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1、第四章 理想流动反应器,反应器选型、设计和优化,反应器中的流动状况影响反应结果,数学模型,流动模型,对实际过程的简化,理想模型,非理想模型,第一节 流动模型概述,建立模型的基本方法,理想气体状态方程,间歇反应器,平推流反应器,全混流反应器,连续流动反应器,完全没有返混,返混极大,(a),(b),(c),间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor(BSTR)特点:1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3 物料同时加入并同时停止反应
2、，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,平推流反应器 Piston Flow Reactor(PFR),连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；反应物料具有相同的停留时间。,全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor(CSTR),连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。特点：反应器中所有
3、空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。,年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。,返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合,BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命 寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极
4、大,反应器特性分析,浓度分布-推动力,反应器特性分析,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,偏离平推流的情况,非理想流动模型,漩涡运动：涡流、湍动、碰撞填料,截面上流速不均匀,沟流、短路：填料或催化剂装填不均匀,非理想流动模型,偏离全混流的情况,死角,短路,搅拌造成的再循环,流动状况对化学反应的影响-由物料停留时间不同所造成,非理想流动模型,短路、沟流,停留时间减少,转化率降低,死区、再循环,停留时间过长,A+BP：有效反应体积减少A+BPS 产物P减少,停留时间的不均,反应器设计的基本方程,反应器设计的基本内容选择合适的反应器
5、型式 反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性确定最佳的工艺条件 最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积 规定任务+反应器结构和尺寸的优化,反应器设计的基本方程,物料衡算方程,某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量,反应消耗累积,流入,流出,反应单元,反应器设计的基本方程,热量衡算方程,带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量,反应热累积,带入,带出,反应单元,传给环境,反应器设计的基本方程,动量衡算方程,气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，
6、常采用估算法。,第二节 理想流动反应器,间歇反应器特点:1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定,间歇反应器的数学描述,对整个反应器进行物料衡算：,流入量=流出量+反应量+累积量,0,0,单位时间内反应量=单位时间内消失量,等容过程，液相反应,间歇反应器的数学描述,实际操
7、作时间=反应时间(t)+辅助时间(t),反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t),1/rA xA,t/CA0,1/rA CA,t,间歇反应器中的单反应,间歇反应器中的单反应,k增大(温度升高）t减少反应体积减小,间歇反应器中的单反应,2.反应浓度的影响,1.k的影响,零级反应：t与初浓度CA0正比一级反应：t与初浓度CA0无关二级反应：t与初浓度CA0反比,3.残余浓度,零级反应：残余浓度随t直线下降一级反应：残余浓度随t逐渐下降二级反应：残余浓度随t慢慢下降,反应后期的速度很小；反应机理的变化,连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；径向速度均
8、匀，径向也不存在浓度分布；反应物料具有相同的停留时间。,平推流反应器,一.特点：,二.基本公式：,流入量=流出量+反应量+累积量,0,二.基本公式：,1.k与xA的关系,等温时k为常数,2.V0与xA的关系,等分子反应？变分子反应？,3.等容过程,与间歇反应器的公式相同,等温平推流反应器的计算,等温平推流反应器的计算,全混流反应器,反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。,流入量=流出量+反应量+累积量,0,进口中已有产物（或者进口转化率不为零）,全混流反应器,全混流反应器的图解积分,平推流反应器与全混流反应器的比较,多级平推流反应器的串联,1,2,i,n,与单一平
9、推流反应器相同,多级全混流反应器的串联,全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物浓度的低速率状态，采用多级全混流反应器串联后，可以降低返混影响的程度，提高反应速率或减少反应器体积。多级全混流反应器串联级数越多，过程就越接近平推流反应器，那么，是不是级数越多越好呢？,稳态，定容,多级全混流反应器串联的计算(解析法),一级反应，m级反应器串联,由于,故,多级全混流反应器串联的计算,各级反应器体积相同时：,或,反应总体积可见，已知 和最终转化率，可求出每级反应釜体积。,多级全混流反应器串联的计算（图解法）,对非一级反应，图解计算更方便以 为纵坐标，CA为横坐标作图，每一级 均为直线关系，直线斜率为，
10、并经过点。又该级的出口浓度 亦满足动力学方程式，若各级反应釜动力学方程相同，反映到 图上就是同一曲线，由此曲线和上述直线即可确定出口浓度。,各级反应体积相等时，即 相同，各级直线平行。若各级反应釜内温度不相同，则需作出不同温度下的动力学曲线。若各级体积不同，各条直线的斜率不同，但仍可求出各釜的出口浓度。,多级全混流反应器串联-图示,各级反应体积不同,多级全混流反应器串联的优化,反应器的设计中常碰到类似这样的问题，物料处理量V0，进料组成CA0及最终转化率 XAm 均提前确定。反应器级数因受生产条件限制亦确定。如何分配各级反应器的转化率才合理呢？通常以总体积为目标函数来求解此类问题即使反应总体积
11、为最小来确定各级反应釜的转化率。,多级全混流反应器串联的优化,优化,总反应体积最小,一级不可逆反应,i=1,2,m-1,多级全混流反应器串联的优化,可见，对一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联时，若各釜反应条件相同（等温、等容），则要使总的反应体积最小，必需的条件是各釜的反应体积相等。,理想流动反应器的组合与反应体积比较,为了说明反应器组合的情况，下面以一级不可逆反应为例，探讨平推流反应器与全混流反应器按不同方式进行组合的情形。两反应器温度相同，进料流量V0，反应物浓度CA0，且各反应器体积VR 均相同。,理想流动反应器的组合与反应体积比较,平推流,全混流,(a),(b),反应器体积相同，
12、一级不可逆反应,理想流动反应器的组合与反应体积比较,(c),(d),(e),(g),(f),可见（c）与（d）等效，（e）与（f）等效。反应物出口浓度，(f)=(e)(d)=(c)(b)(a)转化率大小顺序相反。,理想流动反应器的组合与反应体积比较,理想流动反应器的组合,工业生产中的应用,某个真实反应器的模型,相同的反应，相同进料流量和浓度相同温度和最终反应率,一个全混流反应器与一个平推流反应器的比较,一个全混流反应器与一个平推流反应器的比较,相同条件下全混流（平推流），前者存在返混造成。1 转化率越小，两者体积差别越小，采用低转化率操作，可减少返混带来的影响。但原料得不到充分利用，可采用循环
13、流程。2 反应级数越高，返混对反应的影响越严重。级数高的反应在生产中应注意减少返混。3 采用多级全混流及反应器串联操作可以减少返混，提高反应推动力，使的差别减少。,多个全混流反应器串联与一个平推流反应器的比较,一级不可逆反应,二级不可逆反应,多个全混流反应器串联与一个平推流反应器的比较,若以 为纵坐标，以 为横坐标，将上式作成曲线：1 在串联级数m一定时，越大，之比也越大。2 在最终转化率 一定时，m 越大，之比越小，接近平推流。当 时，再增加级数所能减少的反应体积也很有限，但会增加设备投资，故应在经济上权衡。3 一定时，m不同，所得到的最终转化率 也不同。，对二级不可逆反应 或，可得到类似的
14、情况。,理想流动反应器中多重反应的选择率,平行反应-一个反应物,主副反应速率之比为 称为对比速率瞬时选择率(imtantaneous fractional)总选择率(over-all fractional field)二者的关系：S 是反应过程中瞬时选择率s的平均值平推流：全混流：,理想流动反应器中多重反应的选择率,温度效应主、副反应级数分别为n1，n2，活化能分别为E1，E2，则,提高温度对活化能高的反应有利降低温度对活化能低的反应有利,若E1E2,则在较高温度下进行若E1E2,则在较低温度下进行若E1=E2,温度变化对选择性无影响,2.浓度效应,理想流动反应器中多重反应的选择率 平行反应,
15、若n1n2,较高反应物浓度对主反应有利,若n1n2,较低反应物浓度对主反应有利,若n1=n2,反应物浓度对选择性无影响,平推流反应器，低的单程转化率,全混流反应器，加入稀释剂；反应后物料循环,所以，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数时，提高CA,对 s 有利，可采用平推流反应器（或间歇反应器），或使用浓度高的原料，或采用较低的单程转化率等，反之，降低CA 对 s有利，可采用全混流反应器；或使用浓度低的原料（也可加入惰性稀释剂，也可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度），或采用较高的转化率等,理想流动反应器中多重反应的选择率 平行反应 两个反应物3 平行反应加料方式的选择两个反应
16、物 n1n2,m1m2 n1n2 m1m2,理想流动反应器中多重反应的选择率 平行反应 两个反应物,连续流动操作,n1n2,m1m2CA,CB 都高,n1n2,m1m2CA,CB 都低,n1n2,m1m2CA高,CB低,理想流动反应器中多重反应的选择率,二.连串反应,一级反应,理想流动反应器中多重反应的选择率 一级连串反应,组分 A:单调下降；产物 L:先升后降，有极大值；产物 M:单调上升连串反应的瞬时选择率s可表示为：,理想流动反应器中多重反应的选择率 L为主产物时,1.温度效应,2.浓度效应,若E1E2,则在较高温度下进行若E1E2,则在较低温度下进行若E1=E2,温度变化对选择性无影响
17、,若n1n2,增加初浓度CA0若n1n2,降低初浓度CA0若n1=n2,初浓度的变化对选择性无影响,3.转化率,CL/CA随xA的增大而增大,L的瞬时选择性下降,转化率过高，选择性降低,工业上分离再循环,理想流动反应器中多重反应的选择率,流动类型的影响,对于不可逆的连串反应且以反应的中间物为目的产物时，返混总是对选择性不利,左,左,右,左,理想流动反应器中多重反应的选择率,连串反应的最佳反应时间与最大收率,间歇反应器或平推流反应器,最佳反应时间,最大出口浓度,最大收率,(*),理想流动反应器中多重反应的选择率,一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2
18、/k1的比值有关。,全混流反应器,最佳反应时间,最大出口浓度,最大收率,(*),(*),理想流动反应器中多重反应的选择率,平推流(b)全混流,xA,k1/k2相同时，BSTR和PFR比CSTR好k1/k21,高转化率下操作,讨论：1、对一级不可逆连串反应，不论是间歇反应器或平推反应器，还是全混流反应器，主产物最大收率与反应物初始浓度无关，只与k2/k1有关。2、若以S-XA作图在 XA，k2/k1 相同时，间歇操作或平推流操作时，主产物的选择率 S 比全混流操作为高。在k1/k21 时，即使转化率较高，也可得到较高的选择率。,苯乙烯的聚合在工业上分多步合成，以使得反应器和反应操作适应随转化率上升反应介质粘度的激剧变化。一般先在连续搅拌反应釜中进行热引发的预聚合，而8090的最终转化率是在塔式反应器，特殊搅拌釜或其它特殊结构设备中获得的。现要设计一个整套装置能年产20000吨聚苯乙烯的预聚合用连续操作反应釜，整套装置的最终转化率为95，第一级设备的要求转化率为40，为达到 的平均分子量，反应温度确定为408K。试问所需的反应器体积为多大？总反应聚合速率由下式求得：式中 为单体浓度（T为绝对温度K）反应混合物的密度有如下关系（T为绝对温度K）,
