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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；返混,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） 稳定状态： A流入量A流出量 A反应量0,式中,指按出口浓度计算的反应速率。,全混流反应
2、器在出口条件下操作，当出口浓度较低时，整个反应器处于低反应速率状态。,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。,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,2.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。,平推流反应器与全混流反应器的比较,补充知识点：空时与空速的概念：, 空时：,（因次：时间）,空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。, 空速：,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
3、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，
4、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,CA0,CA*,CA4,CA3,CA2,CA1,CA0,CA4,CA3,CA2,CA1,解释说明,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
5、程都维持在最终浓度CAf下进行，反应速度最慢；,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；,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。将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反应器。,VR1,CA1,CAi,CAi-1,CA2,VRm,VR2,VRi,VRi-1,CA0,CAm,V0,V0,V0,V0,V0,V0,xAm,xAi,xAi-1,xA2,xA1,二、多级全混流反应器的计算 解析
6、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,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，级数或者最终转化率。,2. 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,第i级,式中,将上述诸式相乘,由等容过程 得,故,当每级体积相等时,则可进一步简化,或,总体积,3.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,得到,将上述两个方程
7、同时绘于,两线交点的横坐标即为CAi.。,动力学方程为,图上,由,等温、等容、各级体积相等情况的图解计算,-1/,CA1,CA0,CA,rA,CA2,CA3,rA=kf(CA),A1,A2,A3,CAm,O,M,的直线与OM线交于A1点，其横坐标即为CA1；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,图上标出动力学曲线OM,d. 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
8、,等温、等容、各级体积相等情况的图解计算,-1/,CA1,CA0,CA,rA,CA2,CA3,rA=kf(CA),A1,A2,A3,CAm,O,M,2) 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 、CA2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。,3)等容、等温但各级体积不同,的各直线斜率 不相同，,如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1 、CA2 、 CA3。,如果各级体积不相同，则,M,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
9、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,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)。,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
10、逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。,小结：串联釜式反应器进行 级反应：,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,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。,a,f,e,d,c,b,g,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。,a,b.,d.,e.,c.,f.,g.,二、理想流动反应器的体积比较 基本条件
11、,等温、等容过程，且 相同。,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：,间歇反应器,1）,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。,xA,xAf,O,A,B,D,2.反应器的体积比较,C,3）,当为一级不可逆反应，各级体积相同时，有,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,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
12、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,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,反应物能同时进行两个或两个以上的反应
13、，称为平行反应。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。,考虑下列等温、恒容基元反应：AP(目的产物)AS(副产物)反应物A的消耗速率为：,产物P、S的生成速率为：当两个反应都是一级时，可以积分求得：,平行反应的选择性,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目的产物的选择性。,选择性、收率定义,（目的产物） （副产物）生成目的产物的反应速率：生成付产物的反应速率：,转化率式
14、中 nA0、nA为进入系统和离开系统A物质的摩尔数。平均选择性式中 (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。,收率y三者关系：,瞬时选择性SP对于上述平行反应,瞬时选择性与平均选择性的关系,对平推流或间歇反应器对全混流反应器对N个串联的全混流反应器,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：,影响瞬时选择性的因素,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。,a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-E20，随着温
15、度的上升，选择性SP下降，可见降低温度有利于提高瞬时选择性。总之，升高温度对活化能大的反应有利，若主反应活化能大，则应升高温度，若主反应活化能低，则应降低温度。,b浓度对选择性的影响(温度不变时) 当主反应级数大于副反应级数，即a1a2，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,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。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)：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。,三个组分的生成速
16、率为：设开始时各组分的浓度为cA0，cP0=cS0=0，则由第一式积分得：,将此结果代入第二式得：为一阶线性常微分方程，其解为：由于总摩尔数没有变化，所以 cA0=cA+cP+cS,若k2k1时，若k1k2时，组分A、P、S随时间的变化关系以浓度-时间标绘得图,中间产物P浓度的最大值及其位置由前面式子可以求出：为了提高目的产物的收率，应尽可能使k1/k2比值增加，使cA浓度增加，cP浓度降低。反应速率常数k与浓度无关，只有改变温度能够影响k1/k2。,对连串反应瞬时选择性定义为：如果是一级反应且a=p=1,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
17、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。,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。,全混流反应器的计算(计算最佳空间时间op和相应的cPmax值)。以最简单一级反应为例：在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0在恒容过程中，在CSTR中对A作物料衡算：,对P作物料衡算：当时 cP值最大，为最佳值op。,op为反应速率常数的几何平均值的倒数。,平推流反应器的计算。仍讨论这一典型的一级恒容反应过程。在平推流反
18、应器中，任取一微元体，对A组分进行物料衡算：,同样对组分P进行物料衡算：,下面针对不同情况确定积分常数。情况1：当kl=k2=k，而且cP0=0；当 时，相应为最佳值。得到：,情况2：当cP0=0，但k1k2时，同样可解得：,在(k2/k1)相同时，即平推流的平均选择性永远大于全混流。当反应的平均停留时间小于最优反应时间时副反应生成的S量小；反之，副反应生成的S量增加，所以平均停留时间宁可取小于op的值。随着转化率增加，平均选择性是下降的，当k2/k11时，转化率增加，平均选择性明显下降。为了避免副产物S取代产物P，应在低转化率下操作。,例：在一个体积为300L的反应器中，86等温下将浓度为3
19、.2的过氧化氢异丙苯溶液分解：生产苯酚和丙酮。该反应为1级反应，反应温度下反应速率常数等于0.08s-1，最终转化率达98.9，试计算苯酚的产量。（1）如果这个反应器是间歇操作反应器， 并设辅助操作时间为15min；（2）如果是全混反应器；（3）试比较上述两问的计算结果；（4）若过氧化氢异丙苯浓度增加一倍， 其他条件不变，结果怎样？,解：(1) Ln 1/（1XA）/k=56.37s=0.94min Vr=V0(t+t0)=300 L V0=300/15.94=18.82 l/min苯酚浓度C苯酚=CA0XA=3.20.989=3.165 mol/l苯酚产量V0C苯酚=18.823.165=5
20、9.56mol/min=335.9kg/h（2）全混流反应器 Vr= V0 CA0XAj/k CA0（1XAj）= V0 XAj/k（1XAj） V0= Vrk（1XAj）/ XAj=0.2669 l/s=16.02 l/min 苯酚产量V0C苯酚=16.023.165=50.69mol/min=285.9kg/h（3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中 反应物浓度低，反应速率慢的原因。（4）由于该反应为一级反应，由上计算可知，无论是间歇釜或全混流反应器，其原料处理量不变，但由于CA0浓度增加一倍，故C苯酚也增加一倍，故上述两个反应器中苯酚的产量均增加一倍。,第三章小结一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；反应器设计基本方程；间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器和多级全混流反应器的特点。二、核心内容1间歇反应器计算；2平推流反应器计算；3全混流反应器计算；4多级串联全混流反应器计算及其优化。5反应器型式选择；,
