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第三节 基本概念及反应器的物料衡算
一、基本反应器
在化工生产中，把反应器的结构型式和操作方法结合起来考虑，最简单、最常用的反应器称为基本反应器。基本反应器有以下三种：
1、间歇釜式反应器，简称间歇釜；
2、管式反应器，简称反应管；
3、连续釜式反应器，简称全混釜。
上述反应器如图5-9所示。
(a)间歇釜 （b）反应管 (c)全混釜
图5-9 基本反应器示意图
二、基本概念
1、转化率（x）
转化率是指在反应过程中反应物A的消耗量与A的起始量之比。表示反应过程中的消耗量占A起始量的百分率。数学表达式为：
xA=反应物A的消耗量/A的起始量
=（nA0-nA）/nA0 (5-1)
=(CA0-CA)/CA0 (恒容时) （5-2）
=(FA0-FA)/FA0 （5-3）
式中：
nA0-----反应物A起始的摩尔量，mol；
nA------反应过程中A的剩余的摩尔量，mol；
CA0-----反应物A的起始浓度，mol/m3；
CA------反应过程中A的浓度，mol/m3；
FA0-----反应物A的起始摩尔流量， mol/s；
FA------反应过程中A的摩尔流量，mol/s；
反应过程中是指反应进行中某一指定的时刻。由式（5-1），（5-2），（5-3）移项整理得：
nA=nA0（1-xA） (5-4)
CA=CA0（1-xA） (恒容时) (5-5)
FA=FA0（1-xA） (5-6)
设V0为反应器入口处的体积流量，则：
FA0=CA0V0 （5-7）
式（5-7）表明，反应物A起始摩尔流量为A的起始浓度与反应器入口处体积流量的乘积。
2、时间
化学反应工程中，各种不同的反应器，用各种不同的“时间”概念去描述。现分别介绍如下：
（1）空间时间，简称空时，以τC 表示。空时是反应器的有效容积与反应器入口处的体积流量之比，即：
τC=反应器的有效容积/反应器入口处的体积流量
=VR/V0 S或min (5-8)
反应器的有效容积VR是指反应器几何容积中，用于反应的体积。例如，反应釜的几何容积为3M3,而反应物料（液体）只装了2M3(反应中是不能装满的，一般只装几何容积的1/2～2/3)，此时，VR=2M3。
空间时间的意义是，处理一个VR的物料所需的时间。例如，当物料进入反应器时的流量V0=1M3/min,而反应器的VR=2M3，此时τC = VR/V0 =2min，其意义是处理2M3（一个 VR）的物料，所需的时间为2分钟。
（2）空间速度，简称空速，以SV表示。空速是反应器入口处的体积流量与反应器有效容积之比，为 τC 的倒数，即：
SV=1/τC =V0 /VR S-1或min-1 (5-9)
空速的意义是，单位时间内处理的物料量为反应器有效容积多少倍。例如，当V0 =1M3/min、VR=2M3时，SV=V0 /VR=0.5min-1,其意义是1分钟处理的物料量为 VR（2M3）的0.5倍，即1M3的物料。
从τC 、SV的意义可知，它们均表示连续反应器的生产能力。τC 小，生产能力大；SV大，生产能力大。两者均表示入口状态（T、P）下的反应器的生产能力，一般用于描述连续反应器中气相反应。
（3）平均停留时间，以符号τ平均表示。平均停留时间是反应器的有效容积与反应器中物料的体积流量之比，即：
τ平均=VR/V
S或min (5-10)
式中 V----反应器器内状态（T、P）下的体积流量。τ平均一般用来描述连续反应器中的液相反应。
（4）反应时间，以τ表示，即反应持续的时间。指反应物料进行反应达到所要求的转化率所需持续的时间。用于描述间歇反应器。
三、反应器的物料衡算
反应器的物料衡算，当然与前面所述的物料衡算的规律是相同的。在反应器中，既有物理过程也有化学反应过程，因而两个方面均要考虑。在单位时间内，对于任何反应系统，反应器的物料衡算方程如下：
进入反应器的物料量=引出反应器的物料量+反应消耗的物料量+积累的物料量
（1） （2） （3）
（4） （5-11）
对于不同操作的反应器，式（5-11）可作如下简化。
间歇反应器：（3）+（4）=0 （5-12）
连续稳定反应器：（1）=（2）+（3）
（5-13）
半连续反应器：（1）=（2）+（3）+（4） （5-14）
本课程不讨论半连续反应器。
物料衡算通常是以某一组分为基准进行的。若反应器物料组成是均一的，衡算可在整个反应器有效容积中进行；如果反应器内物料组成不均匀，则应取微元反应体积进行衡算，然后在一定的边界条件下进行积分才能得到结果。