化学反应工程 第3章 釜式及均相管式反应器2

第三章釜式及均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型

二、多级全混釜的串联及优化

1.多级全混釜的浓度特征

2.多级全混釜串联的计算

3.多级全混釜串联的优化三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念

2.全混流反应器的多态

3.物料进口温度和进料流量对全混釜热

稳定性的影响和“起燃”与“熄火”

4.最大允许温差

5.单一可逆放热反应一、多级混流反应器的浓度特征

二、多级全混釜的串联及优化

二、多级全混釜的串联及优化

1.多级全混釜的浓度特征0StirredTankCascadeCA0CAfCAxposition32145CA*CA1CA2CA3CA4二、多级全混釜的串联及优化

2.多级全混釜串联的计算

1.解析计算VR1CA1CAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0CAiCAi-1CA2CA1CAi-1CAiVRiCAi二、多级全混釜的串联及优化

2.多级全混釜串联的计算

设计型计算和操作型计算一级不可逆反应二、多级全混釜的串联及优化

2.多级全混釜串联的计算

因为等比数列二、多级全混釜的串联及优化

2.多级全混釜串联的计算工业上，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

二、多级全混釜的串联及优化3.多级全混釜串联的优化1.解析计算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：

二、多级全混釜的串联及优化3.多级全混釜串联的优化-1/CA0CArAf(CA)图解法原理如何求出CA1？CA12.图解计算GraphicalConstructionforaCSTR-Cascade等温、等体积情况的图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3f(CA)第三章釜式及均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型二、多级全混釜的串联及优化

1.多级全混釜的浓度特征

2.多级全混釜串联的计算

3.多级全混釜串联的优化

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，x1，x2……xm-1共m-1个变量是设计时可以变动的。优化问题是：当这m-1个变量取何值时，VR达到其最小值。

二、多级全混釜的串联及优化3.多级全混釜串联的优化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)

二、多级全混釜的串联及优化3.多级全混釜串联的优化解一级不可逆反应的优化例子两边同时乘以V0/k

二、多级全混釜的串联及优化3.多级全混釜串联的优化例：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12000kg，其化学反应式为原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等温操作，其反应速率方程为已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时，所需的反应总体积。（1）两只CSTR体积相等，（2）优化的情况。解：前已求得其中：a=2.61

b=－5.15

c=0.6575

k=4.76×10-4L/（mol·min），

（1）设第一釜转化率为xA1，根据题设：τ1＝τ2可解得：xA1=0.2264（已经舍去了不合理值）代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3于是，总反应体积VR＝12.072m3（2）优化的情况令解得：xA1=0.2191(已舍去不合理值）代入，可求得VR1＝5.390m3

VR2＝5.487m3故反应总体积为VR＝10.88m3例题中五种反应器体积比较BSTR：VR＝12.68m3PFR：VR＝8.227m3CSTR：VR＝14.68m3CSTR+CSTR（相等体积）:VR＝12.07m3CSTR+CSTR（最优体积）:VR＝10.88m3第三章釜式及均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器一、

连续流动釜式反应器的特征及数学模型二、多级全混釜的串联及优化

1.多级全混釜的浓度特征

2.多级全混釜串联的计算

3.多级全混釜串联的优化

三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念

2.全混流反应器的多态

3.物料进口温度和进料流量对全混釜热

稳定性的影响和“起燃”与“熄火”

4.最大允许温差

5.单一可逆放热反应三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念

2.全混流反应器的多态

3.物料进口温度和进料流量对全混釜热

稳定性的影响和“起燃”与“熄火”

4.最大允许温差

5.单一可逆放热反应三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念反应器的反应过程和传热过程相互之问有关联作用。对放热反应，当某些外界因素使得反应温度升高时，一般反应速率随之加快，然而反应速率增加愈大，反应放热速率也愈大。这就使反应温度进一步上升，因而就可能出现恶性循环。反应温度上升反应速率加快反应放热速率增大三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念一种情况是反应温度自动返回原来的平衡状态，此时称该反应器是热稳定的，有自衡能力；另一种是该温度继续变动直到另一个平衡状态为止，则称此反应器是不稳定的，无自衡能力。当短暂的扰动使反应器温度发生微波的变化之后——三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念热平衡性要求：放热速率＝移热速率热稳定性要求：？？？？对传热温差有所要求三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念稳定性问题是研究未被扰动的状态与被扰动的状态之间的相互关系。在现实世界中，任何系统总会受着各种各样的干扰作用，这种作用常常使系统偏离开它原来给定的运动状态，因而有必要研究这种作用对原来给定运动的影响。平衡状态是运动的最简单的情况，从以下可以看出，运动的稳定性问题，就数学的表达式来说，又可以归结为平衡的稳定性问题。为了引入平衡状态的稳定性概念，我们先来看下面两个例子三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念干扰因素对于系统的影响因不同的系统特性而异。对于一些系统，这种影响并不显著．因而受干扰的与不受干扰的系统相差很小。反之，对于某些系统，干扰的影响可能就很显著，以致于无论干扰的力多么小，受干扰的系统与不受干扰的系统相差就很大。第一类系统称为是稳定的，第二类系统称为是不稳定的。稼定性理论就是从事于建立一些准则，借以判断所考察的系统是稳定的还是不稳定的。因为在实际情况下干扰因素总是不可避免的存在着，因此运动稳定的问题具有重要的理论和实际意义。三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念全混流反应器的热稳定性问题；催化剂颗粒的热稳定性问题；固定床反应器的热稳定性问题；反应器的自律振荡和强近振荡。三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念托里拆利（EvangelistaTorricelli）1608年10月15日－1647年10月25日亚历山大·李亚普诺夫

АлександрМихайловичЛяпунов出生1857年6月6日

莫斯科,雅罗斯拉夫尔逝世1918年11月3日（61岁）

敖德萨研究领域应用数学、物理学任职于圣彼得堡大学

俄罗斯科学院

哈尔科夫大学母校圣彼得堡大学博士导师巴夫尼提·列波维奇·切比雪夫著名成就李亚普诺夫函数彼得堡学派

（Petersburg

school）俄国圣彼得堡（原苏联列宁格勒）19世纪下半叶至20世纪初兴起的数学学派。以切比雪夫、马尔可夫、李亚普诺夫等人为代表，主要特征是数学理论紧密与实际相结合，在应用数学中做出较大贡献。三、全混流反应器的热稳定性

1.热稳定性和参数灵敏性的概念

2.全混流反应器的多态

3.物料进口温度和进料流量对全混釜热

稳定性的影响和“起燃”与“熄火”

4.最大允许温差

5.单一可逆放热反应三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态以一级不可逆放热反应为例。稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率TQ三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态以一级不可逆放热反应为例。稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率TQT0TQT0三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率放热线与移热线有多个交点，称为“多态”TQT0三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率放热线与移热线有多个交点，称为“多态”TQT0三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率放热线与移热线有多个交点，称为“多态”TQT0三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率放热线与移热线有多个交点，称为“多态”TQT0三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率放热线与移热线有多个交点，称为“多态”三、全混流反应器的热稳定性

2.全混流反应器的多态稳态操作：反应器中的放热速率=反应器的移热速率放热线与移热线有多个交点，称为“多态”三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”热稳定的状态点：1、2、3、7、8、9热自衡能力的状态点：1、2、3、7、8、9三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”起燃（1）改变物料进口温度三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”起燃（1）改变物料进口温度三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”起燃（1）改变物料进口温度三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”熄火：（1）改变物料进口温度三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”熄火：（1）改变物料进口温度三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”熄火：（1）改变物料进口温度三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”熄火：（2）改变进料流量三、全混流反应器的热稳定性3.物料进口温度和进料流量对全混釜热稳定性的影响和“起燃”与“熄火”三、全混流反应器的热稳定性

4.最大允许温差热稳定的要求，对全混流反应器的设计提出了一个限制。第三章釜式及均相管式反应器第四节理想流动反应器的体积比较第五节多重反应的选择率一、平行反应二、连串反应第三章釜式及均相管式反应器第六节半间歇釜式反应器一、

半间歇釜式反应器的特征二、半间歇釜式反应器的数学模型第七节釜式反应器中进行的多相反应一、釜式反应器中进行的液-液非均相反应二、釜式反应器中进行的液-固非均相反应三、釜式反应器中进行的气-液相络合催化反应

1.液相络合催化

2.甲醇液相络合催化羰基合成乙酸装置技术

改造案例各类理想反应器（组合）的内在统一性第四节理想流动反应器的体积比较单一反应动力学：“正常”动力学，“反常”动力学，带有最大值的动力学。不同的动力学结论不同，甚至截然相反。

1/rA

FPR

1/rA

CSTR

CSTRCASCADE

1/rAxAxAxA二、理想流动反应器的体积比较若干重要影响因素：（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。1－6解题提示：根据题给的表面反应机理，活性中心只被丁烯和丁二烯占据，而氢气则没有占据活性中心，因此：空位率（θ0）＝1－丁烯占有率－丁二烯占有率所以，加式中只有两项。此外，反应控制时，速率方程应该写成：作业订正1－4：复合反应。此题最佳温度指选择率最大时的温度。反应速率常数关于活化能有两个基本结论：一，活化能越高，反应速率越低。二，活化能越高，对温度的变化越敏感。现在E2<E1<E3可见，升高温度有利于第三个反应，而降低温度有利于第二个反应。或者：求（k2+k3)/k1的最小值，可使用求驻点的数学方法，最后导出所需证明的关系式。第三章釜式及均相管式反应器第五节多重反应的选择率一、平行反应二、连串反应第五节多重反应的选择率选择性的要求往往比速率要求更重要。一、平行反应瞬时选择率：关键组分反应物的总反应速率中向主产物转化的分率。对比速率abx

第五节多重反应的选择率（1）选择率的温度效应E1>E2T升高→选择率增大E1<E2T降低→选择率增大E1=E2选择率与温度无关升高温度，对活化能高的反应有利降低温度，对活化能低的反应有利第五节多重反应的选择率（2）选择率的浓度效应n1>n2CA升高→选择率增大n1<n2CA降低→选择率增大n1=n2选择率与CA无关设置较高的CA：PFR（BR）；高浓度的原料；较低的转化率。设置较低的CA：CSTR；低浓度原料（或稀释，或物料循环）；较高的转化率（3）平行反应加料方式