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第八章化学反应工程学基本原理 3-2 反应体积、反应时间与空间速度 1.反应体积 （1）反应器实际体积 反应器实际体积V是指反应设备中的全部空间所占的体积。 （2）反应器有效体积 反应器有效体积VR是指反应器实际进行化学反应所占的体积。 2.反应时间 （1）反应时间tr 对于间歇操作而言，反应物料从开始反应到达到所要求 转化率所持续的时间。 （2）停留时间和平均停留时间 停留时间是指物料质点从反应器入口到出口所经历时间。 对于间歇操作而言，各质点停留时间相同，且等于反应时间； 对于连续操作而言，各质点停留时间不相同，一般用物料流中各质点在反应器内停留时间的平均值即平均停留时间表示。 某反应： ，在t=700℃、p=3×105Pa(绝压）条件下反应，开始时A为116kg，求当反应完成50%时，cA、pA和yA各为多少？ 根据化学计量方程 例如：A+2B→C+D 对于等分子气相反应 注意：膨胀因子只适用于气相连续流动反应系统，对于间歇操作反 应器、均相反应均为恒容过程。 SO2催化制取SO3的反应式为： 已知反应器入口处含SO27.15%（摩尔分数），出口物料中含SO2为0.48%，求 及SO2的转化率。 分析：膨胀因子计算公式有两种：一是 ，另一个是 。根据已知条件应选用后者进行计算。 解： 膨胀因子 转化率 解：依题意 3—3气相流动系统的动力学方程 组分A的转化率 0 组分A的物质的量流量 物料总体积流量 组分A的浓度 式中：qn,A—表示经过一定反应器体积后组分A的物质的量流量，mol·s-1； qV —表示经过一定反应器体积后的总体积流量，m3·s-1。 气相用分压pA或摩尔分率yA表示组成： 式中： 第四节化学反应器内物料的流动模型 数学模型方法的基本精神有以下几点： ① 简化。 ② 等效性。 ③ 模型简化的程度体现在模型参数的个数。 化学反应工程学的研究方法： 数学模型法 数学模型 —— 在反应器的设计、放大或控制过程中，都需要对研究对象作出定量的描述，也就是要用数学式来表达各参数间的关系，简称数学模型。 化学反应工程中，数学模型主要包括下列内容： （1）动力学方程式 （2）物料衡算式 （3）热量衡算式 （4）动量衡算式 （5）参数计算式 数学模拟放大法示意图 明确任务 建立 数学模型 解算 数学模型 检验 数学模型 实际应用 修改模型 计算机 计算机 物料在反应器内流动时可能存在两种不同的混合。 流体粒子（微元）在空间顺序上的混合 流体粒子在反应器内相对位置发生变化而造成的物料微元之间的混合，称为空间混合，简称空混。 流体粒子（微元）在时间顺序上的混合 具有不同停留时间的粒子（微元）的逆向混合，称为返混。 空混 返混 流动模型 理想流动模型 非理想流动模型 平推流反应器 全混流反应器 返混=∞或返混=0 返混=∞ 返混=0 介于两种理想流动之间 轴向扩散模型 多级全混流模型 反应物A 反应物B 全混流反应器 生成物R 特点： ① 假设反应器的搅拌良好。 反应器内物料的组成和 温度处处相等，且等于 反应器出口的物料组成 和温度。 操作稳定，反应器内物料的组成和温度均不随位置和时间而变。 4—1全混流模型 4—2活塞流模型 反应物A 反应物B 生成物R 特点： ① 反应器的长径比较大。 假设不同时刻进入反应器的物料之间 不发生逆向混合（返混）。 反应物沿管长方向流动，反应时间是 管长的函数，其浓度随流动方向从一 个截面到另一个截面而变化。 活塞流反应器 4—3非理想流动模型 非理想流动模型的流动形态介于上述两种理想流动模 型之间。即物料微团在反应系统内有一定程度的返混，但 不能达到完全返混。 描述这种非理想流动状态的模型有轴向扩散和多级全 混流模型。 2.轴向扩散模型－活塞流+轴向扩散 它仿照分子扩散的概念，在平推流流动上叠加一轴向 分散过程，以表示反应器流动方向上的返混。 2.多级全混流模型 原料A 生成物R 特点： 反应在多个串联的全混流反应器内进行，各釜的 入口浓度就是前一釜的出口浓度。 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器