第三章 理想流动反应器
合肥工业大学化工学院
Hefei university of technology
School of chemical engineering
第一节 流动模型概述
第二节 理想流动反应器
第一节 流动模型概述
3－ 1反应器中流体的流动模型
3－ 2 反应器设计的基本方程
?间歇过程－－时间变化过程 间歇反应器,swf
?流动过程－－空间变化过程 三釜串联,swf
平推流反应器,swf
实例 1：管式反应器
实例 2：串联釜式反应器
Schematic of a Steam Cracker
for Ethylene Production from Naphtha
heating gas
Crack gas cooler
Crack gas
125 bar steam
Steam
Naphtha
preheater
Naphtha
burner
Radiation zone
convection zone
Fe
ed
wa
ter
High Pressure Polymerisation of Ethylene
Pressure, 1500 –2500 bar（ 1bar＝ 0.1MPa）
Residence time,100 –150 s
Reactor,Diam,34 – 50 mm; L = 400 –900 m
compression
purge
polymerisation deposition
LP-stripper
HP-stripper
150-300at
HP-compressor LP-compressor
1500-3000bar
Tubular reactor and stirred tank
Wax separation
串联反应釜
流动模型：反应器中流体流体与返混的描述
理想流动模型
非理想流动模型 Plug-Flow Reactor (PFR)
Dispersion
Recycle reactor
Continuous stirred tank (CSTR)
(Semi-)Batch reactor
Stirred tank cascade
3－ 1反应器中流体的流动模型
3－ 1反应器中流体的流动模型
一、理想流动模型
Outlet = f(inlet,kinetics,contacting pattern)
流动模型：简化，抽象
平推流模型,
Plug-Flow Reactor (PFR)
全混流模型,
Continuous stirred tank reactor(CSTR)
（ 1）平推流模型
CAf
出料
进料
V0 CA0
一、理想流动模型
PFR：平推流
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：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度
不断变化，而垂直于物料流动方向的任一
截面上物料的所有参数，如温度、浓度、
压力、流速都相同，因此，所有物料质点
在反应器中具有相同的停留时间，反应器
中不存在返混。
? Plug flow reactor
X=Z/2
X=Z
CA,O
CA,out
CA
t
x = 0
time
Z Z/2
CA,O
CA,out
CA
x
position
x x + ?x
x
0 Z Z/2
（ 2）全混流模型
假设,反应物料以稳定流量流入反应器，在反
应器中，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：反应器中所有空间位置的物料参数都是均
匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，
物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，
有的很长，有的很短，形成一个停留时间
分布。
tresidence time
? Continuous Stirred Reactor (CSTR)
CA,in
CA,out
CA
t
time
0
t
CA,O
CA,out
CA
x
position
0
?
tout tout/2
CA,O
CA,out
CA
t
time
t = tout/2
t = tout
? Batch reactor
(discontinuously operated stirred tank reactor)
Ideal reactors
CA,O
CA,out
CA
x
t = 0
position
0
0
?年龄
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；
是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
?寿命
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；
是对已经离开反应器的物料质点而言的。
流动模型相关的重要概念
返混,
又称逆向返混,不同年龄 的质点之间的混合。
是时间概念上的混合
BSTR PFR CSTR
1投料 一次加料 (起始 ) 连续加料 (入口 ) 连续加料 (入口 )
2年龄 年龄相同 (某时 ) 年龄相同 (某处 ) 年龄不同
3寿命 寿命相同 (中止 ) 寿命相同 (出口 ) 寿命不同 (出口 )
4返混 无返混 无返混 返混极大
反应器特性分析
第一节 流动模型概述
浓度分布 ------ 推动力
反应器特性分析
流体流动推动力：压力差
传热推动力：温差
传质推动力：浓度差（化学位差）
化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。
过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。
5 浓度分布 ------ 推动力
反应器特性分析
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
? 偏离平推流的情况
二、非理想流动模型
漩涡运动：涡流、
湍动、碰撞填料
截面上流
速不均匀
沟流、短路：填料或
催化剂装填不均匀
二、非理想流动模型
? 偏离全混流的情况
死角 短路 搅拌造成的再循环
? 流动状况对化学反应的影响
----- 主要 由物料停留时间不同所造成
二、非理想流动模型
短路、沟流 停留时间减少 转化率降低
死区、
再循环
停留时
间过长
A+B→P,有效反应体积减少
A+B→P→S 产物 P减少
→ 停留时间的不均
3-2 反应器设计的基本方程
一、反应器设计的基本内容
选择合适的反应器型式
反应动力学特性 +反应器的流动特征 +传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果 +反应器的操作稳定性
进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务 +反应器结构和尺寸的优化
3-2 反应器设计的基本方程
the kinetic equation
the mass balance equation
the energy balance equation
the momentum balance equation
第二章中讨论过
计算反应体积
计算温度变化
计算压力变化
物料衡算方程。针对任一反应单元，在任一时间段内,
某组分累积量 =某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量
反应消耗
累积
流入
流出
反应单元
反应器 反应单元 流入量 流出量 反应量 累积量
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 √ √ √ √
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
反应器 反应单元 带入量 带出量 反应热 累积量
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 √ √ √ √
传给环境
能量衡算方程：针对任一反应单元，在任一时间段内
动量衡算方程（流体力学方程）
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 。
第二节 理想流动反应器
3-3 间歇反应器
一、间歇反应器的特征
特点, 1 由于剧烈搅拌，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；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考
虑器内的热量传递问题；
3 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。
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 精细化工产品的生产
缺点,装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
Standardised stirred tank reactor sizes
反应釜规格 400 630 1000 2500 4000 6300
总容积 L 533 847 1447 3460 5374 8230
夹套容积 L 120 152 216 368 499 677
换热面积 m2 2.5 3.1 4.6 8.3 11.7 15.6
主要尺寸
(mm)
d1 800 1000 1200 1600 1800 2000
h1 1000 1000 1200 1600 2000 2500
d2 900 1100 1300 1700 1900 2100
h2 1250 1300 1550 2060 2500 3050
标准尺寸 ( according to DIN)
二、间歇反应器的数学描述
用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况
对整个反应器进行物料衡算,
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
?? ?? AfAf x
A
A
A
x
A
AA
r
dxC
r
dx
V
nt
000
0
?? ??? AAAf CC
A
Ax
A
A
A r
dC
r
dxCt
00
0
等容过程，液相反应
00 ( ( 1 ) )
AA
A A A A A
d n d xr V n n n x
d t d t? ? ? ? ?
图解积分示意图
t/c
A0
[rA]-1
x
xAf xA0
t
[rA]-1
CA
CAf CA0
?? ??? AAAf CC
A
Ax
A
A
A r
dC
r
dxCt
00
0
二、间歇反应器的数学描述
一级不可逆反应 1st,Order Reaction（ irreversible）
? 实际操作时间 =反应时间 (t) + 辅助时间 (t’)
? 反应体积 VR是指反应物料在反应器中所占的体积
? VR=V(t+t’)
? 据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算
? FP为 单位时间的产品产量
? Cf为反应终了时的产物浓度
AAr kC?
0ln A
A
Ckt
C?
0
A
A
C A
C A
dCt
kC???
0 ktAAC C e ??
1 ktAxe ???
l n (1 )Ak t x? ? ?
Pf
P
0
RCVF
tt? ?
反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
n=0
n=1
n=2
n级
n≠1
AAr kC?
Ark?
2A Ar kC?
A nAr kC?
0A
A
Ck t ln
C?
0AAk t C C?? 0AAkt C x?
0 ktAAC C e ?? 1 ktAxe???
1
1 Akt ln x? ?
0
11
AA
kt CC??
0
1
1
A
AA
xkt
Cx? ?
0AAC C k t??
0
A
A
ktx
C?
0
01
AA
A
CC
C k t? ?
0
01
A A
A
ktx C
C k t? ?
11 01 ()1 nnAAk t C Cn ????? 1 1
01 1 ( 1 ) nnA Ax k tnC ?? ? ?－－ ）（
表 3－ 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
k增大 (温度升高） → t减少 → 反应体积减小
讨论：间歇反应器中的单反应
2,反应浓度的影响
1,k的影响
零级反应,t与初浓度 CA0正比
一级反应,t与初浓度 CA0无关
二级反应,t与初浓度 CA0反比
3,残余浓度
零级反应：残余浓度随 t直线下降
一级反应：残余浓度随 t逐渐下降
二级反应：残余浓度随 t慢慢下降
反应后期的速度很小；反应机理的变化
University Dortmund
Chemical Engineering Department
Chair of Technical Chemistry B
C0
t
dc dt
C
n=1
n=2
n=0
t a n g e n t )c u r v e ( t h e of g r a d i e n tdtdc-~r ?? ??
Reaction rate r,
reaction progress as a function of the reaction order n
tangent
C0
t
C
n=1
n=2
n=0
Reaction rate r,
reaction progress as a function of the reaction order n
? 例 3－ 1以醋酸（ A）和正丁醇（ B）为原料在间歇反应器中生产醋酸
丁酯（ C），操作温度为 100℃,每批进料 1kmol的 A和 4.96kmol的 B。
已知反应速率
? 试求醋酸转化率 xA分别为 0.5,0.9,0.99时所需反应时间。
解,CH3COOH+C4H9OH→CH 3COOC4H9+H2O
A的初始浓度计算,
可求出，投料总体积为 0.559m3
231, 0 4 5 / ( )AAr C k m o l m h?
醋 酸 A 1kmol 60kg 0.062m3
正丁醇 B 4.96kmol 368kg 0.496m3
30
0
0 2
0
0
1,7 9 /
1
()
1
Af
A
A
x Af
A
A
A A A f
n
c k m o l m
V
xdx
tc
k c k c x
??
??
??
0.5
0.9
0.99
0.535
4.81
52.9
th
th
th
?
?
?
补充例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙
酸乙酯 12000kg，其化学反应式为
原料中反应组分的质量比为 A,B,S=1,2,1.35，反应液的密度为
1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗
等辅助操作时间为 1h。反应在 100℃ 下等温操作，其反应速率方
程为
100℃ 时,k=4.76× 10-4 L/（ mol·min），平衡常数 K=2.92。
试计算乙酸转化 35 % 时所需的反应体积。根据反应物料的特性，
若反应器填充系数取 0.75，则反应器的实际体积是多少？
( / )A A B R Sr k C C C C K??
3 2 6 3 2 5 2C H C O O H ( A ) + C H O H ( B ) C H C O O C H ( R ) + H O ( S )
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，
可求出乙醇和水的起始浓度为
由于原料液中乙酸,乙醇,水 =1:2:1.35，当乙酸为 1kg
时，加入的总原料为 1+2+1.35=4.35kg
由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为
解,首先计算原料处理量 V0根据题给的乙酸乙酯产量，
可算出每小时乙酸需用量为
12000 1 6,2 3 /
8 8 2 4 0,3 5 k m o l h???
31 6,2 3 6 0 4,3 5 4,1 5 5 ( / )
1020 mh
?? ?
其次计算原料液的起始组成。
0 3
1 6,2 3 / 3,9 0 8 /
4,1 5 5 /A
m o l hC m o l L
mh??
0
3,9 0 8 6 0 2 1 0,2 ( / )
46BC m o l L
????
0
3,9 0 8 6 0 1,3 5 1 7,5 9 ( / )
18SC m o l L
????
0
00
00
00
( 1 )
A A A
B B A A
R R A A
S S A A
C C x
C C C x
C C C x
C C C x
??
??
??
?? 22 0()A A A Ar k a b x c x C? ? ?
3m
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
代入速率方程，整理后得
式中
代入到基本公式中
20
0
1 Afx A
A A A
dxt
k C a b x c x? ???
? ?
00
0 0 0 0
4
/ 2, 6 1
1 / / 5, 1 5
1 1 / 0, 6 5 7 5
4, 7 6 1 0 /( )
BA
B A S A
a C C
b C C C C K
cK
k L m o l m in?
??
? ? ? ? ? ?
? ? ?
??
得,t=118.8min
30 ( ') 4, 1 5 5 ( 1 1 8, 8 / 6 0 1, 0 ) 1 2, 3 8RV V t t m? ? ? ? ? ?
实际反应器体积,12.38m3/0.75＝ 16.51m3
一, 特点,
? 连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，
不随时间而变化；
? 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；
? 反应物料具有相同的停留时间。
3-4 平推流反应器
Tube reactor
裂解炉
用于乙烯生产的管式裂解炉
V0 CA0 CAf
xAf xAf=0
v
0cA0(1- xA)
v0cA0 (1- xA-dxA)
rAdVR
dVR
x
A xA+ dxA
二, 平推流反应器计算的基本公式,
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
RAAAAAA dVrdxxCVxCV ????? )1()1( 0000
二, 平推流反应器计算的基本公式,
RAAAAAA dVrdxxCVxCV ????? )1()1( 0000
0 0 A AARV C d x r d V?
Af A
0 A 0 0
A
X
R
dxV V C
r? ? 0
RV
V? ?
0 0
Afx A
A
A
dxtC
r? ?
Af A
A0 0
A
x dxC
r? ? ?
BSTR与 FPR的等效性
三、等温平推流反应器的计算
? 化学计量学，膨胀因子
? 若反应过程无体积变化
A f A f A fA A A A
0 A 0 0 A 0 0 10 0 0
A0
( 1 )
( 1 )
nX X X
A
R n n n
A A A
d x d x x d xV V C V C V
r k C k C x
?
?
?? ? ?
?? ? ?
00
0 A A
( 1 ) ( 1 )
( 1 ) 1
A A A AA
A
AA
n x C xnC
V V x x
??? ? ?
? ? ? ?
Af A
0 10
0 ( 1 )
X
R nn
AA
dxVV
k C x?
?
??
0
A
0
Af
A
C
R nC
A
dCVV
kC???
0
0
(1 )A A A
A A A
C C x
C d x d C
??
??
A nAr k C?
反应级数 反应速率 反应器体积 转化率式
n=0
n=1
n=2
n级
n≠1
AAr kC?
Ark?
2A Ar kC?
A nAr kC?
1 kAfxe ????
0
Af
A
kx
C
??
0
01
A
A
Af
C kx
Ck
?
?? ?
0
1111 [ 1 ( 1 ) ]n
A nAfx C kn ?? ?? ? ? ?
表 3－ 2 等温等容平推流反应器计算式
0
0
( 1 ) ( 1 )
( 1 ) 1
A
A
k
f C k
C
A
Sx e
Se
?
?
???
ABAr kC C?
00
0
BA
A
CCS C??
0 0R A A fVV C x
k?
0 1
1R Af
VV l n
kx? ?
0
0
1R
Af
A A f
VV x
Ck x?? （ ）
0
0 1(1 ) (1 )Af
A A f
R
Sx
C S x
VV l n
Sk
??
???
1
1100
[ 1 ( 1 ) ]
( 1 )( 1 )
nAf
nAR nAf
VV
kn
x
Cx
?
??
?
? ??
?
反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
n=0
n=1
n=2
n级
n≠1
AAr kC?
Ark?
2A Ar kC?
A nAr kC?
0A
A
Ck t ln
C?
0AAk t C C?? 0AAkt C x?
0 ktAAC C e ?? 1 ktAxe???
1
1 Akt ln x? ?
0
11
AA
kt CC??
0
1
1
A
AA
xkt
Cx? ?
0AAC C k t??
0
A
A
ktx
C?
0
01
AA
A
CC
C k t? ?
0
01
A A
A
ktx C
C k t? ?
11 01 ()1 nnAAk t C Cn ????? 1 1
01 1 ( 1 ) nnA Ax k tnC ?? ? ?－－ ）（
表 3－ 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
Balancing of a continuous stirred tank reactor
outTT ?
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。
V0 CA0 V0 CAf
CAf
用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，
每天生产乙酸乙酯 12000kg，其化学反应式为
( / )A A B R Sr k C C C C K??
3 2 6 3 2 5 2C H C O O H ( A ) + C H O H ( B ) C H C O O C H ( R ) + H O ( S )
原料中反应组分的质量比为 A:B:S=1:2:1.35，反应
液的密度为 1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。
反应在 100℃ 下等温操作，其反应速率方程为
已知 100℃ 时,k=4.76× 10-4L/（ mol·min），平
衡常数 K=2.92。试计算乙酸转化 35 % 时所需的
反应体积。
解答,
? 由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等
容过程。等容下活塞流反应器的空时与条件相同的
间歇反应器反应时间相等，已求出达到题给要求所
需的反应时间为 t=118.8min。
? 改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，
要求应使空时 τ=t=118.8min。原料处理理为
V0=4.155m3/h
? 因此，反应体积
VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3
3-5 全混流反应器
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
RfAAfAA VrxCVCV )()1(0000 ???
fA
AfA
fA
AAR
r
xC
r
CC
V
V
)()(
00
0
?????
fA
AfA
R r
xCV
V
)(
00?
fA
AAfA
R r
xxCV
V
)(
)( 000 ?
?
进口中已有 A
? 取整个反应器为衡算对象
3-5 全混流反应器
全混流反应器 τ的图解积分 (对比右图的 PFR图解积分 )
00
0
()
()
A A f AR
Af
C x xV
Vr?
???
CA0 CA CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
CA
CA0 CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
0
A
0
Af
A
C
R C
A
dCVV
r???
0
0
)
()
A A f
R
Af
CCVV
r
??
平推流反应器与全混流反应器的比较
用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，
每天生产乙酸乙酯 12000kg，其化学反应式为
( / )A A B R Sr k C C C C K??
3 2 6 3 2 5 2C H C O O H ( A ) + C H O H ( B ) C H C O O C H ( R ) + H O ( S )
原料中反应组分的质量比为 A:B:S=1:2:1.35，反应
液的密度为 1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。
反应在 100℃ 下等温操作，其反应速率方程为
已知 100℃ 时,k=4.76× 10-4L/（ mol·min），平
衡常数 K=2.92。试计算乙酸转化 35 % 时所需的
反应体积。
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，
可求出乙醇和水的起始浓度为
由于原料液中乙酸,乙醇,水 =1:2:1.35，当乙酸为 1kg
时，加入的总原料为 1+2+1.35=4.35kg
由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为
首先计算原料处理量 V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算
出每小时乙酸需用量为 12000
1 6,2 3 /8 8 2 4 0,3 5 k m o l h???
31 6,2 3 6 0 4,3 5 4,1 5 5 ( / )
1020 mh
?? ?
其次计算原料液的起始组成。
0 3
1 6,2 3 / 3,9 0 8 /
4,1 5 5 /A
m o l hC m o l L
mh??
0
3,9 0 8 6 0 2 1 0,2 ( / )
46BC m o l L
????
0
3,9 0 8 6 0 1,3 5 1 7,5 9 ( / )
18SC m o l L
????
0
00
00
00
( 1 )
A A A
B B A A
R R A A
S S A A
C C x
C C C x
C C C x
C C C x
??
??
??
??
22 0()A A A Ar k a b x c x C? ? ?
? ?
00
0 0 0 0
/
1 / /
1 1 /
BA
B A S A
a C C
b C C C C K
cK
?
? ? ? ?
??
3m
将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为
代入速率方程，整理后得
式中
0 0 0 0 3
22
0
1 4,6 8( ) ( )A A f A A fR
A f A f A f A
V C x V C xVm
r k a b x c x C? ? ???
例题中三种反应器体积比较
?BSTR,VR＝ 12.68m3 (实际体积为 16.51m3）
?PFR,VR＝ 8.227m3
?CSTR,VR＝ 14.68m3
?返混：不同年龄粒子之间的混合
?返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度的上升。
?上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。
?对于其速率随着反应物浓度增加而增加的反应过程，返混的效果是降低了反应速率
? [例 3－ 2]生化工程中酶反应 A→R 为自催化反应，反
应速率式 rA=kcAcR，某温度下
k=1.1512m3/(kmol.min),
? 采用的原料中含 A 0.99kmol/m3，含 R 0.01kmol/m3,
要求 A的最终浓度降到 0.01kmol/m3，当原料的进料
量为 10m3/h时，求,
? （ 1）反应速率最大时,A的浓度为多少？
? （ 2）采用 CSTR，反应器体积是多大？
? （ 3）采用 FPR，反应器体积是多大？
? （ 4）组合方式的最小反应器体积。
?解,
CA
rA
0 0.5 1.0
CA0 C
Af
(1)显然,CA=0.5kmol/m3时，
速率达最大值。
? ? ? ?00 1, 0A A R A R A A A Ar k C C k C C C C k C C? ? ? ? ? ?????
1/rA
CA CA0 CAf
1/rA
CA CA0 CAf
0
0 ()
A A f
R
Af
CC
VV
r
?
?
0
0
Af
A
C A
R C
A
dCVV
r
?? ?
00 3
00 1 0,9 1( ) ( 1 )
A A f A A f
R
A f A f A f
C C C C
V V V m
r k C C
??
? ? ?
?
(2)CSTR
00
3
00 1, 0 1 3( 1, 0 )
A f A f
AA
CC AA
R
A A A
d C d CV V V m
r k C C
??? ? ?
???
(3)PFR
回顾 CSTR和 PFR两种图解
CA CA
CA0 CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
0
A
0
Af
A
C
R C
A
dCVV
r???
CA0 CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
0
0
)
()
A A f
R
Af
CCVV
r
??
1/rA
CA CA0 CAf
(4)CSTR+PFR：最优组合
CAm
30
0 0,2 1 6( 1 )
A A m
R
A m A m
CCV V m
k C C
???
?
3
0 0,5 0 7( 1,0 )
Af
Am
C A
R C
AA
dCV V m
k C C
???
??
组合反应器的总体积 =0.216m3+0.507m3=0.723m3
? Stirred Tank Cascade
CA0
CAf
CA
x
position
3
2
1
4 5
0
CA*
CA1
CA2
CA3
CA4
要求,
作业,3-2,3-4,3-5
1.掌握三种理想反应器的基本概念特点及其
基本方程的建立；
2.掌握建立基本设计方程的方法；
3.记住一级反应的积分式（浓度和转化率）
4.能够利用反应器流动模型方程计算反应体
积和所需反应时间。
合肥工业大学化工学院
Hefei university of technology
School of chemical engineering
第一节 流动模型概述
第二节 理想流动反应器
第一节 流动模型概述
3－ 1反应器中流体的流动模型
3－ 2 反应器设计的基本方程
?间歇过程－－时间变化过程 间歇反应器,swf
?流动过程－－空间变化过程 三釜串联,swf
平推流反应器,swf
实例 1：管式反应器
实例 2：串联釜式反应器
Schematic of a Steam Cracker
for Ethylene Production from Naphtha
heating gas
Crack gas cooler
Crack gas
125 bar steam
Steam
Naphtha
preheater
Naphtha
burner
Radiation zone
convection zone
Fe
ed
wa
ter
High Pressure Polymerisation of Ethylene
Pressure, 1500 –2500 bar（ 1bar＝ 0.1MPa）
Residence time,100 –150 s
Reactor,Diam,34 – 50 mm; L = 400 –900 m
compression
purge
polymerisation deposition
LP-stripper
HP-stripper
150-300at
HP-compressor LP-compressor
1500-3000bar
Tubular reactor and stirred tank
Wax separation
串联反应釜
流动模型：反应器中流体流体与返混的描述
理想流动模型
非理想流动模型 Plug-Flow Reactor (PFR)
Dispersion
Recycle reactor
Continuous stirred tank (CSTR)
(Semi-)Batch reactor
Stirred tank cascade
3－ 1反应器中流体的流动模型
3－ 1反应器中流体的流动模型
一、理想流动模型
Outlet = f(inlet,kinetics,contacting pattern)
流动模型：简化，抽象
平推流模型,
Plug-Flow Reactor (PFR)
全混流模型,
Continuous stirred tank reactor(CSTR)
（ 1）平推流模型
CAf
出料
进料
V0 CA0
一、理想流动模型
PFR：平推流
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：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度
不断变化，而垂直于物料流动方向的任一
截面上物料的所有参数，如温度、浓度、
压力、流速都相同，因此，所有物料质点
在反应器中具有相同的停留时间，反应器
中不存在返混。
? Plug flow reactor
X=Z/2
X=Z
CA,O
CA,out
CA
t
x = 0
time
Z Z/2
CA,O
CA,out
CA
x
position
x x + ?x
x
0 Z Z/2
（ 2）全混流模型
假设,反应物料以稳定流量流入反应器，在反
应器中，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：反应器中所有空间位置的物料参数都是均
匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，
物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，
有的很长，有的很短，形成一个停留时间
分布。
tresidence time
? Continuous Stirred Reactor (CSTR)
CA,in
CA,out
CA
t
time
0
t
CA,O
CA,out
CA
x
position
0
?
tout tout/2
CA,O
CA,out
CA
t
time
t = tout/2
t = tout
? Batch reactor
(discontinuously operated stirred tank reactor)
Ideal reactors
CA,O
CA,out
CA
x
t = 0
position
0
0
?年龄
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；
是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
?寿命
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；
是对已经离开反应器的物料质点而言的。
流动模型相关的重要概念
返混,
又称逆向返混,不同年龄 的质点之间的混合。
是时间概念上的混合
BSTR PFR CSTR
1投料 一次加料 (起始 ) 连续加料 (入口 ) 连续加料 (入口 )
2年龄 年龄相同 (某时 ) 年龄相同 (某处 ) 年龄不同
3寿命 寿命相同 (中止 ) 寿命相同 (出口 ) 寿命不同 (出口 )
4返混 无返混 无返混 返混极大
反应器特性分析
第一节 流动模型概述
浓度分布 ------ 推动力
反应器特性分析
流体流动推动力：压力差
传热推动力：温差
传质推动力：浓度差（化学位差）
化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。
过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。
5 浓度分布 ------ 推动力
反应器特性分析
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
? 偏离平推流的情况
二、非理想流动模型
漩涡运动：涡流、
湍动、碰撞填料
截面上流
速不均匀
沟流、短路：填料或
催化剂装填不均匀
二、非理想流动模型
? 偏离全混流的情况
死角 短路 搅拌造成的再循环
? 流动状况对化学反应的影响
----- 主要 由物料停留时间不同所造成
二、非理想流动模型
短路、沟流 停留时间减少 转化率降低
死区、
再循环
停留时
间过长
A+B→P,有效反应体积减少
A+B→P→S 产物 P减少
→ 停留时间的不均
3-2 反应器设计的基本方程
一、反应器设计的基本内容
选择合适的反应器型式
反应动力学特性 +反应器的流动特征 +传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果 +反应器的操作稳定性
进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务 +反应器结构和尺寸的优化
3-2 反应器设计的基本方程
the kinetic equation
the mass balance equation
the energy balance equation
the momentum balance equation
第二章中讨论过
计算反应体积
计算温度变化
计算压力变化
物料衡算方程。针对任一反应单元，在任一时间段内,
某组分累积量 =某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量
反应消耗
累积
流入
流出
反应单元
反应器 反应单元 流入量 流出量 反应量 累积量
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 √ √ √ √
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
反应器 反应单元 带入量 带出量 反应热 累积量
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 √ √ √ √
传给环境
能量衡算方程：针对任一反应单元，在任一时间段内
动量衡算方程（流体力学方程）
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 。
第二节 理想流动反应器
3-3 间歇反应器
一、间歇反应器的特征
特点, 1 由于剧烈搅拌，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；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考
虑器内的热量传递问题；
3 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。
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 精细化工产品的生产
缺点,装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
Standardised stirred tank reactor sizes
反应釜规格 400 630 1000 2500 4000 6300
总容积 L 533 847 1447 3460 5374 8230
夹套容积 L 120 152 216 368 499 677
换热面积 m2 2.5 3.1 4.6 8.3 11.7 15.6
主要尺寸
(mm)
d1 800 1000 1200 1600 1800 2000
h1 1000 1000 1200 1600 2000 2500
d2 900 1100 1300 1700 1900 2100
h2 1250 1300 1550 2060 2500 3050
标准尺寸 ( according to DIN)
二、间歇反应器的数学描述
用数学模型描述反应物组成随时间的变化情况
对整个反应器进行物料衡算,
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
?? ?? AfAf x
A
A
A
x
A
AA
r
dxC
r
dx
V
nt
000
0
?? ??? AAAf CC
A
Ax
A
A
A r
dC
r
dxCt
00
0
等容过程，液相反应
00 ( ( 1 ) )
AA
A A A A A
d n d xr V n n n x
d t d t? ? ? ? ?
图解积分示意图
t/c
A0
[rA]-1
x
xAf xA0
t
[rA]-1
CA
CAf CA0
?? ??? AAAf CC
A
Ax
A
A
A r
dC
r
dxCt
00
0
二、间歇反应器的数学描述
一级不可逆反应 1st,Order Reaction（ irreversible）
? 实际操作时间 =反应时间 (t) + 辅助时间 (t’)
? 反应体积 VR是指反应物料在反应器中所占的体积
? VR=V(t+t’)
? 据此关系式，可以进行反应器体积的设计计算
? FP为 单位时间的产品产量
? Cf为反应终了时的产物浓度
AAr kC?
0ln A
A
Ckt
C?
0
A
A
C A
C A
dCt
kC???
0 ktAAC C e ??
1 ktAxe ???
l n (1 )Ak t x? ? ?
Pf
P
0
RCVF
tt? ?
反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
n=0
n=1
n=2
n级
n≠1
AAr kC?
Ark?
2A Ar kC?
A nAr kC?
0A
A
Ck t ln
C?
0AAk t C C?? 0AAkt C x?
0 ktAAC C e ?? 1 ktAxe???
1
1 Akt ln x? ?
0
11
AA
kt CC??
0
1
1
A
AA
xkt
Cx? ?
0AAC C k t??
0
A
A
ktx
C?
0
01
AA
A
CC
C k t? ?
0
01
A A
A
ktx C
C k t? ?
11 01 ()1 nnAAk t C Cn ????? 1 1
01 1 ( 1 ) nnA Ax k tnC ?? ? ?－－ ）（
表 3－ 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
k增大 (温度升高） → t减少 → 反应体积减小
讨论：间歇反应器中的单反应
2,反应浓度的影响
1,k的影响
零级反应,t与初浓度 CA0正比
一级反应,t与初浓度 CA0无关
二级反应,t与初浓度 CA0反比
3,残余浓度
零级反应：残余浓度随 t直线下降
一级反应：残余浓度随 t逐渐下降
二级反应：残余浓度随 t慢慢下降
反应后期的速度很小；反应机理的变化
University Dortmund
Chemical Engineering Department
Chair of Technical Chemistry B
C0
t
dc dt
C
n=1
n=2
n=0
t a n g e n t )c u r v e ( t h e of g r a d i e n tdtdc-~r ?? ??
Reaction rate r,
reaction progress as a function of the reaction order n
tangent
C0
t
C
n=1
n=2
n=0
Reaction rate r,
reaction progress as a function of the reaction order n
? 例 3－ 1以醋酸（ A）和正丁醇（ B）为原料在间歇反应器中生产醋酸
丁酯（ C），操作温度为 100℃,每批进料 1kmol的 A和 4.96kmol的 B。
已知反应速率
? 试求醋酸转化率 xA分别为 0.5,0.9,0.99时所需反应时间。
解,CH3COOH+C4H9OH→CH 3COOC4H9+H2O
A的初始浓度计算,
可求出，投料总体积为 0.559m3
231, 0 4 5 / ( )AAr C k m o l m h?
醋 酸 A 1kmol 60kg 0.062m3
正丁醇 B 4.96kmol 368kg 0.496m3
30
0
0 2
0
0
1,7 9 /
1
()
1
Af
A
A
x Af
A
A
A A A f
n
c k m o l m
V
xdx
tc
k c k c x
??
??
??
0.5
0.9
0.99
0.535
4.81
52.9
th
th
th
?
?
?
补充例题：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙
酸乙酯 12000kg，其化学反应式为
原料中反应组分的质量比为 A,B,S=1,2,1.35，反应液的密度为
1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗
等辅助操作时间为 1h。反应在 100℃ 下等温操作，其反应速率方
程为
100℃ 时,k=4.76× 10-4 L/（ mol·min），平衡常数 K=2.92。
试计算乙酸转化 35 % 时所需的反应体积。根据反应物料的特性，
若反应器填充系数取 0.75，则反应器的实际体积是多少？
( / )A A B R Sr k C C C C K??
3 2 6 3 2 5 2C H C O O H ( A ) + C H O H ( B ) C H C O O C H ( R ) + H O ( S )
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，
可求出乙醇和水的起始浓度为
由于原料液中乙酸,乙醇,水 =1:2:1.35，当乙酸为 1kg
时，加入的总原料为 1+2+1.35=4.35kg
由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为
解,首先计算原料处理量 V0根据题给的乙酸乙酯产量，
可算出每小时乙酸需用量为
12000 1 6,2 3 /
8 8 2 4 0,3 5 k m o l h???
31 6,2 3 6 0 4,3 5 4,1 5 5 ( / )
1020 mh
?? ?
其次计算原料液的起始组成。
0 3
1 6,2 3 / 3,9 0 8 /
4,1 5 5 /A
m o l hC m o l L
mh??
0
3,9 0 8 6 0 2 1 0,2 ( / )
46BC m o l L
????
0
3,9 0 8 6 0 1,3 5 1 7,5 9 ( / )
18SC m o l L
????
0
00
00
00
( 1 )
A A A
B B A A
R R A A
S S A A
C C x
C C C x
C C C x
C C C x
??
??
??
?? 22 0()A A A Ar k a b x c x C? ? ?
3m
然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。
代入速率方程，整理后得
式中
代入到基本公式中
20
0
1 Afx A
A A A
dxt
k C a b x c x? ???
? ?
00
0 0 0 0
4
/ 2, 6 1
1 / / 5, 1 5
1 1 / 0, 6 5 7 5
4, 7 6 1 0 /( )
BA
B A S A
a C C
b C C C C K
cK
k L m o l m in?
??
? ? ? ? ? ?
? ? ?
??
得,t=118.8min
30 ( ') 4, 1 5 5 ( 1 1 8, 8 / 6 0 1, 0 ) 1 2, 3 8RV V t t m? ? ? ? ? ?
实际反应器体积,12.38m3/0.75＝ 16.51m3
一, 特点,
? 连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，
不随时间而变化；
? 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；
? 反应物料具有相同的停留时间。
3-4 平推流反应器
Tube reactor
裂解炉
用于乙烯生产的管式裂解炉
V0 CA0 CAf
xAf xAf=0
v
0cA0(1- xA)
v0cA0 (1- xA-dxA)
rAdVR
dVR
x
A xA+ dxA
二, 平推流反应器计算的基本公式,
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
RAAAAAA dVrdxxCVxCV ????? )1()1( 0000
二, 平推流反应器计算的基本公式,
RAAAAAA dVrdxxCVxCV ????? )1()1( 0000
0 0 A AARV C d x r d V?
Af A
0 A 0 0
A
X
R
dxV V C
r? ? 0
RV
V? ?
0 0
Afx A
A
A
dxtC
r? ?
Af A
A0 0
A
x dxC
r? ? ?
BSTR与 FPR的等效性
三、等温平推流反应器的计算
? 化学计量学，膨胀因子
? 若反应过程无体积变化
A f A f A fA A A A
0 A 0 0 A 0 0 10 0 0
A0
( 1 )
( 1 )
nX X X
A
R n n n
A A A
d x d x x d xV V C V C V
r k C k C x
?
?
?? ? ?
?? ? ?
00
0 A A
( 1 ) ( 1 )
( 1 ) 1
A A A AA
A
AA
n x C xnC
V V x x
??? ? ?
? ? ? ?
Af A
0 10
0 ( 1 )
X
R nn
AA
dxVV
k C x?
?
??
0
A
0
Af
A
C
R nC
A
dCVV
kC???
0
0
(1 )A A A
A A A
C C x
C d x d C
??
??
A nAr k C?
反应级数 反应速率 反应器体积 转化率式
n=0
n=1
n=2
n级
n≠1
AAr kC?
Ark?
2A Ar kC?
A nAr kC?
1 kAfxe ????
0
Af
A
kx
C
??
0
01
A
A
Af
C kx
Ck
?
?? ?
0
1111 [ 1 ( 1 ) ]n
A nAfx C kn ?? ?? ? ? ?
表 3－ 2 等温等容平推流反应器计算式
0
0
( 1 ) ( 1 )
( 1 ) 1
A
A
k
f C k
C
A
Sx e
Se
?
?
???
ABAr kC C?
00
0
BA
A
CCS C??
0 0R A A fVV C x
k?
0 1
1R Af
VV l n
kx? ?
0
0
1R
Af
A A f
VV x
Ck x?? （ ）
0
0 1(1 ) (1 )Af
A A f
R
Sx
C S x
VV l n
Sk
??
???
1
1100
[ 1 ( 1 ) ]
( 1 )( 1 )
nAf
nAR nAf
VV
kn
x
Cx
?
??
?
? ??
?
反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
n=0
n=1
n=2
n级
n≠1
AAr kC?
Ark?
2A Ar kC?
A nAr kC?
0A
A
Ck t ln
C?
0AAk t C C?? 0AAkt C x?
0 ktAAC C e ?? 1 ktAxe???
1
1 Akt ln x? ?
0
11
AA
kt CC??
0
1
1
A
AA
xkt
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0AAC C k t??
0
A
A
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0
01
AA
A
CC
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0
01
A A
A
ktx C
C k t? ?
11 01 ()1 nnAAk t C Cn ????? 1 1
01 1 ( 1 ) nnA Ax k tnC ?? ? ?－－ ）（
表 3－ 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
Balancing of a continuous stirred tank reactor
outTT ?
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。
V0 CA0 V0 CAf
CAf
用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，
每天生产乙酸乙酯 12000kg，其化学反应式为
( / )A A B R Sr k C C C C K??
3 2 6 3 2 5 2C H C O O H ( A ) + C H O H ( B ) C H C O O C H ( R ) + H O ( S )
原料中反应组分的质量比为 A:B:S=1:2:1.35，反应
液的密度为 1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。
反应在 100℃ 下等温操作，其反应速率方程为
已知 100℃ 时,k=4.76× 10-4L/（ mol·min），平
衡常数 K=2.92。试计算乙酸转化 35 % 时所需的
反应体积。
解答,
? 由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等
容过程。等容下活塞流反应器的空时与条件相同的
间歇反应器反应时间相等，已求出达到题给要求所
需的反应时间为 t=118.8min。
? 改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，
要求应使空时 τ=t=118.8min。原料处理理为
V0=4.155m3/h
? 因此，反应体积
VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3
3-5 全混流反应器
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
0
RfAAfAA VrxCVCV )()1(0000 ???
fA
AfA
fA
AAR
r
xC
r
CC
V
V
)()(
00
0
?????
fA
AfA
R r
xCV
V
)(
00?
fA
AAfA
R r
xxCV
V
)(
)( 000 ?
?
进口中已有 A
? 取整个反应器为衡算对象
3-5 全混流反应器
全混流反应器 τ的图解积分 (对比右图的 PFR图解积分 )
00
0
()
()
A A f AR
Af
C x xV
Vr?
???
CA0 CA CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
CA
CA0 CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
0
A
0
Af
A
C
R C
A
dCVV
r???
0
0
)
()
A A f
R
Af
CCVV
r
??
平推流反应器与全混流反应器的比较
用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，
每天生产乙酸乙酯 12000kg，其化学反应式为
( / )A A B R Sr k C C C C K??
3 2 6 3 2 5 2C H C O O H ( A ) + C H O H ( B ) C H C O O C H ( R ) + H O ( S )
原料中反应组分的质量比为 A:B:S=1:2:1.35，反应
液的密度为 1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。
反应在 100℃ 下等温操作，其反应速率方程为
已知 100℃ 时,k=4.76× 10-4L/（ mol·min），平
衡常数 K=2.92。试计算乙酸转化 35 % 时所需的
反应体积。
通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，
可求出乙醇和水的起始浓度为
由于原料液中乙酸,乙醇,水 =1:2:1.35，当乙酸为 1kg
时，加入的总原料为 1+2+1.35=4.35kg
由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为
首先计算原料处理量 V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算
出每小时乙酸需用量为 12000
1 6,2 3 /8 8 2 4 0,3 5 k m o l h???
31 6,2 3 6 0 4,3 5 4,1 5 5 ( / )
1020 mh
?? ?
其次计算原料液的起始组成。
0 3
1 6,2 3 / 3,9 0 8 /
4,1 5 5 /A
m o l hC m o l L
mh??
0
3,9 0 8 6 0 2 1 0,2 ( / )
46BC m o l L
????
0
3,9 0 8 6 0 1,3 5 1 7,5 9 ( / )
18SC m o l L
????
0
00
00
00
( 1 )
A A A
B B A A
R R A A
S S A A
C C x
C C C x
C C C x
C C C x
??
??
??
??
22 0()A A A Ar k a b x c x C? ? ?
? ?
00
0 0 0 0
/
1 / /
1 1 /
BA
B A S A
a C C
b C C C C K
cK
?
? ? ? ?
??
3m
将题给的速率方程变换成转化率的函数。因为
代入速率方程，整理后得
式中
0 0 0 0 3
22
0
1 4,6 8( ) ( )A A f A A fR
A f A f A f A
V C x V C xVm
r k a b x c x C? ? ???
例题中三种反应器体积比较
?BSTR,VR＝ 12.68m3 (实际体积为 16.51m3）
?PFR,VR＝ 8.227m3
?CSTR,VR＝ 14.68m3
?返混：不同年龄粒子之间的混合
?返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度的上升。
?上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。
?对于其速率随着反应物浓度增加而增加的反应过程，返混的效果是降低了反应速率
? [例 3－ 2]生化工程中酶反应 A→R 为自催化反应，反
应速率式 rA=kcAcR，某温度下
k=1.1512m3/(kmol.min),
? 采用的原料中含 A 0.99kmol/m3，含 R 0.01kmol/m3,
要求 A的最终浓度降到 0.01kmol/m3，当原料的进料
量为 10m3/h时，求,
? （ 1）反应速率最大时,A的浓度为多少？
? （ 2）采用 CSTR，反应器体积是多大？
? （ 3）采用 FPR，反应器体积是多大？
? （ 4）组合方式的最小反应器体积。
?解,
CA
rA
0 0.5 1.0
CA0 C
Af
(1)显然,CA=0.5kmol/m3时，
速率达最大值。
? ? ? ?00 1, 0A A R A R A A A Ar k C C k C C C C k C C? ? ? ? ? ?????
1/rA
CA CA0 CAf
1/rA
CA CA0 CAf
0
0 ()
A A f
R
Af
CC
VV
r
?
?
0
0
Af
A
C A
R C
A
dCVV
r
?? ?
00 3
00 1 0,9 1( ) ( 1 )
A A f A A f
R
A f A f A f
C C C C
V V V m
r k C C
??
? ? ?
?
(2)CSTR
00
3
00 1, 0 1 3( 1, 0 )
A f A f
AA
CC AA
R
A A A
d C d CV V V m
r k C C
??? ? ?
???
(3)PFR
回顾 CSTR和 PFR两种图解
CA CA
CA0 CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
0
A
0
Af
A
C
R C
A
dCVV
r???
CA0 CAf
1
Ar
0
RV
V? ?
0
0
)
()
A A f
R
Af
CCVV
r
??
1/rA
CA CA0 CAf
(4)CSTR+PFR：最优组合
CAm
30
0 0,2 1 6( 1 )
A A m
R
A m A m
CCV V m
k C C
???
?
3
0 0,5 0 7( 1,0 )
Af
Am
C A
R C
AA
dCV V m
k C C
???
??
组合反应器的总体积 =0.216m3+0.507m3=0.723m3
? Stirred Tank Cascade
CA0
CAf
CA
x
position
3
2
1
4 5
0
CA*
CA1
CA2
CA3
CA4
要求,
作业,3-2,3-4,3-5
1.掌握三种理想反应器的基本概念特点及其
基本方程的建立；
2.掌握建立基本设计方程的方法；
3.记住一级反应的积分式（浓度和转化率）
4.能够利用反应器流动模型方程计算反应体
积和所需反应时间。
