化學反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件

1、第三章第三節(jié)連續(xù)流動釜式反應器第三章第三節(jié)連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器一-全混流反應器 全混流反應器是指物料流動狀況符合全混流模型，該反應器稱為全混流反應器（CSTR）。在實際反應器中，連續(xù)攪拌釜式反應器由于強烈攪拌，物料混合均勻，其流動狀況接近全混流。一、全混流反應器的特點反應器內物料參數(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)不隨時間而變化；反應速率均勻，且等于出口處的速率，不隨時間變化；返混連續(xù)流動釜式反應器一-全混流反應器 全混流反應器是二、全混流反應器計算的基本公式 1. 反應器體積VR 衡算對象：關鍵組分A 衡算基準：整個反應器（VR） 穩(wěn)定狀態(tài)： A

2、流入量A流出量 A反應量0二、全混流反應器計算的基本公式式中指按出口濃度計算的反應速率。全混流反應器在出口條件下操作，當出口濃度較低時，整個反應器處于低反應速率狀態(tài)。式中指按出口濃度計算的反應速率。全混流反應器在出口條件下操作若,則由物料衡算方程A流入量A流出量 A反應量0若,則由物料衡算方程A流入量A流出量 A反應量上述公式均為普遍式，全混流反應器一般為等溫反應器，公式可用于等容過程和非等容過程。上述公式均為普遍式，全混流反應器一般為等溫反應器，公式可用于表35列出了平推流反應器和全混流反應器的反應結果比較，其中2.物料平均停留時間 對于等容過程，物料平均停留時間為，這是對等容過程而言。表3

3、5列出了平推流反應器和全混流反應器的反應結果比較，其中平推流反應器與全混流反應器的比較平推流反應器與全混流反應器的比較補充知識點：空時與空速的概念： 空時：（因次：時間） 空速的意義：單位時間單位反應體積所處理的物料量。 空速越大，反應器的原料處理能力越大。 空速：補充知識點：空時與空速的概念： 空時：（因次：時間） 多級全混釜的串聯(lián)及優(yōu)化設有一反應，A的初始濃度為CA0，反應結束后最終濃度為CAf,反應的平衡濃度為CA*，考察平推流反應器和全混流反應器的濃度推動力。由圖示，顯然有，CA平CA全平推流反應器中的濃度推動力大于全混流反應器中的濃度推動力。結果，平推流反應器體積小于全混流反應器體積

4、。多級全混釜的串聯(lián)及優(yōu)化設有一反應，A的初始濃度為CA0，反應濃度分布 - 推動力反應推動力隨反應時間逐漸降低反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低反應推動力不變，等于出口處反應推動力濃度分布 - 推動力反應推動力隨反應時間逐漸降低反 平推流反應器的物料參數(shù)如濃度等沿流動方向變化。對于等溫反應，很難控制整個反應器內物料溫度均勻。對于全混流反應器，物料參數(shù)是均勻的，對于物料溫度的控制比較容易。 在有機反應中，特別是多重反應，要求反應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，所以一般選擇全混流反應器。 為了滿足工藝要求，又要提高反應推動力，人們把一個大的反應器分割成m個小的全混流反應器，然

5、后串聯(lián)起來，稱為“多級串聯(lián)全混流反應器”。 平推流反應器的物料參數(shù)如濃度等沿流動方向變化。對于設有4級串聯(lián)全混流反應器，其濃度推動力如圖所示。CA多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4顯然CA平CA多CA全當級數(shù)為，則CA平CA多一、多級全混流反應器的濃度特征CA0CA*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA1設有4級串聯(lián)全混流反應器，其濃度推動力如圖所示。一、多級全混解釋說明將一個容積為VR的全混釜以N個容積為VR/N的全混釜來代替，如果兩者的起始與終止狀態(tài)具有相同的溫度、濃度，則單釜操作時全部反應過程都維持在最終濃度CAf下進行，反

6、應速度最慢；解釋說明將一個容積為VR的全混釜以N個容積為VR/N的全混釜兩釜串聯(lián)操作時，第一釜在CA1下進行，僅第二釜維持在CAf下進行，整個反應速度提高了一個水平；兩釜串聯(lián)操作時，第一釜在CA1下進行，僅第二釜維持在CAf下在三釜串聯(lián)操作時，前兩釜都是在高于CAf的濃度下進行，僅第三釜在CAf進行，反應速度比兩釜串聯(lián)時又有所提高?？梢姡?lián)的釜數(shù)越多，反應物濃度提高越多，反應速度越快，需要的反應時間或反應器體積就越小。將幾個全混釜串聯(lián)起來操作就構成了多釜串聯(lián)反應器。 在三釜串聯(lián)操作時，前兩釜都是在高于CAf的濃度下進行，僅第三VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA

7、0CAmV0V0V0V0V0V0 xAmxAixAi-1xA2xA1VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-二、多級全混流反應器的計算 解析計算 多級全混流反應器串聯(lián)操作如上圖所示。 設：穩(wěn)定狀態(tài)，等溫，等容。 對第i級作A的物料衡算，則有 或 多級全混流反應器的級數(shù)一般為23級，所以可以按上式從第1級開始逐級計算。根據(jù)不同的已知條件計算反應器體積，級數(shù)或者最終轉化率。二、多級全混流反應器的計算 或 多級全混流反應器2. 一級不可逆等容單一反應 對于一級不可逆反應，可以直接建立級數(shù)m和最終轉化率之間的關系，不必逐級計算。上式可化為第i級式中2. 一級不可逆等容單一反應上式可

8、化為第i級式中 將上述諸式相乘 將上述諸式相乘由等容過程 得故 當每級體積相等時則可進一步簡化或總體積由等容過程 得故則可進一步簡化或總體積3.圖解計算 對于非一級反應，采用解析法計算比較麻煩，一般采用圖解法計算。 1）等溫等容過程，且各級體積相同（1）圖解法基本原理 得到 將上述兩個方程同時繪于兩線交點的橫坐標即為CAi.。動力學方程為圖上由3.圖解計算得到 將上述兩個方程同時繪于兩線交點的橫坐標等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A的直線與OM線交于A1點

9、，其橫坐標即為CA1；c. 由于各級溫度相同，所以各級的動力學曲線均為OM線 ; 且為等容過程，各級體積相等：（2）作圖步驟a.在圖上標出動力學曲線OMd. 過CA1作CA0 A1的平行線，與OM曲線交于A2,其橫坐標即為C A2 。如此下去，當最終濃度等于或小于規(guī)定出口濃度時，所作平行線的根數(shù)就是反應器級數(shù)。b.以初始濃度CA0為起點，過CA0作斜率為的直線與OM線交于A1點，其橫坐標即為CA1；（2）作圖步驟等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A2) 等容

10、、各級體積相同，但溫度不同 如果各級溫度不同，則需作出各級的動力學曲線 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3O2) 等容、各級體積相同，但溫度不同-1/CA1CA0C3)等容、等溫但各級體積不同的各直線斜率 不相同，如圖依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1 、CA2 、 CA3。 如果各級體積不相同，則CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1OM的各直線斜率 不相同，如圖依

11、次作出CA0A1、 三、多級全混流反應器串聯(lián)的優(yōu)化 在設計反應器時，物料處理量V0、進料組成及最終轉化率XAm是由工藝條件確定的。 如何確定反應器級數(shù)m和各級的體積，使總體積最小。 反應器級數(shù)越多,反應推動力增大,但設備投資、工藝流程和操作控制變得復雜，因此需要綜合考慮。 以下討論，當物料處理量V0、進料組成及最終轉化率XAm和反應器級數(shù)m確定后，如何最佳分配各級轉化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。三、多級全混流反應器串聯(lián)的優(yōu)化 在設計反應器時，物料 為使VR最小，將上式分別對xA1、xA2、xAm1求偏導數(shù)，并令之為零，則有 對于等溫等容過程，各級反應器體積為 反應器總體積 為以上共

12、有（m-1）個方程，可解出（m-1）個待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。 為使VR最小，將上式分別對xA1、xA2、x 以一級不可逆反應為例反應器總體積 即化簡后即由上式上式表示：對于一級不可逆反應，當各級的體積相等時，總反應體積最小。 以一級不可逆反應為例即化簡后即由上式上式表示：對于一級小結：串聯(lián)釜式反應器進行 級反應：小結：串聯(lián)釜式反應器進行 級反應：理想流動反應器的組合與反應器體積比較一、理想流動反應器的組合工業(yè)生產中為了滿足工藝要求，常常將理想反應器組合起來，構成組合理想流動反應器。 各種組合方式如圖所示。 當反應溫度、流量Vo、初始濃度CAo及各反應器體積VR相同時，進行一

13、級不可逆反應?？疾旄鞣N組合反應器所能達到的出口濃度。理想流動反應器的組合與反應器體積比較一、理想流動反應器的組合afedcbgafedcbg當反應溫度、流量Vo、初始濃度CAo及各反應器體積VR相同時，進行一級不可逆反應?？疾旄鞣N組合反應器所能達到的出口濃度。ab. 當反應溫度、流量Vo、初始濃度CAo及各反應器體積VR相同時d.e. c.f.g.d.e. c.f.g.化學反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件二、理想流動反應器的體積比較 基本條件 等溫、等容過程，且 相同。間歇反應器體積；平推流反應器體積；全混流反應器體積；多級全混流反應器體積。分別表示： 二、理想流動反應器的體積比較等溫、等容過

14、程，且 間歇反應器 間歇反應器 1）2）作曲線AB 轉化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉化率操作。xAxAfOABD2.反應器的體積比較C1）2）作曲線AB 轉化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉3） 當為一級不可逆反應，各級體積相同時，有 3） 當為一級不可逆反應，各級體積相同時，有 以為縱坐標，m為參變數(shù)作圖。越大，（2）當一定時:越小，接近于平推流。為橫坐標，越大,遠離平推流。m越大，（3）當k一定時:m越大，則如圖319所示，結論如下：（1）當 m 一定時:以為縱坐標，m為參變數(shù)作圖。越大，一定時:越小，接近于平推流間歇反應器與平推流反應器平推流反應器在結構和操作方式上與間歇反應器截

15、然不同，一個沒有攪拌一個有攪拌；一個連續(xù)操作一個間歇操作；一個是管式一個是釜式，但有一點是共同的，就是二者都沒有返混，所有物料在反應器內的停留時間都相同。既然停留時間都相同，沒有不同停留時間（即不同轉化率，不同濃度）物料的混合，兩種反應器在相同的進口（初始）條件和反應時間下，就應該得到相同的反應結果。間歇反應器與平推流反應器平推流反應器在結構和操作方式上與間歇間歇反應器與全混流反應器間歇反應器與全混流反應器在結構上大體相同，但從返混的角度上看卻是完全不同的。間歇反應器完全沒有返混，而全混流反應器的返混達到了極大的程度。因而，二者的設計方程不同，同一個反應在這兩種反應器中進行，產生的結果也就不一

16、樣。間歇反應器與全混流反應器間歇反應器與全混流反應器在結構上大體平行反應特性與反應器選型反應物能同時進行兩個或兩個以上的反應，稱為平行反應。一般情況下，在平行反應生成的多個產物中，只有一個是需要的目的產物，而其余為不希望產生的副產物。在工業(yè)生產上，總是希望在一定反應器和工藝條件下，能夠獲得所期望的最大目的產物量，副產物量盡可能小。平行反應特性與反應器選型反應物能同時進行兩個或兩個以上的反應考慮下列等溫、恒容基元反應：AP(目的產物)AS(副產物)反應物A的消耗速率為：考慮下列等溫、恒容基元反應：產物P、S的生成速率為：當兩個反應都是一級時，可以積分求得：產物P、S的生成速率為：化學反應工程-連

17、續(xù)流動釜式反應器課件平行反應的選擇性平行反應是一種典型的復合反應，流動狀況不但影響其所需反應器大小，而且還影響反應產物的分布。優(yōu)化的主要技術指標是目的產物的選擇性。平行反應的選擇性平行反應是一種典型的復合反應，流動狀況不但影選擇性、收率定義 （目的產物） （副產物）生成目的產物的反應速率：生成付產物的反應速率：選擇性、收率定義 轉化率式中 nA0、nA為進入系統(tǒng)和離開系統(tǒng)A物質的摩爾數(shù)。平均選擇性式中 (nA)P、(nP)為生成目的產物P消耗的A量和生成目的產物P的量。轉化率收率y三者關系：收率y瞬時選擇性SP對于上述平行反應瞬時選擇性SP瞬時選擇性與平均選擇性的關系對平推流或間歇反應器對全混

18、流反應器對N個串聯(lián)的全混流反應器瞬時選擇性與平均選擇性的關系對平推流或間歇反應器當a1=p=1時的恒容過程，對任一型式反應器，P的出口濃度為：當a1=p=1時的恒容過程，對任一型式反應器，P的出口濃度為影響瞬時選擇性的因素為了增加目的產物的收率，必須從反應器選型及工藝條件優(yōu)化來提高瞬時選擇性。影響瞬時選擇性的因素為了增加目的產物的收率，必須從反應器選型a溫度對選擇性的影響(濃度不變時) 當ElE2時，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選擇性；當E1E2時，E1-E2E2時，Eb濃度對選擇性的影響(溫度不變時) 當主反應級數(shù)大于副反應級數(shù)，即a1a2，blb2

19、時，升高濃度，使選擇性增加，若要維持較高的cA、cB，則應選擇平推流反應器、間歇反應器或多釜串聯(lián)反應器b濃度對選擇性的影響(溫度不變時) 當主反應級數(shù)大于副反化學反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件化學反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件連串反應特性與反應器選型連串反應是指反應產物能進一步反應成其它副產物的過程。作為討論的例子，考慮下面最簡單型式的連串反應(在等溫、恒容下的基元反應)：在該反應過程中，目的產物為P，若目的產物為S則該反應過程可視為非基元的簡單反應。連串反應特性與反應器選型連串反應是指反應產物能進一步反應成其三個組分的生成速率為：設開始時各組分的濃度為cA0，cP0=cS0=0，則由第一

20、式積分得：三個組分的生成速率為：將此結果代入第二式得：為一階線性常微分方程，其解為：由于總摩爾數(shù)沒有變化，所以 cA0=cA+cP+cS將此結果代入第二式得：若k2k1時，若k1k2時，組分A、P、S隨時間的變化關系以濃度-時間標繪得圖若k2k1時，化學反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件中間產物P濃度的最大值及其位置由前面式子可以求出：為了提高目的產物的收率，應盡可能使k1/k2比值增加，使cA濃度增加，cP濃度降低。反應速率常數(shù)k與濃度無關，只有改變溫度能夠影響k1/k2。中間產物P濃度的最大值及其位置對連串反應瞬時選擇性定義為：如果是一級反應且a=p=1對連串反應當生成中間產物的活化能E1大

21、于進一步生成副產物活化能E2(即E1E2)時，升高溫度對生成中間目的產物是有利。當生成中間產物的活化能E1小于生成副產物活化能E2(即E1E2)時，降低溫度對生成中間目的產物是有利。與平行反應一致。當生成中間產物的活化能E1大于進一步生成副產物活化能E2(即提高cA濃度，降低cP濃度，有利于提高瞬間選擇性，顯然平推流反應器(或間歇反應器)比全混流反應器易滿足這一條件，應選用平推流反應器。提高cA濃度，降低cP濃度，有利于提高瞬間選擇性，顯然平推流全混流反應器的計算(計算最佳空間時間op和相應的cPmax值)。以最簡單一級反應為例：在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0在恒容過程中，在CST

22、R中對A作物料衡算：全混流反應器的計算(計算最佳空間時間op和相應的cPmax對P作物料衡算：當時 cP值最大，為最佳值op。對P作物料衡算：op為反應速率常數(shù)的幾何平均值的倒數(shù)。op為反應速率常數(shù)的幾何平均值的倒數(shù)。平推流反應器的計算。仍討論這一典型的一級恒容反應過程。在平推流反應器中，任取一微元體，對A組分進行物料衡算：平推流反應器的計算。仍討論這一典型的一級恒容反應過程。在平推同樣對組分P進行物料衡算：同樣對組分P進行物料衡算：下面針對不同情況確定積分常數(shù)。情況1：當kl=k2=k，而且cP0=0；當 時，相應為最佳值。得到：下面針對不同情況確定積分常數(shù)?；瘜W反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件情況2：當cP0=0，但k1k2時，同樣可解得：情況2：當cP0=0，但k1k2時，同樣可解得：化學反應工程-連續(xù)流動釜式反應器課件在(k2/k1)相同時，即平推流的平均選擇性永遠大于全混流。當反應的平均停留時間小于最優(yōu)反應時間時副反應生成的S量??；反之，副反應生成的S量增加，所以平均停留時間寧可取小于op的值。隨著轉化率增加，平均選擇性是下降的，當k2/k11時，轉化率增加，平均選擇性明顯下降。為了避免副產物S取代產物P，應在低轉化率下操作。在(k2/k1)相同時，即平推流的平均選擇性永遠大于全混流例：在一個體積為300L的反應器中，86等溫下將濃度為3.2的過氧化氫異丙苯溶