化學(xué)反應(yīng)工程_第五章_連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器

1、12022-3-4上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 化學(xué)工程與工藝系第五章第五章 連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程Chemical Reaction Engineering22022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering5.1 CSTR5.1 CSTR中的均相反應(yīng)中的均相反應(yīng)5.2 5.2 返混原因及限制返混措施返混原因及限制返混措施32022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering5.1 CSTR

2、5.1 CSTR中的均相反應(yīng)中的均相反應(yīng)5.1.1 5.1.1 反應(yīng)器特征反應(yīng)器特征 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。42022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering全混流反應(yīng)器的特點(diǎn)1. 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)；2. 物料參數(shù)不隨時(shí)間而變化；3. 反應(yīng)速率均勻，且等于 出口處的速率，不隨時(shí)間變化；4. 返混52022-3-

3、4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering BSTR PFR CSTR 投料投料 一次加料一次加料( (起始起始) ) 連續(xù)加料連續(xù)加料( (入口入口) ) 連續(xù)加料連續(xù)加料( (入口入口) ) 年齡年齡 年齡相同年齡相同( (某時(shí)某時(shí)) ) 年齡相同年齡相同( (某處某處) ) 年齡不同年齡不同 壽命壽命 壽命相同壽命相同( (中止中止) ) 壽命相同壽命相同( (出口出口) ) 壽命不同壽命不同( (出口出口) ) 返混返混 全無(wú)返混全無(wú)返混 全無(wú)返混全無(wú)返混 返混極大返混極大三種反應(yīng)器區(qū)別62022-3-

4、4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)時(shí)間逐漸反應(yīng)時(shí)間逐漸降低降低反應(yīng)推動(dòng)力隨反反應(yīng)推動(dòng)力隨反應(yīng)器軸向長(zhǎng)度逐應(yīng)器軸向長(zhǎng)度逐漸降低漸降低反應(yīng)推動(dòng)力不變，反應(yīng)推動(dòng)力不變，等于出口處反應(yīng)等于出口處反應(yīng)推動(dòng)力推動(dòng)力三種反應(yīng)器濃度分布-推動(dòng)力72022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering5.1.2 CSTR5.1.2 CSTR的反應(yīng)速率的反應(yīng)速率流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量

5、反應(yīng)量 + + 累積量累積量82022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering 物料平均停留時(shí)間 對(duì)于等容過(guò)程，物料平均停留時(shí)間為的求解（數(shù)值法）92022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering102022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering的求解（圖解法）一般簡(jiǎn)單反應(yīng)（生產(chǎn)任務(wù)相同） 1/rA FPR 1/rA C

6、STR xAxA112022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction EngineeringRpRVVRpRVV=RpRMVV1AAxr000000000()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVV CV COABDrxVV CV COCBDrRMRpVV1 1）2 2）作作曲線曲線ABAB 轉(zhuǎn)化率越大，兩者的差距較大轉(zhuǎn)化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉(zhuǎn)化率操作?？刹捎玫娃D(zhuǎn)化率操作。x xA Ax xAfAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrO OA AB BD DC C122022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)

7、反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering生產(chǎn)任務(wù)相同時(shí)，反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，兩種反應(yīng)器或體積相差越大。反應(yīng)級(jí)數(shù)的影響即：反應(yīng)轉(zhuǎn)化率越高，兩種反應(yīng)器空時(shí)和反應(yīng)體積相差越大。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響132022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering5.1.3 5.1.3 組合反應(yīng)器組合反應(yīng)器142022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering德國(guó)德國(guó)ParrPar

8、r全自動(dòng)全自動(dòng)組合式化學(xué)反應(yīng)組合式化學(xué)反應(yīng)器器-5000-5000系列系列 152022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering多級(jí)平推流管式反應(yīng)器Consider N plug flow reactor connected in series, and let x1, x2, , xN be the fractional conversion of component A leaving reactor 1,2, , N. Basing the material balance on the feed

9、 rate of A to the first reactor, we find for the ith reactor from Eq.3.2-6AiAixxAAAirdxFV10162022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering172022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering182022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engi

10、neeringAiAixxAAAirdxFV10192022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering 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(duì)于等溫反應(yīng)，很難控制整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均勻。對(duì)于全混流反應(yīng)器，物料參數(shù)是均勻的，對(duì)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(guò)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(lái)，稱為“多級(jí)串聯(lián)全混流反應(yīng)器

11、”。202022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering單釜體積（空時(shí)）大于多單釜體積（空時(shí)）大于多釜體積（空時(shí)）釜體積（空時(shí)）多級(jí)全混流反應(yīng)器212022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)計(jì)算222022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering00100(1)(1)AAiAAiAiRiV Cx

12、V Cxr V010AiAiAiRiV CV Cr V()AiAirf c001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiVCCVr1.解析計(jì)算232022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2.一級(jí)不可逆反應(yīng) 對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，可以直接建立級(jí)數(shù)m和最終轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系，不必逐級(jí)計(jì)算。上式可化為01()AiAiRiAiV CCVr 由上式，第i級(jí)式中242022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)

13、釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering111AiAiiCCk1012121211111121.11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk由式由式將上述諸式相乘將上述諸式相乘252022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering262022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering272022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜

14、式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering3.3.圖解計(jì)算：圖解計(jì)算：對(duì)于非一級(jí)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(guò)程，且各級(jí)體積相同 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282022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering-1/C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A1A2A3

15、C CAmAmOM等溫、等容、各級(jí)體積相等情況的圖解計(jì)算292022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering（2）等容過(guò)程，且各級(jí)體積相同，但溫度不同如果各級(jí)溫度不同，則需作出各級(jí)的動(dòng)力學(xué)曲線 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。-1/-1/ C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A A1 1A A2 2A A3 3M M1 1M M2 2M M3 3O O302022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化

16、學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering（3）等容等溫，但各級(jí)體積不同如果各級(jí)體積不相同，則 的各直線斜率 不相同，如圖依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1、CA2、CA3。C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A1A2A3C CAmAm-1/2-1/3-1/1OAArC1312022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)優(yōu)化 在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)，物料處

17、理量VO、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(jí)數(shù)m和各級(jí)的體積，使總體積最小。 反應(yīng)器級(jí)數(shù)越多,反應(yīng)推動(dòng)力增大,但設(shè)備投資、工藝流程和操作控制變得復(fù)雜，因此需要綜合考慮。 以下討論，當(dāng)物料處理量VO、進(jìn)料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm和反應(yīng)器級(jí)數(shù)m確定后，如何最佳分配各級(jí)轉(zhuǎn)化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。322022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering 為使為使V VR R最小，將上式分別對(duì)最小，將上式分別對(duì)x xA1A1、x xA2A2、x xAmAm1 1求偏求偏導(dǎo)

18、數(shù)，并令之為零，則有導(dǎo)數(shù)，并令之為零，則有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x 對(duì)于等溫等容過(guò)程，各級(jí)反應(yīng)器體積為對(duì)于等溫等容過(guò)程，各級(jí)反應(yīng)器體積為 反應(yīng)器總體積反應(yīng)器總體積 為為001()AAiAiRiAiV CxxVr332022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering0(1,2,.1)RAiVimx以上共有（以上共有（m-1m-1）個(gè)方程，可解出（）個(gè)方程，可解出（m-1m-1）個(gè)待定量）個(gè)待定量(x(xA1A1、x xA2A2、x

19、 xA3A3x xAmAm1 1) )。342022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering 以一級(jí)不可逆反應(yīng)為例反應(yīng)器總體積 上式表示：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，當(dāng)各級(jí)的體積相等時(shí)，總反應(yīng)體積最小。111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim1121000102001210.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVx

20、Vimxkxx111111AiAiAiAixxxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx352022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering一般來(lái)說(shuō)，a級(jí)反應(yīng)中（CSTR)，為了使總體積最?。海?）a 1，沿物料方向，各釜體積依此增加；（2）a 1，沿物料方向，各釜體積依此降低；（3）a 1，沿物料方向，各釜體積相等；（4）a 0，反應(yīng)速率于濃度無(wú)關(guān)，串聯(lián)的反應(yīng)總體積于 單釜相等，串聯(lián)操作無(wú)必要；（5）a C CA,OPT,A,OPT,CSTRCSTR PFRCAC CA A PFRP

21、FRPAAACkCdtdCr)(CA0CAf1/(-rA)CA,optCACA返混有利，尤其是在開(kāi)始階段，采用CSTR操作432022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering（4）CSTR的用途： 很大時(shí)，VR很大，若采用PFR，則反應(yīng)器管較長(zhǎng)； 溫度易控制； 特殊反應(yīng)，如自催化反應(yīng)開(kāi)始階段（返混有利）。442022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering5.1.5 5.1.5 平行反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)器的操作方式平行反

22、應(yīng)過(guò)程反應(yīng)器的操作方式122111221121111)()()(nnAnAnAnASPPAAACkkCkCkCkrrrrrr生成副產(chǎn)物的速率生成目的產(chǎn)物的速率瞬時(shí)選擇性n1PSkkA12n2AfACCACCdCAfA00452022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction EngineeringCACA0CAfn1n2CSTRPFR21SS472022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering收率AfAPPfCCCCmolmol00數(shù)過(guò)程

23、中生成產(chǎn)物總數(shù)過(guò)程中生成目的產(chǎn)物總總選擇性AfAPAfACCAPfCAfACCAdCCCCdC00000482022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction EngineeringCACA0CAfn1n2CSTRPFR21SS502022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineeringn n1 1nn2 2CA升高選擇率增大n n1 1n n2m1 m2CA低低CB低低n1 n2m1 n2m1 m2522022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程

24、/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering532022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering5.1.6 5.1.6 串連反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化串連反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化（1）選擇率：APAPAAPCCkkCkCkCkrr121211)( 選擇率隨反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行不斷降低，凡是使得CP增加和 CA降低的因素對(duì)選擇率不利； 返混對(duì)選擇率不利。542022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering)()(;:21101210kkAPkAAeeCkkkCeCCPFR)1)(1 (;1:21100kkkCCkCCCSTRAPAA552022-3-4 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)釜式反應(yīng)器 Chemical Reaction Engineering（2）收率：1212210max,maxln;)(:122kkkkkkCCPFROPTkkkAP2122/1120max,