全混流反应器的特性课件

第三章均相反应器3均相理想反应器反应器开发的任务选择合适的反应器型式根据动力学特性确定操作方式和优化操作条件结合动力学和反应器特性设计计算、确定反应器尺寸、评价。根据产量理想反应器的型式间歇操作充分搅拌釜式反应器连续操作充分搅拌釜式反应器活塞流反应器反应器组合3.1反应器设计基础3.2等温条件下理想反应器的设计分析3.3非等温条件下理想反应器的设计3.4理想流动反应器的组合3.5循环反应器3.6反应器型式和操作方式评选3.1反应器设计基础3.1.1反应器的分类反应器分类依据反应器型式相态结构型式操作方式换热方式均相、非均相管式、釜式、塔式等连续式、间歇式绝热式、换热式等3.1.2反应器设计的基础方程反应器设计计算设计计算反应器的工艺尺寸校核计算反应器的压力降、传热面积、产品质量等是否合格反应器设计的基础方程式物料衡算式热量衡算式动量衡算式动力学方程式（1）物料衡算式反应器设计计算时，必须建立物料浓度、温度均匀的单元体积△V和单元时间△τ。Δτ进入Δv物料A的量Finmol/s+Δτ排出Δv物料A的量Foutmol/sΔτ内Δv中物料A的消耗量Frmol/s=+Δτ内Δv中物料A的累积量Fbmol/s（3.1-1）（2）热量衡算式Δτ内随物流流入Δv的热量QinkJ/s+Δτ内随物流流出Δv的热量QoutkJ/sΔτ内Δv与环境交换的热量QuKJ/s=+Δτ内Δv中累积的热量QbKJ/sΔτ内Δv中化学反应放出的热量QrkJ/s+（3.1-2）3.1.3几个时间概念（1）反应持续时间tr

简称为反应时间，是反应物料反应达到要求的转化率所需的时间。（2）停留时间t又称接触时间，是指流体微元从反应器入口到反应器出口所经历的时间。（3）平均停留时间是指各流体微元从反应器入口到反应器出口所经历的平均时间。（4）空间时间τ是指反应器有效容积VR与流体体积流率V0之比。（5）空间速度SV

是指单位时间内投入单位有效反应器容积VR内的物料标准体积。（3.1-3）3.2等温条件下理想反应器的设计分析3.2.1间歇操作的充分搅拌釜式反应器BatchReactor等温条件下反应器的设计计算就是动力学方程式、物料衡算式的结合搅拌器进料口出料口夹套图3-1间歇反应器示意图1、间歇反应器特点（1）由于良好的搅拌、混合，反应器各位置物料温度、浓度处处均一。（2）由于一次性加料，一次性出料，反应过程中无进料、出料；反应器内物料停留时间相等，无返混现象。（3）间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期包括：反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。2、间歇反应器设计方程由式（3.1-1）可知：（3.2-1）对于间歇反应过程，（3.2-2）由于，（3.2-3）所以，（3.2-4）故：（3.2-5）分离变量积分得：（3.2-6）根据间歇反应器的特点，选择反应器的有效体积VR为单元体积，单元时间为dt。式（3.2-6）的几何意义如下图：图3-3恒容情况BR的图解计算图3-2BR的图解计算3.2.2理想置换反应器（平推流反应器）thePlugFlowReactor理想置换反应器是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，犹如活塞一样在反应其中向前平推，故又称为活塞流或平推流反应器。1、理想置换反应器的特性（1）由于流体沿同一方向，以相同速度向前推进，在反应器内没有物料的返混，所有物料在反应器中的停留时间相同。（2）在同一截面上，不同径向位置的流体特性（组成、浓度等）是一致的。（3）在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间改变。2、等温理想置换反应器的设计方程图3-5平推流反应器物料衡算示意图根据平推流反应器的特点，选择单元时间dτ及单元体积dV（下图所示）。物料衡算：（3.2-7）定常态下：（3.2-8）由于，（3.2-10）所以，（3.2-11）所以：（3.2-9）故：（3.2-12）分离变量积分得：（3.2-13）对于恒容过程：（3.2-14）式（3.2-14）的几何意义如图3-6：图3-6PFR的图解计算常用的数值积分法对（3.2-14）进行积分运算，如辛普森法：（3.2-15）3.2.3全混流反应器theContinuousStirredTankReactor全混流反应器是指流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。1、全混流反应器的特性（1）物料在反应器内充分返混。（2）反应器内各处物料参数均一。（4）连续、稳定流动，是一个定常态过程。（3）反应器的出口组成与器内物料组成相同。搅拌器进料口出料口图3-7全混流反应器示意图2023/7/6化学反应工程—均相理想反应器2、全混流反应器的设计方程物料衡算：（3.2-16）定常态下：（3.2-17）所以：（3.2-18）根据全混流反应器的特点，选择单元时间为平均停留时间单元体积为整个反应器体积VR。即，（3.2-19）或，（3.2-20）（3.2-21）对于恒容过程：或，（3.2-22）式（3.2-22）的几何意义如图3-8：图3-8CSTR的图解计算3.3非等温条件下理想反应器的设计非等温条件下反应器的设计计算就是动力学方程式、物料衡算式、热量恒算式的结合3.3.1间歇反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（3.3-1）已知：所以，热量衡算式为：（3.3-2）结合动力学方程式：（3.3-3）物料衡算是为：（3.3-4）2、绝热条件时Qu=0：（3.3-7）积分得绝热操作线方程：（3.3-8）（3.3-9）（3.3-5）1、等温条件时：（3.3-6）所以式（3.3-6）用差分法联立动力学方程式解。3.3.2平推流反应器的热量衡算建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（3.3-10）已知：所以，热量衡算式为：（3.3-11）整理得：（3.3-12）物料衡算式为：（3.3-13）动力学方程式：（3.3-14）1、等温条件时：2、绝热条件时Qu=0：式（3.3-16）用差分法联立动力学方程式解。（3.3-15）（3.3-16）所以（3.3-17）积分得绝热操作线方程：（3.3-19）（3.3-18）建立单元体积和单元时间（如前），根据式（3.1-2)得：（3.3-20）已知：3.3.3全混流反应器的热量衡算所以，热量衡算式为：（3.3-21）物料衡算式为：（3.3-22）动力学方程式：（3.3-23）1、等温条件时：2、绝热条件时Qu=0：（3.3-24）（3.3-25）即（3.3-28）积分得绝热操作线方程：（3.3-27）（3.3-26）3.4理想流动反应器组合3.4.1理想流动反应器的并联组合在工业生产中，为了满足不同的要求，有时将相同或不同型式的反应器组合在一起。1、平推流反应器的并联操作若干个体积相同或不同的平推流反应器并联在一起，如何使最终转化率达到最高或使反应器体积最小？如有两个并联PFR，VR=VR1+VR2（3.4-1）（3.4-2）因为是并联操作，故V0=V01+V02（3.4-3）（3.4-4）当反应温度相同，反应器体积最小时：（3.4-5）（3.4-6）（3.4-7）结论：要使反应器体积最小，并联操作的多个平推流反应器，其体积流量应按反应器体积大小分派。（3.4-8）2、全混流反应器的并联操作结论：多个全混流反应器并联操作，达到相同的转化率要使反应器体积最小，与平推流反应器一样，必须使：τ1=τ2=…=τN（3.4-9）（3.4-10）1、平推流反应器的串联操作3.4.2理想流动反应器串联操作考虑N个平推流反应器串联操作，如图3-9所示：就反应组分A对任意反应器i作物料衡算，并积分得：……图3-9平推流反应器串联操作（3.4-11）对串联N个反应器而言：（3.4-12）即：（3.4-13）2023/7/626结论：N个平推流反应器串联操作，其总体积VR与一个体积为VR的单个平推流反应器所能获得的转化率相同。2、全混流反应器的串联操作考虑N个全混流反应器串联操作，如图3-10所示：……图3-10全混流反应器串联操作示意图对恒容、定常态系统，就任意釜i对关键组分A作物料衡算得：（3.4-14）对于N釜串联系统，总空间时间：

τ=τ1+τ2+…+τN（3.4-15）式（3.4-15）的几何意义如图3-11所示：图3-11多釜串联反应器的空间时间（3.4-16）这是因为釜与釜之间不存在返混，故总的返混小于单个全混釜的返混。2023/7/628A解析法确定出口浓度或转化率（1）0级反应，恒温恒容过程，根据设计方程，得：（3.4-17）（3.4-18）（2）1级反应，恒温恒容过程，根据设计方程得：（3.4-19）（3.4-20）（3）2级反应，恒温恒容过程，根据设计方程得：（3.4-21）（3.4-22）B图解法确定出口浓度或转化率（3.4-24）重排得：根据多釜串联反应器的设计方程：（3.4-23）式（3.4-24）的几何意义是：图3-12多釜串图解示意图3.5循环反应器3.5.1循环反应器的基本假设1、为了控制反应物的合适浓度，以便于控制温度、转化率和收率。2、为了提高原料的利用率。常采用部分物料循环的方法。1、反应器内为理想活塞流流动。2、循环管线内不发生化学反应。3、整个体系处于定常态操作。3.5.2循环反应器设计方程式循环反应器如图3-13所示：1、定义循环比β：β为循环物料量与反应器出料量之比3.5-1新鲜进料总进料出料循环料V3图3-13循环反应器示意图M2、物料衡算：对于整个反应器而言，3.5-23.5-33.5-4对图3-14中点M作物料衡算可知：3.5-53.5-63.5-7对比式（3.5-5）和式（3.5-7）得：3.5-8所以：3.5-10根据PFR的设计方程式可知：3.5-9循环反应器设计方程式循环反应器设计方程式讨论3.5-11（1）当β=0时，式（3.5-10）为：变为普通活塞流反应器的计算公式。（2）当β→∞时，3.5-12反应器处于恒下操作，3.5-13变为全混流反应器的计算公式。（3）当0<β<∞时，反应器属于非理想流动反应器。3.5.3循环反应器的最优循环比最优循环比指使得反应器体积最小的循环比前面我们已推导出循环反应器的基础设计方程式：求最优循环比的条件是：得到：3.5-143.5-15式（3.5-15）的几何意义是：AB面积A=B图3-14最优循环比下操作的几何意义3.5-163.6反应器型式和操作方式的评选影响反应体系化学反应过程（动力学特性）物理过程（流体流动、传质、传热）影响空间和时间上的浓度和温度分布影响对于某个具体反应，选择反应器型式、操作条件、操作方式主要考虑化学反应本身的特征和反应器特征，最终选择的依据将取决于所有过程的经济性。影响影响过程的经济性反应器的大小产物分布（选择性、收率等）单一反应复合反应复合反应3.6-1单一不可逆反应评比1、单一不可逆反应过程PFR与CSTR的比较如图3-15所示，对于一切n>0的不可逆等温反应均有图示特征。可见采用PFR所用反应器容积最小，多个CSTR串联次之。PFR多个CSTR串联图3-15n>0时、单一反应、所需不同反应器容积的比较CSTR如图3-16所示，对于一切n<0的不可逆等温反应均有图示特征。可见采用CSTR所用反应器容积最小，多个CSTR串联次之。PFR多个CSTR串联图3-16n<0时、单一反应、所需不同反应器容积的比较CSTR☆

反应器大小对经济性的影响也可用容积效率来确定。容积效率是指在相同的生产条件下达到的转化率时，PFR与CSTR有效体积的比值。定义3.6-13.6-23.6-33.6-4作图参见p86图3-163.6-53.6-6结论：（1）n>0时，选用PFR，BR，CSTR串比选用CSTR更经济，反应级数增加，这种趋势增加。（2）n<0时，选用CSTR更经济，反应级数减小，这种趋势增加。（3）n=0时，选择反应器型式对经济性没有影响。（4）同时兼顾PFR、CSTR的返混、传质、传热性能。3.6-2自催化反应如图3-17所示，自催化反应和绝热操作的放热反应具有这种特征。CSTR或PFRCSTR+PFRAB面积A=B最优循环比下操作的PFR图3-17存在极小值时、单一反应、不同反应器或组合型式的容积的比较CSTRR-PFRPFR（1）低转化率时，采用CSTR优于PFR。结论：（2）高转化率时，采用CSTR+PFR反应器组合，容积最小，最优循环比下操作的PFR次之。3.6-3可逆反应1、可逆吸热反应图3-18可逆吸热反应采用PFR时的情况结论：使用PFR，反应器体积最小。3.6-8对于可逆反应AB，动力学方程式为：3.6-7（1）反应器选型（2）温度对反应速率的影响由于是吸热反应，E1>E2。3.6-10对于可逆反应AB，动力学方程式为：3.6-9可逆吸热反应图3-19反应温度对可逆吸热反应速度的影响结论：升高温度对可逆吸热反应有利，但要考虑催化剂或设备材质的耐热情况。2、可逆放热反应3.6-11（1）反应器选型结论：使用PFR或CSTR串联，反应器体积最小。（2）温度对反应速率的影响由于是吸热反应，E1<E2。3.6-133.6-12图3-19反应温度对可逆吸热反应速度的影响最佳温度曲线结论：反应需在最佳温度线上操作，故选用CSTR串联组，以便将每釜的温度控制在最佳温度曲线上。3.6-4平行反应平行反应典型复合反应流动状况影响反应器体积大小反应产物分布优化指标目的产物选择率3.6-13.6-3首先来讨论转化率、选择率、收率的定义及相互关系1、转化率、选择率、收率的定义（1）转化率（2）平均选择率（性）定义3.6-2对于平推流和间歇反应器，平均选择率SP和瞬时选择率SP的关系为：（3）收率y显然三者的关系为：2、瞬时选择率SP及与平均选择率的关系定义定义3.6-43.6-53.6-63.6-73.6-8式（3.6-8）的几何意义如下图：图3-20反应级数>0时，PFR、BR平均选择率与瞬时选择率的关系（1）对于平推流和间歇反应器，平均选择率和瞬时选择率SP的关系为：（2）对于全混流反应器，釜内浓度均一，且等于出口浓度，所以：（3）对N个串联的全混流反应器，进口和各釜中A的浓度分别为则有：3.6-93.6-103、影响瞬时选择率的关系为了增加目的产物的收率，必须从反应器型式及工艺条件的优化来提高瞬时收率。将动力学方程代入得：3.6-113.6-12（1）温度对选择性的影响减小增大增大减小T升高E1<E2E1>E2结论：升高温度，总是对活化能大的反应有利。若主反应活化能大，则应升高温度。反之，则应降低温度。（2）浓度对选择性的影响动力学特点对浓度的要求操作示意图加料方法瞬间加入所有的A和B缓慢加入A和B先把A全部加入，然后缓慢加入BI间歇操作时，为提高SP,各种动力学条件下操作方式的变化。ABABBAII连续操作时，为提高SP,各种动力学条件下操作方式的变化及浓度分布。动力学特点浓度的要求操作示意图浓度分布图ABABABABABBBAB分离器A3.6-5连串反应为了提高中间产物P的收率，应尽可能使k1>k2，使反应物A的浓度尽可能高，中间产物P的浓度合理的低。3.6-133.6-143.6-15定义对于一级反应：（1）温度对选择性的影响减小增大增大减小T