理想流动反应器组合比较专题培训课件

理想流动反应器04组合比较理想流动反应器04组合比较1/4/20232ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/20222ChemicalReactionE2.5理想流动反应器的组合与反应器体积比较2.5.1理想流动反应器的组合

工业生产过程中为了满足一定的需要经常将平推流反应器和全混流反应器按一定方式进行组合。下面讨论等温、恒容过程两个体积相同的理想反应器并联或串联组合进行一级不可逆反应的几种情况。

各种组合方式如图所示。1/4/20233ChemicalReactionEngineeringofHao2.5理想流动反应器的组合与反应器体积比较2.5.1理afedcbg1/4/20234ChemicalReactionEngineeringofHaoafedcbg12/29/20224ChemicalRea设进料流量为V0，反应物初始浓度为cA0，各反应器体积均为VR。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。反应速率：rA=kcA(一级不可逆单反应）停留时间：τ=VR/V0MFR：PFR：1/4/20235ChemicalReactionEngineeringofHao设进料流量为V0，反应物初始浓度为cA0，各反应器体积均为V（a）两全混流反应器并联流入每个反应器的流量为V0/2，每个反应器的出口浓度相等且等于混合出口浓度。（b）两全混流反应器串联τ(1+kτ)2=1+2kτ+(kτ)2>1+2kτcAf,a>cAf,b1/4/20236ChemicalReactionEngineeringofHao（a）两全混流反应器并联（b）两全混流反应器串联τ(1+k（c）平推流反应器与全混流反应器串联（d）全混流反应器与平推流反应器串联ekτ>1+kτcAf,c<cAf,bcAf,d=cAf,c1/4/20237ChemicalReactionEngineeringofHao（c）平推流反应器与全混流反应器串联（d）全混流反应器与平（e）两平推流反应器并联（f）两平推流反应器串联ekτ>1+kτe-kτ<1/(1+kτ)cAf,f=cAf,ecAf,e<cAf,d1/4/20238ChemicalReactionEngineeringofHao（e）两平推流反应器并联（f）两平推流反应器串联ekτ>（g）全混流反应器与平推流反应器并联由上可知，（c）、（d）等效，（e）、（f）等效。由于ekτ>(1+kτ)，xA=1-cAf/cA0，cAf,f=cAf,e<cAf,d=cAf,c<cAf,b<cAf,a，因此（a）的转化率最低，（b）的转化率次之，（c）、（d）相等高于（b），（e）、（f）转化率最高。1/4/20239ChemicalReactionEngineeringofHao（g）全混流反应器与平推流反应器并联由上可知，（c）、（dxA=1-cAf/cA01/4/202310ChemicalReactionEngineeringofHaoxA=1-cAf/cA012/29/202210Chemic1/4/202311ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202211ChemicalReaction2.5.2理想流动反应器体积比较间歇反应器体积；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：基本条件

等温、等容过程，且相同。1/4/202312ChemicalReactionEngineeringofHao2.5.2理想流动反应器体积比较间歇反应器体积；平推流反间歇反应器

平推流反应器全混流反应器1/4/202313ChemicalReactionEngineeringofHao间歇反应器平推流反应器全混流反应器12/29/202（1）对反应级数n>0的不可逆反应反应速率随反应物浓度增加而增大，1/rA随xA增加而单调上升。随着反应的不断进行，反应物浓度降低，转化率增大，反应速率下降。采用平推流、全混流或多釜串联全混流反应器时，反应器体积可分别由它们的体积设计方程计算求得。反应速率：rA=kcAncA↑，rA↑，（1/rA）↓；cA↓，xA↑，rA↓，（1/rA）↑1/4/202314ChemicalReactionEngineeringofHao（1）对反应级数n>0的不可逆反应反应速率随反应物浓度增加根据设计方程，如果以转化率xA为横坐标，反应速率的倒数1/rA为纵坐标作图，如图所示三种反应器的填充区域面积均乘以V0cA0便是这三种反应器的体积。PFRMMFRMFRxAxAfxAfxAfxAxA1/4/202315ChemicalReactionEngineeringofHao根据设计方程，如果以转化率xA为横坐标，反应速率的倒数1/r1）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。xAxAfOABDC1/4/202316ChemicalReactionEngineeringofHao1）2）作曲线AB转化率越大，两者的差距较大，可采用低转可以清楚看到，实现同一化学反应过程平推流反应器所需反应体积最小，全混流反应器所需反应体积最大，返混程度介于两者之间的多釜串联全混流反应器所需体积介于两者之间。因此对于反应级数大于0的不可逆化学反应，返混降低了反应器的浓度推动力，使反应体积增大。反应级数越高，反应对浓度推动力的依赖越强，返混对反应影响越严重，在反应器工程放大设计和形式选择时，必须引起高度重视。1/4/202317ChemicalReactionEngineeringofHao可以清楚看到，实现同一化学反应过程平推流反应器所需反应体积最3）

当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有等体积多级全混流反应器串联的总反应体积与单个平推流反应器体积之比为1/4/202318ChemicalReactionEngineeringofHao3）当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有等体积多级以为纵坐标，m为参变数作图。越大，（2）当一定时:越小，接近于平推流。对于二级不可逆反应的关系见图。为横坐标，越大,远离平推流。m越大，（3）当kτ一定时:m越大，则如图3－19所示，结论如下：（1）当m一定时:虚线表明kτ一定时，反应器级数不同，所得最终转化率也不同。1/4/202319ChemicalReactionEngineeringofHao以为纵坐标，m为参变数作图。越大，一定时:越小，接近于平推流1/4/202320ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202220ChemicalReaction1/4/202321ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202221ChemicalReaction1/4/202322ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202222ChemicalReaction1/4/202323ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202223ChemicalReaction1/4/202324ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202224ChemicalReaction（2）对于n<0的等温不可逆反应反应速率随反应物浓度下降反而增加，1/rA随xA增加而单调下降。此时降低反应器内的浓度推动力反而对反应有利，因此返混最大的全混流模型所需要的体积最小，而没有返混的平推流模型所需要的体积最大，多釜串联模型所需体积介于两者之间，且随釜数增多所需反应体积迅速增大。反应速率：rA=kcAncA↓，xA↑，rA↑

，（1/rA）↓1/4/202325ChemicalReactionEngineeringofHao（2）对于n<0的等温不可逆反应反应速率随反应物浓度下降如图所示填充区域面积可比较各种流型的反应器体积。MFRMMFRPFRxAxAfxAxAxAfxAf1/4/202326ChemicalReactionEngineeringofHao如图所示填充区域面积可比较各种流型的反应器体积。MFR（3）1/rA对xA的曲线上存在着极小值即有些反应的反应速率随反应进行存在极大值的现象。如自催化反应中，随产物量增多反应速率加快，当反应达到一定程度后，由于反应物浓度下降影响更显著，反应速率达到极大后又下降，反应动力学曲线存在极值，很多生化反应以及绝热操作的可逆放热反应具有这一特征。1/4/202327ChemicalReactionEngineeringofHao（3）1/rA对xA的曲线上存在着极小值即有些反应的反应速如图所示，这种情况下存在极小值，在反应初始阶段未达到极值点前，返混大的全混流反应器所需体积最小，而在反应后期，使用无返混的平推流反应器更为有利。因此应根据反应动力学特性，弄清楚返混的影响规律，合理设计、配置反应器。MFR+PFRPFRMFRxA0xAfxAfxAfxA0xA0xAm1/4/202328ChemicalReactionEngineeringofHao如图所示，这种情况下存在极小值，在反应初始阶段未达到极值点前如图所示，这种情况下存在极小值，在反应初始阶段未达到极值点前，返混大的全混流反应器所需体积最小，而在反应后期，使用无返混的平推流反应器更为有利。因此应根据反应动力学特性，弄清楚返混的影响规律，合理设计、配置反应器。1/4/202329ChemicalReactionEngineeringofHao如图所示，这种情况下存在极小值，在反应初始阶段未达到极值点前由于自催化反应在没有产物的情况下便不能进行，图中反应速率曲线没有与纵坐标相交。由图可知，在转化率xA<xAm阶段，全混流反应器或循环比很大的循环操作平推流反应器所需体积最小，而xA>xAm时平推流反应器所需体积最小，因此最好采用一个全混流反应器将反应进行到xAm，再接一个平推流反应器将反应进行到出口转化率可以使反应器总体积最小。1/4/202330ChemicalReactionEngineeringofHao由于自催化反应在没有产物的情况下便不能进行，图中反应速率曲线1/4/202331ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202231ChemicalReactionThanks!TaiyuanUniversityofTechnology2009-03-161/4/202332ChemicalReactionEngineeringofHaoThanks!TaiyuanUniversityofT理想流动反应器04组合比较理想流动反应器04组合比较1/4/202334ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/20222ChemicalReactionE2.5理想流动反应器的组合与反应器体积比较2.5.1理想流动反应器的组合

工业生产过程中为了满足一定的需要经常将平推流反应器和全混流反应器按一定方式进行组合。下面讨论等温、恒容过程两个体积相同的理想反应器并联或串联组合进行一级不可逆反应的几种情况。

各种组合方式如图所示。1/4/202335ChemicalReactionEngineeringofHao2.5理想流动反应器的组合与反应器体积比较2.5.1理afedcbg1/4/202336ChemicalReactionEngineeringofHaoafedcbg12/29/20224ChemicalRea设进料流量为V0，反应物初始浓度为cA0，各反应器体积均为VR。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。反应速率：rA=kcA(一级不可逆单反应）停留时间：τ=VR/V0MFR：PFR：1/4/202337ChemicalReactionEngineeringofHao设进料流量为V0，反应物初始浓度为cA0，各反应器体积均为V（a）两全混流反应器并联流入每个反应器的流量为V0/2，每个反应器的出口浓度相等且等于混合出口浓度。（b）两全混流反应器串联τ(1+kτ)2=1+2kτ+(kτ)2>1+2kτcAf,a>cAf,b1/4/202338ChemicalReactionEngineeringofHao（a）两全混流反应器并联（b）两全混流反应器串联τ(1+k（c）平推流反应器与全混流反应器串联（d）全混流反应器与平推流反应器串联ekτ>1+kτcAf,c<cAf,bcAf,d=cAf,c1/4/202339ChemicalReactionEngineeringofHao（c）平推流反应器与全混流反应器串联（d）全混流反应器与平（e）两平推流反应器并联（f）两平推流反应器串联ekτ>1+kτe-kτ<1/(1+kτ)cAf,f=cAf,ecAf,e<cAf,d1/4/202340ChemicalReactionEngineeringofHao（e）两平推流反应器并联（f）两平推流反应器串联ekτ>（g）全混流反应器与平推流反应器并联由上可知，（c）、（d）等效，（e）、（f）等效。由于ekτ>(1+kτ)，xA=1-cAf/cA0，cAf,f=cAf,e<cAf,d=cAf,c<cAf,b<cAf,a，因此（a）的转化率最低，（b）的转化率次之，（c）、（d）相等高于（b），（e）、（f）转化率最高。1/4/202341ChemicalReactionEngineeringofHao（g）全混流反应器与平推流反应器并联由上可知，（c）、（dxA=1-cAf/cA01/4/202342ChemicalReactionEngineeringofHaoxA=1-cAf/cA012/29/202210Chemic1/4/202343ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202211ChemicalReaction2.5.2理想流动反应器体积比较间歇反应器体积；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：基本条件

等温、等容过程，且相同。1/4/202344ChemicalReactionEngineeringofHao2.5.2理想流动反应器体积比较间歇反应器体积；平推流反间歇反应器

平推流反应器全混流反应器1/4/202345ChemicalReactionEngineeringofHao间歇反应器平推流反应器全混流反应器12/29/202（1）对反应级数n>0的不可逆反应反应速率随反应物浓度增加而增大，1/rA随xA增加而单调上升。随着反应的不断进行，反应物浓度降低，转化率增大，反应速率下降。采用平推流、全混流或多釜串联全混流反应器时，反应器体积可分别由它们的体积设计方程计算求得。反应速率：rA=kcAncA↑，rA↑，（1/rA）↓；cA↓，xA↑，rA↓，（1/rA）↑1/4/202346ChemicalReactionEngineeringofHao（1）对反应级数n>0的不可逆反应反应速率随反应物浓度增加根据设计方程，如果以转化率xA为横坐标，反应速率的倒数1/rA为纵坐标作图，如图所示三种反应器的填充区域面积均乘以V0cA0便是这三种反应器的体积。PFRMMFRMFRxAxAfxAfxAfxAxA1/4/202347ChemicalReactionEngineeringofHao根据设计方程，如果以转化率xA为横坐标，反应速率的倒数1/r1）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。xAxAfOABDC1/4/202348ChemicalReactionEngineeringofHao1）2）作曲线AB转化率越大，两者的差距较大，可采用低转可以清楚看到，实现同一化学反应过程平推流反应器所需反应体积最小，全混流反应器所需反应体积最大，返混程度介于两者之间的多釜串联全混流反应器所需体积介于两者之间。因此对于反应级数大于0的不可逆化学反应，返混降低了反应器的浓度推动力，使反应体积增大。反应级数越高，反应对浓度推动力的依赖越强，返混对反应影响越严重，在反应器工程放大设计和形式选择时，必须引起高度重视。1/4/202349ChemicalReactionEngineeringofHao可以清楚看到，实现同一化学反应过程平推流反应器所需反应体积最3）

当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有等体积多级全混流反应器串联的总反应体积与单个平推流反应器体积之比为1/4/202350ChemicalReactionEngineeringofHao3）当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有等体积多级以为纵坐标，m为参变数作图。越大，（2）当一定时:越小，接近于平推流。对于二级不可逆反应的关系见图。为横坐标，越大,远离平推流。m越大，（3）当kτ一定时:m越大，则如图3－19所示，结论如下：（1）当m一定时:虚线表明kτ一定时，反应器级数不同，所得最终转化率也不同。1/4/202351ChemicalReactionEngineeringofHao以为纵坐标，m为参变数作图。越大，一定时:越小，接近于平推流1/4/202352ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202220ChemicalReaction1/4/202353ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202221ChemicalReaction1/4/202354ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202222ChemicalReaction1/4/202355ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202223ChemicalReaction1/4/202356ChemicalReactionEngineeringofHao12/29/202224ChemicalReaction（2）对于n<0的等温不可逆反应反应速率随反应物浓度下降反而增加，1/rA随xA增加而单调下降。此时降低反应器内的浓度推动力反而对反应有利，因此返混最大的全混流模型所需要的体积最小，而没有返混的平推流模型所需要的体积最大，多釜串联模型所需体积介于两者之间，且随釜数增多所需反应体积迅速增大。反应速率：rA=kcAncA↓，xA↑，rA↑

，（1/rA）↓1/4/202357ChemicalReactionEngineeringofHao（2）对于n<0的等温不可逆反应反应速率随反应物浓度下降如图所示填充区域面积可比较各种流型的反应器体积。MFRMMFRPFRxAxAfxAxAxAfxAf1/4/202358ChemicalReactionEngineeringofHao如图所示填充区域面积可比较各种流型的反应器体积。MFR（3）1/rA对xA的曲线上存在着极小值即有些反应的反应速率随反应进行存在极大值的现象。如自催化反应中，随产物量增多反应速率加快，当反应达到一定程度后，由于反应物浓度下降影响更显著，反应速