化学反应工程-连续流动釜式反应器

1、第三章第三节连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器一-全混流反应器 全混流反应器是指物料流动状况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）。在实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。一、全混流反应器的特点一、全混流反应器的特点 反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数； 物料参数不随时间而变化； 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化；1. 返混0()0AAAfRNNrV二、全混流反应器计算的基本公式二、全混流反应器计算的基本公式 1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（VR） 稳定

2、状态： A流入量A流出量 A反应量00,0,0AAV NC,AAfN CAfX00AX0000(1)()AAAfAfRV CV CxrVfAAfAfAAfARfAAfARrxcrccVVrxcVV)()()()(00000( )A fr式中指按出口浓度计算的反应速率。0,0,0AAV NC,AAfN CAfX00AXfAAfARrxcVV)(0000Ax000()0(1)(1)AAAfRAAAAAAfNNrVNNxNNx若,则由物料衡算方程A流入量A流出量 A反应量0上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。000(1):(1)nAAAAAAAANxrk

3、CCVyx式中；由式（113）000()()AAfARAfV CxxVr00000(1)(1)()0AAAAfAfRV CxV CxrV表35列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，其中000(324)()()RAAfAAfAfAfVVCxCCrr0RVV2.物料平均停留时间 对于等容过程，物料平均停留时间为，这是对等容过程而言。00()AAfRAfV CxVr00AAfAfACCxC平推流反应器与全混流反应器的比较进料体积流量反应体积0VVr（因次：时间） , V o处理能力表明 空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越

4、大，反应器的原料处理能力越大。空速越大，反应器的原料处理能力越大。rAArVcFVV0001 空速：空速：-1:时间因次多级全混釜的串联及优化多级全混釜的串联及优化设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器的浓度推动力。由图示，显然有，CA平CA全平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于全混流反应器体积。浓度分布 - 推动力反应推动力随反应时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等于出口处反应推动力 平推流反应器的物料参数如浓度等沿流动方向变化。对于等温反

5、应，很难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数是均匀的，对于物料温度的控制比较容易。 在有机反应中，特别是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持均匀，否则极易发生副反应，所以一般选择全混流反应器。 为了满足工艺要求，又要提高反应推动力，人们把一个大的反应器分割成m个小的全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。CA多=(CA1CA*)1+(CA2CA*)2+(CA3CA*)3+(CA4CA*)4显然CA平CA多CA全当级数为，则CA平CA多一、多级全混流反应器的浓度特征一、多级全混流反应器的浓度特征CA0

6、CA*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA1解释说明解释说明n将一个容积为VR的全混釜以N个容积为VR/N的全混釜来代替，如果两者的起始与终止状态具有相同的温度、浓度，则单釜操作时全部反应过程都维持在最终浓度CAf下进行，反应速度最慢；n两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；n在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时间或反应器体积就越小。n将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反将几个全

7、混釜串联起来操作就构成了多釜串联反应器。应器。 VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0 xAmxAixAi-1xA2xA100100(1)(1)AAiAAiAiRiV CxV Cxr V二、多级全混流反应器的计算二、多级全混流反应器的计算 解析计算 多级全混流反应器串联操作如上图所示。 设：稳定状态，等温，等容。 对第i级作A的物料衡算，则有 001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiV CCVr或 多级全混流反应器的级数一般为23级，所以可以按上式从第1级开始逐级计算。根据不同的已知条件计算反应器体积，级数或

8、者最终转化率。0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2. 一级不可逆等容单一反应 对于一级不可逆反应，可以直接建立级数m和最终转化率之间的关系，不必逐级计算。上式可化为01()AiAiRiAiV CCVr11(3 29)1A iA iiCCk第i级式中111AiAiiCCk1012121211111121.11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk1011mA miAiCCk（ 3 30） 将上述诸式相乘0001AAmAmAmAACCCxCC 1111mA miixk （ 3 31）123.m由等容过程 得故 当每级体积相等时则可进一步简化1

9、111111mmAmiixkk （ 3 32）或1 /1111mA mkx（ 3 3 3 ）总体积001/111RRimAmmVVmVmVkx（ 3 34）3.图解计算图解计算 对于非一级反应，采用解析法计算比较麻烦，一般采用图解法计算。 1）等温等容过程，且各级体积相同（1）图解法基本原理 01()AiAiRiAiV CCVr()AiAirk f C1AiAiAiCCr得到 将上述两个方程同时绘于两线交点的横坐标即为CAi.。动力学方程为AArC图上由n等温、等容、各级体积相等情况的图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM的直线与OM线交于A1点，其横坐标即为CA

10、1；c. 由于各级温度相同，所以各级的动力学曲线均为OM线 ; 且为等容过程，各级体积相等：（2）作图步骤a.在AArC1123.m图上标出动力学曲线OMd. 过CA1作CA0 A1的平行线，与OM曲线交于A2,其横坐标即为C A2 。如此下去，当最终浓度等于或小于规定出口浓度时，所作平行线的根数就是反应器级数。b.以初始浓度CA0为起点，过CA0作斜率为n等温、等容、各级体积相等情况的图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAmOM2) 等容、各级体积相同，但温度不同 如果各级温度不同，则需作出各级的动力学曲线 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA

11、2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。-1/CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3M1M2M3O3)等容、等温但各级体积不同AArC的各直线斜率 不相同，1如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1 、CA2 、 CA3。 如果各级体积不相同，则CA1CA0CArACA2CA3A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1OM三、多级全混流反应器串联的优化三、多级全混流反应器串联的优化 在设计反应器时，物料处理量V0、进料组成及最终转化率XAm是由工艺条件确定的。 如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。 反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流

12、程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。 以下讨论，当物料处理量V0、进料组成及最终转化率XAm和反应器级数m确定后，如何最佳分配各级转化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。 为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、xAm1求偏导数，并令之为零，则有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x0(1,2,.1)RAiVimx 对于等温等容过程，各级反应器体积为 反应器总体积 为以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。001()AAiAiRiAiV CxxVr11210001020012

13、10.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVxVimxkxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx111111AiAiAiAixxxx111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim 以一级不可逆反应为例反应器总体积 即化简后即由上式上式表示：对于一级不可逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。单釜优于串联釜，积。串联总体积等于单釜体，各釜体积依次减小。，各釜体积相等。，釜在前，大釜

14、在后。各釜体积依次增大，小， 0 0 10 1 1理想流动反应器的组合与反应器体积比较理想流动反应器的组合与反应器体积比较一、理想流动反应器的组合一、理想流动反应器的组合工业生产中为了满足工艺要求，常常将理想反应器组合起来，构成组合理想流动反应器。 各种组合方式如图所示。 当反应温度、流量Vo、初始浓度CAo及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。afedcbg当反应温度、流量Vo、初始浓度CAo及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。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、理想流动反应器的体积比较二、理想流动反应器的体积比较1. 基本条件 等温、等容过程，且 相同。间歇反应器体积

16、；平推流反应器体积；全混流反应器体积；多级全混流反应器体积。分别表示： 000(34)AfxARAAdxVtCtrVAfA0A00AxRdxVV Cr间歇反应器 A fA0 A 00A(3 13)xR pdxVVCr00( )A A fR MA fVC xVr（ 3-25）RpRVVRpRVV=RpRMVV1AAxr000000000()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVV CV COABDrxVV CV COCBDrRMRpVV1）2）作曲线AB 转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。xAxAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrOABD2.反应器的体积比较反应器

17、的体积比较CRpRmVV01/11(3 34)1RmmAmmVVkx011RpAfVVlnkx1/11111RmmAfRpAmVmlnxVx3） 当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有 RmRpVV1AfxAfxRmRpVVAfxRmRpVV(1)A fx越 小 。以为纵坐标，m为参变数作图。越大，（2）当一定时:越小，接近于平推流。为横坐标，越大,远离平推流。m越大，（3）当k一定时:m越大，则如图319所示，结论如下：（1）当 m 一定时:间歇反应器与平推流反应器n平推流反应器在结构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但

18、有一点是共同的，就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。间歇反应器与全混流反应器n间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样。平行反应特性与反应器选型n反应物能同时进行两个或两个以上的反应，称为平行反应。n一般情况下，在平行反应生成的多个产物中，只有一个是需要的

19、目的产物，而其余为不希望产生的副产物。在工业生产上，总是希望在一定反应器和工艺条件下，能够获得所期望的最大目的产物量，副产物量尽可能小。n考虑下列等温、恒容基元反应：nAP(目的产物)nAS(副产物)n反应物A的消耗速率为：2A21A1AAddnnckcktnrn产物P、S的生成速率为：n当两个反应都是一级时，可以积分求得：1A1PPddncktcr2A2SSddncktcrtkkecc210AAtkkeckkkc2110A211Ptkkeckkkc2110A212S平行反应的选择性n平行反应是一种典型的复合反应，流动状况不但影响其所需反应器大小，而且还影响反应产物的分布。优化的主要技术指标是

20、目的产物的选择性。选择性、收率定义n （目的产物） n （副产物）n生成目的产物的反应速率：n生成付产物的反应速率：PBA111pbakSBA222sbak11BA11Abacckr22BA22Abacckrn转化率n式中 nA0、nA为进入系统和离开系统A物质的摩尔数。n平均选择性n式中 (nA)P、(nP)为生成目的产物P消耗的A量和生成目的产物P的量。0AA0AAAAnnnx物质的量加入系统中物质反应掉的量在系统中PSA0AP1AA0PAPAAnnnpannnS的量在系统中反应掉的的量消耗的在系统中生成目的产物n收率yn三者关系：0AP10APAAAnnpanny物质的量加入系统中的量消

21、耗的在系统中生成目的产物PASxy n瞬时选择性SPn对于上述平行反应的消耗速率在反应过程中同一瞬时速率生成目的产物消耗的在反应过程中某一瞬时AAPS 2A1A1APrrrS瞬时选择性与平均选择性的关系n对平推流或间歇反应器n对全混流反应器n对N个串联的全混流反应器0AAAPA0APd1nnnSnnSPPSS AN0AAN1ANPN2A1AP21A0A1PPccccSccSccSSn当a1=p=1时的恒容过程，对任一型式反应器，P的出口浓度为：A0APPccSc影响瞬时选择性的因素n为了增加目的产物的收率，必须从反应器选型及工艺条件优化来提高瞬时选择性。 122121BA10202A1A1AP

22、11bbaaRTEEccekkrrrSna温度对选择性的影响(浓度不变时) 当ElE2时，E1-E20，随着温度的上升， 选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬时选择性；当E1E2时，E1-E2a2，blb2时，升高浓度，使选择性增加，若要维持较高的cA、cB，则应选择平推流反应器、间歇反应器或多釜串联反应器连串反应特性与反应器选型n连串反应是指反应产物能进一步反应成其它副产物的过程。n作为讨论的例子，考虑下面最简单型式的连串反应(在等温、恒容下的基元反应)：n在该反应过程中，目的产物为P，若目的产物为S则该反应过程可视为非基元的简单反应。SPA21kkn三个组分的生成速率为：n设开始时各组分的

23、浓度为cA0，cP0=cS0=0，则由第一式积分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AAn将此结果代入第二式得：n为一阶线性常微分方程，其解为：n由于总摩尔数没有变化，所以 cA0=cA+cP+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc2112210AS11n若k2k1时，n若k1k2时，n组分A、P、S随时间的变化关系以浓度-时间标绘得图tkecc110AStkecc210ASn中间产物P浓度的最大值及其位置n由前面式子可以求出：n为了提高目的产物的收率，应尽可能使k1/k2

24、比值增加，使cA浓度增加，cP浓度降低。n反应速率常数k与浓度无关，只有改变温度能够影响k1/k2。1212optlnkkkkt21221A0maxPkkkkkccn对连串反应n瞬时选择性定义为：n如果是一级反应且a=p=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccekkckckckrrSRTEE n当生成中间产物的活化能E1大于进一步生成副产物活化能E2(即E1E2)时，升高温度对生成中间目的产物是有利。当生成中间产物的活化能E1小于生成副产物活化能E2(即E1E2)时，降低温度对生成中间目的产物是有利。与平行反应一致。n提高cA浓度，降低cP浓度，有利于提高瞬间选择性，显然平推流反应器(或间歇反应器)比全混流反应器易满足这一条件，应选用平推流反应器。n全混流反应器的计算(计算最佳空间时间op和相应的cPmax值)。n以最简单一级反应为例：n在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0n在恒容过程中，在CSTR中对A作物料衡算：RAA00A0VrcVcV1A0RAAA01kcVVrcc0RA1AVVckr10AA1kccn对P作物料衡算：n当时 cP值最大，为最佳值op。P0RP0P0cVVrcVP2A1PPckckrc210A12A1P111kkckkc