化學(xué)反應(yīng)工程_連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器

1、第三章第三節(jié)連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器-全混流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器是指物料流動(dòng)狀況符合全混流模型，該反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器（CSTR）。在實(shí)際反應(yīng)器中，連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器由于強(qiáng)烈攪拌，物料混合均勻，其流動(dòng)狀況接近全混流。一、全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)一、全混流反應(yīng)器的特點(diǎn) 反應(yīng)器內(nèi)物料參數(shù)（濃度、溫度等）處處相等，且等于物料出口處的物料參數(shù)； 物料參數(shù)不隨時(shí)間而變化； 反應(yīng)速率均勻，且等于出口處的速率，不隨時(shí)間變化；1. 返混0()0AAAfRNNrV二、全混流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式二、全混流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式 1. 反應(yīng)器體積VR 衡算對象：關(guān)鍵組分A 衡算基準(zhǔn)：整個(gè)反應(yīng)器（VR） 穩(wěn)定狀

2、態(tài)： A流入量A流出量 A反應(yīng)量00,0,0AAV NC,AAfN CAfX00AX0000(1)()AAAfAfRV CV CxrVfAAfAfAAfARfAAfARrxcrccVVrxcVV)()()()(00000( )A fr式中指按出口濃度計(jì)算的反應(yīng)速率。0,0,0AAV NC,AAfN CAfX00AXfAAfARrxcVV)(0000Ax000()0(1)(1)AAAfRAAAAAAfNNrVNNxNNx若,則由物料衡算方程A流入量A流出量 A反應(yīng)量0上述公式均為普遍式，全混流反應(yīng)器一般為等溫反應(yīng)器，公式可用于等容過程和非等容過程。000(1):(1)nAAAAAAAANxrkC

3、CVyx式中；由式（113）000()()AAfARAfV CxxVr00000(1)(1)()0AAAAfAfRV CxV CxrV表35列出了平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的反應(yīng)結(jié)果比較，其中000(324)()()RAAfAAfAfAfVVCxCCrr0RVV2.物料平均停留時(shí)間 對于等容過程，物料平均停留時(shí)間為，這是對等容過程而言。00()AAfRAfV CxVr00AAfAfACCxC平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較進(jìn)料體積流量反應(yīng)體積0VVr（因次：時(shí)間） , V o處理能力表明 空速的意義：單位時(shí)間單位反應(yīng)體積所處理的物料量?？账俚囊饬x：單位時(shí)間單位反應(yīng)體積所處理的物料量。 空速越大

4、，反應(yīng)器的原料處理能力越大。空速越大，反應(yīng)器的原料處理能力越大。rAArVcFVV0001 空速：空速：-1:時(shí)間因次多級全混釜的串聯(lián)及優(yōu)化多級全混釜的串聯(lián)及優(yōu)化設(shè)有一反應(yīng)，A的初始濃度為CA0，反應(yīng)結(jié)束后最終濃度為CAf,反應(yīng)的平衡濃度為CA*，考察平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的濃度推動(dòng)力。由圖示，顯然有，CA平CA全平推流反應(yīng)器中的濃度推動(dòng)力大于全混流反應(yīng)器中的濃度推動(dòng)力。結(jié)果，平推流反應(yīng)器體積小于全混流反應(yīng)器體積。濃度分布 - 推動(dòng)力反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)時(shí)間逐漸降低反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動(dòng)力不變，等于出口處反應(yīng)推動(dòng)力 平推流反應(yīng)器的物料參數(shù)如濃度等沿流動(dòng)方向變化。對于等溫反應(yīng)

5、，很難控制整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均勻。對于全混流反應(yīng)器，物料參數(shù)是均勻的，對于物料溫度的控制比較容易。 在有機(jī)反應(yīng)中，特別是多重反應(yīng)，要求反應(yīng)過程中物料濃度溫度等參數(shù)保持均勻，否則極易發(fā)生副反應(yīng)，所以一般選擇全混流反應(yīng)器。 為了滿足工藝要求，又要提高反應(yīng)推動(dòng)力，人們把一個(gè)大的反應(yīng)器分割成m個(gè)小的全混流反應(yīng)器，然后串聯(lián)起來，稱為“多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器”。設(shè)有4級串聯(lián)全混流反應(yīng)器，其濃度推動(dòng)力如圖所示。CA多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4顯然CA平CA多CA全當(dāng)級數(shù)為，則CA平CA多一、多級全混流反應(yīng)器的濃度特征一、多級全混流反應(yīng)器的濃度特征CA0C

6、A*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA1解釋說明解釋說明n將一個(gè)容積為VR的全混釜以N個(gè)容積為VR/N的全混釜來代替，如果兩者的起始與終止?fàn)顟B(tài)具有相同的溫度、濃度，則單釜操作時(shí)全部反應(yīng)過程都維持在最終濃度CAf下進(jìn)行，反應(yīng)速度最慢；n兩釜串聯(lián)操作時(shí)，第一釜在CA1下進(jìn)行，僅第二釜維持在CAf下進(jìn)行，整個(gè)反應(yīng)速度提高了一個(gè)水平；n在三釜串聯(lián)操作時(shí)，前兩釜都是在高于CAf的濃度下進(jìn)行，僅第三釜在CAf進(jìn)行，反應(yīng)速度比兩釜串聯(lián)時(shí)又有所提高?？梢?，串聯(lián)的釜數(shù)越多，反應(yīng)物濃度提高越多，反應(yīng)速度越快，需要的反應(yīng)時(shí)間或反應(yīng)器體積就越小。n將幾個(gè)全混釜串聯(lián)起來操作就構(gòu)成了多釜串聯(lián)反將幾個(gè)全混

7、釜串聯(lián)起來操作就構(gòu)成了多釜串聯(lián)反應(yīng)器。應(yīng)器。 VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0 xAmxAixAi-1xA2xA100100(1)(1)AAiAAiAiRiV CxV Cxr V二、多級全混流反應(yīng)器的計(jì)算二、多級全混流反應(yīng)器的計(jì)算 解析計(jì)算 多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作如上圖所示。 設(shè)：穩(wěn)定狀態(tài)，等溫，等容。 對第i級作A的物料衡算，則有 001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiV CCVr或 多級全混流反應(yīng)器的級數(shù)一般為23級，所以可以按上式從第1級開始逐級計(jì)算。根據(jù)不同的已知條件計(jì)算反應(yīng)器體積，級數(shù)或者

8、最終轉(zhuǎn)化率。0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2. 一級不可逆等容單一反應(yīng) 對于一級不可逆反應(yīng)，可以直接建立級數(shù)m和最終轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系，不必逐級計(jì)算。上式可化為01()AiAiRiAiV CCVr11(3 29)1A iA iiCCk第i級式中111AiAiiCCk1012121211111121.11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk1011mA miAiCCk（ 3 30） 將上述諸式相乘0001AAmAmAmAACCCxCC 1111mA miixk （ 3 31）123.m由等容過程 得故 當(dāng)每級體積相等時(shí)則可進(jìn)一步簡化11

9、11111mmAmiixkk （ 3 32）或1 /1111mA mkx（ 3 3 3 ）總體積001/111RRimAmmVVmVmVkx（ 3 34）3.圖解計(jì)算圖解計(jì)算 對于非一級反應(yīng)，采用解析法計(jì)算比較麻煩，一般采用圖解法計(jì)算。 1）等溫等容過程，且各級體積相同（1）圖解法基本原理 01()AiAiRiAiV CCVr()AiAirk f C1AiAiAiCCr得到 將上述兩個(gè)方程同時(shí)繪于兩線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為CAi.。動(dòng)力學(xué)方程為AArC圖上由n等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計(jì)算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM的直線與OM線交于A1點(diǎn)，其橫坐標(biāo)即為CA1

10、；c. 由于各級溫度相同，所以各級的動(dòng)力學(xué)曲線均為OM線 ; 且為等容過程，各級體積相等：（2）作圖步驟a.在AArC1123.m圖上標(biāo)出動(dòng)力學(xué)曲線OMd. 過CA1作CA0 A1的平行線，與OM曲線交于A2,其橫坐標(biāo)即為C A2 。如此下去，當(dāng)最終濃度等于或小于規(guī)定出口濃度時(shí)，所作平行線的根數(shù)就是反應(yīng)器級數(shù)。b.以初始濃度CA0為起點(diǎn)，過CA0作斜率為n等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計(jì)算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM2) 等容、各級體積相同，但溫度不同 如果各級溫度不同，則需作出各級的動(dòng)力學(xué)曲線 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2

11、A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3M1M2M3O3)等容、等溫但各級體積不同AArC的各直線斜率 不相同，1如圖依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1 、CA2 、 CA3。 如果各級體積不相同，則CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1OM三、多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化三、多級全混流反應(yīng)器串聯(lián)的優(yōu)化 在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，物料處理量V0、進(jìn)料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm是由工藝條件確定的。 如何確定反應(yīng)器級數(shù)m和各級的體積，使總體積最小。 反應(yīng)器級數(shù)越多,反應(yīng)推動(dòng)力增大,但設(shè)備投資、工藝流程

12、和操作控制變得復(fù)雜，因此需要綜合考慮。 以下討論，當(dāng)物料處理量V0、進(jìn)料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm和反應(yīng)器級數(shù)m確定后，如何最佳分配各級轉(zhuǎn)化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。 為使VR最小，將上式分別對xA1、xA2、xAm1求偏導(dǎo)數(shù)，并令之為零，則有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x0(1,2,.1)RAiVimx 對于等溫等容過程，各級反應(yīng)器體積為 反應(yīng)器總體積 為以上共有（m-1）個(gè)方程，可解出（m-1）個(gè)待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。001()AAiAiRiAiV CxxVr112100010200121

13、0.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVxVimxkxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx111111AiAiAiAixxxx111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim 以一級不可逆反應(yīng)為例反應(yīng)器總體積 即化簡后即由上式上式表示：對于一級不可逆反應(yīng)，當(dāng)各級的體積相等時(shí)，總反應(yīng)體積最小。單釜優(yōu)于串聯(lián)釜，積。串聯(lián)總體積等于單釜體，各釜體積依次減小。，各釜體積相等。，釜在前，大釜在

14、后。各釜體積依次增大，小， 0 0 10 1 1理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合與反應(yīng)器體積比較理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合與反應(yīng)器體積比較一、理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合一、理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合工業(yè)生產(chǎn)中為了滿足工藝要求，常常將理想反應(yīng)器組合起來，構(gòu)成組合理想流動(dòng)反應(yīng)器。 各種組合方式如圖所示。 當(dāng)反應(yīng)溫度、流量Vo、初始濃度CAo及各反應(yīng)器體積VR相同時(shí)，進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)。考察各種組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。afedcbg當(dāng)反應(yīng)溫度、流量Vo、初始濃度CAo及各反應(yīng)器體積VR相同時(shí)，進(jìn)行一級不可逆反應(yīng)?？疾旄鞣N組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。a000121/2AAAfRCCCVkkVb. 0011200011(1)

15、AAAAA fRRRCCCCCVVVkkkVVV，101kkAfAAeCC eCk000()( 2)/2RAfAAVCC expkC expkVd.e. 010000()111RAkAAAfRRVC expkCVC eCVVkkkVVc.f.100000()()()( 2)RRRAfAAAVVVCC expkC expkexpkC expkVVVg.2100212kAAAACC eCCk20120112212kAAfAAACCCCC ek00,AAfV CxRRpRMRmVVVV，二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的體積比較二、理想流動(dòng)反應(yīng)器的體積比較1. 基本條件 等溫、等容過程，且 相同。間歇反應(yīng)器體積；

16、平推流反應(yīng)器體積；全混流反應(yīng)器體積；多級全混流反應(yīng)器體積。分別表示： 000(34)AfxARAAdxVtCtrVAfA0A00AxRdxVV Cr間歇反應(yīng)器 A fA0 A 00A(3 13)xR pdxVVCr00( )A A fR MA fVC xVr（ 3-25）RpRVVRpRVV=RpRMVV1AAxr000000000()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVV CV COABDrxVV CV COCBDrRMRpVV1）2）作曲線AB 轉(zhuǎn)化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉(zhuǎn)化率操作。xAxAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrOABD2.反應(yīng)器的體積比較反應(yīng)器的

17、體積比較CRpRmVV01/11(3 34)1RmmAmmVVkx011RpAfVVlnkx1/11111RmmAfRpAmVmlnxVx3） 當(dāng)為一級不可逆反應(yīng)，各級體積相同時(shí)，有 RmRpVV1AfxAfxRmRpVVAfxRmRpVV(1)A fx越 小 。以為縱坐標(biāo)，m為參變數(shù)作圖。越大，（2）當(dāng)一定時(shí):越小，接近于平推流。為橫坐標(biāo)，越大,遠(yuǎn)離平推流。m越大，（3）當(dāng)k一定時(shí):m越大，則如圖319所示，結(jié)論如下：（1）當(dāng) m 一定時(shí):間歇反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器n平推流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和操作方式上與間歇反應(yīng)器截然不同，一個(gè)沒有攪拌一個(gè)有攪拌；一個(gè)連續(xù)操作一個(gè)間歇操作；一個(gè)是管式一個(gè)是釜式，但有

18、一點(diǎn)是共同的，就是二者都沒有返混，所有物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間都相同。既然停留時(shí)間都相同，沒有不同停留時(shí)間（即不同轉(zhuǎn)化率，不同濃度）物料的混合，兩種反應(yīng)器在相同的進(jìn)口（初始）條件和反應(yīng)時(shí)間下，就應(yīng)該得到相同的反應(yīng)結(jié)果。間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器n間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上大體相同，但從返混的角度上看卻是完全不同的。間歇反應(yīng)器完全沒有返混，而全混流反應(yīng)器的返混達(dá)到了極大的程度。因而，二者的設(shè)計(jì)方程不同，同一個(gè)反應(yīng)在這兩種反應(yīng)器中進(jìn)行，產(chǎn)生的結(jié)果也就不一樣。平行反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型n反應(yīng)物能同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)，稱為平行反應(yīng)。n一般情況下，在平行反應(yīng)生成的多個(gè)產(chǎn)物中，只有一個(gè)是需要的目

19、的產(chǎn)物，而其余為不希望產(chǎn)生的副產(chǎn)物。在工業(yè)生產(chǎn)上，總是希望在一定反應(yīng)器和工藝條件下，能夠獲得所期望的最大目的產(chǎn)物量，副產(chǎn)物量盡可能小。n考慮下列等溫、恒容基元反應(yīng)：nAP(目的產(chǎn)物)nAS(副產(chǎn)物)n反應(yīng)物A的消耗速率為：2A21A1AAddnnckcktnrn產(chǎn)物P、S的生成速率為：n當(dāng)兩個(gè)反應(yīng)都是一級時(shí)，可以積分求得：1A1PPddncktcr2A2SSddncktcrtkkecc210AAtkkeckkkc2110A211Ptkkeckkkc2110A212S平行反應(yīng)的選擇性n平行反應(yīng)是一種典型的復(fù)合反應(yīng)，流動(dòng)狀況不但影響其所需反應(yīng)器大小，而且還影響反應(yīng)產(chǎn)物的分布。優(yōu)化的主要技術(shù)指標(biāo)是目

20、的產(chǎn)物的選擇性。選擇性、收率定義n （目的產(chǎn)物） n （副產(chǎn)物）n生成目的產(chǎn)物的反應(yīng)速率：n生成付產(chǎn)物的反應(yīng)速率：PBA111pbakSBA222sbak11BA11Abacckr22BA22Abacckrn轉(zhuǎn)化率n式中 nA0、nA為進(jìn)入系統(tǒng)和離開系統(tǒng)A物質(zhì)的摩爾數(shù)。n平均選擇性n式中 (nA)P、(nP)為生成目的產(chǎn)物P消耗的A量和生成目的產(chǎn)物P的量。0AA0AAAAnnnx物質(zhì)的量加入系統(tǒng)中物質(zhì)反應(yīng)掉的量在系統(tǒng)中PSA0AP1AA0PAPAAnnnpannnS的量在系統(tǒng)中反應(yīng)掉的的量消耗的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物n收率yn三者關(guān)系：0AP10APAAAnnpanny物質(zhì)的量加入系統(tǒng)中的量消耗

21、的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物PASxy n瞬時(shí)選擇性SPn對于上述平行反應(yīng)的消耗速率在反應(yīng)過程中同一瞬時(shí)速率生成目的產(chǎn)物消耗的在反應(yīng)過程中某一瞬時(shí)AAPS 2A1A1APrrrS瞬時(shí)選擇性與平均選擇性的關(guān)系n對平推流或間歇反應(yīng)器n對全混流反應(yīng)器n對N個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器0AAAPA0APd1nnnSnnSPPSS AN0AAN1ANPN2A1AP21A0A1PPccccSccSccSSn當(dāng)a1=p=1時(shí)的恒容過程，對任一型式反應(yīng)器，P的出口濃度為：A0APPccSc影響瞬時(shí)選擇性的因素n為了增加目的產(chǎn)物的收率，必須從反應(yīng)器選型及工藝條件優(yōu)化來提高瞬時(shí)選擇性。 122121BA10202A1A1AP1

22、1bbaaRTEEccekkrrrSna溫度對選擇性的影響(濃度不變時(shí)) 當(dāng)ElE2時(shí)，E1-E20，隨著溫度的上升， 選擇性SP上升，可見高溫有利于提高瞬時(shí)選擇性；當(dāng)E1E2時(shí)，E1-E2a2，blb2時(shí)，升高濃度，使選擇性增加，若要維持較高的cA、cB，則應(yīng)選擇平推流反應(yīng)器、間歇反應(yīng)器或多釜串聯(lián)反應(yīng)器連串反應(yīng)特性與反應(yīng)器選型n連串反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物能進(jìn)一步反應(yīng)成其它副產(chǎn)物的過程。n作為討論的例子，考慮下面最簡單型式的連串反應(yīng)(在等溫、恒容下的基元反應(yīng))：n在該反應(yīng)過程中，目的產(chǎn)物為P，若目的產(chǎn)物為S則該反應(yīng)過程可視為非基元的簡單反應(yīng)。SPA21kkn三個(gè)組分的生成速率為：n設(shè)開始時(shí)各組分的濃

23、度為cA0，cP0=cS0=0，則由第一式積分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AAn將此結(jié)果代入第二式得：n為一階線性常微分方程，其解為：n由于總摩爾數(shù)沒有變化，所以 cA0=cA+cP+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc2112210AS11n若k2k1時(shí)，n若k1k2時(shí)，n組分A、P、S隨時(shí)間的變化關(guān)系以濃度-時(shí)間標(biāo)繪得圖tkecc110AStkecc210ASn中間產(chǎn)物P濃度的最大值及其位置n由前面式子可以求出：n為了提高目的產(chǎn)物的收率，應(yīng)盡可能使k1/k2比

24、值增加，使cA濃度增加，cP濃度降低。n反應(yīng)速率常數(shù)k與濃度無關(guān)，只有改變溫度能夠影響k1/k2。1212optlnkkkkt21221A0maxPkkkkkccn對連串反應(yīng)n瞬時(shí)選擇性定義為：n如果是一級反應(yīng)且a=p=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccekkckckckrrSRTEE n當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能E1大于進(jìn)一步生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1E2)時(shí)，升高溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。當(dāng)生成中間產(chǎn)物的活化能E1小于生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1E2)時(shí)，降低溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。與平行反應(yīng)一致。n提高cA濃度，降低cP濃度，有利于提高瞬間選擇性，顯然平推流反應(yīng)器(或間歇反應(yīng)器)比全混流反應(yīng)器易滿足這一條件，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器。n全混流反應(yīng)器的計(jì)算(計(jì)算最佳空間時(shí)間op和相應(yīng)的cPmax值)。n以最簡單一級反應(yīng)為例：n在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0n在恒容過程中，在CSTR中對A作物料衡算：RAA00A0VrcVcV1A0RAAA01kcVVrcc0RA1AVVckr10AA1kccn對P作物料衡算：n當(dāng)時(shí) cP值最大，為最佳值op。P0RP0P0cVVrcVP2A1PPckckrc210A12A1P111kkckkc