第五章 连续流动釜式反应器

2020/5/27,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ChemicalReactionEngineering,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,5.1CSTR中的均相反应5.2返混原因及限制返混措施,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,5.1CSTR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。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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；4.返混,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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,三种反应器区别,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,5.1.2CSTR的反应速率,流入量=流出量+反应量+累积量,进口中已有A,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,物料平均停留时间对于等容过程，物料平均停留时间为,的求解（数值法）,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,的求解（图解法）,CSTRPFR，VCSTRVPFR,一般简单反应（生产任务相同）,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,5.1.3组合反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,德国Parr全自动组合式化学反应器-5000系列,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,多级平推流管式反应器,ConsiderNplugflowreactorconnectedinseries,andletx1,x2,xNbethefractionalconversionofcomponentAleavingreactor1,2,N.BasingthematerialbalanceonthefeedrateofAtothefirstreactor,wefindfortheithreactorfromEq.3.2-6,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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”。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,单釜体积（空时）大于多釜体积（空时）,多级全混流反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,多级全混流反应器的串联计算,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,1.解析计算,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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,由上式，第i级,式中,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,由式,将上述诸式相乘,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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,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,图上,由,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,等温、等容、各级体积相等情况的图解计算,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,（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。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,（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。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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、xAm1，使VR最小。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,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）a1，沿物料方向，各釜体积相等；（4）a0，反应速率于浓度无关，串联的反应总体积于单釜相等，串联操作无必要；（5）aCA,OPT,CSTRn2,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,5.1.6串连反应过程的优化,（1）选择率：,选择率随反应过程的进行不断降低，凡是使得CP增加和CA降低的因素对选择率不利；返混对选择率不利。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,（2）收率：,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,作图：,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,一级串连反应，；应采用PFR操作，即需限制返混的影响；采用分批和分段加料方式，使CA降低，从而提高选择率。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,5.2返混原因及限制返混措施,返混是不同时刻进入反应器内物料的混合，不同于一般意义上的混合；返混只针对连续化才出现的一种现象；间歇搅拌釜中不存在返混；理想管式反应器虽然连续化，但不存在返混；返混改变反应器内浓度分布，反应物浓度下降，产物浓度上升；返混是连续反应器的一种重要工程因素。,2020/5/27,化学反应工程/连续流动釜式反应器,（1）原因反应器内速度不均