反应，要求乙烷转化率达到80%，反应器在1100K等温、恒压400KPa下进行，已知反应活化能为347.3kJ/mol,1000K时,k=0.0725s-1.设计工业规模的管式反应器.,例：P26例1-6,求：VR,已知：,解：PFR设计方程:速率方程:,参数计算：,如果用内径为50毫米,长12米的管子并联,则管数应为:即使用一排112根直径50,长12米的管子并联.,4)、PFR平均停留时间PFR中，所有微元体中的停留时间都等于其平均停留时间。即：,在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即使得反应器内各处物料的温度、浓度都相同，反应器内流动状况接近全混流。,三、全混流反应器,(全混釜，连续流动充分搅拌槽式反应器，CSTR),1、定义及特性,全混流反应器是指反应器内物料流动状况符合全混流模型的反应器。,D、返混,2、特性,A、反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数。,B、物料参数不随时间而变化；,C、反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化。,优点：连续操作，不存在间歇操作所需要的辅助时间，可用于产量大的产品；定态操作，容易实现自动化控制，操作简单，节省人力；原料加入后，立即与釜内物料均匀混合，不存在热量积累而引起的局部过热，可适用于对温度敏感的化学反应，不会引起副反应；釜内物料容量大，进料条件发生波动时，釜内反应条件不会有明显变化，稳定性好。,2、基本设计方程1）反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（VR）（由于各处物料均一）稳定状态：A流入量A流出量 A反应量0,当进口转化率为0时，有：若以下标0代表进入系统的物料转化率为0的状态，则：,恒容,例：P28例1-7（同例1-3）各种反应器所需反应器体积的比较。CSTRBRPFR,BR需要辅助时间,而CSTR的返混使反应速率下降.当转化率增加时,所需VR急剧增加,应从技术经济的角度综合考虑，不能无限制地追求高转化率.,理想流动反应器的体积比较基本条件：和反应温度均相同；等容过程。VR，VRP，VRM分别表示间歇反应器体积、平推流反应器体积和全混流反应器体积，则：,xA,xAf,O,A,B,D,C,PFR、CSTR过程推动力比较：,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器的浓度推动力。由图示，显然有，CA平CA全平推流流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于全混流反应器体积。,例：P29例1-8已知：液相可逆基元反应的反应速率常数（速率方程），反应器体积VR，反应初始浓度，转化率（出口浓度）求：进料量。,3、平均停留时间（恒温、恒压）在CSTR中，各物料微元体在反应器中的停留时间变化很大（机械搅拌引起返混）。,第五节、非等温条件下理想反应器的设计分析,在等温条件下，动力学方程的反应速率常数是定值，根据动力学方程并结合物料衡算，即可确定反应器的大小；但如果反应过程中涉及到热量交换，放热量/吸热量将是变化的，需要随时调节反应器与外界的热交换量，这就必须靠热量衡算来解决。对于非等温反应器，热量衡算是设计计算中不可缺少的。而对于不同类型的反应器，其热量衡算是不相同的。,一、间歇反应器的热量衡算体积元:反应器的有效容积VR：,动力学方程：物料衡算方程：热量衡算方程：将上三式联立，即可求得非等温条件下BR的设计数据。,例：在等温条件下：，此时，反应速率常数k是定值，联解动力学方程和物料衡算方程，即可求出反应持续时间。但：由于（-rA）随着反应时间变化，故换热介质的温度也应做相应变动。,二、PFR中的热量衡算,物料衡算：热量衡算：动力学方程：三者联立，可 采用差分法或Runge-Kutta法求解。当过程为等温或绝热过程时，可以进行相应的简化。,等温过程：,绝热过程：令：称为绝热温升，即：在绝热条件下组分A完全反应时物料的温升。lambda有：,三、全混流反应器的热量衡算衡算基准：反应器的有效容积VR结合物料衡算及化学反应动力学方程便可求解非等温条件下CSTR的设计计算问题。,the kinetic equation,the mass balance equation,the energy balance equation,the momentum balance equation,已讲过,计算反应体积,计算温度变化,计算压力变化,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,反应消耗累积,流入,流出,反应单元,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,反应热累积,带入,带出,反应单元,传给环境,反应程度、转化率、收率、选择率、反应速率、生成速率、不可逆反应的动力学方程、动力学方程的建立方法、不可逆反应积分动力学方程表达式、反应级数与活化能、膨胀因子、膨胀率以及其与组分浓度、摩尔分数和分压之间的关系、返混、反应时间、停留时间、空时、空速、理想反应器的设计方程。作业：P35：5、6、11；12、14、16、19、20、23、24,重要概念、名词术语：,