第二章反应器内流体流动与混合（2）梁斌ppt课件

1、2.3 组合反应器Multiple-Reactor System,教学目的与要求 1掌握组合反应器的传递特性； 2掌握组合反应器的设计方程和操作方程； 3掌握组合反应器的选型及操作方式选取。 教学重点、难点 1组合反应器的设计方程、操作方程及其计算； 2组合反应器的选型、操作方式及优化,为了适应不同反应的要求,有时采用相同或不同型式的简单反应器的各种组合。 N个全混流釜式反应器的串联操作，可以减少返混的影响，提高反应深度(转化率)。 并联操作可以提高生产能力(产量)。 循环反应器可使平推流反应器具有全混流的某些特征,理想反应器的不同组合型式,2.3.1 平推流反应器的串联操作 N 个平推流反应

2、器的串联操作，如下图： N 个平推流反应器串联操作，设 N 个平推流反应器的出口转化率分别为 x1、x2、xN,FA0, CA0,V0,xA1,xAn-1,xA2,xAn,第一个反应器物料衡算： 第二个反应器物料衡算： 第 i 个反应器物料衡算,N个平推流反应器串联： 若每个反应器内的温度相同，则(-rA)也相同，有,结论： N 个平推流反应器串联操作，其总体积为 VR，则其最终转化率与一个具有相同体积（ VR ）的单个平推流反应器所能获得的转化率相同。 单个平推流反应器可以拆分为 N 个平推流反应器串联操作，只要满足两者的所到达的转化率相同，即可,2.3.2 平推流反应器并联,V1,V2,V

3、3,V4,支线D,进料流,出口流,支线C,支线B,支线A,并联操作反应器的总体积等于各个支路反应器体积之和： 并联操作反应器的总物料体积流量等于各个支路体积流量之和： 基础设计方程,若干个平推流反应器并联操作，要使最终转化率达到最大或使反应器总体积最小，前提条件是要尽可能减少返混，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。 如各支路的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物料的混合，就是返混。 并联操作要满足,或,例2-7 平推流反应器按下图进行并联、串联操作，求总进料流中进入支线 A 的分率为多少,支线 A,支线 B,进料流,出口流,V=20L,V=20L,V=4

4、0L,V=40L,解：支线A： VA= 40 + 40 = 80L 支线B： VB= 20 + 20 = 40L 两支线转化率相同，则： 所以总进料流中进入支线A的分率为2/3,2.3.3 全混流反应器并联 多个全混流反应器并联操作时，要满足并联的全混流反应器体积最小，就要求每一支路达到相同的转化率，这与平推流反应器并联操作的要求相同。 并联操作要满足,或,2.3.4 多釜串联反应器,2.3.4 多釜串联 各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间没有返混，也不发生反应,FA0,FA1,FA2,FAi-1,FAi,FAN-1,FAN,xA1,xA2,xAi-1,xAi,xAN-1,xAN,Sti

5、rred Tank Cascade,CA0,CAf,CA,x,position,3,2,1,4,5,0,CA,CA1,CA2,CA3,CA4,1. 基础设计方程 对任意第 i 釜中关键组分A作物料衡算： 即,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 FA, i-1 FA, i (-rA)i Vi 0,整理得： 或： 恒容系统,3-14,已知第一釜的入口浓度和体积流速后，应该利用式(3-14)从第一釜算起，先算出CA,1或 xA,1。 把 CA,1 或 xA,1 作为第二釜的输入参数，再算出 CA,2 或 xA,2。 接着逐釜计算下去，便可算出最后一釜的出口浓度或转化率,对于 N 釜串联操作的

6、系统，总空时： 釜与釜之间不存在返混，所以总的返混程度小于单个全混釜的返混。 小于单个全混釜达到相同转化率 xAN 时的空时,各釜之间不存在返混，故总的返混程度小于单个全混釜的返混,xA1,xA2,xAN-1,xAN,CA0 (-rA,1,2,N,N-1,i,2.解析法计算出口浓度或转化率 (1)一级反应 第个釜的出口浓度： 第2个釜的出口浓度,依此类推，可求出第n个釜的出口浓度为： 若各釜的温度或体积相等，即： 则,2)二级反应 以上面方法，可以推出,图 釜数对总费用的影响,达到指定转化率反应器总体积随釜数 N 增加而减少。 釜数总成本费用与釜数的关系如右图所示。N4 ，总费用最少。釜数N

7、增加，生产操作的难度和费用也增加。因此串联釜数的最优选择一般不超过4,例2-8 条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用四釜串联的全混釜，求己二酸转化率为80时，各釜出口己二酸的浓度和所需反应器的体积。 已知,解：要求第四釜出口转化率为80%，即 以试差法确定每釜出口浓度 设 i = 3h代入 由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、 cA3、 cA4，看是否满足cA4=0.8的要求。将以上数据代入，求得：cA4=0.824 kmolm-3,结果稍大，重新假设 i = 3.14h，求得： cA1=2.202kmolm-3 cA2=1.437kmolm-3 cA3=1.037kmolm-3 cA4=

8、0.798kmolm-3 基本满足精度要求,若把一个CSTR一分为二，则只有第二个釜是在出口浓度下进行反应的，第一个釜的反应浓度是第二个釜的入口浓度。若反应是大于零级的非自催化反应，则第一个釜的平均反应速度要比第二个釜大。 由此可得出结论，把一个釜变为多个釜串联，若最后的转化率不变，反应器总的体积将减少,3.等温、等体积情况的图解计算 图解法原理 联立并解基础设计式和动力学方程,1,CA0,f (CA,CA,CA,rA,1,cA1,cA0,cA,rA,cA2,f (CA,cA3,图解法的一般过程 (1)作 (-rA)CA曲线图； (2)作斜率为 -1/的直线图，截距为CA,i-1，它与 (-r

9、A) = k f (CA) 曲线的交点是CA, i，(-rA)i； (3)从第一个反应器开始，由横轴点 CA,0 作一斜率为 -1/1 的直线与 (-rA) = k f (CA) 的曲线相交，交点的横坐标为 CA,1,4)依次作直线与曲线相交，可求出以后各个反应器的反应速度和出口浓度，直到获得给定的出口浓度为止。 (5)若得出n条斜线，则表示n个釜串联。 对于非一级反应，也可以用类似的方法处理。 作图法对于复杂反应是不适用的,例题2-9 苯醌和环戊二烯在 298 K 下进行液相加成反应： A + B P (rA) = kCACB k = 9.92103 m3/(kmols) 反应在两个等体积串

10、联的全混釜进行，环戊二烯和苯醌的起始浓度分别为 0.1 kmol/m3 和 0.08 kmol/m3， 求苯醌的转化率为95% 时，两釜总的反应时间为多少,解： 1= 2，且 CA2 = CA0(10.95) = 0.080.05 = 0.004 kmol/m3 CB2 = CB0 (CA0 CA2) = 0.1 (0.08 0.004) = 0.024 kmol/m3,将 CA2 和 CB2 值代入式 (A) 和 (B) 得： 整理得： CA13 +0.016CA12 +1.6105CA1 0.768105 = 0 利用牛顿迭代法解得： CA1 = 0.0154 kmol/m3,所以，两个全

11、混釜串联，总的反应时间为 ： 总 = 211970 = 23940 秒,2.3.5 循环反应器(Recycle Reactor) 前面已介绍过平推流反应器的主要优点是没有返混，因此，在同样的转化率下反应器体积最小。 在工业上却经常把部分产物循环送至反应器入口。此类反应器称为循环反应器，见图,V,FA0,CA0,0,2,1,3,xA0,xA2,xA1,FA1,CA2,新鲜物料,出料,循环料,循环料,新鲜料,总进料,出料,V1,V2,循环反应器的一个重要参数是循环比 ，定义为： 当 = 0 时无循环，即为 PFR 情况。 当 = 时，全部循环，即相当于CSTR的情况,如图，反应器入口处反应物的浓度

12、为： 而： 比较上两式可得,对于PFR，有如下基本关系式 式中 FA0虚拟进料速度。 不难得到 ： FA0 = FA0 (1+) 将上面几个式代入式（3.3-9）得 ： 上式为循环反应器的基本设计式，恒容或变容反应均适用,xA1,xA2,1 (-rA,N,平均高度,1,1 +,图循环反应器图解示意,V FA0,面积,2.4 半连续操作反应器,Semibatch Reactors,半连续式或半间歇操作反应器是一次将一种或多种反应物料事先加入反应器中，然后将另一物料连续加入或缓慢滴加；或者是在反应过程中将某种产物连续地从反应器中取出。前一种方法可使加入组分在反应区中保持较低的浓度，使反应不致太快，

13、温度易于控制，或者能抑制某一副反应；而连续取出产物的操作可使该反应产物的浓度始终维持在低水平上，从而有利于可逆反应向生成产物的方向进行，以提高转化率,设一反应： A + B P (1) 在搅拌釜内预先加入A、B的量为 nA0 (少量)和 nB0，此时体积为V0； (2) 连续流入浓度为CA0、CB0，体积流量v的料液； (3) 液面不断上升，体积由 V0 上升至 V，加料一定时间 t 后，釜内A、B量各为 nA、nB； (4) 釜内全混且等温,在此定义转化率 xA： (2.4-12） 或： (2.4-13) 在 dt 内对全釜作 A 的物料恒算，得,输入量 = 输出量 + 反应量 + 累积量 CA0dt 0 (-rA)Vdt dnA,得： (2.4-14) 对式（2.4-13）全微分： 代入式（2.4-14）并整理得： 式中,2.4-16,2.4-15,2.4-17) 将式(2.4-16)和式(2.4-17)代入式(2.4-15)： (2.4-18) 则 (2.4-19) 式(2.4-19)为一阶非线性方程，用数值法