化工反應(yīng)器基本理論

第一章反應(yīng)器基本理論第一節(jié)理想反應(yīng)器一、基本的反應(yīng)器型式二、連續(xù)操作反應(yīng)器的流動(dòng)特性——返混三、理性反應(yīng)器反應(yīng)器選型設(shè)計(jì)和優(yōu)化反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況影響反應(yīng)結(jié)果數(shù)學(xué)模型流動(dòng)模型對(duì)實(shí)際過(guò)程的簡(jiǎn)化理想模型非理想模型建立模型的基本方法第一節(jié)理想反應(yīng)器一、基本的反應(yīng)器形式間歇操作的攪拌釜BatchStirredTankReactor(BSTR)特點(diǎn)：物料一次加入，一起放出，全部物料反應(yīng)時(shí)間相同；釜內(nèi)各點(diǎn)溫度和濃度可以達(dá)到均勻一致；反應(yīng)物料的溫度和濃度等操作參數(shù)隨時(shí)間而變，不隨空間位置而變。裝置簡(jiǎn)單、操作方便、靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)設(shè)備利用率不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不易自動(dòng)控制，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定連續(xù)操作管式反應(yīng)器PistonFlowReactor(PFR)特點(diǎn)：一端加入反應(yīng)物，一端引出，c，v沿流動(dòng)方向逐漸降低；定常態(tài)時(shí)，各參數(shù)不變優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備利用率高，節(jié)省勞力，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于控制，適合于大規(guī)模生產(chǎn)連續(xù)操作攪拌釜

ContinuedStirredTankReactor(CSTR)特點(diǎn)：強(qiáng)烈攪拌，反應(yīng)器內(nèi)各點(diǎn)T，n相同，物料隨進(jìn)隨出，出口物料n與釜內(nèi)反應(yīng)物相同優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)物的濃度、溫度及v保持恒定不變，對(duì)自催化反應(yīng)有利缺點(diǎn)：釜內(nèi)n很低，v很慢，達(dá)到同樣的x，需要的VR較大二、連續(xù)操作反應(yīng)器的流動(dòng)特性---返混1.混合現(xiàn)象的分類流體粒子（微元）在空間順序上的混合——空混流體在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)，不論其因何種原因而產(chǎn)生的流體粒子在反應(yīng)器內(nèi)相對(duì)位置發(fā)生變化而造成的物料微元之間的混合，稱為空間混合，簡(jiǎn)稱空混?？栈?0空混=∞空混越大，傳質(zhì)越快，傳熱越好，各位置的濃度、溫度的差異就越小，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)濃度、溫度的均勻。按混合對(duì)象的年齡來(lái)分：年齡——物料在反應(yīng)器中已經(jīng)停留的時(shí)間。壽命——物料在反應(yīng)器中總共停留的時(shí)間對(duì)仍留在反應(yīng)器中的物料而言對(duì)已經(jīng)離開(kāi)反應(yīng)器的物料而言（1）相同年齡物料之間的混合——同齡混合例如：間歇反應(yīng)過(guò)程中攪拌引起的混合流體粒子（微元）在時(shí)間順序上的混合——返混具有不同停留時(shí)間的粒子（微元）的逆向混合，稱為返混。所謂逆向，是指時(shí)間順序上的顛倒，比如先進(jìn)入反應(yīng)器的物料的粒子后流出反應(yīng)器，而后進(jìn)入反應(yīng)器的物料的粒子卻先流出反應(yīng)器。例如：連續(xù)流動(dòng)的釜式反應(yīng)器返混=0返混=∞

在連續(xù)操作的反應(yīng)器中，返混的程度越大，顯著地降低了反應(yīng)物的濃度。一般來(lái)說(shuō)，返混對(duì)反應(yīng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不利的因素，它影響反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。（1）不同年齡物料之間的混合——返混連續(xù)操作反應(yīng)器特有的現(xiàn)象2.返混與停留時(shí)間分布停留時(shí)間分布RTD（residencetimedistribution）在連續(xù)反應(yīng)器中，同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的物料粒子，有的很快從出口流出，有的則經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才從出口流出，停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，形成一定的分布。返混停留時(shí)間分布？返混的兩個(gè)孿生現(xiàn)象改變反應(yīng)器的濃度分布造成物料的RTD不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系！相同的RTD可以有不同的返混情況停留時(shí)間分布有兩種年齡分布?jí)勖植紝?duì)象描述關(guān)系反應(yīng)器內(nèi)的物料反應(yīng)器的出口物料從進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間開(kāi)始算年齡，到所考慮的瞬間為止，不同年齡的物料粒子混在一起，形成一定的分布。從進(jìn)入反應(yīng)器的瞬間開(kāi)始算年齡，到所考慮的瞬間為止，反應(yīng)器的出口物料中不同壽命的物料粒子混在一起，形成一定的分布。兩者存在一定的關(guān)系，可換算，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定壽命分布。渦流與擾動(dòng)速度分布溝流、填料或催化劑裝填不均勻短路3.返混產(chǎn)生的原因死角4.返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響總的來(lái)說(shuō)，使產(chǎn)品的收率、質(zhì)量降低。返混使反應(yīng)物的濃度降低。返混使系統(tǒng)中的溫度分布和濃度分布趨于平坦，對(duì)要求有較大溫度差或濃度差的場(chǎng)合不利。思考？返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)一定是不利的嗎？自催化反應(yīng)可控制在最佳濃度下操作復(fù)雜反應(yīng)反應(yīng)物濃度高有利于副反應(yīng)進(jìn)行時(shí)有利！沖稀的作用返混對(duì)連串副反應(yīng)是有利還是不利的因素？（1）平均停留時(shí)間物料流過(guò)反應(yīng)器所需要的時(shí)間反應(yīng)器的有效容積物料的體積流量5.各種不同反應(yīng)器中時(shí)間的概念反應(yīng)器幾何容積中，用于反應(yīng)的體積。連續(xù)反應(yīng)器中的液相反應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)（T、P）下的體積流量（2）空間時(shí)間簡(jiǎn)稱空時(shí)，用表示意義：處理一個(gè)VR的物料所需要的時(shí)間。（3）空間速度簡(jiǎn)稱空速Sv=1/=v/VR=入口體積流量/反應(yīng)器有效體積意義：?jiǎn)挝环磻?yīng)體積、單位反應(yīng)時(shí)間內(nèi)所處理的物料量小結(jié)：從、Sv的意義可知道，它們均表示連續(xù)反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。小，Sv大，生產(chǎn)能力大，兩者均表示入口狀態(tài)下反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，一般用于描述連續(xù)反應(yīng)器中的氣相反應(yīng)。（4）反應(yīng)時(shí)間t反應(yīng)持續(xù)的時(shí)間，指反應(yīng)物料達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)化率所需持續(xù)的時(shí)間，用于描述間歇反應(yīng)。平推流全混流中間流返混程度不存在返混返混程度最大部分返混特點(diǎn)流體通過(guò)細(xì)長(zhǎng)管道時(shí)，與流動(dòng)方向成垂直的截面上，各粒子的流速完全相同，就像活塞平推過(guò)去一樣，粒子在軸向沒(méi)有混合、擴(kuò)散。物料一進(jìn)入反應(yīng)器就均勻分散在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間有長(zhǎng)有短，最為分散。非理想流動(dòng)實(shí)例細(xì)長(zhǎng)型的管式反應(yīng)器，當(dāng)Re數(shù)很大時(shí)，接近PFR連續(xù)攪拌釜CSTR實(shí)際生產(chǎn)中連續(xù)操作的反應(yīng)器間歇反應(yīng)釜返混程度為零理想反應(yīng)器三、理想反應(yīng)器間歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器返混極大(a)(b)(c)三、理想反應(yīng)器

BSTRPFRCSTR1投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)2年齡年齡相同(某時(shí))年齡相同(某處)年齡不同3壽命壽命相同(中止)壽命相同(出口)壽命不同(出口)4返混全無(wú)返混全無(wú)返混返混極大三、理想反應(yīng)器第二節(jié)等溫等容過(guò)程反應(yīng)器容積一、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)二、間歇釜式反應(yīng)器三、連續(xù)管式反應(yīng)器四、連續(xù)釜式反應(yīng)器五、多釜串聯(lián)反應(yīng)器1、反應(yīng)速率及其表達(dá)式均相反應(yīng)的速率+表示生成速率，當(dāng)A為生成物時(shí)-表示消耗速率，當(dāng)A為反應(yīng)物時(shí)意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間，單位體積反應(yīng)物料中某一組分摩爾數(shù)的變化。轉(zhuǎn)化率反應(yīng)物轉(zhuǎn)化掉的量占原始量的分率反應(yīng)速率用轉(zhuǎn)化率表示一、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)反應(yīng)速率方程式定量描述反應(yīng)速率與溫度和濃度的關(guān)系式（動(dòng)力學(xué)方程）ARk(-rA)=kCAn反應(yīng)級(jí)數(shù)速率常數(shù)不同組分表示化學(xué)反應(yīng)速率關(guān)系2.濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響基元反應(yīng)：質(zhì)量作用定律非基元反應(yīng)：冪函數(shù)型、雙曲線型、級(jí)數(shù)型反應(yīng)級(jí)數(shù)是速率對(duì)濃度敏感的標(biāo)志。不可逆反應(yīng)的反應(yīng)物濃度越高，r越大。n越大，A的濃度變化對(duì)r的影響大。為改善高級(jí)數(shù)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，工業(yè)上常采用使某種反應(yīng)物過(guò)量的有效方法。rA=kCAn1CBn2rA=kCAaCBb3.溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響反應(yīng)速率對(duì)溫度敏感的程度取決于E的大小4.轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性

轉(zhuǎn)化率

X--針對(duì)反應(yīng)物而言注意：

1.如果反應(yīng)物不只是一種，針對(duì)不同反應(yīng)物計(jì)算出來(lái)為X是不一樣的

2.關(guān)鍵組分（著眼組分）為不過(guò)量、貴重的組分（相對(duì)而言）

針對(duì)關(guān)鍵組分計(jì)算，可使X最大到100%

計(jì)算基準(zhǔn)：起始狀態(tài)選擇問(wèn)題（分母部分的計(jì)量）

使用的原則：對(duì)于連續(xù)反應(yīng)器，進(jìn)口處的狀態(tài)

間歇反應(yīng)器，開(kāi)始反應(yīng)時(shí)的狀態(tài)

串聯(lián)使用的反應(yīng)器，進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器的原料為準(zhǔn)這樣有利于計(jì)算和比較

如圖1.2所示的甲醇合成流程簡(jiǎn)圖，生產(chǎn)中采用循環(huán)操作，一部分未能轉(zhuǎn)化的原料重新返回合成塔。由于存在未完全轉(zhuǎn)化反應(yīng)物的循環(huán)，在計(jì)算全程轉(zhuǎn)化率時(shí)，計(jì)算基準(zhǔn)為新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開(kāi)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。而單程轉(zhuǎn)化率是一次性從反應(yīng)器進(jìn)入到離開(kāi)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。兩者相比較，全程轉(zhuǎn)化率必定大于單程轉(zhuǎn)化率。單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率的區(qū)別收率與選擇性--是對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物而言的注意:

1.對(duì)于單一反應(yīng)Y=X(關(guān)鍵組分)(無(wú)論用哪種產(chǎn)物計(jì)算結(jié)果均是如此)

對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)Y≠X

2.收率也有單程和全程之分（循環(huán)物料系統(tǒng)）

無(wú)論是收率還是選擇性,還有其它的定義(結(jié)果不一樣，但說(shuō)明同樣的問(wèn)題)

3.轉(zhuǎn)化率X只能說(shuō)明總的結(jié)果，Y說(shuō)明在轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物生成目的產(chǎn)物的比例，評(píng)價(jià)復(fù)合反應(yīng)，還有選擇性S，其定義為理論上應(yīng)生成的產(chǎn)物量例：甲苯（M=92）用濃硫酸磺化制備對(duì)甲苯磺酸，甲苯投料量為184kg，反應(yīng)產(chǎn)物中含對(duì)甲苯磺酸258kg，未反應(yīng)的甲苯18.4kg，則甲苯的轉(zhuǎn)化率為(184-18.4)/184，對(duì)甲苯磺酸（M=172）的選擇性為0.75/0.9，收率為(258/172)/(184/92)。X=90%，S=83.3%，Y=75%典型反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)器體積計(jì)算設(shè)計(jì)型操作型根據(jù)物料處理量及反應(yīng)工藝要求,選擇反應(yīng)器類型,求VR根據(jù)反應(yīng)特征及反應(yīng)器體積,決定最優(yōu)控制條件,使反應(yīng)過(guò)程達(dá)到優(yōu)化目標(biāo).反應(yīng)器計(jì)算的基本方法1.建立動(dòng)力學(xué)方程2.物料衡算方程選取關(guān)鍵組分選擇控制體溫度、濃度均一，才可取單位時(shí)間，否則微元時(shí)間選控制體的原則如果反應(yīng)器內(nèi)各處濃度均一,衡算的控制體選整個(gè)反應(yīng)器,存在兩個(gè)或兩個(gè)以上相態(tài),各點(diǎn)物料組成未必相同,選微元體積為控制體.對(duì)確定的關(guān)鍵組分：進(jìn)入反應(yīng)器的物料量=引出反應(yīng)器的物料量+反應(yīng)消耗的物料量+累積的物料量1234簡(jiǎn)歇：3+4=0連續(xù)：1=2+3半連續(xù)：1=2+3+4二、間歇釜式反應(yīng)器特點(diǎn)：

1.分批裝、卸(周期性、非穩(wěn)態(tài)性)；

2.適用于不同品種和規(guī)格的產(chǎn)品的生產(chǎn)，廣泛用于醫(yī)藥、試劑、助劑等生產(chǎn)。

3.整個(gè)操作時(shí)間=反應(yīng)時(shí)間+輔助時(shí)間（裝+卸+清洗）(每批）計(jì)算經(jīng)驗(yàn)估計(jì)A+BCA為關(guān)鍵組分，對(duì)整個(gè)反應(yīng)器作物料A的衡算二、間歇釜式反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式等容過(guò)程基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式討論：1.2.圖解法t與rA有關(guān)與Vr無(wú)關(guān)

一級(jí)反應(yīng)二級(jí)反應(yīng)零級(jí)反應(yīng)

α=1，t與CAO無(wú)關(guān)

一批操作總時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)處理的反應(yīng)物料的體積

輔助時(shí)間討論：1.＝vτ+vτ’反應(yīng)容積輔助容積對(duì)于沸騰或易發(fā)泡液體物料：φ=0.4~0.6

對(duì)于一般流體：φ=0.7~0.853.最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間目標(biāo)函數(shù)：?jiǎn)挝徊僮鲿r(shí)間的產(chǎn)品質(zhì)量最大AR單位操作時(shí)間的產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo)最優(yōu)時(shí)間圖解法目標(biāo)函數(shù)：以生產(chǎn)費(fèi)用最低3.最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間設(shè)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)操作費(fèi)用為a，輔助操作為a0，固定費(fèi)用為af單位質(zhì)量產(chǎn)品的總費(fèi)用：AT=aτ+aτ’+afVRCR對(duì)反應(yīng)時(shí)間求導(dǎo)最優(yōu)時(shí)間dAT/dt=0圖解法單位時(shí)間設(shè)計(jì)式設(shè)計(jì)式空時(shí)=平均停留時(shí)間等容討論：可知在等容過(guò)程中，對(duì)在相同的反應(yīng)條件下的同一反應(yīng)，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率，理想管式反應(yīng)器中需要的停留時(shí)間與間歇釜中需要的反應(yīng)時(shí)間是相同的。所以，可以用間歇反應(yīng)器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與放大。原因：物料在這兩種反應(yīng)器中都沒(méi)有返混。一、連續(xù)釜式反應(yīng)器的特點(diǎn)：

1.反應(yīng)器的參數(shù)不隨時(shí)間變化

2.不存在時(shí)間自變量，也沒(méi)有空間自變量

3.多用于液相反應(yīng)，恒容操作

4.出口處的C,T=反應(yīng)器內(nèi)的C,T注意：

1.反應(yīng)器內(nèi)C、T恒定，不隨時(shí)間變化，也不隨位置變化。所以其內(nèi)的在各點(diǎn)處相同，也不隨時(shí)間變化--等速反應(yīng)器。

2.當(dāng)同時(shí)進(jìn)行多個(gè)反應(yīng)時(shí)，只要進(jìn)出口組成和Q0已知，就可以針對(duì)一個(gè)組分求出反應(yīng)體積Vr。設(shè)計(jì)式討論：同一反應(yīng)，達(dá)到同樣的轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)量，CSTR需要的容積較PFR和BSTR大得多。原因：CSTR中返混程度最大，反應(yīng)始終在最低濃度下進(jìn)行。改進(jìn)：采用多釜串聯(lián)的辦法可見(jiàn)串聯(lián)的釜數(shù)越多，反應(yīng)時(shí)的濃度提高越多，反應(yīng)速度越快，需要的反應(yīng)時(shí)間或反應(yīng)器容積就越小。設(shè)計(jì)式知道N，各釜的τ，求XAN,CAN已知XAN,CAN，求VR=N*V0*τ

對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，沒(méi)有解析解，需要進(jìn)行逐釜計(jì)算。根據(jù)已知條件，可以將逐釜計(jì)算過(guò)程分成如下兩種。

（1）每一個(gè)單釜的體積Vri已知

此時(shí)每個(gè)釜的空時(shí)τ已知XAp或CAp（逐一的計(jì)算），直至求出到達(dá)XAN所需的釜數(shù)N。

（2）釜數(shù)N已知

需要先假設(shè)空時(shí)τ，按（1）的方法逐釜計(jì)算求出第N個(gè)釜出口的轉(zhuǎn)化率，并與要求的轉(zhuǎn)化率XAN對(duì)比，如果不一致需要重新假設(shè)空時(shí)τ，重復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到兩者吻合為止。

例：不同釜數(shù)的比較1.應(yīng)用串聯(lián)全混釡?zhǔn)椒磻?yīng)器進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)，假設(shè)各釡的容積和操作溫度相同，已知在該溫度下的速率常數(shù)為K＝0.92h－1，原料進(jìn)料速率V0＝10m3/h，要求最終轉(zhuǎn)化率為0.90，試計(jì)算當(dāng)串聯(lián)釜數(shù)N分別為1、2、3、4、5、10、50和100時(shí)的反應(yīng)器總體積，如果采用間歇操作，不考慮輔助生產(chǎn)時(shí)間條件下的體積是多少？解：應(yīng)用多釜串聯(lián)計(jì)算式得τ＝Vi/V0=V/NV0可得各N值下得總體積對(duì)間歇操作：＝2.503hV＝2.503×10＝25.03m3討論：1.串聯(lián)得釜數(shù)N越多，所需反應(yīng)器的體積越小，當(dāng)N>50時(shí)已接近BSTR所需體積。2.在N<5時(shí)，增加反應(yīng)器數(shù)對(duì)降低反應(yīng)器的總體積效果顯著。當(dāng)N>5時(shí)，增加串聯(lián)釜數(shù)的效果不明顯，且N越大，效果越小。例題：化學(xué)反應(yīng)該反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為20℃，液料的體積流量為0.5m3/h,CA0=96.5mol/m3,CB0=184mol/m3,催化劑的濃度CD=6.63mol/m3。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速度方程為：rA=kCACD式中k=1.15*10-3m3/(mol.ks)。若要求A的轉(zhuǎn)化率為40%，試求反應(yīng)器的體積。解：設(shè)A的轉(zhuǎn)化率為x，則有：（A為反應(yīng)物，故k前為正）例題：某二級(jí)液相反應(yīng)A+B→C，已知CAo=CBO

，在間歇反應(yīng)器中達(dá)到x=0.99，需反應(yīng)的時(shí)間為10min,問(wèn)：(1)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，應(yīng)為多少？(2)在兩個(gè)串聯(lián)全混流反應(yīng)器(反應(yīng)體積相等)中進(jìn)行時(shí)，又是多少？（１）在單個(gè)CSTR中解：在間歇反應(yīng)器中，對(duì)二級(jí)反應(yīng)（CA0=CB0,所以相當(dāng)于r=-kCA2）(1)=(2)則(1)(2)(2)兩個(gè)CSTR串聯(lián)CSTR-1:CSTR-2:(3)？(4)代入(3)第三節(jié)反應(yīng)器型式及操作方式的選擇依據(jù)：用同樣數(shù)量的原料能生產(chǎn)出最多的產(chǎn)品，而且反應(yīng)器容積要小。1.BSTR與PFRa.兩者所需要得反應(yīng)容積相等b.由于τ’和φ的，VBSTR>VPFRc.

τ小，τ’大的反應(yīng)，宜用PFR2.BSTR與CSTR一級(jí)反應(yīng)討論：1.τ‘超過(guò)某一值后，

VBSTR>VCSTR2.對(duì)速度很快的反應(yīng)，τ‘很小，也會(huì)使得VBSTR>VCSTR3.對(duì)反應(yīng)速度較快，τ‘相對(duì)較長(zhǎng)的反應(yīng)，不適宜用BSTR3.CSTR與PFRCSTR的容積效率：η＝VP/VM

＝τP/τMXA,V相同與級(jí)數(shù)有關(guān)討論：1.零級(jí)反應(yīng)，η＝1，兩者容積相等2.XA一定，隨著n，η，Vm>>Vp3.η總<1,隨著XA,η,VM>Vp4.多釜串聯(lián)反應(yīng)器與PFR一級(jí)反應(yīng)討論：N＝1，單個(gè)連續(xù)釜的η最小N＝∞，η＝1，

多釜串聯(lián)總?cè)莘e＝VPFR3.當(dāng)N少時(shí)，增加釜數(shù)，η增大明顯，當(dāng)N多時(shí)，效果不明顯，實(shí)際生產(chǎn)一般不超過(guò)4.連續(xù)反應(yīng)器的串并聯(lián)多釜串聯(lián)有利使用單釜有利釜式反應(yīng)器的并聯(lián)操作中有分配加入每個(gè)反應(yīng)器中物料量的問(wèn)題，那么如何分配呢？通?？梢圆扇ˇ?=τ2，這時(shí)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)最優(yōu)。即要這時(shí)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)串聯(lián)釜式反應(yīng)器各釜的最佳反應(yīng)體積優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為對(duì)于級(jí)反應(yīng)，，得到的結(jié)論為：α>10<α<1α=1α=0α<0從小釜→大釜排列最優(yōu)；

從大釜→小釜排列最優(yōu)釜體積相等時(shí)最優(yōu)rA與CA無(wú)關(guān),多釜串聯(lián)沒(méi)有必要單釜優(yōu)于多釜串聯(lián)多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)12in……與單一平推流反應(yīng)器相同平推流反應(yīng)器的并聯(lián)PFR與CSTR的串聯(lián)FA0CA0V0XA2XA1XAfXA3FACA分段計(jì)算XA1XA2XA3XAf1/(-rA)理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用某個(gè)真實(shí)反應(yīng)器的模型理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合管式循環(huán)反應(yīng)器時(shí)，活塞流

時(shí)，XAi→XAf

全混流

實(shí)際上，當(dāng)時(shí)，即可認(rèn)為反應(yīng)器達(dá)到了全混狀態(tài)?？偨Y(jié)：簡(jiǎn)單反應(yīng)選擇反應(yīng)器型式的原則二、復(fù)雜反應(yīng)依據(jù)：目的產(chǎn)物的收率要高，反應(yīng)的選擇性要好平行反應(yīng)---一個(gè)反應(yīng)物AL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))121.溫度效應(yīng)提高溫度對(duì)活化能高的反應(yīng)有利降低溫度對(duì)活化能低的反應(yīng)有利若E1>E2,則在較高溫度下進(jìn)行若E1<E2,則在較低溫度下進(jìn)行若E1=E2,溫度變化對(duì)選擇性無(wú)影響2.濃度效應(yīng)若n1>n2,較高反應(yīng)物濃度對(duì)主反應(yīng)有利若n1<n2,較低反應(yīng)物濃度對(duì)主反應(yīng)有利若n1=n2,反應(yīng)物濃度對(duì)選擇性無(wú)影響平推流反應(yīng)器，低的單程轉(zhuǎn)化率，用濃度高的原料全混流反應(yīng)器，加入稀釋劑；反應(yīng)后物料循環(huán)A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12間歇操作n1>n2,m1>m2CA,CB

都高n1>n2,m1<m2CA高,CB低n1<n2,m1<m2CA,CB

都低操作條件的選擇A+BL(主反應(yīng))M(副反應(yīng))12連續(xù)流動(dòng)操作n1>n2,m1>m2CA,CB

都高n1<n2,m1<m2CA,CB

都低n1>n2,m1<m2CA高,CB低操作條件的選擇二.連串反應(yīng)一級(jí)反應(yīng)組分A:

單調(diào)下降；產(chǎn)物L(fēng):

先升后降，有極大值；產(chǎn)物M:

單調(diào)上升1.溫度效應(yīng)2.濃度效應(yīng)若E1>E2,則在較高溫度下進(jìn)行若E1<E2,則在較低溫度下進(jìn)行若E1=E2,溫度變化對(duì)選擇性無(wú)影響若n1>n2,增加初濃度CA0若n1<n2,降低初濃度CA0若n1=n2,初濃度的變化對(duì)選擇性無(wú)影響CL/CA隨xA的增大而增大L的瞬時(shí)選擇性下降轉(zhuǎn)化率過(guò)高，選擇性降低工業(yè)上分離再循環(huán)L為主產(chǎn)物時(shí)流動(dòng)類型的影響對(duì)于不可逆的連串反應(yīng)且以反應(yīng)的中間物為目的產(chǎn)物時(shí)，返混總是對(duì)選擇性不利左左右左例：復(fù)雜反應(yīng)n1=2，n2=1，n3=0，E1=25，E2=15，E3=45，如何選擇反應(yīng)器及操作條件，使有利于目的產(chǎn)物Ｒ的生成?！嗖捎闷酵屏鞣磻?yīng)器，高的CA0，高轉(zhuǎn)化率∴先低溫，隨著R值增加而升高溫。答：第四節(jié)停留時(shí)間分布及其測(cè)定一、停留時(shí)間的數(shù)學(xué)描述二、停留時(shí)間分布的測(cè)定1.停留時(shí)間及其分布

間歇系統(tǒng)：不存在RTD（residencetimedistribution）；流動(dòng)系統(tǒng)：存在RTD問(wèn)題。第四節(jié)停留時(shí)間分布及其測(cè)定2.可能的原因有：

不均勻的流速（或流速分布）強(qiáng)制對(duì)流非正常流動(dòng)-死區(qū)、溝流和短路等3.流動(dòng)狀況對(duì)反應(yīng)的影響

釜式和管式反應(yīng)器中流體的流動(dòng)狀況明顯不同，通過(guò)前面對(duì)釜式和管式反應(yīng)器的學(xué)習(xí)，可以發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于單一反應(yīng)，反應(yīng)器出口的轉(zhuǎn)化率與器內(nèi)的流動(dòng)狀況有關(guān)；對(duì)于復(fù)合反應(yīng)，反應(yīng)器出口目的產(chǎn)物的分布與流動(dòng)狀況有關(guān)。4.壽命分布和年齡分布

區(qū)別在于：前者指反應(yīng)器出口流出流體的年齡分布，而后者是反應(yīng)器中流體的年齡分布。5.系統(tǒng)分類

系統(tǒng)有閉式系統(tǒng)和開(kāi)式系統(tǒng)之分。閉式系統(tǒng)具有閉式邊界，即進(jìn)口和出口沒(méi)有返混。反之，則為開(kāi)式邊界。第四節(jié)停留時(shí)間分布及其測(cè)定了解流動(dòng)狀況／與理想流動(dòng)的偏差／為什么？如何改進(jìn)？

6.

RTD的應(yīng)用

對(duì)已有設(shè)備的RTD診斷，發(fā)現(xiàn)可能的問(wèn)題；設(shè)備的設(shè)計(jì)與分析，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。

全混流反應(yīng)器：空混最大返混程度無(wú)窮大

平推流反應(yīng)器：空混為零返混程度等于零

間歇反應(yīng)器：空混最大返混程度等于零

反應(yīng)結(jié)果不同非理想流動(dòng)反應(yīng)器：介于兩種理想情況之間停留時(shí)間是隨機(jī)變量，因此停留時(shí)間分布是一種概率分布。一、停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)描述反應(yīng)器內(nèi)的返混程度不同停留時(shí)間不同濃度分布不同反應(yīng)速率不同生產(chǎn)能力不同例：在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)，如果在某一瞬間（t=0）極快地向入口物流中加入100個(gè)紅色粒子，同時(shí)在系統(tǒng)的出口處記下不同時(shí)間間隔流出的紅色粒子數(shù)，結(jié)果如下表。如果假定紅色粒子和主流體之間除了顏色的差別以外，其余所有性質(zhì)都完全相同，那么就可以認(rèn)為這100個(gè)粒子的停留時(shí)間分布就是主流體的停留時(shí)間分布。1.停留時(shí)間（壽命）的概念？以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，出口流中紅色粒子數(shù)為縱坐標(biāo)，將上表作圖：若以停留時(shí)間t為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)作圖，則每一個(gè)長(zhǎng)方形的面積為即表示停留時(shí)間為t→t+△t的物料占總進(jìn)料的分率。假如示蹤劑改用紅色流體，連續(xù)檢測(cè)出口中紅色流體的濃度，如果將觀測(cè)的時(shí)間間隔縮到非常小，得到的將是一條連續(xù)的停留時(shí)間分布曲線。圖中曲線下微小面積E(t)dt表示停留時(shí)間在t和t+dt之間的物料占t=0時(shí)進(jìn)料的分率。同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的N個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)中，停留時(shí)間介于t與t+dt間的質(zhì)點(diǎn)所占分率dN/N為E(t)dt。2.E(t)曲線下的全部面積代表不同停留時(shí)間的物料占進(jìn)料分率的總和。3.E(t)歸一2.停留時(shí)間分布密度E(t):1.停留時(shí)間0-t范圍內(nèi)的物料（停留時(shí)間小于t的質(zhì)點(diǎn)）占進(jìn)料的分率。有：2.t=0,F(t)=0,t=∞,F(t)=1,F(t)是單調(diào)增函數(shù)3.停留時(shí)間分布函數(shù)F(t):在某一時(shí)間t時(shí)，E(t)和F(t)之間的關(guān)系為：研究不同流型的停留時(shí)間分布，通常是比較它們的統(tǒng)計(jì)特征值。常用的特征值有兩個(gè)：數(shù)學(xué)期望—平均值方差—離散程度二、停留時(shí)間分布的數(shù)字特征統(tǒng)計(jì)量的物理意義

數(shù)學(xué)期望：代表均值（統(tǒng)計(jì)量的平均值），這里是平均停留時(shí)間。

方差：代表統(tǒng)計(jì)量的分散程度，這里是停留時(shí)間對(duì)均值的偏離程度。平均停留時(shí)間它是指整個(gè)物料在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，而不是個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間。不管設(shè)備型式和個(gè)別質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間，只要反應(yīng)體積與物料體積流量比值相同，平均停留時(shí)間就相同。F(t)：所有停留時(shí)間為0—t的質(zhì)點(diǎn)所占的分率E(t)dt=dF(t)F(t+dt)：所有停留時(shí)間為0—t+dt的質(zhì)點(diǎn)所占的分率dF(t)=F(t+dt)-F(t)dF(t)：所有停留時(shí)間為t—t+dt的質(zhì)點(diǎn)所占的分率數(shù)學(xué)期望：所有質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間的“加權(quán)平均值”對(duì)于離散型測(cè)定值，可以用加和代替積分值在等時(shí)間間隔取樣時(shí)：方差是停留時(shí)間分布離散程度的量度方差越小，越接近平推流對(duì)平推流，各物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間相等，故方差為零。方差：各個(gè)物料質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間t與平均停時(shí)間差的平方的加權(quán)平均值。如果是離散型數(shù)據(jù)，將積分改為加和：取樣為等時(shí)間間隔時(shí)：平均對(duì)比時(shí)間：停留時(shí)間為t時(shí)，，因此，θ和t一一對(duì)應(yīng)，且有：F（θ）=F（t），此時(shí)：歸一性：對(duì)比時(shí)間（無(wú)因次時(shí)間）：用θ表示的方差：停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定應(yīng)答技術(shù)：用一定的方法將示蹤劑加到反應(yīng)器進(jìn)口，然后在反應(yīng)器出口物料中檢驗(yàn)示蹤劑信號(hào)，以獲得示蹤劑在反應(yīng)器中停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。描述停留時(shí)間分布的兩個(gè)函數(shù)：示蹤劑的選取原則示蹤劑不應(yīng)與主流體發(fā)生反應(yīng)除了顯著區(qū)別于主流體的某一可檢測(cè)性質(zhì)外，示蹤劑應(yīng)和主流體應(yīng)盡可能具有相同的物理性質(zhì)，且兩者易于溶為一體。示蹤劑濃度很低時(shí)也能夠檢測(cè)用于多相系統(tǒng)檢測(cè)的示蹤劑不發(fā)生相間的轉(zhuǎn)移示蹤劑本身應(yīng)具有或易于轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或光信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)流體，常用電解質(zhì)（如KCl等）或染料作示蹤劑，用電導(dǎo)值或比色測(cè)定，對(duì)氣體，常用氬、氦、氫作示蹤劑，用熱導(dǎo)值測(cè)定。測(cè)定RTD常用方法：脈沖法階躍法脈沖法

方法概述使物料以穩(wěn)定的流量V通過(guò)體積為VR的反應(yīng)器，然后在某個(gè)瞬間t=0時(shí)，用極短的時(shí)間間隔Δt0向物料中注入濃度為C0的示蹤劑，并保持混合物的流量仍為V，同時(shí)在出口處測(cè)定示蹤劑濃度C隨時(shí)間t的變化。設(shè)Δt0時(shí)間內(nèi)注入示蹤劑的總量為M（mol），出口處濃度隨時(shí)間變化為C(t)，在示蹤劑注入后t~t+dt時(shí)間間隔內(nèi)，出口處流出的示蹤劑量占總示蹤劑量的分率：若在注入示蹤劑的同時(shí)，流入反應(yīng)器的物料量為N，在注入示蹤劑后的t~t+dt時(shí)間間隔內(nèi)，流出物料量為dN，則在此時(shí)間間隔內(nèi)，流出的物料占進(jìn)料的分率為：因此：有：只要測(cè)得V，M和C（t），即可得物料質(zhì)點(diǎn)的分布密度。示蹤劑的停留時(shí)間分布就是物料質(zhì)點(diǎn)的停留時(shí)間分布：由于M=VC0Δt0，C0及Δt0難以準(zhǔn)確測(cè)量，故示蹤劑的總量可用出口所有物料的加和表示：因此，利用脈沖法可以很方便的測(cè)出停留時(shí)間分布密度。階躍法方法概述使物料以穩(wěn)定的流量V通過(guò)體積為VR的反應(yīng)器，然后在某個(gè)瞬間t=0時(shí)，將其切換為濃度為C0的示蹤劑，并保持流量不變，同時(shí)開(kāi)始測(cè)定出口處示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化。因此，用此法可直接方便地測(cè)定實(shí)際反應(yīng)器的停留時(shí)間分布函數(shù)脈沖法階躍法將原有流股換成流量與其相同的示蹤劑流股在原有的流股中加入示蹤劑，不改變?cè)鞴闪髁渴聚檮┳⑷敕椒‥(t)F(t)可直接測(cè)得可直接測(cè)得管式反應(yīng)器的停留時(shí)間分布測(cè)定復(fù)化梯形公式步長(zhǎng)baf(a)f(b)梯形例如：=1.1143復(fù)化辛普森公式如：當(dāng)n＝４時(shí)，求F（x）在［a，b］上連續(xù)，把［a，b］分成n=2m分x0x1x2例如：第五節(jié)流動(dòng)模型與停留時(shí)間分布的應(yīng)用一、理想流動(dòng)模型的停留時(shí)間分布二、描述非理想流動(dòng)的模型三、停留時(shí)間分布的應(yīng)用一、理想流動(dòng)模型的停留時(shí)間分布對(duì)失蹤劑的物料衡算，得到

其中，

即δ函數(shù)處理集中于一點(diǎn)的問(wèn)題均值和方差分別為：相應(yīng)的分布函數(shù)為：應(yīng)用：1.當(dāng)物料在管中高度湍流時(shí)，截面上的速度分布趨于平坦，僅在沿管壁極薄的一層流體內(nèi)有速度梯度，而那部分流體在物料總量中占的比例極小，影響可以忽略不計(jì)。此時(shí)用平推流模型來(lái)討論物料在反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間及轉(zhuǎn)化率。2.對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的固定床、流化床或鼓泡塔，在氣相流速較高時(shí)，氣相的流動(dòng)情況也可用平推流模型來(lái)處理。使用階躍法建立全混流的流動(dòng)模型，將全釜作為控制體，對(duì)示蹤劑作物料衡算，有：討論：1.本質(zhì)原因2.3.只有當(dāng)時(shí)間為無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，出口才全部是第二種流體，4.二、描述非理想流動(dòng)的模型實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)狀況總是偏離理想流動(dòng)，很難建立其真實(shí)方程可以先建立一種非理想流動(dòng)模型，用它來(lái)描述實(shí)際反應(yīng)器中的流動(dòng)情況，再通過(guò)對(duì)模型參數(shù)估值來(lái)確定偏離理想流動(dòng)的具體程度非理想流動(dòng)模型對(duì)理想流動(dòng)模型修正理想流動(dòng)模型+滯留區(qū)+溝流+短路等的組合模型數(shù)學(xué)方法定量描述RTD實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)確定模型參數(shù)（不超過(guò)兩個(gè)）用模型來(lái)推算反應(yīng)器用幾個(gè)等