全混流反应器ppt课件

1、3.4 全混流反响器全混流反响器 3、设计方程式的运用 4、分批式间歇釜式反响器和全混流CSTR反响器的比较3.5 多釜串联组合的全混流反响器多釜串联组合的全混流反响器2、多釜串联CSTR反响器的设计方法 解析法 图解法 1、全混流模型：CSTRContinuously Stirred Tank ReactorCSTR 又称理想混合流反响器或延续搅拌釜式反响器，进出物料的操作是延续的，可以单釜或多釜串联操作。特点：新颖物料瞬间混合均匀，存在不同停留时间的物料之间的混合，即返混。物料返混是延续操作反响器存在的景象，且逆向混合程度最大，逆向混合直接导致稀释效应最大。反响器内一切空间位置的物系性质是

2、均匀的，并且等于反响器出口处的物料性质，即反响器内物料的浓度与温度均一，且与出口物料温度、浓度一样。反响器内物系的一切参数，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。CA xA (或xA2)VRCA0 xA0=0(或xA1)v0FA0CAxA(或xA2)vFACSTR试问化学反响速率是固定不变的吗？为什么？ 2、 全混流反响器的设计方程式全混流反响器的设计方程式两点阐明：CSTR体系性质均一，不随时间而变，可就整个反响器进展物料衡算，而且单位时间可以任取。延续操作的物料累积量为零。根本衡算式：进入量-排出量-反响量=累积量对反响的A作物料衡算：进入量=FA0=v0C

3、A0排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA)反响量=-rAVRCA xA (或xA2)VRCA0 xA0=0(或xA1)v0FA0CAxA(或xA2)vFAFA0-FA0(1-xA) -rAVR=0或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -rAVR=0AAAAAARAAAARARrCCrxCvVrxCCvVFV0000000CSTRCSTR设计方程式设计方程式xA0=0 xA0=0的情况的情况 xA00 xA00呢？呢？可以导出以下式子xA00, 可以为原料中的可以为原料中的A已转化了已转化了xA1推导出的设计方程具有通用性推导过程： 物料衡算式FA0(1-xA1) -

4、FA0(1-xA2) -rAVR=0即：FA0(xA2-xA1) =-rAVRAAAAAAARAAAAARARrCCrxxCvVrxxCCvVFV02200120000或留意：FA0表示无产物基的A的摩尔流率，否那么无任何物理意义！为空时，是反响器的有效容积与进料流体的容积流速比值 反响工程中常用于表示时间概念的还有：反响时间t：反响物从进入反响器后从实践发生反响起到反响达某一程度如某转化率时所需的时间停留时间：它是指反响物从进入反响器的时辰算起到它们分开反响器的时辰为止在反响器内共停留的时间，对于分批式操作的釜式反响器与理想平推流反响器，反响时间等于停留时间，而对于存在返混的反响器，那么出口

5、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，其定义为反响器的有效容积与器内物料体积流速之比，即 。要留意区分上述三个工程上常用于表示时间的概念。 tvVt 全混流反响器设计方程关联的参数有：xA、(-rA)、VR、FA0 图解全混流反响器相关计算： 留意：上图中矩形可求出出口转化率xA或出口浓度为CA所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。 3、设计方程式的运用、设计方程式的运用零级反响 AP (-rA)=k )0:(:)(000000的等分子反应以上是注或或AAAAAAAAAAAARkCCCkxkCCkxCrxCvV)

6、1 ()1 ()()(:0000000AAAAAAAAAAAAAAAAAAxkxCCCkCCCCCCCx或将上式代入设计方程得若AAAAAxxCC110或一级反响 AP (-rA)=kCA 对于恣意A值 kCCkCCkkxkCCCxkxvVCCkCCCCxkxxrxCvVAAAAAAAAAARAAAAAAAAAAAAAAAR1111:)1 (0,)()()1 ()1 ()(000000000或这时可以认为是恒容过程对于液相反应 二级反响 AP (-rA)= 2AkC对于恣意A值： 202000200202200)1 (0)()()1 ()1 (AAAAAARAAAAAAAAAAAAAAAARk

7、CCCxkCxvVCCkCxCCxkCxxkCxCvV对于 n级反响 AAAnAAAAxCkCCCC000A=0时nAAAnAnAoARkCCCxkCxvV010)1 (例 题nAAkCr 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下进展缩聚反响消费醇酸树脂，实验测得该反响的速率方程式为：-rA=kCACB式中：-rA-以已二酸组分计的反响速率，kmol.L-1.min-1 k-反响速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0均为0.004kmol.L-1假设每天处置已二酸2400kg，转化

8、率为80%，试计算确定反响器的体积大小。 解：根据CSTR反响器的设计方程可知， 322020234. 772348 . 01004. 06097. 18 . 0171)1 ()1 (mLxkCvxVxkCxvVAAARAAAR而间歇反响器所需的体积仅为：2.16m3 请思索：为何间歇釜式反响器所需反响体积要小得多？4、分批式间歇釜式反响器和全混流、分批式间歇釜式反响器和全混流CSTR反响器的反响器的比较：比较：对于反响级数n0的反响:分批式：一次性投料，反响体系A的浓度由CA0逐渐降至CA(排料时A的浓度，反响速率随 t 减小;全混流CSTR：A的浓度由CA0瞬间降至反响器出口浓度CA，故全

9、混流反响器不断在相当于出口浓度的低反响速率下进展，相当于图中B点速率下进展。 分批式反响器所需反响时间： 0AACCAArdCt全混流反响器所需空时： = 面积CA0DBCA= ACAAAAAArCCBCCC00全混流反响器的容积效率： 0 . 10的面积矩形曲线下阴影部分面积AADBCCABt对于0级反响，=1，其物理意义是什么？请思索！ 阐明容积效率可以用时间比空时的缘由对于n0的不可逆反响，CSTR的容积效率均小于1，这是由于“返混呵斥的稀释效应使全混流的反响器的容积效率小于1，也就是说全混流反响器的有效容积将是分批式反响器的1/倍，但要留意分批式操作的非消费性时间t0在计算时并没有思索

10、，假设思索之，那么=t+t0/，有能够=t /小于1的情况，而=t+t0/大于1，这是完全能够的。见陈甘棠教材P54例3-3-1。 1、多釜串联、多釜串联CSTR反响器的特点反响器的特点假设由几个串联的全混流反响器来进展原来由一个全混流反响器进展的反响，那么除了最后一个反响器外，一切其它反响器都在比原来高的反响物浓度下进展反响，这势必减少了混协作用所产生的释稀效应使过程的推进力得以提高。表如今： 假设两者的起始和最终浓度及温度条件一样，那么意味着消费强度可以得到提高因平均反响速度提高了； 假设多釜与单釜具有一样的消费才干和转化率，多釜串联的反响器总容积必定小于单釜。串联级数越多，所需体积愈小，

11、过程愈接近活塞流PFR和分批式反响器。 多釜串联反响器的设计方法多釜串联反响器的设计方法 解析法： 12iN设每个反响器的空时为i，那么总空时为： Nii对恣意i釜A组分的物料衡算恒容系统：AiiAiAiirCCvV,1,0将详细的速率方程代入上式，从第一釜开场逐釜计算下去。 化学反响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级不可逆反响： niAnAiiAiAniAiiAiAiixCkxxCkCCvV,101,1,01假设n=1，那么： iiiAiAkCC111,将串联的N釜设计方程左右分别相乘得： NNiiANAkkkkCC1111122110,jijiTTVV该式前面已推

12、导过！该式前面已推导过！constkkjijiNiNANiANAkxkCC111:11,0,或总容积为：V=NVi=Niv0例例 题题例题8 在两釜串联的全混流反响器中，用已二酸和已二醇消费醇酸树脂，在第一釜中已二酸的转化率为60%，第二釜中它的转化率到达80%，反响条件和产量如下：速率方程式：-rA=kCACB式中： -rA-以已二酸组分计的反响速率，kmol.L-1.min-1 k-反响速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L-1 假设每天处置已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反响器的总体积大小。解：反响速率

13、方程可转化为：(-rA)=第一釜有效容积的计算 由操作方程知： 2AkCLVhLCFvvxkCxvVxkCxxkCxCrCCvVRAAAAARAAAAAAAAAAR1360606 . 01004. 097. 16 . 0171/171004. 0146242400)1 ()1 ()1 ()(2100021010121012101000LxkCxxvVAAAAR1810608 . 01004. 097. 1)6 . 08 . 0(171)1 (:22201201由操作方程得第二釜的有效容积也是总有效容积：VR=VR1+VR2=3170L。很明显，到达一样转化率时，两釜串联的有效容积要比很明显，到

14、达一样转化率时，两釜串联的有效容积要比单釜单釜7230L7230L的要小得多，为什么？请思索！的要小得多，为什么？请思索！ 例题9：见陈甘棠教材P62例3-4-1全混釜与间歇釜的比较 图解法图解法 先来看看解析法求解一个反响级数n1的情况从第一釜开场不断计算到第N釜，每次必需解下面的n次方程，非常不便！niAnAiiAiAniAiiAiAiixCkxxCkCCvV,101,1,01假设从第N釜出口所要求的最终浓度CAN来计算CAN-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，这种计算方法可以运用图解法。 计算步骤： 假设为等温恒容反响，且反响

15、器的各釜容积相等，那么设计方程可改写为： 1,0,0)(iAAiAAiAxCxCr上式阐明： 假设第i釜的进口转化率xA,i-1一定时， 其出口转化率xAi与(-rA)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，假设将上两关系绘于 xA (-rA) 坐标系中，那么两条线的交点所对应的 xA 值即为该釜的出口转化率。 0AC1,0iAAxC此即物料衡算式设计方法详细步骤如下：根据动力学方程式或实验数据作出xA(-rA)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xA1。 1,0,0)(iAAiAAiAxCxCr因各

16、釜体积相等，所以空时也相等，那么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xA1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xA2。 依此类推，不断到第N釜出口转化率xA,N等于或大于所要求的转化率xAf为止。那么所得斜线数目即为反响器釜数。 xA-rAONMP1P2P3P4xA1xA2xA3xA4xA-(-rA)动力学线动力学线第二釜物料衡算线第二釜物料衡算线斜率：斜率：CA0/xAf假设给定釜数，可以用此法作图，最后直接读出串联反响器中A的最终出口转化率xAN。 假设知釜数N和最终的出口转化率xAN, 可以用试差法确定反响器的总有效容积或体积流量v

17、。即假定不断线的斜率，从开场作图，如最后一釜的出口转化率与要求的不符，那么另假设一斜率，直到符合为止，然后求出直线的斜率，进而求出，及VR或v。 假设串联的各釜体积不等，那么斜率亦不同，但也可采用此法进展计算最终出口转化率。 注： 优点：xA(-rA)可以由动力学方程式直接绘出MN，也可由实验数据描出MN，对于非一级反响，均可不用较繁锁的解析法，而采用图解法。 缺陷：只需当反响的速率方程能用单一组分的浓度来表示时才干画出xA(-rA)曲线，因此才干用图解法。对于平行、连串等复杂反响，此法不适用。 图解法的变种：图解法的变种： 假设把第i釜的物料衡算式可写成： 1,1,11iAiAiiAiAii

18、ACCCCr根据反响动力学方程式绘出动力学线CA(-rA)； 从CA0开场，按以下图所示方向逐个求得CA0、 CA1 CAN，直到CAN满足要求。注假设体积不相等，那么引斜线的斜率是不一样的。为什么？ -rAOP1P2P3P4CA0CA-(-rA)动力学线第1釜物料衡算线斜率：-1/ CACA1CA2CA3CA4原理方法是一样的，还是不适宜于复合反响场所。 CAf例题10 由例2所给的数据，用图解法确定四釜串联反响器中用已二酸和已二醇消费醇酸树脂所需反响器的有效体积。 速率方程式：-rA=kCACB式中： -rA-以已二酸组分计的反响速率，kmol.L-1.min-1 k-反响速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L-1 假设每天处置已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反响器的总体积大小。解： 先画出动力学曲线 由动力学方程可知：hLkmolxxxkCkCCkCrAAAAABAA./11089. 11004. 06097. 1123222202列表： XA00.10.20.30.40.50.60.70.80.9(-rA)10-31.891.531.210.93