全混流反应器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.4,全混流反应器,1,、全混流模型,2,、全混流反应器的设计方程式,3,、设计方程式的应用,4,、分批式（间歇釜式）反应器和全混流（,CSTR）,反应器的比较,3.5,多釜串联组合的全混流反应器,2,、多釜串联,CSTR,反应器的设计方法,1,、多釜串联,CSTR,反应器的特点,解析法,图解法,1,、全混流模型：,CSTR,（Continuously Stirred Tank ReactorCSTR）,又称,理想混合流,反应器或连续搅拌釜式反应器，进出物料的操作是连续的，可以单釜或多釜串联操作。,特点：,新鲜物料瞬间混合均匀，存在不同停留时间的物料之间的混合，即返混。物料返混是连续操作反应器存在的现象，且逆向混合程度最大，逆向混合直接导致,稀释效应,最大。,反应器内所有空间位置的物系性质是均匀的，并且等于反应器出口处的物料性质，即反应器内物料的浓度与温度均一，且与出口物料温度、浓度相同。,反应器内物系的所有参数，如,T、C、P,等均不随时间变化，从而,不存在时间独立变量，独立变量是空间,。,C,A,x,A,(,或,x,A2,),V,R,C,A0,x,A0,=0,(或,x,A1,),v,0,F,A0,C,A,x,A,(,或,x,A2,),v,F,A,CSTR,Return,试问化学反应速率是固定不变的吗？为什么？,2,、 全混流反应器的设计方程式,两点说明：,CSTR,体系性质均一，不随时间而变，可就整个反应器进行物料衡算，而且单位时间可以任取。,连续操作的物料累积量为零。,基本衡算式：,进入量,-,排出量,-,反应量,=,累积量,对反应的,A,作物料衡算：,进入量,=,F,A0,=v,0,C,A0,排出量,=,F,A,=F,A0,(1-x,A,)= v,0,C,A0,(1-,x,A,),反应量,=,（-,r,A,）,V,R,C,A,x,A,(,或,x,A2,),V,R,C,A0,x,A0,=0,(或x,A1,),v,0,F,A0,C,A,x,A,(,或,x,A2,),v,F,A,F,A0,-F,A0,(1-x,A,) -（-,r,A,）V,R,=0,或：,v,0,C,A0,- v,0,C,A0,(1-,x,A,) -（-,r,A,）V,R,=0,CSTR,设计方程式（,x,A0,=0,的情况）,x,A0,0,呢？,可以导出下列式子,x,A0,0,可认为原料中的,A,已转化了,x,A1,推导出的设计方程具有通用性,推导过程：,物料衡算式,F,A0,(1-x,A1,) -F,A0,(1-x,A2,) -（-,r,A,）V,R,=0,即：,F,A0,(x,A2,-x,A1,) =（-,r,A,）V,R,注意：,F,A0,表示无产物基的,A,的,摩尔流率，,否则无任何物理意义！,为空时，是反应器的有效容积与进料流体的容积流速比值,反应工程中常用于表示时间概念的还有：,反应时间,t：,反应物从进入反应器后从实际发生反应起到反应达某一程度（如某转化率）时所需的时间,停留时间：,它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止在反应器内共停留的时间，对于分批式操作的釜式反应器与理想平推流反应器，反应时间等于停留时间，而对于存在返混的反应器，则出口物料是由具有不同停留时间的混合物，即具有停留时间分布的问题，工程上常用平均停留时间来表示。,平均停留时间：,以 来表示，其定义为反应器的有效容积与,器内物料体积流速,之比，即 。,要注意区分上述三个工程上常用于表示时间的概念。,全混流反应器设计方程关联的参数有：,x,A,、,(-,r,A,),、,V,R,、,F,A0,图解全混流反应器相关计算：,注意：上图中矩形可求出出口转化率,x,A,或出口浓度为,C,A,所需空时，,一定要明确上图黑点所代表的意义,。,Return,3,、设计方程式的应用,零级反应,A,P (-,r,A,)=k,或,一级反应,A,P (-,r,A,)=,kC,A,对于任意,A,值,二级反应,A,P (-,r,A,)=,对于任意,A,值：,n,级反应,A,=0时,例 题,例题,7,：,工厂采用,CSTR,以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔比在,70,下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的速率方程式为：（,-,r,A,）=,kC,A,C,B,式中：,（,-,r,A,）-,以已二酸组分计的反应速率，,kmol.L,-1,.min,-1,k-,反应速率常数，,1.97,L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、C,B,-,分别为已二酸和已二醇的浓度，,kmol.L,-1,C,A0,、C,B0,均为,0.004,kmol.L,-1,若每天处理已二酸,2400,kg，,转化率为,80%,，试计算确定反应器的体积大小。,解：根据,CSTR,反应器的设计方程可知，,而间歇反应器所需的体积仅为：,2.16,m,3,请思考：为何间歇釜式反应器所需反应体积要小得多？,Return,4,、分批式（间歇釜式）反应器和全混流（,CSTR）,反应器的比较：,对于反应级数,n0,的反应,:,分批式：,一次性投料，反应体系,A,的浓度由,C,A0,逐渐降至,C,A,(,排料时,A,的浓度），反应速率随,t,减小,;,全混流,CSTR：,A,的浓度由,C,A0,瞬间降至反应器出口浓度,C,A,，,故全混流反应器一直在相当于出口浓度的低反应速率下进行，相当于图中,B,点,速率下进行。,分批式反应器所需反应时间：,全混流反应器所需空时：, =,面积,C,A0,DBC,A,=,全混流反应器的容积效率：,对于,0,级反应，,=1，,其物理意义是什么？请思考！,说明容积效率可以用时间比空时的原因,对于,n0,的不可逆反应，,CSTR,的容积效率,均小于,1,，这是由于,“返混”造成的稀释效应,使全混流的反应器的容积效率小于,1,，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式反应器的,1/,倍，但要注意分批式操作的非生产性时间,t,0,在计算,时并没有考虑，若考虑之，则,=（t+t,0,）/,，,有可能,=t /,小于,1,的情况，而,=（t+t,0,）/,大于,1,，这是完全可能的。见陈甘棠教材,P54,例3-3-1,。,Return,1,、多釜串联,CSTR,反应器的特点,如果由几个串联的全混流反应器来进行原来由一个全混流反应器进行的反应，则,除了最后一个反应器,外，所有,其它反应器,都在,比原来高的反应物浓度,下进行反应，这势必,减少,了混合作用所产生的,释稀效应,使过程的推动力得以提高。表现在：,若两者的起始和最终浓度及温度条件相同，则意味着生产强度可以得到提高（,因平均反应速度提高了,）；,如果多釜与单釜具有相同的生产能力和转化率，多釜串联的反应器总容积必定小于单釜。串联级数越多，所需体积愈小，过程愈接近活塞流（,PFR）,和分批式反应器。,Return,多釜串联反应器的设计方法,解析法：,1,2,i,N,设每个反应器的空时为,i,，,则总空时为：,对任意,i,釜,A,组分的物料衡算（恒容系统）：,将具体的速率方程代入上式，从第一釜开始逐釜计算下去。,化学反应速率的内在含义包括哪些？,各釜的容积与温度可以不同，如对于,n,级不可逆反应：,若,n=1，,则：,将串联的,N,釜设计方程左右分别相乘得：,该式前面已推导过！,总容积为：,V=NV,i,=N,i,v,0,例 题,例题,8,在两釜串联的全混流反应器中，用已二酸和已二醇生产醇酸树脂，在第一釜中已二酸的转化率为,60%,，第二釜中它的转化率达到,80%,，反应条件和产量如下：,速率方程式：（,-,r,A,）=,kC,A,C,B,式中：,（,-,r,A,）-,以已二酸组分计的反应速率，,kmol.L,-1,.min,-1,k-,反应速率常数，,1.97,L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、C,B,-,分别为已二酸和已二醇的浓度，,0.004,kmol.L,-1,若每天处理已二酸,2400,kg，,转化率为,80%,，试计算确定反应器的总体积大小。,解：,反应速率方程可转化为：,(-,r,A,)=,第一釜有效容积的计算,由操作方程知：,总有效容积：,V,R,=V,R1,+V,R2,=3170L。,很明显，达到相同转化率时，两釜串联的有效容积要比单釜（,7230,L）,的要小得多，为什么？请思考！,例题,9,：见陈甘棠教材,P62,例3-4-1,（全混釜与间歇釜的比较）,Return,图解法,先来,看看解析法求解一个反应级数,n1,的情况,从第一釜开始一直计算到第,N,釜，每次必须解下面的,n,次方程，十分不便！,若从第,N,釜出口所要求的最终浓度,C,AN,来计算,C,AN-1,的浓度却是更为简单一些（将解,N,次方程转化为求1次方程），然后,逐釜反算,回去，即可求出各釜的出口浓度，这种计算方法可以应用图解法。,计算步骤：,若为等温恒容反应，且反应器的各釜容积相等，则设计方程可改写为：,上式表明：,若第,i,釜的进口转化率,x,A,i,-1,一定时， 其出口转化率,x,Ai,与,(-,r,A,),i,呈直线关系，其斜率为 ，截距为 。,出口转化率不仅要满足物料衡算式（设计方程），而且还要满足动力学方程式，若将上两关系绘于,x,A, (-,r,A,),坐标系中，则两条线的交点所对应的,x,A,值即为该釜的出口转化率。,此即物料衡,算式,设计方法,具体步骤如下：,根据动力学方程式或实验数据作出,x,A,(-,r,A,),曲线,MN,；,按式 作第一釜的物料衡算线，交点,P1,即为第一釜出口转化率,x,A1,。,因各釜体积相等，所以空时也相等，则各釜的物料衡算线的斜率一致。所以第二釜的物料衡算式可以从点,x,A1,作平行于第一釜物料衡线交于,MN,线于,P2，,其横坐标即为第二釜的出口转化率,x,A2,。,依此类推，一直到第,N,釜出口转化率,x,A,N,等于或大于所要求的转化率,x,Af,为止。则所得斜线数目即为反应器釜数。,x,A,-,r,A,O,N,M,P,1,P,2,P,3,P,4,x,A1,x,A2,x,A3,x,A4,x,A,-(-,r,A,),动力学线,第二釜物料衡算线,斜率：,C,A0,/,x,Af,若给定釜数，可以用此法作图，最后直接读出串联反应器中,A,的最终出口转化率,x,AN,。,若已知釜数,N,和最终的出口转化率,x,AN,可以用试差法确定反应器的总有效容积或体积流量,v。,即假定一直线的斜率，从开始作图，如最后一釜的出口转化率与要求的不符，则另假设一斜率，直到符合为止，然后求出直线的斜率，进而求出,，,及,V,R,或,v。,若串联的各釜体积不等，则斜率亦不同，但也可采用此法进行计算最终出口转化率。,注：,优点：,x,A,(-,r,A,),可以由动力学方程式直接绘出,MN，,也可由实验数据描出,MN，,对于非一级反应，均可不用较繁锁的解析法，而采用图解法。,缺点：只有当反应的速率方程能用单一组分的浓度来表示时才能画出,x,A,(-,r,A,),曲线，因而才能用图解法。,对于平行、连串等复杂反应，此法不适用,。,图解法的变种：,若把第,i,釜的物料衡算式可写成：,根据反应动力学方程式绘出动力学线,C,A,(-,r,A,)；,从,C,A0,开始，按下图所示方向逐个求得,C,A0,、 C,A1, C,AN,，,直到,C,AN,满足要求。,注若体积不相等，则引斜线的斜率是不一样的。为什么？,-,r,A,O,P,1,P,2,P,3,P,4,C,A0,C,A,-(-,r,A,),动力学线,第1,釜物料衡算线,斜率：,-1/,C,A,C,A1,C,A2,C,A3,C,A4,原理方法是一样的，还是不适合于复合反应场合。,C,Af,例题,10,由例,2,所给的数据，用图解法确定四釜串联反应器中用已二酸和已二醇生产醇酸树脂所需反应器的有效体积。,速率方程式：（,-,r,A,）=,kC,A,C,B,式中：,（,-,r,A,）-,以已二酸组分计的反应速率，,kmol.L,-1,.min,-1,k-,反应速率常数，,1.97,L.kmol,-1,.min,-1,C,A,、C,B,-,分别为已二酸和已二醇的浓度，,0.004,kmol.L,-1,若每天处理已二酸,2400,kg，,转化率为,80%,，试计算确定反应器的总体积大小。,解：,先画出动力学曲线,由动力学方程可知：,列表：,X,A,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,(-r,A,)10,-3,1.89,1.53,1.21,0.93,0.68,0.47,0.30,0.17,0.075,0.019,绘出动力学线,MN。,如下图：,由操作方程：,可作出各釜的物料衡算线，通过试差法使第四釜的出口转化率等于,0.80,。,试差结果：,x,1,=0.47、x,2,=0.66、x,3,=0.75、x,4,=0.80,斜率：,习题：,