知识点7. 反应器设计概述
一、主要讲解内容
本讲主要介绍三种理想反应器——理想的间歇式反应器、全混流反应器及平推流反应器的含义及基本设计思路。
二、学习要求
掌握三种理想反应器的内涵，理解各种反应器理想型的联系与区别。
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？反应器按照其操作方式可分为间歇式反应器、连续流动式反应器及半连续（或半间歇式）反应器，而从反应器理想性的角度分，可将反应器分为理想反应器及实际反应器，本讲要介绍的就是三种理想反应器的概念，包括理想的间歇式反应器（BR）、平推流反应器（PFR）及全混流反应器（MFR）。 1. 理想的间歇式反应器
理想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 理想的间歇式反应器
2. 全混流反应器
全混流反应器是一种连续流动式反应器，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致。
Vr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况，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致，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，物料连续流动，流体在管内作平推流流动具有如下两特征：
（1）在与流动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）在流体流动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(t)，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：
反应物流入某微元的速率反应物流出的= 速率反应物由于反应而消失+ 掉的速率 + 反应物在微元中累积的速率 热量衡算方程，
由于反应而消能量量流能量流入某在微元中能量
微元的速率 = 出的速率 + 失的能量 + 累积的速率
的速率
五、小结
本讲主要介绍了三种理想反应器——理想的间歇式反应器、平推流反应器、全混流反应器的含义，要求掌握三种理想反应器理想的内涵，其中的区别与相似之处.
六、自测题
（无）
知识点8. 理想的间歇式反应器及其设计计算
一、主要讲解内容
本部分主要讲解理想的间歇式反应器的设计方程、特定反应在间歇式反应器中进行时反应器的设计计算、反应器设计方程的图解表示。
二、学习要求
掌握间歇式反应器的设计方程，掌握恒容和变容反应在间歇式反应器中进行时的不同，掌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+因反应而消失+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，则因反应而消失的速率=(-rA).V；累积的速率=
dNA。从而可得， dtdNA??(?rA)V dt分离变量得，
dt??dNA
(?rA)V从0时刻到t时刻积分，
?得，
t0dt???dNA
NA0(?r)VANAt???又
dNANA0(?r)VANA （1）
NA?NA0(1?XA)，?dNA??NA0dXA，则（1）式可变形为，
t?NA0?XA0dXA(?rA)V （2）
（1）式及(2)式即理想的间歇式反应器的设计方程。
若 t=0时, A的摩尔数为NAi转化率为XAi，则NAi?NA0(1?XAi)，（1）式及(2)式分别成为如下形式：
t???NANAidNA （3）
(?rA)VdXA （4）
XAi(?r)VAXAt?NA0?注意，流体的体积和反应速率都不可以从积分号中提出，这是由于随着反应的进行二者可能都会逐渐发生变化。
对于恒容反应，εA=0，V=Const.，则，
dNA?dCA V设计方程可写作，
t???XAdXdCAA （5） ?CA0?CA0(?r)0?rAACA特殊地，对于1级不可逆恒容反应，?rA?kCA?kCA0(1?XA)，带入（5）式得，
t?CA0?XAXAdXAdXA?CA0???ln(1?XA)
0?rAkCA0(1?XA)0对于变容反应，V=V0 (1+?A XA)，
t??XA0XAXANA0dXACA0dXAdXA （6） ???CA0?00V0(1??AXA)(?rA)(1??AXA)(?rA)(1??AXA)(?rA)特殊地，如果为1级不可逆变容反应，?rA?kCA?kCA0XA(1?XA)，带入（6）式得，
(1??AXA)t?CA0?0XAdXAdXA?CA0?
0(1?X)(1??AXA)(?rA)A(1??AXA)kCA0(1??AXA)=?ln(1?XA)
可以发现，对于在间歇式反应器中进行的一级不可逆反应，若速率常数一致，不论反应是恒容还是变容，达到相同的转化率所需的时间是一样的。
由（4）式可得，