化學反應工程_連續(xù)流動釜式反應器

1、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-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；1. 返混0()0AAAfRNNrV二、全混流反應器計算的基本公式二、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

2、態(tài)： A流入量A流出量 A反應量00,0,0AAV NC,AAfN CAfX00AX0000(1)()AAAfAfRV CV CxrVfAAfAfAAfARfAAfARrxcrccVVrxcVV)()()()(00000( )A fr式中指按出口濃度計算的反應速率。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反應量0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。000(1):(1)nAAAAAAAANxrkC

3、CVyx式中；由式（113）000()()AAfARAfV CxxVr00000(1)(1)()0AAAAfAfRV CxV CxrV表35列出了平推流反應器和全混流反應器的反應結果比較，其中000(324)()()RAAfAAfAfAfVVCxCCrr0RVV2.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。00()AAfRAfV CxVr00AAfAfACCxC平推流反應器與全混流反應器的比較進料體積流量反應體積0VVr（因次：時間） , V o處理能力表明 空速的意義：單位時間單位反應體積所處理的物料量。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

4、，反應器的原料處理能力越大?？账僭酱?，反應器的原料處理能力越大。rAArVcFVV0001 空速：空速：-1:時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。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 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

5、，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，然后串聯(lián)起來，稱為“多級串聯(lián)全混流反應器”。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一、多級全混流反應器的濃度特征CA0C

6、A*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA1解釋說明解釋說明n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，反應速度最慢；n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；n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。可見，串聯(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。n將幾個全混釜串聯(lián)起來操作就構成了多釜串聯(lián)反將幾個全混

7、釜串聯(lián)起來操作就構成了多釜串聯(lián)反應器。應器。 VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0 xAmxAixAi-1xA2xA100100(1)(1)AAiAAiAiRiV CxV Cxr V二、多級全混流反應器的計算二、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 001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiV CCVr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

8、最終轉化率。0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2. 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 當每級體積相等時則可進一步簡化11

9、11111mmAmiixkk （ 3 32）或1 /1111mA mkx（ 3 3 3 ）總體積001/111RRimAmmVVmVmVkx（ 3 34）3.圖解計算圖解計算 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 01()AiAiRiAiV CCVr()AiAirk f C1AiAiAiCCr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AArC圖上由n等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM的直線與OM線交于A1點，其橫坐標即為CA1

10、；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AArC1123.m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n等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM2) 等容、各級體積相同，但溫度不同 如果各級溫度不同，則需作出各級的動力學曲線 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、多級全混流反應器串聯(lián)的優(yōu)化三、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

12、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。 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001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x0(1,2,.1)RAiVimx 對于等溫等容過程，各級反應器體積為 反應器總體積 為以上共有（m-1）個方程，可解出（m-1）個待定量(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。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理想流動反應器的組合與反應器體積比較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一、理想流動反應器的組合工業(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，進行一級不可逆反應?？疾旄鞣N組合反應器所能達到的出口濃度。afedcbg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。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、理想流動反應器的體積比較二、理想流動反應器的體積比較1. 基本條件 等溫、等容過程，且 相同。間歇反應器體積；

16、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： 000(34)AfxARAAdxVtCtrVAfA0A00AxRdxVV Cr間歇反應器 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 轉化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉化率操作。xAxAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrOABD2.反應器的體積比較反應器的

17、體積比較CRpRmVV01/11(3 34)1RmmAmmVVkx011RpAfVVlnkx1/11111RmmAfRpAmVmlnxVx3） 當為一級不可逆反應，各級體積相同時，有 RmRpVV1AfxAfxRmRpVVAfxRmRpVV(1)A fx越 小 。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:間歇反應器與平推流反應器n平推流反應器在結構和操作方式上與間歇反應器截然不同，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

18、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。間歇反應器與全混流反應器n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(chǎn)生的結果也就不一樣。平行反應特性與反應器選型n反應物能同時進行兩個或兩個以上的反應，稱為平行反應。n一般情況下，在平行反應生成的多個產(chǎn)物中，只有一個是需要的目

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：nAP(目的產(chǎn)物)nAS(副產(chǎn)物)n反應物A的消耗速率為：2A21A1AAddnnckcktnrn產(chǎn)物P、S的生成速率為：n當兩個反應都是一級時，可以積分求得：1A1PPddncktcr2A2SSddncktcrtkkecc210AAtkkeckkkc2110A211Ptkkeckkkc2110A212S平行反應的選擇性n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(chǎn)物的分布。優(yōu)化的主要技術指標是目

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)物的反應速率：n生成付產(chǎn)物的反應速率：PBA111pbakSBA222sbak11BA11Abacckr22BA22Abacckrn轉化率n式中 nA0、nA為進入系統(tǒng)和離開系統(tǒng)A物質的摩爾數(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物質的量加入系統(tǒng)中物質反應掉的量在系統(tǒng)中PSA0AP1AA0PAPAAnnnpannnS的量在系統(tǒng)中反應掉的的量消耗的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物n收率yn三者關系：0AP10APAAAnnpanny物質的量加入系統(tǒng)中的量消耗

21、的在系統(tǒng)中生成目的產(chǎn)物PASxy n瞬時選擇性SPn對于上述平行反應的消耗速率在反應過程中同一瞬時速率生成目的產(chǎn)物消耗的在反應過程中某一瞬時AAPS 2A1A1APrrrS瞬時選擇性與平均選擇性的關系n對平推流或間歇反應器n對全混流反應器n對N個串聯(lián)的全混流反應器0AAAPA0APd1nnnSnnSPPSS AN0AAN1ANPN2A1AP21A0A1PPccccSccSccSSn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：A0APPccSc影響瞬時選擇性的因素n為了增加目的產(chǎn)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。 122121BA10202A1A1AP1

22、1bbaaRTEEccekkrrrSna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-E2a2，blb2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)反應器連串反應特性與反應器選型n連串反應是指反應產(chǎn)物能進一步反應成其它副產(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(在等溫、恒容下的基元反應)：n在該反應過程中，目的產(chǎn)物為P，若目的產(chǎn)物為S則該反應過程可視為非基元的簡單反應。SPA21kkn三個組分的生成速率為：n設開始時各組分的濃

23、度為cA0，cP0=cS0=0，則由第一式積分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AAn將此結果代入第二式得：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，n若k1k2時，n組分A、P、S隨時間的變化關系以濃度-時間標繪得圖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反應速率常數(shù)k與濃度無關，只有改變溫度能夠影響k1/k2。1212optlnkkkkt21221A0maxPkkkkkccn對連串反應n瞬時選擇性定義為：n如果是一級反應且a=p=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccekkckckckrrSRTEE n當生成中間產(chǎn)物的活化能E1大于進一步生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1E2)時，升高溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。當生成中間產(chǎn)物的活化能E1小于生成副產(chǎn)物活化能E2(即E1E2)時，降低溫度對生成中間目的產(chǎn)物是有利。與平行反應一致。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。n全混流反應器的計算(計算最佳空間時間op和相應的cPmax值)。n以最簡單一級反應為例：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當時 cP值最大，為最佳值op。P0RP0P0cVVrcVP2A1PPckckrc210A12A1P111kkckkc