第五章 连续流动釜式反应器

12020/6/27上海工程技术大学化学化工学院化学工程与工艺系第五章连续流动釜式反应器化学反应工程ChemicalReactionEngineering22020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering5.1CSTR中的均相反应5.2返混原因及限制返混措施32020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering5.1CSTR中的均相反应5.1.1反应器特征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。42020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering全混流反应器的特点1.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；2.物料参数不随时间而变化；3.反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化；4.返混＝∞52020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineeringBSTRPFRCSTR投料一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)年龄年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同寿命寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)返混全无返混全无返混返混极大三种反应器区别62020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering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三种反应器浓度分布--推动力72020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering5.1.2CSTR的反应速率流入量=流出量+反应量+累积量RfAAfAAVrxCVCV)()1(0000fAAfAfAAARrxCrCCVV)()(000fAAfARrxCVV)(00fAAAfARrxxCVV)()(000进口中已有A82020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering物料平均停留时间τ对于等容过程，物料平均停留时间为00()AAfRAfVCxVr00AAfAfACCxCτ的求解（数值法）92020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering102020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineeringτ的求解（图解法）τCSTRτPFR，VCSTRVPFR一般简单反应（生产任务相同）1/rAFPR1/rACSTRxAxA112020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineeringRpRVV～RpRVV=RpRMVV～1~AAxr000000000[][]()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVVCVCOABDrxVVCVCOCBDrRMRpVV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。xAxAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrOABDC122020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering生产任务相同时，反应级数越高，两种反应器或体积相差越大。反应级数的影响即：反应转化率越高，两种反应器空时和反应体积相差越大。反应转化率的影响132020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering5.1.3组合反应器142020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering德国Parr全自动组合式化学反应器-5000系列152020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering多级平推流管式反应器ConsiderNplugflowreactorconnectedinseries,andletx1,x2,…,xNbethefractionalconversionofcomponentAleavingreactor1,2,…,N.BasingthematerialbalanceonthefeedrateofAtothefirstreactor,wefindfortheithreactorfromEq.3.2-6AiAixxAAAirdxFV10162020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering172020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering182020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineeringAiAixxAAAirdxFV10192020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering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，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”。202020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering单釜体积（空时）大于多釜体积（空时）多级全混流反应器212020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering多级全混流反应器的串联计算222020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineeringCAi-1CAiVRiCAi00100(1)(1)AAiAAiAiRiVCxVCxrV010AiAiAiRiVCVCrV()AiAirfc001()AAiAiRiAiVCxxVr01()AiAiRiAiVCCVr1.解析计算232020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2.一级不可逆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01()AiAiRiAiVCCVr由上式，第i级式中242020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering111AiAiiCCk1012121211111121.......11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk由式将上述诸式相乘252020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering262020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering272020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering3.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01()AiAiRiAiVCCVr()AiAirkfC1AiAiAiCCr得到将上述两个方程同时绘于两线交点的横坐标即为CAi.。动力学方程为~AArC图上由282020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM等温、等容、各级体积相等情况的图解计算292020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering（2）等容过程，且各级体积相同，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……。-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3O302020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering（3）等容等温，但各级体积不同如果各级体积不相同，则的各直线斜率不相同，如图依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3……，求出CA1、CA2、CA3……。CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1O~AArC1312020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering多级全混流反应器的串联优化在设计反应器时，物料处理量VO、进料组成及最终转化率XAm是由工艺条件确定的。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VO、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、……、xAm－1，使VR最小。322020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、……xAm－1求偏导数，并令之为零，则有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiVCxxVCxxVVrfx对于等温等容过程，各级反应器体积为反应器总体积为001()AAiAiRiAiVCxxVr332020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering0(1,2,.....1)RAiVimx以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3……xAm－1)。342020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering以一级不可逆反应为例反应器总体积上式表示：对于一级不可逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxVxxVxxkxkx1(1,2,.....1)RiRiVVim1121000102001210...(1)(1)(1)110(1,2,.....1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVVCkCxkCxkCxVxVimxkxx111111AiAiAiAixxxx12111(1,2,.....1)(1)1AiAiAiximxx352020/6/27化学反应工程/连续流动釜式反应器ChemicalReactionEngineering一般来说，a级反应中（CSTR)，为了使总体积最小：（1）a1，沿物料方向，各釜体积依此增加；（2）a1，沿物料方向，各釜体积依此降低；（3）a＝1，沿物料方向，各釜体积相等；（4）a＝0，反应速