-理想流动反应器课件

第三章 理想流动反应器 化学反应器中流体流动状况影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。流动模型是反应器中流体流动与返混的描述，尽管工业反应器多种多样，反应器中流体流动复杂，但就其返混情况而言可以用不同的流动模型来描述。流动模型可分为两大类：理想流动模型理想流动模型和非理想流动模型理想流动模型。理想流动模型的两种极限情况：即完全没有返混的平推流反平推流反应器应器和返混为极大值的全混流反应器全混流反应器。非理想流动模型是对实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。对实际工业反应器，在测定停留时间分布基础上，可以确定非理想流动模型参数，表达对理想流动的偏离程度。反应器选型、设计和优化反应器选型、设计和优化反应器中的流动状况反应器中的流动状况影响反应结果影响反应结果数学模型数学模型流动流动模型模型对实际过对实际过程的简化程的简化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第一节流动模型概述 按照操作方式按照操作方式，可以分为间歇过程间歇过程和连续过连续过程程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地离开反应器。反应器中流体流动模型是相对连续过程而言反应器中流体流动模型是相对连续过程而言的。的。年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；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。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；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。是对已经离开反应器的物料质点而言的。与流动模型相关的重要概念与流动模型相关的重要概念返混返混：又称逆向返混，指又称逆向返混，指不同年龄不同年龄的质点之间的混合。的质点之间的混合。是时间概念上的混合是时间概念上的混合返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都相同，所以没有返混。在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年龄的质点混合在一起，所以有返混。返混的原因返混的原因:（1）机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向相反，不同年龄的质点混合在一起；（2）反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布器等。造成返混的各种因素统称为工程因素工程因素。在流动反应器中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所以都存在着返混，只是返混程度有所不同而已。平推流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器间间 歇歇 反反 应应 器器完全没有返混完全没有返混返混极大返混极大返混理想流动模型特点：特点：沿着物料的流动方向，物料的温度、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任一截面（又称径向平面）上物料的所有参数，如浓度、温度、压力、流速都相同，因此，所有物料质点在反应器中具有相同的停留时间，不同年龄的质点不相混合,反应器中不存在返混。长径比很大，流速较高的管式反应器中的流体流动可视为平推流。一、一、反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型反应器中流体的流动模型1 1、理想流动模型、理想流动模型、理想流动模型、理想流动模型 平推流模型 亦称活塞流活塞流模型或理想置换理想置换模型。是一种返混为零的理想流动模型，它假设反应物料以稳定流量流人反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动,彼此不相混合。特点：反应器中所有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。同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合，反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中，质点的寿命也不相同。全混流模型 亦称理想混合模型理想混合模型或连续搅拌糟式反应器模型连续搅拌糟式反应器模型。是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。它假定反应物料以稳定流量流人反应器，反应器中，刚进人反应器的新鲜物料与存留在反应器中的物料在瞬间达到完全混合。BSTRPFRCSTR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小结小结浓度分布浓度分布-推动力推动力反应器特性分析流体流动推动力：压力差传热推动力：温差传质推动力：浓度差（化学位差）化学反应推动力：体系组成与平衡组成的差。过程的速率：与推动力成正比，与阻力成反比。反应器推动力反应器的推动力是由反应器内反应物浓度差产生的反应器的推动力是由反应器内反应物浓度差产生的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（a）间歇反应器（b）平推流反应器（c）全混流反应器2、非理想流动模型涡流、湍动或流体碰撞涡流、湍动或流体碰撞反应器中的填料或催化反应器中的填料或催化剂引起旋涡运动剂引起旋涡运动垂直于流体流动方向垂直于流体流动方向截面上的流速不均匀截面上的流速不均匀 填料或催化剂装填不均填料或催化剂装填不均匀引起的沟流或短路匀引起的沟流或短路偏离平推流的情况偏离平推流的情况SS(a).死角(b).短路偏离全混流的情况偏离全混流的情况短路、沟流短路、沟流停留时间减少停留时间减少转化率降低转化率降低死区、死区、再循环再循环停留时停留时间过长间过长A+BPA+BP：有效反应体积减少有效反应体积减少A+BPS A+BPS 产物产物P P减少减少流体在反应器中的流动状态对化学反应影响很大，这种影响主要是由于物料质点的停留时间不同所造成的。在平推流反应器中所有物料质点具有相同的停留时间，没有返混，反应推动力最大。对全混流反应器，返混最大，反应推动力降低。流动状态对化学反应影响流动状态对化学反应影响 二、反应器设计的基本方程（一）、反应器设计的基本内容（一）、反应器设计的基本内容(1)选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式(2)确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件(3)计算所需反应器体积计算所需反应器体积 反应系统的动力学特性反应系统的动力学特性 反应器的流动特征和传递特性反应器的流动特征和传递特性 最大反应效果最大反应效果反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化目标目标（二）反应器设计的基本方程（二）反应器设计的基本方程the kinetic equationthe mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation第二章中讨论过第二章中讨论过计算反应体积计算反应体积计算温度变化计算温度变化计算压力变化计算压力变化动力学方程式 物料衡算方程式 热量衡算方程式 动量衡算方程式(1)物料衡算方程式物料衡算方程式 物料衡算以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基物料衡算以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基本方程。对间歇反应器与全混流反应器，由于反应器中浓度本方程。对间歇反应器与全混流反应器，由于反应器中浓度均匀，可对整个反应器作物料衡算。对于反应器中物料浓度均匀，可对整个反应器作物料衡算。对于反应器中物料浓度沿长度具有分布的反应器，应选取反应器微元体积，假定在沿长度具有分布的反应器，应选取反应器微元体积，假定在这些微元体积中浓度和温度均匀，对该微元作物料衡算，将这些微元体积中浓度和温度均匀，对该微元作物料衡算，将这些微元加和起来，成为整个反应器。对反应器或对反应器这些微元加和起来，成为整个反应器。对反应器或对反应器微元体积进行某反应组分的物料衡算。微元体积进行某反应组分的物料衡算。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 反应器反应器反应单元反应单元流入量流入量流出量流出量反应量反应量累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态(2)热量衡算方程式热量衡算方程式 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础。在计算反应速热量衡算以能量守恒与转化定律为基础。在计算反应速率时必须考虑反应体系的温度，通过热量衡算可以计算反应率时必须考虑反应体系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化。器中温度的变化。反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态带入的热焓 流出的热焓 反应热 热量的累积 传向环境的热量（3）动量衡算方程（流体力学方程）动量衡算方程（流体力学方程）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。流入流入流出流出反应单元反应单元反应热累积带入带入带出带出反应单元反应单元传给环境传给环境物料衡算示意图物料衡算示意图热量衡算示意图热量衡算示意图一、间歇反应器的特征一、间歇反应器的特征 工业上充分搅拌的间歇槽式反应器的性能工业上充分搅拌的间歇槽式反应器的性能和行为相当接近于理想间歇反应器。反应物料和行为相当接近于理想间歇反应器。反应物料按一定配料比一次加入反应器内，容器的顶部按一定配料比一次加入反应器内，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清洗和维修用。在容有一可拆卸的顶盖，以供清洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，使器内物料均匀混合。器内部设置搅拌装置，使器内物料均匀混合。顶盖上都开有各种工艺接管用以测量温度、压顶盖上都开有各种工艺接管用以测量温度、压力和添加各种物料。筒体外部一般都装有夹套力和添加各种物料。筒体外部一般都装有夹套用来加热或冷却物料。器内还可以根据需要设用来加热或冷却物料。器内还可以根据需要设置盘管或排管以增大传热面积。置盘管或排管以增大传热面积。特征描述特征描述：第二节间歇反应器（釜式反应器）第二节间歇反应器（釜式反应器）间歇反应器特点：.由于剧烈的搅拌，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；.由于反应器内具有足够强的传热条件，反应器内各处温度始终相等，因而无需考虑反应器内的热量传递问题；.反应器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，易于适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产，特别是精细化工精细化工与生物化工生物化工产品的生产。缺点：装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定。间歇反应器间歇反应器间歇反应器间歇反应器优缺点优缺点Standardisedstirredtankreactorsizes反应釜规格4006301000250040006300总容积L5338471447346053748230夹套容积L120152216368499677换热面积m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸(mm)d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050标准尺寸(accordingtoDIN)二、间歇反应器性能的数学描述二、间歇反应器性能的数学描述在间歇反应器中，由于剧烈搅拌，槽在间歇反应器中，由于剧烈搅拌，槽内物料的浓度和温度达到均一，因而可以内物料的浓度和温度达到均一，因而可以对整个反应器进行物料衡算。对整个反应器进行物料衡算。流入量流入量流出量流出量反应量反应量累积量累积量=+0间歇操作中流人量和流出量都等于零。若V为液相反应混合物的体积，因而对反应组分A的物料衡算式可写成 积分达到一定反应率所需反达到一定反应率所需反应时间的计算式。应时间的计算式。若反应过程中不发生体若反应过程中不发生体积变化，即等容过程。积变化，即等容过程。根据等容时转化率与浓根据等容时转化率与浓度关系度关系间歇反应器所需的实际操作时间包括反应时间t与辅助时间t,t包括加料、调温、卸料、清洗等时间。间歇反应器的反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积它取决于单位生产时间所处理的物料量和每批生产所需的操作时间。单位生产时间所处理的物料量由生产任务决定，因此反应体积可按下式计算 图解积分示意图图解积分示意图t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0只要已知反应动力学方只要已知反应动力学方程式或反应速率与组分程式或反应速率与组分A浓度浓度cA之间的变化规之间的变化规律，就能计算反应时间。律，就能计算反应时间。最基本、最直接的方法最基本、最直接的方法是数值积分或图解法是数值积分或图解法。三、间歇反应器中的单反应三、间歇反应器中的单反应 单反应通常用一个化学计量式和一个反应速率方程式单反应通常用一个化学计量式和一个反应速率方程式描述。反应速率为温度和某一组分浓度的函数描述。反应速率为温度和某一组分浓度的函数AP反应动力学方程式以幂函数型表示 反应速率rA=kCArA=kCA2反应级数反应速率残余浓度式转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 31 1 间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式2.反应浓度反应浓度1.K值值3.残余浓度残余浓度影响因素影响因素k增大(温度升高）t减少反应体积减小零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降为使反应时间计算正确，重要的是为使反应时间计算正确，重要的是保证反应后期动力学的准确、可靠，保证反应后期动力学的准确、可靠，因此要密切注意反应后期的反应机因此要密切注意反应后期的反应机理是否发生变化，理是否发生变化，即即要重视反应过要重视反应过程末期动力学的研究。程末期动力学的研究。讨论：间歇反应器中的单反应反应后期的速度很小；反应机理的变化University DortmundChemical Engineering DepartmentChair of Technical Chemistry BC0tdcdtCn=1n=2n=0Reaction rate r:reactionprogressasafunctionofthereactionordern tangentC0tCn=1n=2n=0Reaction rate r:reactionprogressasafunctionofthereactionordern 例31以醋酸（以醋酸（A）和正丁醇（）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯（丁酯（C），操作温度为），操作温度为100，每批进料，每批进料1kmol的的A和和4.96kmol的的B。已知反应速率已知反应速率试求醋酸转化率试求醋酸转化率xA分别为分别为0.5、0.9、0.99时所需反应时间。已知醋时所需反应时间。已知醋酸（酸（A）和正丁醇（）和正丁醇（B）的密度分别为）的密度分别为960kg/m3和和740kg/m3解：解：CH3COOH（A）+C4H9OH（B）CH3COOC4H9（C）+H2O（D）A的初始浓度计算：的初始浓度计算：可求出，投料总体积可求出，投料总体积V0.559m3醋 酸 A1kmol60kg0.063m3正丁醇 B4.96kmol368kg0.496m3例例3 32 2：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸：用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯乙酯12000kg12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为 原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A A：B B：S=1S=1：2 2：1.351.35，反应液的，反应液的密度为密度为1020kg/m1020kg/m3 3，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料，并假定在反应过程中不变。每批装料、卸料及清洗等辅助操作时间为及清洗等辅助操作时间为1h1h。反应在。反应在100100下等温操作，其反应下等温操作，其反应速率方程为速率方程为:100100时，时，k=4.7610k=4.7610-4-4L/L/（molminmolmin），平衡常数），平衡常数K=2.92K=2.92。试计算乙酸转化试计算乙酸转化35%35%时所需的反应体积。根据反应物料的时所需的反应体积。根据反应物料的特性，若反应器填充系数取特性，若反应器填充系数取0.750.75，则反应器的实际体积是多少？，则反应器的实际体积是多少？通过乙酸的起始浓度和原料中各组分的质量比，可求出乙醇和水的起始浓度为由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，当乙酸为1kg时，加入的总原料为1+2+1.35=4.35kg由此可求单位时间需加入反应器的原料液量为解：解：首先计算原料处理量V0根据题给的乙酸乙酯产量，可算出每小时乙酸需用量为其次计算原料液的起始组成。然后，将题给的速率方程变换成转化率的函数。代入速率方程，整理后得式中 代入到基本公式中得：t=118.8min实际反应器体积：12.38m3/0.7516.51m3第三节平推流反应器第三节平推流反应器在连续定态条件下操作，反应器的各个截面上物料的各在连续定态条件下操作，反应器的各个截面上物料的各种参数，如浓度、温度等只随物料流动方向位置变化，不种参数，如浓度、温度等只随物料流动方向位置变化，不随时间而变化；随时间而变化；由于径向具有严格均匀的速度，也就是在径向不存由于径向具有严格均匀的速度，也就是在径向不存在浓度分布，所以反应速率随空间位置的变化只限于在浓度分布，所以反应速率随空间位置的变化只限于轴向；轴向；由于径向速度均匀，反应物料在反应器内具有相同的由于径向速度均匀，反应物料在反应器内具有相同的停留时间。停留时间。一、平推流反应器的特点一、平推流反应器的特点工业生产中的平推流反应器Tube reactor裂解炉用于乙烯生产的管式裂解炉反应器的轴向长度二、平推流反应器计算的基本公式二、平推流反应器计算的基本公式平平推推流流反反应应器器示示意意图图V0CA0CAfxAfxA0=0v0cA0(1-xA)v0cA0(1-xA-dxA)rAdVR（反应量反应量）dVRxAxA+dxA流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0微元体取反应器内一微元体积进行物料衡算：取反应器内一微元体积进行物料衡算：则达到一定转化率则达到一定转化率xAf所需的反应体积为所需的反应体积为:对于平推流反应器进行某种等容过程，其停留时间对于平推流反应器进行某种等容过程，其停留时间为为:注意：第一，反应是等温还是注意：第一，反应是等温还是变温，等温反应时变温，等温反应时k为常数，为常数，变温反应时要结合热量衡算式变温反应时要结合热量衡算式建立建立k与与xA的关系；第二，反的关系；第二，反应过程中有无分子数变化，如应过程中有无分子数变化，如为变分子反应，需建立反应物为变分子反应，需建立反应物体积流量体积流量V0与与xA的关系。的关系。三、等温平推流反应器的计算三、等温平推流反应器的计算对对等温变容过程（等温变容过程（化学化学计量学，膨胀因子计量学，膨胀因子）：）：若反应过程无体积变化（恒容过程）：若反应过程无体积变化（恒容过程）：反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2n级n1表表3 32 2 等温等容平推流反应器计算式等温等容平推流反应器计算式例例3 33 3用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯用平推流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg12000kg，其化学，其化学反应式为：反应式为：原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应，反应液的密度为液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。，并假定在反应过程中不变。反应在反应在100下等温操作，其反应速率方程为下等温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常数衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的时所需的反应体积。反应体积。解答：由于乙酸与乙醇的反应为液相反应，故可认为是等容过程。等容下活塞流反应器的空时与条件相同的间歇反应器反应时间相等，例例3 32 2已求出达到题给要求所需的反应时间为t=118.8min。改用活塞流反应器连续操作，如要达到同转化率，要求应使空时=t=118.8min。原料处理量为V0=4.155m3/h因此，反应体积VR=4.155(118.8/60)=8.227 m3 四、变温平推流反应器四、变温平推流反应器工业实际中，没有一个反应器是绝对等温的工业实际中，没有一个反应器是绝对等温的热量衡算式联立求解联立求解浓度分布浓度分布温度分布温度分布物料衡算式物料温度变化物料温度变化传给环境传给环境反应热反应热等温情况下绝热情况下联立联立求解求解变温平推流反应器变温平推流反应器-绝热温升绝热温升绝热下由于令式式(3-19)化为化为，则(3-19)(3-20)(3-21)代入（代入（3-203-20）若若绝热温升绝热温升重要的工程概念重要的工程概念第四节全混流反应器概述：概述：全混流反应器是另一类在工全混流反应器是另一类在工业生产中广泛使用的连续流动反业生产中广泛使用的连续流动反应器，化工生产中常用的连续流应器，化工生产中常用的连续流动搅拌釜式反应器可视为全混流动搅拌釜式反应器可视为全混流反应器。反应物料连续加人反应反应器。反应物料连续加人反应器，釜内物料连续排出反应器。器，釜内物料连续排出反应器。由于是连续操作，不存在间歇操由于是连续操作，不存在间歇操作中的辅助时间问题。在定态操作中的辅助时间问题。在定态操作中，容易实现自动控制，操作作中，容易实现自动控制，操作简单，节省人力，易于控制，产简单，节省人力，易于控制，产品质量稳定，可用于产量大的产品质量稳定，可用于产量大的产品生产过程。品生产过程。Balancingofacontinuousstirredtankreactor全混流反应器示意图反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等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。于反应器流出物料的浓度和温度。V0CA0V0CAfCAf一、全混流反应器的特点一、全混流反应器的特点反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流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。出物料的浓度和温度。全混流反应器的反应速率即由釜内的浓度和温度所决定。全混流反应器的反应速率即由釜内的浓度和温度所决定。二、全混流反应器计算的基本公式二、全混流反应器计算的基本公式流入量流入量 =流出量流出量 +反应量反应量 +累积量累积量0取整个反应器为衡算对象化简，得：化简，得：按出口浓度计算按出口浓度计算的反应速率。的反应速率。当反应器进口物料当反应器进口物料中已含反应产物中已含反应产物则有全混流反应器全混流反应器的的图解解积分分(对比右比右图的的PFR图解解积分分)CA0CACAfCACA0CAf平推流反应器与全混流反应器的比较例例3 34 4用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯用全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg12000kg，其化学，其化学反应式为：反应式为：原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应，反应液的密度为液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。，并假定在反应过程中不变。反应在反应在100下等温操作，其反应速率方程为下等温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常数衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时所需的时所需的反应体积。反应体积。解：例32已得出：式中 例题中三种反应器体积比较BSTR：VR12.68m3 (实际体积为16.51m3）PFR：VR8.227m3CSTR：VR14.68m3返混：不同年龄粒子之间的混合返混的基本效应：反应物浓度的下降和生成物浓度的上升。上述效应相应地会在反应速率的大小上体现出来。对于其速率随着反应物浓度增加而增加的反应过程，返混的效果是降低了反应速率例例3 35 5生化工程中酶反应生化工程中酶反应ARAR为自催化反应，为自催化反应，反应速率式反应速率式r rA A=kckcA Ac cR R，某温度下，某温度下k=1.1512mk=1.1512m3 3/(kmol.min)/(kmol.min)，采用的原料中含采用的原料中含A 0.99kmol/mA 0.99kmol/m3 3，含，含R R 0.01kmol/m0.01kmol/m3 3,要求要求A A的最终浓度降到的最终浓度降到0.01kmol/m0.01kmol/m3 3，当原，当原料的进料量为料的进料量为10m10m3 3/h/h时，求：时，求：（1 1）反应速率最大时，）反应速率最大时，A A的浓度为多少？的浓度为多少？（2 2）采用）采用CSTRCSTR，反应器体积是多大？，反应器体积是多大？（3 3）采用）采用PFRPFR，反应器体积是多大？，反应器体积是多大？解：CAr rA A00.51.0C CA0A0C CA Af(1)显然，CA=0.5kmol/m3时，速率达最大值。(2)CSTR(3)PFR1/r1/rA ACACA0CAf1/r1/rA ACACA0CAf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，人们把一个反应器分割成m个全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。三、三、多级全混流反应器的串联及优化多级全混流反应器的串联及优化 1、多级全混流反应器的浓度特征平推流反应器的反应推动力比全混流反应器的反应推动力大得多，平推流反应器的反应速率沿物料流动方向由一个由高到低的变化过程，全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物料浓度的低速率状态。为此，为了降低返混影响的程度，提高全混流反应过程的推动力，常采用多级全混流反应器串联措施。StirredTankCascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA4()级数越多，过程就越接近平推流反应器。级数越多，过程就越接近平推流反应器。()对多级全混流反应器每一级内浓度是均对多级全混流反应器每一级内浓度是均匀的。等于该级的出口浓度，而各级之间浓度匀的。等于该级的出口浓度，而各级之间浓度是不同的。是不同的。结结论论一、多级混流反应器的浓度特征实际生产中的多级全混流反应器串联2、多级全混流反应器串联的计算（1）解析计算VR1CA1C CAmAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0C CAiAiC CAi-Ai-1 1C CA2A2C CA1A1CAi-1CAiVRiCAi对第对第i级反应器进行物料衡算如下：级反应器进行物料衡算如下：对一级不可逆反应：对m级全混流反应器,则有：因为小结工业上，多级CSTR串联（层叠）时，往往将各级CSTR的体积做成相等，以便于制造。即：这时，就有：可求得反应系统的总体积：可求得反应系统的总体积：可见：级数越多，最终转化率越高；在处理量一定时，可见：级数越多，最终转化率越高；在处理量一定时，各级反应体积越大，最终转化率也越高。各级反应体积越大，最终转化率也越高。（2）图解计算对非一级反应，必须逐釜计算。计算比较麻烦：这时，可采用图解法：-1/CA1CA0CArAf(CA)图解法原理CA1GraphicalConstructionforaCSTR-Cascade等温、等体积情况的图解计算-1/cA1cA0cArAf(CA)cA3cA2cA3f(CA)3、多级CSTR串联的优化设计CSTR的串联时会遇到如何分配各级转化率的问题。当串联的级数确定后，可以合理分配各级的转化率，使所需的总反应体积最小。上式中，上式中，x x1 1，x x2 2 x xm-1m-1共共m-1m-1个变量是设计时可以变动的。个变量是设计时可以变动的。优化问题是：当这优化问题是：当这m-1m-1个变量取何值时，个变量取何值时，V VR R达到其最小值。达到其最小值。解这个最优化问题的数学方法在理论上是熟知的：从以上共m-1个方程，可解出m-1个待定量(x1，x2 xm-1)解一级不可逆反应的优化例子两边同时两边同时乘以乘以V V0 0/k/k例例3 36 6用两只串联的全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反用两只串联的全混流反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天产乙酸乙酯应，每天产乙酸乙酯12000kg12000kg，其化学反应式为，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应，反应液的密度为液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。，并假定在反应过程中不变。反应在反应在100下等温操作，其反应速率方程为下等温操作，其反应速率方程为已知已知100时，时，k=4.7610-4L/（molmin），平），平衡常数衡常数K=2.92。试计算乙酸转化。试计算乙酸转化35%时，所需时，所需的反应总体积。的反应总体积。（1）两只）两只CSTR体积相等，体积相等，（2）优化的情况。）优化的情况。解：前已求得其中：其中：a=2.61a=2.61b=b=5.155.15c=0.6575c=0.6575 k=4.7610-4L/（molmin），（1）设第一釜转化率为xA1，根据题设：1 2可解得：xA1=0.2264（已经舍去了不合理值）代入1式中，得VR1=V016.036m3于是，总反应体积VR12.072m3（2）优化的情况令解得：令解得：令解得：令解得：x xA1A1=0.2191(=0.2191(已舍去不合理值）已舍去不合理值）已舍去不合理值）已舍去不合理值）代入，可求得代入，可求得代入，可求得代入，可求得V VR1R15.390m5.390m3 3V VR2R25.487m5.487m3 3故反应总体积为故反应总体积为故反应总体积为故反应总体积为V VR R10.88m10.88m3 3例题中五种反应器体积比较BSTR：VR12.68m3 PFR：VR8.227m3CSTR：VR14.68m3CSTR+CSTR（相等体积）:VR12.07m3CSTR+CSTR（最优体积）:VR10.88m3第五节理想流动反应器的组合与比较一、理想流动反应器的组合（a）(b)(c)(d)(e)(f)(g)(a)为两个等体积全混流反应器并联，两个等体积全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓度即为混合后的出口浓度：(b)为两个等体积全混流反应器串联，两个等体积全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为：(c)为等体积平推流反应器与全混流反应器串联，等体积平推流反应器与全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为：(d)为等体积全混流反应器与平推流反应器串联等体积全混流反应器与平推流反应器串联，第二反应器出口浓度为：(e)为两个等体积平推流反应器并联两个等体积平推流反应器并联。每只平推流反应器的出口浓度即为混合后的出口浓度(g)为平推流与全混流反应器并联平推流与全混流反应器并联(f)为两只平推流反应器串联两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为：二、理想流动反应器的体积比较二、理想流动反应器的体积比较如果在这些理想反应器如果在这些理想反应器中进行相同的反应，采用相中进行相同的反应，采用相同的进料流量与进料浓度，同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应率也相反应温度与最终反应率也相同。这几种反应器所需的体同。这几种反应器所需的体积是否相同呢积是否相同呢?对间歇反应器与平推流反应器，当上述条件一定时，两者的体积是相同的(未考虑间歇反应器的辅助时间)，这是因为它们均不存在返混。至于全混流反应器，由于存在返混。所以反应体积要大一些。设VRP与VRM分别表示平推流与全混流反应器的反应体积，两者之比当V0、cA0、xAf 相同时，全混流反应器所需体积大于平推流反应器的体积，这是由于前者存在返混造成的。1/rA FPR 1/rA CSTR CSTR CASCADE 1/rAxAxAxA在相同的进料流量与进料浓度，三种理想在相同的进料流量与进料浓度，三种理想反应器所需的反应器体积如下图反应器所需的反应器体积如下图此组合等效于一个大的此组合等效于一个大的CSTRCSTR（总体积相等）（总体积相等）1/21/2V VR R1/21/2VRV VR RCA0CA0V0V0由上述诸式，无论何种动力学方程，由上述诸式，无论何种动力学方程，结论均成立。等效的前提：结论均成立。等效的前提：因此不限于两并因此不限于两并联釜体积相等。联釜体积相等。结论此种组合等效于一个大的此种组合等效于一个大的PFR（总体积相等）（总体积相等）C CA0A0V V0 0C CA Af fC CA1A1任何动力学，两反应任何动力学，两反应器体积任意的大小。器体积任意的大小。C CA0A0C CA0A0C CA Af fV V0 0C CA Af f无论何种动力学方程，结论均无论何种动力学方程，结论均成立。等效的前提：成立。等效的前提：因此不限于两并联反应器的体因此不限于两并联反应器的体积相等。积相等。V V0 0体积相等的活塞流，无论长径比如何，都是等效的。结论此两种组合在一级不可逆反应且两反应器体积相等一级不可逆反应且两反应器体积相等时是等效的。CA0CA1CAfCA0CA1CAfVR1VR1VR2VR2V0V0但是，一般情况下，两者不等效。结论影响反应器体积的若干重要因素：（a）转化率：转化率越高，体积差别越大（b）反应级数：级数越高，体积差别越大（c）串联级数：级数越多，体积差别越小（d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积差别也就越大。结论第六节第六节理想流动反应器中多重反应的选择率理想流动反应器中多重反应的选择率对于多重反应，反应器中的流动情况不仅影响反应器的大小，还要影响反应的选择率。对工业反应过程，选择性的要求比反应器大小更重要。目的产物的收率和选择性是非常重 要的，反映了原料的有效利用程度 一、平行反应（又称为竞争反应一、平行反应（又称为竞争反应）反应物同时独立地进行两个或两个以上的反应称为平行反应。化工生产中许多取代、加成及分解反应过程存在着平行反应。典型的平行反应可表示为AL(主反应)M(副反应)12A+BL(主反应)M(副反应)12OR选择率选择率AL（主产品）主产品）M（副产品）副产品）对比速率对比速率瞬时选择率瞬时选择率总选择率总选择率S又叫积分选择率又叫积分选择率全混流全混流通式瞬时选择率又称瞬时选择率又称为点选择率或微为点选择率或微分选择率分选择率 之所以用瞬时选择率这个词，是因为之所以用瞬时选择率这个词，是因为其值随空间位置而变。其值随空间位置而变。选择率的影响因素选择率的影响因素选择率的温度效应选择率的浓度效应平行反应加料方式的选择一个反应物一个反应物AL(主反应)M(副反应)12二个反应物二个反应物A+BL(主反应)M(副反应)121、温度效应、温度效应讨论：一个反应物一个反应物提高温度对活化能高的反应有利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降低温度对活化能低的反应有利若若E E1 1EE2 2,则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E E1 1Enn2 2,较高反应物浓度较高反应物浓度对主反应有利对主反应有利平推流反应器，低的单程转化率平推流反应器，低的单程转化率若若n n1 1nn2,m1m2CA,CB都高都高n1n2,m1m2CA高高,CB低低n1n2,m1n2,m1m2CA,CB都高都高n1n2,m1n2,m1EE2 2,则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E E1 1Enn2 2,增加初浓度增加初浓度C CA0A0若若n n1 1nn2 2,降低初浓度降低初浓度C CA0A0若若n n1 1=n=n2 2,初浓度的变化对选择性无影响初浓度的变化对选择性无影响3.转化率转化率CL/CA随随xA的增大而增大的增大而增大L的瞬时选择性下降的瞬时选择性下降转化率过高，选择性降低转化率过高，选择性降低工业上分离再循环工业上分离再循环L为主产物时为主产物时2连串反应的温度、浓度效应连串反应的温度、浓度效应3、连串反应的最佳反应时间与最大收率、连串反应的最佳反应时间与最大收率对于间歇和平推流反应器最佳反应时间最大出口浓度最大收率对于全混流反应器最佳反应时间最大出口浓度最大收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/k1的比值有关。(a)平推流平推流(b)(b)全混流全混流1.xA,k2/k1相同时，相同时，PFR比比CSTR好好2.k1/k21,即使在高转化率下操作，也可得到较高的选择率即使在高转化率下操作，也可得到较高的选择率任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因素。素。第七节第七节全混流反应器的热稳定性全混流反应器的热稳定性对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升高对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升高时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然而反时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然而反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温度进一应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温度进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环步上升，因而就可能出现如下的恶性循环反应温度上升反应温度上升反应速率加快反应速率加快反应放热速率增大反应放热速率增大一、热稳定性是指反应器本身对热的扰动有无 自行恢复平衡的能力。二、CSTR的热稳定条件：定常状态QR=Qc 稳定条件为:CSTR的热稳定态示意图式中 QR放热速率，kJ/h，QR与温度T的函数关系式在Q-T坐标图上为S形曲线，称为反应放热曲线；Qc移热速率，kJ/h，Qc与T的函数关系式在Q-T坐标图上为一直线。注意：CSTR中中进行吸热反应时，没有热稳定性问题。三、操作参数对热稳定性的影响1、进料温度的影响改变进口温度得到不同的操作状态图中，D线时的进料温度一般称为着火温度着火温度或起燃温度，相应地称点4为着火点着火点或起燃点（温度突然增高或或起燃点（温度突然增高或突跳）突跳）。一般称B线的进料温度为熄火温度（温度突降）熄火温度（温度突降），点6称熄火点熄火点。点4和点6分别是低温操作和高温操作的两个界限。2、进料流量的影响改变进料流量对反应器操作状态的影响 当流量从小到大变化时，它们的位置依次为A、B、C、D、E等，其操作状态依次变为点9、8、7、6。图中，当进料流量V0稍微超过D线时的V0值时，立即由6电骤降至2 点，反应被“熄火“了，表明进料流量太大。进料流量由高降低时，依次得到1、2、3、4、8、9各操作点，在4点出现温度突然增高或突跳至8点的“起燃”现象。练习题一请考虑化学反应请考虑化学反应该反应在全混流反应器中进行，反应温度为该反应在全混流反应器中进行，反应温度为20，液料的体积流量为，液料的体积流量为0.5m3/h,CA0=96.5mol/m3,CB0=184mol/m3,催化剂催化剂的浓度的浓度CD=6.63mol/m3。实验测得该反应的速。实验测得该反应的速度方程为：度方程为：rA=kCACD式中式中k=1.1510-3m3/(mol.ks)。若要求。若要求A的转的转化率为化率为40%，试求反应器的体积。，试求反应器的体积。解：设解：设A的转化率为的转化率为x，则有：，则有：对于全混流反应器，应有：对于全混流反应器，应有：某二级液相反应某二级液相反应A+BC，rA=kCA2已知已知CAo=CBO，在，在间歇反歇反应器中达到器中达到x=0.99，需反，需反应的的时间为10min,问：(1)在在单个全混流反个全混流反应器中器中进行行时，所，所需需的反应时间的反应时间应为多少？多少？(2)在两个串在两个串联全混流反全混流反应器器(反应体积反应体积相等相等)中中进行行时，又是多少？又是多少？练习题二（）在单个（）在单个CSTR中中解：解：在间歇反应器中，对二级反应在间歇反应器中，对二级反应(1)=(2)则(1)(2)(2)两个CSTR串联CSTR-1:CSTR-2:(3)(4)代入代入(3)，得：，得：练习题三对平行-连串反应，R为目的产物选取最佳的操作方式。解：对于A,对于B,BABCB与生成与生成R无关，尽管无关，尽管B可以任意方式加入可以任意方式加入,为维持高为维持高CA,考虑考虑B分段加入为佳分段加入为佳对于温度，E1E2,应选用低温应选用高应选用高CA0,PFR反应器。反应器。本章要求：1.掌握三种理想反应器的基本概念特点及其基本方程的建立；2.掌握建立基本设计方程的方法；3.记住一级反应的积分式（浓度和转化率）4.能够利用反应器流动模型方程计算反应体积和所需反应时间。作业:P112,3-2,3-4习题解答提示3-2提示提示习题解答提示3-4 3-4 提示提示平推流平推流全混流全混流（1）（2）习题解答提示3-5 3-5 提示提示习题解答提示3-8 3-8 提示提示习题解答提示3-9 3-9 提示提示