第三章理想流动1.ppt

1、1,第 三 章,理想流动反应器,（均相反应过程）,2,教学要点（32/30学时）,1. 间歇反应器、平推流反应器、单级全混流反应器计算及设计（18/16学时） 2. 多级全混流反应器串联的计算（6学时） 3. 非等温过程（全混流反应器的热稳定性）（4学时） 4. 复合反应选择率的计算（4学时）,3,内容介绍,第一部分： 反应器设计的任务 反应器计算的基本方程，各项的意义 反应器中流体流动模型的基本特征 平推流反应器（PFR）、全混流反应器（CSTR）的主要特点,4,零级、一级、二级不可逆反应等温下反应，采用间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器体积的计算 平推流与全混流反应器的体积比较 多级全

2、混流反应器串联时，各级浓度或转化率的计算（解析计算与图解计算）,5,第二部分： 非等温条件下反应器体积的计算 操作温度的选择 全混流反应器热平衡条件 什么是CSTR的热稳定性，热稳定性的判据，热稳定条件的意义 全混流反应器反应放热速率与移热速率表达式， CSTR放热速率与移热速率与T 的关系图，热稳定点与不稳定点，说明理由。 影响CSTR热稳定性的因素，定性说明。,6,第三部分 ： 单一反应、平行反应、串联反应的特点 平行反应、串联反应的选择率、收率、瞬时选择率、平均选择率 反应选择性的浓度效应与温度效应 一级平行、串联反应在PFR和CSTR的选择率和收率计算 反应器类型与操作方式的选择对平行

3、反应选择性的影响,7,化学反应器的类型很多，由于反应物料的性质、反应条件及生产规模不同，反应器的型式、形状、大小也各异。 为了逐步掌握典型反应器的设计方法，我们从简单、理想状况入手，然后推广到比较复杂的情况。,8,首先讨论等温、均相、理想流动情况下间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器三种理想反应器（典型均相反应装置）的性能特征及计算方法。 涉及内容不仅是均相反应过程开发及均相反应器设计计算的理论基础，也是处理更为复杂的多相化学反应工程问题的基本方法和理论基础。,9,3.1 概述,3.1.1 反应器设计的任务,反应器设计,反应器的选型,反应器结构 设计及结构 参数确定,工艺参数确定,本章以反应

4、器体积计算为重点对反应器设计的方法和步骤进行详细讨论,10,反应器的选型,工业反应器类型多，不同类型反应器中，能量与物质的传递特性有很大差异。 反应器选型的任务? 根据给定反应体系的动力学特性，选择具有适宜传递特性的反应设备。,11,反应器结构设计及结构参数的确定,任务? 按照规定生产任务（给定产量）及选定反应器型式进行设计计算，确定反应设备的总体布置及单个反应器的内容结构。 如确定反应器的个数、组合方式、体积、高径比、搅拌方式及强度、换热方式及传热面积、进出口物料分布及集流构件等。,12,工艺参数的确定,结合动力学和反应器两方面特性确定操作方式和优化的操作设计。 反应器特性 ？ 反应器内流体

5、的流动状态、混合状态、传热性能等，随反应器几何结构（包括内部构件）和几何尺寸而异。,13,在给定反应器中进行化学反应时，工艺操作条件的变化直接影响反应的结果。 当原料构成、设备结构以及对产品的要求等项因素确定后，就要求正确地选择操作条件，使反应系统处于最佳操作状态并获得最大经济效益。,14,3.1.2 反应器设计的模型化方法 （ 反应器计算的基本方程式）,模型化方法进行反应器设计的步骤？ 对反应器中进行的实际过程进行恰当简化，建立反映该过程特性的物理模型； 对物理模型进行数学描述建立数学模型； 对数学模型求解，并通过对数学解的分析讨论选择最佳设计方案。,15,反应器设计中，需建立的具体模型？

6、化学反应的进行，不可避免地伴随着质量传递、热量传递和动量传递过程，对化学反应速度有着直接的影响，设计化学反应器时，必须综合考虑。 物料衡算方程 能量（热量）衡算方程 反应动力学方程。,16,有较大压力降时，还需动量衡算式。 反应器的计算是上述方程组的联合求解。 化学反应器物料和热量衡算的特点？ 必须考虑物质所发生的化学变化，以及发生化学变化时能量转换过程的速率。 累积量 = 输入量 - 输出量,17,各个方程的作用？ 物料衡算方程组分浓度变化； 热量衡算方程物料温度变化； 动量衡算方程压力变化； 通过反应器设计的基本方程可计算反应器所需的反应体积； 对不同类型的反应器，优化反应器的结构与尺寸。

7、,18, 物料衡算方程,反应器计算的基本方程式。 建立依据？ 质量守恒定律。 衡算系统？ 反应器中T、CA等参数随空间或 t 而变，-rA也随之改变，选取V 和t 衡算，这些微元加和起来，成为整个反应器。,19,(-rA) V t 间歇反应器： 和为0； 连续流动反应器：稳态操作 为0； 不稳态操作 包括四项； 半间歇式反应器：包括四项,适用于任何型式和操作方式的反应器的物料衡算方程：,20,这是一通用的物料衡算方程，对连续流动系统、间歇系统均适用。 物料衡算方程意义？ 给出了CA(xA)随反应器位置或 t 变化的定量关系。,21, 热量衡算方程,不少反应均有显著热效应，随反应进行，T 有所变

8、化，而 T 变化会影响 -rA，必须进行热量衡算，求出反应器内各点(t)的T ，从而确定该点(t)的-rA。 建立依据？ 能量守恒定律。 热量衡算通式?,22,(-rA)Vt (-Hr) 间歇反应器： 和为0； 连续流动反应器： 稳态操作 为0； 不稳态操作 包括五项； 等温定态操作： 带入热焓=流出热焓 绝热反应器： 为0, ,23,注意：同一热量衡算式各项热量计算应取同一基准温度； 热量衡算方程意义？ 给出了体系T 随反应器位置或 t 变化的定量关系，及体系与外界热交换的速率。 动力学方程 动力学方程给出了-rA与体系 T 及各组分浓度间的定量关系。,24,小结： 物料衡算式、热量衡算式、

9、动力学方程式相互依存，紧密联系。 V 的 -rA取决于CA和 T ； CA由物料衡算式确定，T 由热量衡算式确定，T、CA对-rA的影响则由动力学方程式确定。 等温过程：只需联立解动力学方程式和物料衡算方程； 非等温过程：上述三个方程式联解。,25,3.2 理想流动模型,流体在反应器中的流动情况影响-rA、选择率，直接影响反应结果，研究反应器流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。 物料在反应器中的流动与混合较复杂的，有很多因素影响流体流动状况及混合程度。,26,影响流体 流动及混 合的因素,搅拌使物料高速 运动，良好混合,摩擦引起管路 横截面流速分 布不均匀,物料聚集状态 溶解性等 物理特性

10、,设备结构型式 内部构件,27,层流时的速度分布？,流速不同 物料粒子停留时间不一 反应程度差异 横截面浓度分布 增加建立数学模型的难度 反应器设计计算困难。,圆形导管横截面上呈抛物线型速率分布，截面上流体平均速度为中心线上最大速度uc的一半。,28,返混？ 停留时间不同的流体颗粒之间的混合。 返混作用？ 导致反应器效率降低，影响产品产量、质量。 区别几个时间概念： 反应时间、停留时间、 停留时间分布、平均停留时间、空时,29,反应时间？ 反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度（如某个转化率）时所需的时间。 停留时间？ 反应物从进入反应器的时刻算起至离开反应器的时刻为止在反

11、应器内共停留的时间。,30,间歇反应器和平推流反应器：二者一致。 Why 其它连续操作反应器（具有“返混”的反应器）： 同时进入反应器的物料粒子在反应器中的停留时间有长有短，出口物料是不同停留时间的混合物，形成停留时间分布，常用平均停留时间表述。,31,平均停留时间 ？ 反应工程中常用到的表示时间概念的术语还有空时。 空时 ？,（3-1）,（3-2）,32,关于空时、停留时间分布和平均停留时间等概念在以后章节中再详细论述。 因此，物料在反应器中的流动状况是比较复杂的因素，特别在反应器的工程放大过程中，其影响将表现得更加突出。 在着手反应器设计计算前，必须先对物料在反应器中的流动状况进行分析。,

12、33,为了简化问题，根据对工业中最常用的釜式与管式两种反应器中流体流动状况的分析、研究，就流体的返混情况而言，提出了两种极端化的理想流动模型： 全混流模型 平推流模型 在这两种理想流动模型的基础上，经适当修正，可得到多种非理想流动模型。,理想流动模型,34,3.2.1 平推流模型（活塞流、理想排挤流或理想置换流模型）,平推流是反应器中流体流动状况的一种极端化模型。 平推流？ 假定？ 通过反应器的物料均沿同一方向以相同速度平行向前流动，好像用一个活塞在汽缸中推动气体向一个方向移动一样。,35,平推流的特点？ 流动方向上，物料T、C不断变化； 沿半径方向（垂直于流体流动方向）的任何截面上，物料的所

13、有参数，如T、C、P、流速都相同； 所有物料质点在反应器中的停留时间完全相同； 反应器中没有返混，即返混为零。,36,平推流属于理想流动模型的一种，符合平推流特点的反应器称为平推流反应器。 实际生产中，长度与直径之比较大，管内流体处于湍流流动，即管径较小，流速较高的管式反应器，可近似视为平推流反应器。,37,3.2.2 全混流模型（理想混合流、完全混合流、连续搅拌槽式反应器模型）,全混流？ 全混流的特点？ 物料在反应器达到完全混合，刚进入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料瞬间均匀混合； 反应器中各处物料参数，如T、C等完全相同，且等于出口物料性质； 物料质点停留时间差别很大，出口物料中有停留时

14、间很长的质点，也有停留时间很短的质点； 返混达到最大限度，即返混程度为无穷大。,38,全混流是流体在反应器中流动的另一种极端情况。 全混流也是一种理想流动模型，符合全混流特点的反应器称为全混流反应器（或全混釜、理想混合反应器）。 如具有良好搅拌的连续操作釜式反应器接近于全混流反应器。,39,小 结： 平推流与全混流是两种理想流型 平推流：理想置换，没有返混； 全混流：理想混合，返混最大。 理想流动是对流体实际流动状况的理想化，是一种简化问题的方法。 实际反应器中的流动状况是介于平推流和全混流之间的非理想流动，存在不同程度的返混。 工程计算上，常把接近两种基本理想流动状况的过程当作理想流动状况来

15、处理。,简单反应器,41,3.3 间歇反应器(BSTR/BR)(The batch stirred tank reactor) 分批式操作的完全混合反应器,间歇反应器？ 一般是带有良好搅拌装置的釜式反应器，物料在均匀混合状态下以间歇操作的方式进行化学反应。,42,间歇（分批式）操作 ？ 反应物料按一定比例一次投入反应器，反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，经过一定反应时间，达到要求的转化率后，将物料全部排出反应器，完成一个生产周期。,常见间歇反应器：图3-1,主要结构由筒体、搅拌装置、夹套组成。器内还可根据需要设置盘管。,釜式反应器,47,3.3.1 间歇反应器的特点 3.3.2

16、间歇反应器的基础设计式（性能方程） 3.3.3 恒容下几种简单反应在间歇反应器中进行时性能方程的积分式 3.3.4 间歇反应器体积的计算 3.3.5 实例,48,3.3.1 间歇反应器的特点,反应进行过程中反应器无进、出物料； 物料在反应器中达到充分混合，即在反应进行的任一 t，反应器中各处T、组成等参数相同； 非定常态操作，反应过程中T、C 等随 t 而改变； 操作时间包括反应时间和辅助时间（非生产性操作时间：加料、升温或冷却、卸料、清洗时间）。,49,间歇反应器的适用范围？ 广泛用于液相反应、l-s反应和半连续操作的l-g反应。 间歇反应器的缺点？ 具有间歇操作共有的缺点： 耗费劳动量大，

17、控制性较差，影响产品质量的稳定均一； 非生产性操作时间长，有效生产时间缩短，生产能力降低； 产物损失较大，控制费用较高。,50,在大规模生产中的应用受到限制。 间歇反应器的优点： 操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种； 适用于经济价值高、批量小、多品种、反应时间较长产品的生产，如精细化工产品、药物和生物化工产品。,返回,51,3.3.2 间歇反应器的基础设计式（性能方程）,某厂用间歇搅拌釜反应器生产醇酸树脂，反应物己二酸与己二醇按等摩尔投料，H2SO4作催化剂，70进行缩聚反应。实验测得动力学方程式为-rA= kCA2，k =3.28310-5m3/kmols，己二酸初始浓度CA0=

18、4kmol/ m3。 求己二酸的转化率分别为0.5、0.6、0.8、0.9时所需的反应时间。 若每天处理2400kg己二酸，转化率为0.8，每批操作的辅助时间为1h，计算所需反应器的大小。,52,衡算系统？ 选整个反应器为衡算系统，在单位时间内对组分A作物料衡算：,0 0 (-rA) V,（3-4）,53,积分得,V ：反应器容积(反应流体体积，反应物占有的容积)； 该式为间歇反应器的计算通式，或称为基础设计式。,（3-5）,间歇反应器设计方程,54,该式可计算：一定操作条件下A 达到一定 xA所需反应时间 t，但不是每批操作所需时间(应包括辅助生产时间)； 该式对等温操作和非等温操作，恒容过

19、程和变容过程均适用。 等温操作： (-rA)项中的 k为速率常数； 非等温操作：k 随T 而变。 可直接积分求解，也可用图解法求解。,55,间歇反应器的图解：,恒容时间歇反应器的图解,56,液相反应：体积变化不大； 气相反应：物料充满整个反应空间，因此间歇反应过程大多为恒容过程。,恒容过程：,（3-6）,57,从该式可知： 间歇反应器达到一定xA所需 t 的计算，实际上只是动力学方程式的直接积分，也可用图解积分求解； 达到一定xA所需 t 只取决于过程的-rA，与反应器大小无关。反应器大小取决于物料的处理量； 该式既适用于小型设备，也适用于大型设备。,返回,58,3.3.3 恒容下几种简单反应

20、在间歇反应器中进行时性能方程的积分式, 零级反应 A产物 -rA= k 当xA= 1时，CA= 0，这时,59,一级反应 A产物 -rA= kCA,60,二级反应 A产物 -rA= kCA2,返回,61,3.3.4 间歇反应器体积的计算,间歇反应器的工艺计算？ 根据给定生产任务计算反应器体积，或：给定反应器计算满足一定要求情况下的生产能力。 现讨论前一种情况。 生产任务给定后，单位时间需要处理的物料量v0(体积流率)即可确定。,62,根据每批操作时间（反应时间 t +辅助时间 t0 ，？）计算反应器有效体积： VR = v0( t + t0) t0 ：一般根据生产经验确定。 反应器有效体积 V

21、R ？ 每批加入物料的体积。 反应器实际体积V ？ 应大于有效体积。 VB = VR / ，装料系数？ 加入物料的体积占设备总体积的分数。,63,值根据经验选定，一般取值在0.40.85之间。 不易起泡、不沸腾液体：0.70.85； 沸腾或易起泡液体： 0.40.6 。 实际体积还应考虑搅拌器和换热装置所占的体积。,64,注意以下参数的换算： v0：体积流率(m3/h) G0：质量流率(kg/h) FA0：摩尔流率(kmol/h) v0 = FA0 / CA0 G0 =(密度) v0 FA0 = G0 / M (分子量),BR的体积计算步骤： （1）由BR设计式求得每批操作的反应时间 t ；

22、（2）选取两批操作之间必须有的辅助时间 t0 ； （3）根据处理量，求每批操作总时间内物料的平均体积处理量 v0 ； （4）求反应器的有效体积VR = v0( t + t0)； （5）由物料的起泡特性，在0.40.85 选取装料系数 ，求得反应器总体积VB = VR / ； （6）若VB 太大，则几个小BR并列操作，效果相同，但设备造价提高。,返回,66,3.3.5 实 例,例 例3-1,67,解： 1. 计算达到要求xA所需反应时间 t 该反应为等温恒容二级反应，由公式得：,代入数据并计算得：,68,xA= 0.5 t = 7.61103(s) = 2.11(h) xA= 0.6 t = 1

23、.14104(s) = 3.17(h) xA= 0.8 t = 3.04104(s) = 8.46(h) xA= 0.9 t = 6.85104(s) = 19.02(h) 由以上计算可知：随着xA的增加，所需反应时间急剧增大。 因此，确定最终转化率时要全面考虑，不要单纯追求高转化率。,69,2. 计算反应器体积 每天处理2400kg己二酸，平均每小时为100kg。 己二酸分子量M=146，每小时己二酸摩尔处理量为: FA0= G0/M = 100/146 = 0.685kmol/h v0= FA0 / CA0 = 0.685/4 = 0.171m3/h,70,每批物料操作时间 t + t0=

24、 8.46 +1= 9.46h 反应器有效体积 VR=v0( t + t0) =0.1719.46=1.62m3 反应器实际体积 V = VR /= 1.62/0.75 = 2.16m3 圆整至2.5m3，有2.5m3标准反应釜可供选用。,71,从计算可知：等温、间歇操作反应器，达到一定 xA 所需的反应时间 t ，只取决于-rA，与反应器的大小V 无关。 V 由处理物料量的多少决定。 间歇操作，每进行一批生产，都要进行清洗、装卸料、升降温等操作，这些辅助工序所需的时间有时也很可观，甚至大于反应所需的时间。 因此，间歇反应器一般适于反应时间较长的慢反应。,72,练习： 在等温间歇反应器中进行皂

25、化反应： CH3COOC2H5 + NaOHCH3COONa + C2H5OH该反应对乙酸乙酯和氢氧化钠均为一级，反应开始时乙酸乙酯和氢氧化钠的浓度均为0.02mol/L，反应速率常数为5.6L/(minmol)，要求最终转化率为0.95，试求当反应器体积分别为1m3、2m3时，所需的反应时间各为多少？,返回,73,3.4 平推流反应器(PFR)（理想管式反应器）（The plug flow reactor）,3.4.1 平推流反应器的特点 3.4.2 平推流反应器的基础设计式（性能方程） 3.4.3 空时和停留时间，空时和空速 3.4.4 平推流反应器性能方程的应用,平推流反应器,76,3.

26、4.1 平推流反应器的特点,平推流反应器? 流动状况满足平推流假定的反应器。 物料在反应器中像活塞一样向前流动，无轴向扩散。 化工生产中常用反应器，长径比30 的管式反应器可视为平推流反应器。,77,平推流反应器的特点？ 定常态操作，物料物性参数不随 t 而变，但随管长l 改变。 物料保持连续稳定流动。 物料在反应器中沿运动方向平行地向前移动，沿半径方向流速处处相等。 所有物料在反应器中停留时间相同。,78,作为一个整体，平推流反应器的性能，就象一个间歇反应器 ？ 实际生产中，管径较小、长度较长(长径比30 )，流速较大，流体黏度较小的管式反应器、列管式固定床反应器常可按平推流反应器处理。,7

27、9,3.4.2 平推流反应器的性能方程,衡算系统？ 根据PFR的特点，物性参数沿管长改变，沿反应器轴向取长度为dl，体积为dV 的微元管段作为衡算系统，对反应物A在单位时间作物料衡算。,80,进入量=排出量+反应量+累积量 反应器处于稳定流动状态，累积量= 0 FA=FA+dFA+(-rA)dV+0 FA：组分A进入微元dV 的摩尔流率 FA=FA0(1-xA) dFA= dFA0(1-xA) = -FA0dxA,81,代入上式，得平推流反应器基础设计微分式： FA0dxA = (-rA)dV 当V = 0时，xA0= 0，积分上式：,（3-8）,（3-7）,82,：在规定条件下，进入反应器的

28、物料通过反应器所需要的时间；或反应器的有效体积和进料体积流率的比值。 平推流反应器的设计方程又可表示为：,（3-2）,平推流反应器设计方程,83,恒容系统：,用浓度表示的设计方程：,通用的平推流反应器性能方程：,（3-10）,（3-9）,84,小结： 平推流反应器的性能方程关联了-rA、xA、V 和进料量v0四个参数，已知其中三个量可求得另一个未知量。 如V、v0给定，动力学方程式亦已知，则可求得所能达到的 xA 。 不管反应是等温还是变温均适用，等温反应 k为常数，变温反应结合热量衡算式建立 k 与xA的关系。,85, 恒容过程，A= 0，平推流反应器性能方程与间歇反应器完全一致(代替t)，

29、只要反应在等温下进行，前面导得的各种反应速率式的积分式均适用于PFR。 表2-4、2-5 变容过程，A 0，两类反应器的性能方程没有直接联系。反应速率方程中的浓度项需同时考虑因化学反应和容积改变所造成的浓度变化，建立反应物体积流率与xA的关系。,86,等温、变容反应的平推流反应器设计方程见表3-1、3-2。 平推流反应器的性能方程既可用数值积分，也可用图解积分法求解(图3-5)。,87,3.4.3 空时和停留时间，空时和空速, 空时和停留时间 平推流反应器的性能方程中，没有停留时间这个参数，但应用了空时 。 恒容过程： = =反应时间 t。,式中：u 流体在反应器内的流速； l 管内离入口处的

30、轴向距离；L 管长,88,非恒容过程： = V/ v0 反应器体积与进料条件下物料体积流量之比，没有反映反应过程中容积的变化 ,89, 空时和空速(Space-Time and Space-Velocity) 空时的倒数称为空速SV (空间速度)。,规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积； 单位时间内通过单位反应器容积的物料体积；单位反应体积所能处理的反应混合物的体积流率。,（3-3）,90,空速表明反应器的生产能力，空速越大，反应器的处理能力越大。 空速为4h-1 ? 每小时进入反应器的物料是反应器有效容积的4倍 空时为4h ? 每4h就有相当于一个反应器体积的物料

31、通过反应器,91,不同性质反应混合物，体积流率的表示方式不同，空速的表示也不同。 液空速：反应混合物为液体，以25下液体的体积流率表示的空速； 湿空速：反应混合物为气体，且有水蒸汽； 干空速：反应混合物为气体，不计水蒸汽； 空时和空速并不是十分严格的指标，但作为描述反应器生产能力的参数，在反应器的设计与放大中，有其实用意义。,92,3.4.4 平推流反应器性能方程的应用,以一级不可逆等温反应为例，就：恒容过程，非恒容过程，求相应平推流反应器和间歇反应器体积的计算公式。 解： 平推流反应器,93,PFR 恒容过程 A= 0 ：,94,非恒容过程： 恒温恒压，T = T0，P = P0,95,从而

32、可算出V。当A= 0时，,96, 间歇反应器,恒容过程： A= 0,一级反应：,97,结论：恒容时，平推流反应器的性能与间歇反应器一样，代替了t，当A 0时，两者的性能方程之间没有直接的联系。,非恒容过程：,98,例1 例3-1：在平推流反应器中，用己二酸与己二醇生产醇酸树脂，操作条件与产量和间歇反应器例相同，计算转化率为0.8及0.9时平推流反应器的体积。,当xA= 0.8时 = 3.04104(s) = 8.46(h) V= v0=1.45m3（间歇反应器为1.62m3）,解：,99,xA= 0.9时 = 6.85104(s) = 19.02(h) V=v0=3.25m3 结论： 平推流反

33、应器与间歇反应器有某些相似之处。与间歇釜反应时间 t 在反应条件相同时的数值相同 ？ 两种反应器内物料浓度的变化具有相似规律。 平推流反应器无辅助时间，处理量增大，更适于大规模生产。,100,例2 例3-2例3 例3-3练习： 纯组分A在活塞流反应器中进行气相反应 ，反应速率可用-rA=kCA表示，为使转化率由1/3提高到2/3，问反应器体积要增大几倍？,101,3.5 全混流反应器(CSTR)(The complete stirred tank reactor),另一类工业生产中广泛使用的反应器连续流动搅拌釜式反应器可视为全混流反应器。 3.5.1 全混流反应器的特点 3.5.2 全混流反应

34、器的性能方程 3.5.3 全混流反应器性能方程的应用,102,3.5.1 全混流反应器的特点,全混流反应器？ 反应器中的流动状况满足全混流假定，反应物料连续不断地以恒定流速流入完全混合反应器中，而产物也以恒定速率不断从反应器中排出。 一般是釜式连续流动反应器图3-6。,104,实际生产中的搅拌釜式反应器：特别是一些慢速反应，当搅拌混合得很好，且进料量与反应器中的存积量相比很小，可视为全混流反应器。 习惯上称之为理想釜式反应器 理想混合反应器 完全混合反应器,105,全混流反应器的特点：, 物料保持连续稳定流动； 定常态操作，即任何位置上物料的物性参数均不随 t 改变； 物料达到充分混合，反应器

35、中各空间位置上温度、组成等参数都相同，且和出口处相同； 物料在反应器中停留时间差别很大。,106,全混流反应器的优点：, 反应物料连续加入反应器，釜内物料连续排出反应器，连续操作，不存在辅助时间，可用于产量大的产品； 定态操作过程，易实现自动控制，操作简单，节省人力； 原料加入后立即与釜内物料均匀混合，不存在热量累积引起的局部过热，适用于温度敏感的反应，不会引起副反应；,107,总之，全混流反应器是一种设备简单，投资少，便于改变反应条件和反应体系的一种设备。, 釜内物料容量大，进料条件发生一定程度波动时，釜内反应条件不会有明显变化，稳定性好，操作安全。,108,3.5.2 全混流反应器的性能方

36、程,衡算系统？ 选整个反应器为基准，在单位时间对A进行物料衡算。,FA0= FA +(-rA)V + 0 FA0= FA0 (1-xA)+(-rA)V FA0 xA=(-rA)V,（3-11）,109,若xA00，得到通用全混流反应器性能方程：,全混流反应器设计方程,110,恒容反应：,注意： 全混釜中，反应速度是一个常数，基础设计式是代数方程，不必积分求解，比平推流反应器更简单关联了xA、-rA、V、FA0四个参数。,（3-12）,111,只要知道其中三个参数，不必经过积分，就可求出第四个参数，计算容易。 由于全混釜的这种性能，使它在动力学研究中得到了广泛的应用。 全混流反应器的图解计算？

37、全混流反应器与平推流反应器中空时与平均停留时间的差别。,112,一般情况,恒容,113,气相反应A3R，v0为10-3m3/s，xA=0.5，分别计算在全混流及平推流反应器中的空时及平均停留时间，反应器有效容积均为V=110-3m3。 解：CSTR：,114,PFR：,115,v 随xA增加逐步增大 ，而xA随 l 或V 变化； 当xAf = 0.5时，vf 增加到210-3m3/s ； 流率不是立刻从 v0增加到 vf ，所以,精确值？ 由动力学方程确定。 xA与V 的关系？ 由物料衡算方程确定 ： FA0dxA=(-rA)dV,116,结论：,两种情况下，只要V 相同，v0 相等，则 空时

38、是以进料状态为基准计算而得。 但 ？ CSTR：釜内物料浓度=出口浓度； PFR：物料浓度和 v 逐步变化，两种反应器V 虽相等，但平均停留时间不同。,117,若 ，反应中物料体积无变化，则 全混流反应器在不同反应级数时的设计方程见表3-3。,118,3.5.3 全混流反应器性能方程应用,普遍适用式，不管反应过程中体积有无变化，加料温度与反应温度是否相同，只要物料流动满足全混流条件即可。 计算有效反应体积。,或,119,解： 代入数据： 当xA= 0.8时，= 42.3h V = v0= 0.17142.3 = 7.23m3,例1 在全混釜中进行例3-1的反应，计算转化率为0.8和0.9时所需

39、全混釜的有效体积。,120,当xA= 0.9时，= 190h V = v0= 0.171190 = 32.5m3 从结果看出： xA从0.80.9，仅提高10%，V 是原来的4.5倍。 与PFR比较： xA=0.8，p= 8.46h，Vp= 1.45m3； xA=0.9，p= 19.02h，Vp= 3.25m3。 进行同样反应过程，全混釜所需反应体积要大得多，且xA越高，二者差距越大。 Why?,121,PFR：CA逐步降低，-rA较大； CSTR：CA与出口相同的低浓度，-rA小。,PFR：V/FA0值图中曲线下方阴影部分面积； CSTR：V/FA0值图中矩形部分面积。,122,所以，对于-

40、rA随 CA下降而下降的反应（n 0），在 CSTR 中进行时，反应速度较低，因而完成一定生产任务所需体积： VCSTR VPFR,123,例2 某一级反应的速率常数为1.0min-1，若要求转化率为0.9，反应时容积变化忽略不计，试对比全混流反应釜连续操作与间歇操作时的生产能力： (a) 间歇操作每批辅助生产时间t0=0； (b) t0=5min； (c) t0=10min；,124,解： 间歇操作： 每批总操作时间 = t + t0 = ln10+ t0 生产能力,125, 连续操作的全混釜： 生产能力 将不同 t0值代入该式计算如下：,126,由表可见：t06.7min，连续操作全混釜生

41、产能力较大；t06.7min，间歇釜生产能力较大；t0= 6.7min，两种情况下生产能力相等。 随着辅助时间的增加，间歇操作生产能力下降，考虑不同操作方法的生产能力时要注意辅助时间的影响。,例3 例3-4 在CSTR中进行液相反应 ，在120时，反应速率为-rA8CACB1.7CPCR mol/(minL)，反应器体积为100L，两股进料流同时等流量进入反应器，一股含A 3.0mol/L，另一股含B 2.0mol/L，当B的转化率为80时，每股料液流量为多少？,128,-rB=kCBCC，k=1.1510-6m3/mols，进料：B96.5mol/m3，M184mol/m3，C6.63mol

42、/m3，采用1m3的全混流反应器，当xB为0.4时，试计算物料处理量。 如果处理量增大到原来的40倍， xB不变，计算所需CSTR和PFR的有效体积。,练习：丁二烯与丙烯酸甲酯在苯溶液中20进行缩合反应，无水AlCl3作催化剂：,129,3.6 反应器型式与操作方法的评选(单一反应),一个特定的化学反应，可以在间歇等温釜式反应器里进行，也可在变温管式流动反应器里进行；可采用分段加热或冷却的方法，也可使产物经分离装置，将部分原料返回反应器循环操作等。 如何选择这些方案？采用什么型式的反应器和操作方法比较适宜？,130,例 例3-1 间歇反应器：,当xA= 0.8时 t = 3.04104(s)

43、= 8.46(h) V =0.171(8.46 +1)=1.62m3 当xA= 0.9时 t = 6.85104(s) = 19.02(h) V =0.171(19.02 +1)=3.42m3,平推流反应器:,当xA= 0.8时 = 3.04104(s) = 8.46(h) V= v0=1.45m3,xA= 0.9时 = 6.85104(s) = 19.02(h) V=v0=3.25m3,全混釜:,当xA= 0.8时，= 42.3h V = v0= 0.17142.3 = 7.23m3 当xA= 0.9时，= 190h V = v0= 0.171190 = 32.5m3,132,要回答这个问题

44、，应考虑哪些因素？ 反应本身的动力学特征 单一反应？复合反应？ 反应时间的长短 主副反应的竞争性 反应器的特性 生产规模的大小 设备和操作费用、三废处理 操作时的安全性、稳定性、灵活性 ,133,最后选择依据? 所有过程的经济性和安全性。整个过程的经济效益是我们考虑的最根本问题。 依据过程经济性原则选择反应器型式及操作方法，主要考虑： 设备生产能力大小（反应器的大小） 单位反应时间单位体积所能得到的产量； 或相同时间得到相同产量的反应器体积的大小，对于给定生产任务，体积要小。 产物分布：目的产物的收率和选择性,134,单一反应 ？ 产物确定，无产物分布，选择反应器时主要考虑反应器的生产能力，即

45、反应器的大小。 复合反应 ？ xA相同时，产物分布（反应的选择率）是反应器选型时考虑的中心问题！ Why？,135,复合反应中，副产物的生成影响 ？ 原料消耗 能量利用 分离流程的选择 分离设备的尺寸等,下面只讨论第一方面的问题：对简单反应器的生产能力进行比较，得出单一反应选择反应器型式和操作方法的一般原则,136,3.6.1 间歇反应器与平推流反应器的比较 3.6.2 间歇反应器与全混流反应器的比较 3.6.3 平推流反应器与全混流反应器的比较 3.6.4 单一反应选择反应器型式和操作方法的一般原则,137,3.6.1 间歇反应器与平推流反应器的比较,1. 共同点：没有返混 基础设计式,两种

46、反应器的基础设计式的一般式不同，但恒容时二者形式一样。 Why？,138,反应AP在两种反应器中CA、xA、-rA随 t 或 l 变化曲线：,当横坐标分别采用对比时间和对比长度，两种反应器的三个图形完全重叠！ Why？,间歇反应器,平推流反应器,139,2. 区别,140,3.6.2 间歇反应器与全混流反应器的比较,1. 共同点 流动混合状况：理想混合(BR没有返混，简单混合，CSTR返混达到极大程度) 2. 区别 操作方式、浓度变化、反应速率？ BR：间歇式，物料一次投入，经历相同反应时间，浓度随 t 增长从CA0 CAf(逐渐下降)， -rA相应变化。 n0 反应：-rA随 t 减小，图3

47、-21。,141,CSTR：连续式，“返混”导致物料进入反应器瞬间浓度就从CA0下降CAf(出口浓度)。 反应器一直在相应于出口浓度的低反应速率-rAf下反应。,-rAf,xAf,142,间歇反应器所需反应时间 t？全混流反应器所需空时？（图3-23 ） 曲线EC下面阴影面积； 方形ABCD所围面积。 故n0反应，t ， VB/Vc1.0。,143,结论： n0， CA 对反应影响为正效应，即-rA随CA增大而增大，全混流反应器的返混导致VB/Vc1.0，且随xA增大而减小； n=0， CA 不影响 -rA（即浓度效应为0的零级反应），返混不影响-rA ，VB/Vc =1.0，且不随 xA而变

48、； n0，反应对于浓度效应为负的反应，返混导致-rA增大，VB/Vc1.0，且随 xA增大而增大。,144,3.6.3 平推流反应器与全混流反应器的比较,不同型式反应器的生产能力主要取决于反应器内反应速率的大小，相同生产任务，-rA大者，需要的反应器体积小。 -rA是 T 和CA的函数。操作T 相同时，只考虑CA的影响。 定性分析 定量计算,145,定性分析： 作图比较两种反应器中进行相同反应所需体积(v0 、CA0、T、xAf 均相同) ？,146,BR、PFR：两者体积相同（不考虑辅助时间），相应于图中曲线下方阴影部分面积，这是因为它们均不存在返混。 CSTR：体积对应于图中矩形部分面积。

49、 显而易见，当v0、CA0、xAf 相同时： VCSTR VPFR Why 前者存在返混。,147,定量计算 对n级反应，动力学方程式为：,（3-72）,（3-73）,148,二式相除：,（3-74）,全混流与平推流反应器性能比较,149,恒容系统，A= 0，简化为：,n1,n =1,（3-75）,恒容时全混流与平推流反应器性能比较,150,若初始进料与初始浓度相同，还可简化为：,n1,n =1,（3-76）,151,以p/c对 xA作图，可知达到一定xA时两种反应器平均停留时间之比（体积之比）,若xA相同，可求出不同反应级数下两种反应器之比：,n =0,n =1,n =2,153,从图中可看

50、出（n0）： 恒容时，当工艺条件及转化率相同时，PFR体积恒小于CSTR体积。 若反应过程物料体积有变化，A 0 ，则计算式，将不同 n、A的计算结果进行标绘，见图3-22：,154,回2,回3,回4,回1,n 级反应在简单反应器性能比较,155,讨论： 工艺条件及转化率相同时的Vp/Vc 反应级数n对生产能力，即Vp/Vc的影响 转化率xA对生产能力，即Vp/Vc的影响 体积变化A对生产能力Vp/Vc的影响,156, 工艺条件及转化率相同时的Vp/Vc 当FA0、CA0相同时，纵坐标表示达到对应 xA时所用全混流与平推流反应器的体积之比Vp/Vc 。 n0的不可逆等温反应，1/(-rA)和x

51、A呈单调上升，采用PFR所需反应体积小，即Vc/Vp1。 Why ？,157,小结： 对任何n0反应，在工艺条件及转化率相同时， PFR所需体积恒CSTR体积。 换句话说，若反应器体积相同，则PFR可得到的转化率CSTR的转化率。,158, 反应级数对生产能力，即Vp/Vc的影响 （当xA相同、 n 不同时的体积比） 反应级数大于零的反应（n0） n 较大时，CA 对-rA影响变大，返混对反应影响越严重，两种反应器体积比变大。 即达到相同 xA ，随 n 增加，与PFR相比，CSTR所需反应体积增加。 高反应级数的反应宜采用PFR。,图,159,零级反应（n =0） CA对-rA没有影响，对两

52、种反应器的体积也没有影响。 反应级数小于零的反应（n0） 1/(-rA)随xA增大单调下降， CA下降反而增大-rA，返混作用导致反应器容积减少，完成相同生产任务所需反应器体积 VpVc，即采用具有返混的CSTR最佳。,160,n0,n0,CSTR,PFR,161, xA对生产能力，即Vp/Vc的影响（不同xA时，两种反应器的体积比） xA较低时，反应器性能受物料流动状态的影响较小，两类反应器所需的体积差别不大。 xA0时，体积比 1。 随xA增加，流动状态对反应器生产能力影响显著增加，返混影响越严重，两类反应器所需体积差别愈来愈显著。 高转化率的反应宜采用PFR。,图,162, 物料体积变化

53、A对生产能力Vp/Vc的影响 反应过程中系统体积变大，密度降低的反应(A0)，Vc/Vp与恒容相比变大。 A0，即密度增大的反应，Vc/Vp与恒容相比变小。 体积变化A对反应器生产能力的影响与 n 和 xA的影响相比，其影响程度要小得多，居第二位。,图,163,3.6.4 单一反应选择反应器型式和操作方法的一般原则,结论： 选择反应器型式时，要考虑反应的级数和要求达到的转化率程度。 从生产能力的角度出发考虑一个单一反应，如果反应级数高，要求的转化率也高，应优先选择PFR；如果一个反应允许的操作温度范围较窄，而反应的热效应比较大，只能使用全混釜时，可采用多串联操作，使反应器性能尽可能接近PFR。

54、,164,注意： 当操作条件相同时，VcVp 这一论断仅适用于n0的n级反应； 若n=0 ， Vp/Vc =1； 若n0 ，VpVc 。 恒容一级反应和二级反应的反应器性能比较：图3-24、3-25 例3-10 利用图3-25求解 计算法,例3-10：反应A+BR+S，v00.5L/min，CA0CB00.05mol/L，动力学方程式-rAkCACB，已知k100L/molmin，求： 反应在有效容积1L的平推流反应器中进行，出口转化率为多少？ 欲用全混流反应器达到相同的转化率，反应器有效容积多大？ 用1L的全混流反应器，转化率为多少？,解： 该反应为等温恒容二级反应 反应在1L的PFR中进行，故,代入数据：, 反应在CSTR中进行，达到与PFR相同的转化率：, 反应在1L的CSTR中进行：,代入数据：,练习： 过氧化氢异丙苯分解生产苯酚、丙酮，以0.03mol/L的H2SO4为催化剂在80下操作。处理量为3m3/h，CA03.2kmol/m3，要求达到的转化率为xAf0.998，已知上述条件下