第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器

1、第三章 理想流動(dòng)反應(yīng)器 化學(xué)反應(yīng)器中流體流動(dòng)狀況影響反應(yīng)速率和反應(yīng)選擇率，直接影響反應(yīng)結(jié)果。研究反應(yīng)器中的流體流動(dòng)模型是反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基礎(chǔ)。流動(dòng)模型是反應(yīng)器中流體流動(dòng)與返混的描述，盡管工業(yè)反應(yīng)器多種多樣，反應(yīng)器中流體流動(dòng)復(fù)雜，但就其返混情況而言可以用不同的流動(dòng)模型來(lái)描述。 流動(dòng)模型可分為兩大類：理想流動(dòng)模型理想流動(dòng)模型和非理想流動(dòng)模理想流動(dòng)模型型。理想流動(dòng)模型的兩種極限情況：即完全沒有返混的平推平推流反應(yīng)器流反應(yīng)器和返混為極大值的全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器。非理想流動(dòng)模型是對(duì)實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器中流體流動(dòng)狀況對(duì)理想流動(dòng)偏離的描述。對(duì)實(shí)際工業(yè)反應(yīng)器，在測(cè)定停留時(shí)間分布基礎(chǔ)上，可以確定非理想流動(dòng)

2、模型參數(shù)，表達(dá)對(duì)理想流動(dòng)的偏離程度。 反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況影響反應(yīng)結(jié)果影響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型流動(dòng)流動(dòng)模型模型對(duì)實(shí)際過(guò)對(duì)實(shí)際過(guò)程的簡(jiǎn)化程的簡(jiǎn)化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第一節(jié)流動(dòng)模型概述 按照操作方式按照操作方式，可以分為間歇過(guò)程間歇過(guò)程和連續(xù)過(guò)連續(xù)過(guò)程程，相應(yīng)的反應(yīng)器為間歇反應(yīng)器和流動(dòng)反應(yīng)器。相應(yīng)的反應(yīng)器為間歇反應(yīng)器和流動(dòng)反應(yīng)器。 對(duì)于間歇反應(yīng)器，物料一次性加入，反應(yīng)一定時(shí)間后把產(chǎn)物一次性取出，反應(yīng)是分批進(jìn)行的。物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀況是相同的，經(jīng)歷的反應(yīng)時(shí)間也是相同的。 對(duì)于流動(dòng)反應(yīng)器，物料不斷地加入反應(yīng)器，又不斷地

3、離開反應(yīng)器。 反應(yīng)器中流體流動(dòng)模型是相對(duì)連續(xù)過(guò)程而言反應(yīng)器中流體流動(dòng)模型是相對(duì)連續(xù)過(guò)程而言的。的。年齡反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器算起已經(jīng)停留的時(shí)間；是對(duì)仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。是對(duì)仍留在反應(yīng)器中的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。壽命反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間；反應(yīng)物料質(zhì)點(diǎn)從進(jìn)入反應(yīng)器到離開反應(yīng)器的時(shí)間；是對(duì)已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。是對(duì)已經(jīng)離開反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)而言的。與流動(dòng)模型相關(guān)的重要概念與流動(dòng)模型相關(guān)的重要概念返混返混：又稱逆向返混，指又稱逆向返混，指不同年齡不同年齡的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。的質(zhì)點(diǎn)之間的混合。是時(shí)間概念上的混合是時(shí)間概念上的

4、混合 返混指流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)不同年齡質(zhì)點(diǎn)間的混合返混指流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)不同年齡質(zhì)點(diǎn)間的混合。 在間歇反應(yīng)器中，物料同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器，質(zhì)點(diǎn)的年齡都相同，所以沒有返混。在流動(dòng)反應(yīng)器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)混合在一起，所以有返混。返混的原因返混的原因:（1）機(jī)械攪拌引起物料質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和主體流動(dòng)方向相反，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)混合在一起；（2）反應(yīng)器結(jié)構(gòu)造成物料流速不均勻，例如死角、分布器等。 造成返混的各種因素統(tǒng)稱為工程因素工程因素。在流動(dòng)反應(yīng)器中，不可避免的存在工程因素，而且?guī)в须S機(jī)性，所以都存在著返混，只是返混程度有所不同而已。平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器間間

5、 歇歇 反反 應(yīng)應(yīng) 器器完全沒有返混完全沒有返混返混極大返混極大返混特點(diǎn)：特點(diǎn)：沿著物料的流動(dòng)方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動(dòng)方向的任一截面（又稱徑向平面）上物料的所有參數(shù)，如濃度、溫度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中具有相同的停留時(shí)間，不同年齡的質(zhì)點(diǎn)不相混合,反應(yīng)器中不存在返混。長(zhǎng)徑比很大，流速較高的管式反應(yīng)器中的流體流動(dòng)可視為平推流。 平推流模型亦稱活塞流活塞流模型或理想置換理想置換模型。是一種返混為零的理想流動(dòng)模型，它假設(shè)反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流人反應(yīng)器，在反應(yīng)器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動(dòng),彼此不相混合。 特點(diǎn)： 反應(yīng)器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，

6、而且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間參差不齊，有的很長(zhǎng)，有的很短，形成一個(gè)停留時(shí)間分布。同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的新鮮物料在瞬間分散混合，反應(yīng)器內(nèi)物料質(zhì)點(diǎn)的年齡不同。同一時(shí)刻離開反應(yīng)器的物料中，質(zhì)點(diǎn)的壽命也不相同。亦稱理想混合模型理想混合模型或連續(xù)攪拌糟式反應(yīng)器模型連續(xù)攪拌糟式反應(yīng)器模型。是一種返混程度為無(wú)窮大的理想化流動(dòng)模型。 它假定反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流人反應(yīng)器，反應(yīng)器中，剛進(jìn)人反應(yīng)器的新鮮物料與存留在反應(yīng)器中的物料在瞬間達(dá)到完全混合。BSTRPFRCSTR投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)年齡年齡相同(某時(shí))年齡相同(某處)年齡不同壽命壽命相同(中止)壽

7、命相同(出口)壽命不同(出口)返混全無(wú)返混全無(wú)返混返混極大小結(jié)小結(jié)濃度分布濃度分布 - 推動(dòng)力推動(dòng)力反應(yīng)器特性分析流體流動(dòng)推動(dòng)力：壓力差傳熱推動(dòng)力：溫差傳質(zhì)推動(dòng)力：濃度差（化學(xué)位差）化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)力：體系組成與平衡組成的差。過(guò)程的速率：與推動(dòng)力成正比，與阻力成反比。反應(yīng)器推動(dòng)力反應(yīng)器的推動(dòng)力是由反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度差產(chǎn)生的反應(yīng)器的推動(dòng)力是由反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度差產(chǎn)生的反應(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(zhǎng)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（a）間歇反應(yīng)器（b）平推流反應(yīng)器（c）全混流反應(yīng)器渦流、湍動(dòng)或流體碰撞渦流、湍動(dòng)或流體碰撞反應(yīng)器中的填料或催化反應(yīng)器中的填料或催化劑引起

8、旋渦運(yùn)動(dòng)劑引起旋渦運(yùn)動(dòng) 垂直于流體流動(dòng)方向垂直于流體流動(dòng)方向截面上的流速不均勻截面上的流速不均勻 填料或催化劑裝填不填料或催化劑裝填不均勻引起的溝流或短均勻引起的溝流或短路路 SS(a). 死角(b). 短路短路、溝流短路、溝流停留時(shí)間減少停留時(shí)間減少轉(zhuǎn)化率降低轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、死區(qū)、再循環(huán)再循環(huán)停留時(shí)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)間過(guò)長(zhǎng)A+BPA+BP：有效反應(yīng)體積減少：有效反應(yīng)體積減少A+BPS A+BPS 產(chǎn)物產(chǎn)物P P減少減少流體在反應(yīng)器中的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響很大，這種影響主要是由于物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間不同所造成的。在平推流反應(yīng)器中所有物料質(zhì)點(diǎn)具有相同的停留時(shí)間，沒有返混，反應(yīng)推動(dòng)力最大。對(duì)全混流反應(yīng)器

9、，返混最大，反應(yīng)推動(dòng)力降低。 二、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程（一）、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容（一）、反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容(1)選擇合適的反應(yīng)器型式選擇合適的反應(yīng)器型式 (2)確定最佳的工藝條件確定最佳的工藝條件 (3)計(jì)算所需反應(yīng)器體積計(jì)算所需反應(yīng)器體積 反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性反應(yīng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性 反應(yīng)器的流動(dòng)特征和傳遞特性反應(yīng)器的流動(dòng)特征和傳遞特性 最大反應(yīng)效最大反應(yīng)效果果反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化目標(biāo)目標(biāo)（二）反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程（二）反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程the kinetic equationthe mass balance equationth

10、e energy balance equationthe momentum balance equation第二章中討論過(guò)第二章中討論過(guò)計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算溫度變化計(jì)算溫度變化計(jì)算壓力變化計(jì)算壓力變化動(dòng)力學(xué)方程式 物料衡算方程式 熱量衡算方程式 動(dòng)量衡算方程式 (1)物料衡算方程式物料衡算方程式 物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，是計(jì)算反應(yīng)器體積的物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，是計(jì)算反應(yīng)器體積的基本方程。對(duì)間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器，由于反應(yīng)器中濃基本方程。對(duì)間歇反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器，由于反應(yīng)器中濃度均勻，可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料衡算。對(duì)于反應(yīng)器中物料濃度均勻，可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料衡算。對(duì)于反應(yīng)

11、器中物料濃度沿長(zhǎng)度具有分布的反應(yīng)器，應(yīng)選取反應(yīng)器微元體積，假定度沿長(zhǎng)度具有分布的反應(yīng)器，應(yīng)選取反應(yīng)器微元體積，假定在這些微元體積中濃度和溫度均勻，對(duì)該微元作物料衡算，在這些微元體積中濃度和溫度均勻，對(duì)該微元作物料衡算，將這些微元加和起來(lái)，成為整個(gè)反應(yīng)器。對(duì)反應(yīng)器或?qū)Ψ磻?yīng)將這些微元加和起來(lái)，成為整個(gè)反應(yīng)器。對(duì)反應(yīng)器或?qū)Ψ磻?yīng)器微元體積進(jìn)行某反應(yīng)組分的物料衡算。器微元體積進(jìn)行某反應(yīng)組分的物料衡算。 某組分流入量 某組分流出量 某組分反應(yīng)消耗量 某組分累積量 反應(yīng)器反應(yīng)器反應(yīng)單元反應(yīng)單元流入量流入量流出量流出量反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量間歇式間歇式整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長(zhǎng)度

12、微元長(zhǎng)度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)(2)熱量衡算方程式熱量衡算方程式 熱量衡算以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)。在計(jì)算反應(yīng)熱量衡算以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎(chǔ)。在計(jì)算反應(yīng)速率時(shí)必須考慮反應(yīng)體系的溫度，通過(guò)熱量衡算可以計(jì)算速率時(shí)必須考慮反應(yīng)體系的溫度，通過(guò)熱量衡算可以計(jì)算反應(yīng)器中溫度的變化。反應(yīng)器中溫度的變化。 反應(yīng)器反應(yīng)單元帶入量帶出量反應(yīng)熱累積量間歇式間歇式整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器00平推流平推流(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài))微元長(zhǎng)度微元長(zhǎng)度0全混釜全混釜(穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)) 整個(gè)反應(yīng)器整個(gè)反應(yīng)器0非穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)帶入的熱焓 流出的熱焓 反應(yīng)熱 熱量的累積 傳向環(huán)境的熱量 （3）動(dòng)量衡算方程（流體力

13、學(xué)方程）動(dòng)量衡算方程（流體力學(xué)方程）氣相流動(dòng)反應(yīng)器的壓降大時(shí)，需要考慮壓降對(duì)反應(yīng)的影響，需進(jìn)行動(dòng)量衡算。反應(yīng)消耗累積流入流入流出流出反應(yīng)單元反應(yīng)單元反應(yīng)熱累積帶入帶入帶出帶出反應(yīng)單元反應(yīng)單元傳給環(huán)境傳給環(huán)境物料衡算示意圖物料衡算示意圖熱量衡算示意圖熱量衡算示意圖一、間歇反應(yīng)器的特征一、間歇反應(yīng)器的特征 工業(yè)上充分?jǐn)嚢璧拈g歇槽式反應(yīng)器的性能工業(yè)上充分?jǐn)嚢璧拈g歇槽式反應(yīng)器的性能和行為相當(dāng)接近于理想間歇反應(yīng)器。反應(yīng)物料和行為相當(dāng)接近于理想間歇反應(yīng)器。反應(yīng)物料按一定配料比一次加入反應(yīng)器內(nèi)，容器的頂部按一定配料比一次加入反應(yīng)器內(nèi)，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用。在容有一可拆卸的頂蓋，以供清

14、洗和維修用。在容器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。器內(nèi)部設(shè)置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。頂蓋上都開有各種工藝接管用以測(cè)量溫度、壓頂蓋上都開有各種工藝接管用以測(cè)量溫度、壓力和添加各種物料。筒體外部一般都裝有夾套力和添加各種物料。筒體外部一般都裝有夾套用來(lái)加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)用來(lái)加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設(shè)置盤管或排管以增大傳熱面積。置盤管或排管以增大傳熱面積。 特征描述特征描述：第二節(jié)間歇反應(yīng)器（釜式反應(yīng)器）第二節(jié)間歇反應(yīng)器（釜式反應(yīng)器）間歇反應(yīng)器特點(diǎn) ：.由于劇烈的攪拌，反應(yīng)器內(nèi)物料濃度達(dá)到分子尺度上的均勻，且反應(yīng)器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反應(yīng)的影響

15、；.由于反應(yīng)器內(nèi)具有足夠強(qiáng)的傳熱條件，反應(yīng)器內(nèi)各處溫度始終相等，因而無(wú)需考慮反應(yīng)器內(nèi)的熱量傳遞問(wèn)題；.反應(yīng)器物料同時(shí)加入并同時(shí)停止反應(yīng)，所有物料具有相同的反應(yīng)時(shí)間。 優(yōu)點(diǎn)： 操作靈活，易于適應(yīng)不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細(xì)化工精細(xì)化工與生物化工生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。 缺點(diǎn)： 裝料、卸料等輔助操作要耗費(fèi)一定的時(shí)間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) Standardised stirred tank reactor sizes反應(yīng)釜規(guī)格4006301000250040006300總?cè)莘eL5338471447346053748230夾套容積L120

16、152216368499677換熱面積m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸(mm) d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050標(biāo)準(zhǔn)尺寸( according to DIN)二、間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述二、間歇反應(yīng)器性能的數(shù)學(xué)描述 在間歇反應(yīng)器中，由于劇烈攪拌，槽在間歇反應(yīng)器中，由于劇烈攪拌，槽內(nèi)物料的濃度和溫度達(dá)到均一，因而可以內(nèi)物料的濃度和溫度達(dá)到均一，因而可以對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。對(duì)整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算。 流

17、入量流入量流出量流出量反應(yīng)量反應(yīng)量累積量累積量=+0間歇操作中流人量和流出量都等于零。 00(1)AAAAAAAdndxr Vnnnxdtdt 0000AfAfxxAAAARAAndxdxtCVrr000AfAAxCAAACAAdxdCtCrr若V為液相反應(yīng)混合物的體積，因而對(duì)反應(yīng)組分A的物料衡算式可寫成 積分達(dá)到一定反應(yīng)率所需反達(dá)到一定反應(yīng)率所需反應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式。應(yīng)時(shí)間的計(jì)算式。 若反應(yīng)過(guò)程中不發(fā)生體若反應(yīng)過(guò)程中不發(fā)生體積變化，即等容過(guò)程。積變化，即等容過(guò)程。根據(jù)等容時(shí)轉(zhuǎn)化率與濃根據(jù)等容時(shí)轉(zhuǎn)化率與濃度關(guān)系度關(guān)系 間歇反應(yīng)器所需的實(shí)際操作時(shí)間包括反應(yīng)時(shí)間t與輔助時(shí)間t,t包括加料、調(diào)溫、卸料、

18、清洗等時(shí)間。 間歇反應(yīng)器的反應(yīng)體積VR是指反應(yīng)物料在反應(yīng)器中所占的體積它取決于單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量和每批生產(chǎn)所需的操作時(shí)間。單位生產(chǎn)時(shí)間所處理的物料量由生產(chǎn)任務(wù)決定，因此反應(yīng)體積可按下式計(jì)算 RVV tt圖解積分示意圖圖解積分示意圖t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000只要已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué)只要已知反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式或反應(yīng)速率與方程式或反應(yīng)速率與組分組分A濃度濃度cA之間的變之間的變化規(guī)律，就能計(jì)算反化規(guī)律，就能計(jì)算反應(yīng)時(shí)間。最基本、最應(yīng)時(shí)間。最基本、最直接的方法是數(shù)值積直接的方法是數(shù)值積分或圖解法分或圖解法。 三、間歇反應(yīng)器中

19、的單反應(yīng)三、間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng) 單反應(yīng)通常用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式和一個(gè)反應(yīng)速率方程式單反應(yīng)通常用一個(gè)化學(xué)計(jì)量式和一個(gè)反應(yīng)速率方程式描述。反應(yīng)速率為溫度和某一組分濃度的函數(shù)描述。反應(yīng)速率為溫度和某一組分濃度的函數(shù) AP反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式以冪函數(shù)型表示 nAArkc反應(yīng)速率rA=kCArA=kCA20lnAACktC00AfxAAAdxtCr1ln1Aktx011AAktCC01AAAxC ktx0AACACAdCtr反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級(jí)n1AArkCArk2AArkCAnArkC0AACktlnC0AAktCC0AAktCx0ktAACC e1ktAxe 11Akt

20、lnx011AAktCC011AAAxktCx0AACCkt0AAktxC001AAACCC kt001AAAktxCC kt1101()1nnAAktCCn11011 (1)nnAAxktnC ）（表表3 31 1 間歇反應(yīng)器中整級(jí)數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式間歇反應(yīng)器中整級(jí)數(shù)單反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果表達(dá)式2. 反應(yīng)濃度反應(yīng)濃度1. K值值3. 殘余濃度殘余濃度影響因素影響因素k增大(溫度升高）t減少反應(yīng)體積減小零級(jí)反應(yīng)：零級(jí)反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0正比正比一級(jí)反應(yīng)：一級(jí)反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)二級(jí)反應(yīng)：二級(jí)反應(yīng)：t t與初濃度與初濃度C CA0A0反比反比零

21、級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨零級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t t直線下降直線下降一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨一級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t t逐漸下降逐漸下降二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨二級(jí)反應(yīng)：殘余濃度隨t t慢慢下降慢慢下降為使反應(yīng)時(shí)間計(jì)算正確，重要的是為使反應(yīng)時(shí)間計(jì)算正確，重要的是保證反應(yīng)后期動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確、可靠，保證反應(yīng)后期動(dòng)力學(xué)的準(zhǔn)確、可靠，因此要密切注意反應(yīng)后期的反應(yīng)機(jī)因此要密切注意反應(yīng)后期的反應(yīng)機(jī)理是否發(fā)生變化，理是否發(fā)生變化，即即要重視反應(yīng)過(guò)要重視反應(yīng)過(guò)程末期動(dòng)力學(xué)的研究。程末期動(dòng)力學(xué)的研究。 討論：間歇反應(yīng)器中的單反應(yīng)反應(yīng)后期的速度很??；反應(yīng)機(jī)理的變化University DortmundChemical Enginee

22、ring DepartmentChair of Technical Chemistry BC0tdcdtCn=1n=2n=0tangent)curve( the of gradientdtdc-rReaction rate r:reaction progress as a function of the reaction order n tangentC0tCn=1n=2n=0Reaction rate r:reaction progress as a function of the reaction order n 例31以醋酸（以醋酸（A）和正丁醇（）和正丁醇（B）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)

23、醋酸）為原料在間歇反應(yīng)器中生產(chǎn)醋酸丁酯（丁酯（C），操作溫度為），操作溫度為100，每批進(jìn)料，每批進(jìn)料1kmol的的A和和4.96kmol的的B。已知反應(yīng)速率已知反應(yīng)速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率試求醋酸轉(zhuǎn)化率xA分別為分別為0.5、0.9、0.99時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間。已知醋時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間。已知醋酸（酸（A）和正丁醇（）和正丁醇（B）的密度分別為）的密度分別為960kg/m3和和740kg/m3解：解：CH3COOH（A）+C4H9OH（B）CH3COOC4H9（C）+H2O（D）A的初始濃度計(jì)算：的初始濃度計(jì)算：可求出，投料總體積可求出，投料總體積V0.559m3231.045/()AArC kmolm h

24、醋 酸 A1kmol60kg0.063m3正丁醇 B4.96kmol368kg0.496m3300020011.79/0.5591()1AfAAxAfAAAAAfnckmolmVxdxtckckcx0.50.90.990.5354.8152.9ththth例例3 32 2：用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸：用間歇反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯乙酯12000kg12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為，其化學(xué)反應(yīng)式為 原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A A：B B：S=1S=1：2 2：1.351.35，反應(yīng)液的，反應(yīng)液的密度為密度為1020kg/m10

25、20kg/m3 3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。每批裝料、卸料，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時(shí)間為及清洗等輔助操作時(shí)間為1h1h。反應(yīng)在。反應(yīng)在100100下等溫操作，其反應(yīng)下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為速率方程為: : 100100時(shí)，時(shí)，k=4.76k=4.761010-4-4L/L/（molmolminmin），平衡常數(shù)），平衡常數(shù)K=2.92K=2.92。 試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 35 % 時(shí)所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的時(shí)所需的反應(yīng)體積。根據(jù)反應(yīng)物料的特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取特性，若反應(yīng)器填充系數(shù)取0.750.75，則反應(yīng)器的實(shí)際體積是多少？，則反應(yīng)

26、器的實(shí)際體積是多少？(/)AABRSrk C CC CK3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S) 通過(guò)乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當(dāng)乙酸為1kg時(shí)，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時(shí)間需加入反應(yīng)器的原料液量為解：解：首先計(jì)算原料處理量V0根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時(shí)乙酸需用量為1200016.23/88 24 0.35kmol h316.23 604.354.155(/ )1020mh其次計(jì)算原料液的起始組成。0316.23/3

27、.908/4.155/Akmol hCmol Lmh03.908 60 210.2(/ )46BCmol L03.908 60 1.3517.59(/ )18SCmol L0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxcxC然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。代入速率方程，整理后得式中 代入到基本公式中2001AfxAAAAdxtkCabxcx0000004/2.611/5.151 1/0.65754.76 10/()BABASAaCCbCCCC KcKkLmol min 得：t=118.8min30()4.155 (118

28、.8/60 1.0) 12.38RVV t tm實(shí)際反應(yīng)器體積：12.38m3/0.7516.51m3第三節(jié)平推流反應(yīng)器第三節(jié)平推流反應(yīng)器 在連續(xù)定態(tài)條件下操作，反應(yīng)器的各個(gè)截面上物料的各在連續(xù)定態(tài)條件下操作，反應(yīng)器的各個(gè)截面上物料的各種參數(shù)，如濃度、溫度等只隨物料流動(dòng)方向位置變化，不種參數(shù)，如濃度、溫度等只隨物料流動(dòng)方向位置變化，不隨時(shí)間而變化；隨時(shí)間而變化； 由于徑向具有嚴(yán)格均勻的速度，也就是在徑向不存由于徑向具有嚴(yán)格均勻的速度，也就是在徑向不存在濃度分布，所以反應(yīng)速率隨空間位置的變化只限于在濃度分布，所以反應(yīng)速率隨空間位置的變化只限于軸向；軸向； 由于徑向速度均勻，反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)具有

29、相同的由于徑向速度均勻，反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)具有相同的停留時(shí)間。停留時(shí)間。 一、平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)一、平推流反應(yīng)器的特點(diǎn) 工業(yè)生產(chǎn)中的平推流反應(yīng)器Tube reactor裂解爐用于乙烯生產(chǎn)的管式裂解爐0V0Ac00AxAxAA+xdxA fcAfx反應(yīng)器的軸向長(zhǎng)度AxAdx二、平推流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式二、平推流反應(yīng)器計(jì)算的基本公式 平推流反應(yīng)器示意圖平推流反應(yīng)器示意圖V0 CA0CAfxAfxA0=0v0cA0(1- xA)v0cA0 (1- xA-dxA)rAdVR（反應(yīng)量反應(yīng)量 ）dVRxAxA+ dxA流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量0RAA

30、AAAAdVrdxxCVxCV)1()1(0000微元體取反應(yīng)器內(nèi)一微元體積進(jìn)行物料衡算：取反應(yīng)器內(nèi)一微元體積進(jìn)行物料衡算：則達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率則達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率xAf所需的反應(yīng)體積為所需的反應(yīng)體積為 :對(duì)于平推流反應(yīng)器進(jìn)行某種等容過(guò)程，其停留時(shí)間對(duì)于平推流反應(yīng)器進(jìn)行某種等容過(guò)程，其停留時(shí)間為為 :000AfxARAAdxVV cr注意：第一，反應(yīng)是等溫還是注意：第一，反應(yīng)是等溫還是變溫，等溫反應(yīng)時(shí)變溫，等溫反應(yīng)時(shí) k 為常數(shù)，為常數(shù)，變溫反應(yīng)時(shí)要結(jié)合熱量衡算式變溫反應(yīng)時(shí)要結(jié)合熱量衡算式建立建立k與與xA的關(guān)系；第二，反的關(guān)系；第二，反應(yīng)過(guò)程中有無(wú)分子數(shù)變化，如應(yīng)過(guò)程中有無(wú)分子數(shù)變化，如為變分子反應(yīng)

31、，需建立反應(yīng)物為變分子反應(yīng)，需建立反應(yīng)物體積流量體積流量V0與與xA的關(guān)系。的關(guān)系。 000AfxRAAAVdxcVr三、等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算三、等溫平推流反應(yīng)器的計(jì)算AfAfAfAAAA0A00A001000A0(1)(1)nXXXARnnnAAAdxdxxdxVV CV CVrkCkCx000AA(1)(1)(1)1AAAAAAAAnxCxnCVVxxAfA0100(1)XRnnAAdxVVkCx0A0AfACRnCAdCVVkC00(1)AAAAAACCxC dxdC AnArkC對(duì)對(duì)等溫變?nèi)葸^(guò)程（等溫變?nèi)葸^(guò)程（化學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)，膨脹因子計(jì)量學(xué)，膨脹因子）：）：若反應(yīng)過(guò)程無(wú)體積變化（恒容

32、過(guò)程）：若反應(yīng)過(guò)程無(wú)體積變化（恒容過(guò)程）：反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率反應(yīng)器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級(jí)n1AArkCArk2AArkCAnArkC1kAfxe 0AfAkxC001AAAfC kxC k01111 1 (1)nAnAfxCkn 表表3 32 2 等溫等容平推流反應(yīng)器計(jì)算式等溫等容平推流反應(yīng)器計(jì)算式00(1)(1)(1)1AAkfCkCASxeS eABArkC C000BAACCSC00RAAfVVCxk011RAfVVlnkx001RAfAAfVVxCkx（）001(1)(1)AfAAfRSxCSxVVlnSk111001 (1)(1)(1)nAfnARnAfVVk nxCx例例

33、3 33 3用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯用平推流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg12000kg，其化學(xué)，其化學(xué)反應(yīng)式為：反應(yīng)式為：(/)AABRSrk C CC CK3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S) 原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時(shí)，時(shí)，k=4

34、.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的時(shí)所需的反應(yīng)體積。反應(yīng)體積。解答： 由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容過(guò)程。等容下活塞流反應(yīng)器的空時(shí)與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間相等，例例3 32 2已求出達(dá)到題給要求所需的反應(yīng)時(shí)間為t=118.8min。 改用活塞流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達(dá)到同轉(zhuǎn)化率，要求應(yīng)使空時(shí)=t=118.8min。原料處理量為V0=4.155m3/h 因此，反應(yīng)體積VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3 四、變溫平推流反應(yīng)器四、變溫平推流反應(yīng)器工業(yè)實(shí)際中，沒有一個(gè)反應(yīng)器是絕對(duì)

35、等溫的工業(yè)實(shí)際中，沒有一個(gè)反應(yīng)器是絕對(duì)等溫的熱量衡算式聯(lián)立求解聯(lián)立求解濃度分布濃度分布溫度分布溫度分布物料衡算式RAAAdVrdxCV0RARapiidVrHdATTKdTcN)(物料溫度變化物料溫度變化傳給環(huán)境傳給環(huán)境反應(yīng)熱反應(yīng)熱等溫情況下)()()(RARadVrHdATTK絕熱情況下)()(RARpiidVrHdTcN聯(lián)立聯(lián)立求解求解變溫平推流反應(yīng)器變溫平推流反應(yīng)器 - 絕熱溫升絕熱溫升)()(RARpiidVrHdTcN絕熱下由于AAARAdxNdNdVr0)(AARpiidxNHdTcN0)( 令00Ax式式(3-19 )化為化為，則piiARAcNNHdxdT0)(3-19)(3-

36、20)(3-21)AdxdT代入（代入（3-203-20）若若AxTT0AxTT0AdxdT絕熱溫升絕熱溫升重要的工程概念重要的工程概念第四節(jié)全混流反應(yīng)器 概述：概述：全混流反應(yīng)器是另一類在工全混流反應(yīng)器是另一類在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流動(dòng)反業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，化工生產(chǎn)中常用的連續(xù)流應(yīng)器，化工生產(chǎn)中常用的連續(xù)流動(dòng)攪拌釜式反應(yīng)器可視為全混流動(dòng)攪拌釜式反應(yīng)器可視為全混流反應(yīng)器。反應(yīng)物料連續(xù)加人反應(yīng)反應(yīng)器。反應(yīng)物料連續(xù)加人反應(yīng)器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出反應(yīng)器。器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出反應(yīng)器。由于是連續(xù)操作，不存在間歇操由于是連續(xù)操作，不存在間歇操作中的輔助時(shí)間問(wèn)題。在定態(tài)操作中的輔助時(shí)間問(wèn)題。

37、在定態(tài)操作中，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作作中，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單，節(jié)省人力，易于控制，產(chǎn)簡(jiǎn)單，節(jié)省人力，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可用于產(chǎn)量大的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可用于產(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。品生產(chǎn)過(guò)程。 Balancing of a continuous stirred tank reactoroutTT全混流反應(yīng)器示意圖反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。V0 CA0V0 CAfCAf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)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度

38、和溫度處處相等，且等于反應(yīng)器流出物料的濃度和溫度。出物料的濃度和溫度。 全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。 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 流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應(yīng)量反應(yīng)量 + + 累積量累積量0取整個(gè)反應(yīng)器為衡算對(duì)象0000(1)()AAAfAfRV CV CxrV000()()AAfAARAfAfCxCCVVrr00()AAfRAfV CxVr000()()AAfARAfV CxxVr化簡(jiǎn)，得：化簡(jiǎn)，得：按出口濃度計(jì)算按出口濃度計(jì)算的反應(yīng)速率。的反應(yīng)速率。 當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)口物

39、料當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)口物料中已含反應(yīng)產(chǎn)物中已含反應(yīng)產(chǎn)物 則有全混流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的圖解積分的圖解積分(對(duì)比右圖的對(duì)比右圖的PFR圖解積分圖解積分)000()()AAfARAfCxxVVrCA0CACAf1Ar0RVVCACA0CAf1Ar0RVV0A0AfACRCAdCVVr00()()AAfRAfCCVVr平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較例例3 34 4用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯用全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg12000kg，其化學(xué)，其化學(xué)反應(yīng)式為：反應(yīng)式為：(/)AABRSrk C CC CK3263252CH COOH(A)

40、+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S) 原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時(shí)，時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)所需的時(shí)所需的反應(yīng)體積。反應(yīng)體積。0000000(1)AAABBAARRAASSAACCxCCCxCCCxCCCx220()AAAArk abxc

41、xC000000/1/1 1/BABASAa CCbCCCC KcK 解：例32已得出：式中 0000322014.68()()AAfAAfRAfAfAfAV CxV CxVmrk abxcxC例題中三種反應(yīng)器體積比較 BSTR：VR12.68m3 (實(shí)際體積為16.51m3） PFR： VR8.227m3 CSTR：VR14.68m3返混：不同年齡粒子之間的混合返混的基本效應(yīng)：反應(yīng)物濃度的下降和生成物濃度的上升。上述效應(yīng)相應(yīng)地會(huì)在反應(yīng)速率的大小上體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于其速率隨著反應(yīng)物濃度增加而增加的反應(yīng)過(guò)程，返混的效果是降低了反應(yīng)速率例例3 35 5生化工程中酶反應(yīng)生化工程中酶反應(yīng)ARAR為自催化反

42、應(yīng)，為自催化反應(yīng)，反應(yīng)速率式反應(yīng)速率式r rA A=kc=kcA Ac cR R，某溫度下，某溫度下k=1.1512mk=1.1512m3 3/(kmol.min)/(kmol.min)，采用的原料中含采用的原料中含A 0.99kmol/mA 0.99kmol/m3 3，含，含R R 0.01kmol/m0.01kmol/m3 3, ,要求要求A A的最終濃度降到的最終濃度降到0.01kmol/m0.01kmol/m3 3，當(dāng)原料的進(jìn)料量為當(dāng)原料的進(jìn)料量為10m10m3 3/h/h時(shí)，求：時(shí)，求：（1 1）反應(yīng)速率最大時(shí)，）反應(yīng)速率最大時(shí)，A A的濃度為多少？的濃度為多少？（2 2）采用）采用

43、CSTRCSTR，反應(yīng)器體積是多大？，反應(yīng)器體積是多大？（3 3）采用）采用PFRPFR，反應(yīng)器體積是多大？，反應(yīng)器體積是多大？ 解：C CA Ar rA A00.51.0C CA0A0C CA Af(1)顯然，CA=0.5kmol/m3時(shí)，速率達(dá)最大值。001.0AARARAAAArkC CkCCCCkCC0030010.91()(1)AAfAAfRAfAfAfCCCCVVVmrkCC(2)CSTR003001.013(1.0)AfAfAACCAARCCAAAdCdCVVVmrkCC(3)PFR1/r1/rA AC CA AC CA0A0C CA Af1/r1/rA AC CA AC CA0

44、A0C CA Af00()AAfRAfCCVVr00AfACARCAdCVVr 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)反應(yīng)器分割成m個(gè)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”。三、三、 多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化多級(jí)全混流反應(yīng)器的串聯(lián)及優(yōu)化 1、多級(jí)全混流反應(yīng)器的濃度特征 平推流反應(yīng)器的反應(yīng)推動(dòng)力比全混流反應(yīng)器

45、的反應(yīng)推動(dòng)力大得多，平推流反應(yīng)器的反應(yīng)速率沿物料流動(dòng)方向由一個(gè)由高到低的變化過(guò)程，全混流反應(yīng)器的反應(yīng)速率始終處于出口反應(yīng)物料濃度的低速率狀態(tài)。為此，為了降低返混影響的程度，提高全混流反應(yīng)過(guò)程的推動(dòng)力，常采用多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)措施。 Stirred Tank CascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA4()級(jí)數(shù)越多，過(guò)程就越接近平推流反應(yīng)器。級(jí)數(shù)越多，過(guò)程就越接近平推流反應(yīng)器。 ()對(duì)多級(jí)全混流反應(yīng)器每一級(jí)內(nèi)濃度是均對(duì)多級(jí)全混流反應(yīng)器每一級(jí)內(nèi)濃度是均勻的。等于該級(jí)的出口濃度，而各級(jí)之間濃度勻的。等于該級(jí)的出口濃度，而各級(jí)之間濃度是不同的。是不同的。

46、 結(jié)論結(jié)論一、多級(jí)混流反應(yīng)器的濃度特征實(shí)際生產(chǎn)中的多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)2、多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的計(jì)算（1）解析計(jì)算CA1CAiCAi-1CA2CAm00100(1)(1)AAiAAiAiRiV CxV Cxr V010AiAiAiRiV CV Cr V()AiAirkf c001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiV CCVr對(duì)第對(duì)第i級(jí)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算如下：級(jí)反應(yīng)器進(jìn)行物料衡算如下： 對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)：AArkC0R iiVV1()AiAiiAiCCr1()AiAiiAiCCkC111AiAiiCCk對(duì)m級(jí)全混流反應(yīng)器,則有：1011mAmiAiCCk1121212

47、1011111.1111AmAmmAmAmmAAAACCkCCkCCkCCk1111mmiixk 0001AAmAmmAACCCxCC ,0R iiVV,1,A iA iiA iCCkC,111A iA iiCCk,1,2,100,1,11.()1mA mAAA miAAAA miCCCCCCCCk,01A mA mACxC ,111()1NA miixk 小結(jié)工業(yè)上，多級(jí)CSTR串聯(lián)（層疊）時(shí)，往往將各級(jí)CSTR的體積做成相等，以便于制造。即：1111111mmmiixkk 123.m001/111RRimmmVVmVmVkx1/1111mmkx可見：級(jí)數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高；在處理量一定時(shí)

48、，可見：級(jí)數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高；在處理量一定時(shí)，各級(jí)反應(yīng)體積越大，最終轉(zhuǎn)化率也越高。各級(jí)反應(yīng)體積越大，最終轉(zhuǎn)化率也越高。 （2）圖解計(jì)算對(duì)非一級(jí)反應(yīng)，必須逐釜計(jì)算。計(jì)算比較麻煩：11AiAiAiAiinAiAiCCCCrkC0111AAACCr011AAACCr-1/CArA0( )ACxyf x Graphical Construction for a CSTR-Cascade等溫、等體積情況的圖解計(jì)算-1/cA1cA0cArAcA3cA2cA33、多級(jí)CSTR串聯(lián)的優(yōu)化 設(shè)計(jì)CSTR的串聯(lián)時(shí)會(huì)遇到如何分配各級(jí)轉(zhuǎn)化率的問(wèn)題。 當(dāng)串聯(lián)的級(jí)數(shù)確定后，可以合理分配各級(jí)的轉(zhuǎn)化率，使所需的總反應(yīng)體積

49、最小。00100111()()()mmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrkf x321121001230.()()()()AAAmAmAAAAAAAAmxxxxxxxV Ckf xkf xkf xkf x 解這個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法在理論上是熟知的：0(1,2,.1)RAiVimx 解一級(jí)不可逆反應(yīng)的優(yōu)化例子112100010200.(1)(1)(1)AmAmAAARAAAAAAAmxxxxxVV CkCxkCxkCx0121110(1,2,.1)(1)1AiRAiAiAiVxVimxkxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx111111AiAiA

50、iAixxxx11111AiAiAiAiAiAixxxxxx1RiRiVV0101111AiAiAiAiAiAiV xxV xxkxkx11AiAiAiAiCCCC例例3 36 6用兩只串聯(lián)的全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反用兩只串聯(lián)的全混流反應(yīng)器進(jìn)行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天產(chǎn)乙酸乙酯應(yīng)，每天產(chǎn)乙酸乙酯12000kg12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為，其化學(xué)反應(yīng)式為(/)AABRSrk C CC CK3263252CH COOH(A)+C H OH(B)CH COOC H (R)+H O(S) 原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應(yīng)，反應(yīng)液的密度為液

51、的密度為1020kg/m3，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。，并假定在反應(yīng)過(guò)程中不變。反應(yīng)在反應(yīng)在100下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為下等溫操作，其反應(yīng)速率方程為已知已知100時(shí)，時(shí)，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常數(shù)衡常數(shù)K=2.92。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化。試計(jì)算乙酸轉(zhuǎn)化35 % 時(shí)，所需時(shí)，所需的反應(yīng)總體積。的反應(yīng)總體積。（1）兩只）兩只CSTR體積相等，體積相等，（2）優(yōu)化的情況。）優(yōu)化的情況。解：前已求得220()AAAArk abxcxC00RC304.155(/ )Vmhk =4.7610-4L/（molmin），03.908/ACmol L010.2(/ )BCmol L0

52、17.59(/ )SCmol L（1）設(shè)第一釜轉(zhuǎn)化率為xA1，根據(jù)題設(shè)：1 2010122110()AAAAAACxxk abxcxC021222220()AAAAAACxxk abxcxC0100212222110220()()AAAAAAAAAAAACxxCxxk abxcxCk abxcxC1122110.35()(0.350.35 )AAAAxxabxcxabc （2）優(yōu)化的情況01002122220110220()()AAAAAARAAAAAACxxCxxVVk abxcxCk abxcxC2221102221011()21()0.350.35AAAARAAAAabxcxxbcxVV

53、xkCabxcxabc 10RAVx例題中五種反應(yīng)器體積比較 BSTR： VR12.68m3 PFR： VR8.227m3 CSTR： VR14.68m3 CSTR+CSTR（相等體積）: VR12.07m3 CSTR+CSTR（最優(yōu)體積）: VR10.88m3第五節(jié)理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合與比較一、理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合（a ）(b)(c)(d)(e)(f)(g)(a)為兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器并聯(lián)，兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器并聯(lián)，每只全混流反應(yīng)器出口濃度即為混合后的出口濃度： 00,0121/ 2AAA faRCCCVkkV001,2200(1)1(1)AAAAf bRRCCCCVVkkkVV(b)為

54、兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)，兩個(gè)等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)，第二反應(yīng)器出口濃度為 ：(c)為等體積平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器串聯(lián)，等體積平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器串聯(lián)，第二反應(yīng)器出口濃度為： 0001,00111RVkVkAAAAf cRRc ec eCCVVkkkVV0000,1011RRVkVVkkVAAAf dARc ec eCc eVkkV0/22,00RVkVkAf eAAcc ec e(d)為等體積全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器串聯(lián)等體積全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器串聯(lián)，第二反應(yīng)器出口濃度為： (e)為兩個(gè)等體積平推流反應(yīng)器并聯(lián)兩個(gè)等體積平推流反應(yīng)器并聯(lián)。每只平推流反應(yīng)器的出口濃度即為混合后

55、的出口濃度 (g)為平推流與全混流反應(yīng)器并聯(lián)平推流與全混流反應(yīng)器并聯(lián) 20,00.512kAAf gAccc ek(f)為兩只平推流反應(yīng)器串聯(lián)兩只平推流反應(yīng)器串聯(lián)，第二平推流反應(yīng)器出口濃度為： 00-2-2,100RRVVkkVVkAf fAAAcc ec ec e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 如果在這些理想反應(yīng)器如果在這些理想反應(yīng)器中進(jìn)行相同的反應(yīng)，采用相中進(jìn)行相同的反應(yīng)，采用相同的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度，同的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度，反應(yīng)溫度與最終反應(yīng)率也相反應(yīng)溫度與最終反應(yīng)率也相同。這幾種反應(yīng)器所需的體同。這幾種反應(yīng)器所需的體積是否相同呢積是否相同呢? ?對(duì)間歇反應(yīng)器與

56、平推流反應(yīng)器，當(dāng)上述條件一定時(shí)，兩者的體積是相同的(未考慮間歇反應(yīng)器的輔助時(shí)間)，這是因?yàn)樗鼈兙淮嬖诜祷臁Ｖ劣谌炝鞣磻?yīng)器，由于存在返混。所以反應(yīng)體積要大一些。 設(shè)VRP與VRM分別表示平推流與全混流反應(yīng)器的反應(yīng)體積，兩者之比 00000/AfxAAfRMAARPAAfV CxVdxV CVrr 當(dāng)V0、 cA0 、 xAf 相同時(shí)，全混流反應(yīng)器所需體積大于平推流反應(yīng)器的體積，這是由于前者存在返混造成的。 1/rA FPR 1/rA CSTR CSTR CASCADE 1/rAxAxAxA在相同的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度，三種理想在相同的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度，三種理想反應(yīng)器所需的反應(yīng)器體積如下圖反應(yīng)

57、器所需的反應(yīng)器體積如下圖1012101210221022()()RAAARAAAVCCVkfCVCCVkfC00()AAfRAfCCVVkf C12結(jié)論此種組合等效于一個(gè)大的此種組合等效于一個(gè)大的PFR（總體積相等）（總體積相等）12體積相等的活塞流，無(wú)論長(zhǎng)徑比如何，都是等效的。結(jié)論此兩種組合在一級(jí)不可逆反應(yīng)且兩反應(yīng)器體積相等一級(jí)不可逆反應(yīng)且兩反應(yīng)器體積相等時(shí)是等效的。CA0CA1CAfCA0CA1CAf1102211kAAfACeCCkk221011kkAfAAeCC eCkVR1VR1VR2VR2V0V0但是，一般情況下，兩者不等效。結(jié)論 影響反應(yīng)器體積的若干重要因素：（a）轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率

58、越高，體積差別越大（b）反應(yīng)級(jí)數(shù)：級(jí)數(shù)越高，體積差別越大（c）串聯(lián)級(jí)數(shù)：級(jí)數(shù)越多，體積差別越?。╠）膨脹率（因子）：膨脹越大，則返混影響越大，體積差別也就越大。結(jié)論第六節(jié)第六節(jié) 理想流動(dòng)反應(yīng)器中多重反應(yīng)的選擇率理想流動(dòng)反應(yīng)器中多重反應(yīng)的選擇率 對(duì)于多重反應(yīng)，反應(yīng)器中的流動(dòng)情況不僅影響反應(yīng)器的大小，還要影響反應(yīng)的選擇率。對(duì)工業(yè)反應(yīng)過(guò)程，選擇性的要求比反應(yīng)器大小更重要。目的產(chǎn)物的收率和選擇性是非常重 要的，反映了原料的有效利用程度 一、平行反應(yīng)（又稱為競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)一、平行反應(yīng)（又稱為競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng) ） 反應(yīng)物同時(shí)獨(dú)立地進(jìn)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的反應(yīng)稱為平行反應(yīng)?；どa(chǎn)中許多取代、加成及分解反應(yīng)過(guò)程存在著平行反應(yīng)

59、。典型的平行反應(yīng)可表示為AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12OR選擇率選擇率AL（主產(chǎn)品）（主產(chǎn)品）M（副產(chǎn)品）（副產(chǎn)品）對(duì)比速率對(duì)比速率MLrr瞬時(shí)選擇率瞬時(shí)選擇率1ALMLLrrrrrs總選擇率總選擇率S又叫積分選擇率又叫積分選擇率AfALfCCCS0AfACCACCsdCSAfA00AfALfMfLfLfCCCrrrsS0全混流全混流通式瞬時(shí)選擇率又稱瞬時(shí)選擇率又稱為點(diǎn)選擇率或微為點(diǎn)選擇率或微分選擇率分選擇率 之所以用瞬時(shí)選擇率這個(gè)詞，是因?yàn)橹杂盟矔r(shí)選擇率這個(gè)詞，是因?yàn)槠渲惦S空間位置而變。其值隨空間位置而變。選擇率的影響因素選擇率的影響因素選擇率的溫度效應(yīng)

60、 選擇率的濃度效應(yīng) 平行反應(yīng)加料方式的選擇 一個(gè)反應(yīng)物一個(gè)反應(yīng)物12112211212121,11nnLAMAnLAnnnnLMAAArk Crk Crk Cskrrk Ck CCkAL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12二個(gè)反應(yīng)物二個(gè)反應(yīng)物A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12111nmLABrk CC222nmMABrk CC21212111nnmmABskcck121221221212212,0,0EERTEERTEE EEkTeskEE EEkTeskEE111（1） 當(dāng)（2） 當(dāng)（3）當(dāng)，選擇率與溫度無(wú)關(guān)21212020211010EEERTRTERTk ekkekkk e1、溫度效應(yīng)、溫度效應(yīng)2