第2章 理想反应器

1、第2章 理想反应器,Chapter 2 Ideal Reactors,反应器的操作,间歇操作：不存在流动问题，物料浓度随时间变化。,连续操作：,稳态流动,非稳态流动,存在流动问题,稳态流动：,物料在同一空间位置各质点的流量、浓度和温度等不随时间而变。,2.1 概述,理想流动模型,非理想流动模型,理想反应器,非理想反应器,根据返混程度的不同,返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合,1. 理想流动模型,（1）平推流（Plug flow）,基本假设：在流动方向上，轴向不存在混合和无扩散效应，在径向达到完全混合。即径向流速均一、温度均一、浓度均一。,（2）全混流（Mixed flow/

2、Perfect mixing）,基本假设：反应器有效容积中任意点处的组成、温度、浓度等状态完全相同；出口物料的各种状态与反应器中相应的状态相同。,2. 理想反应器的分析与设计原理,“三传”：质量传递、热量传递、动量传递,物料衡算方程,热量衡算方程（热量平衡）,动量衡算方程（动量平衡）,物料衡算所针对的具体体系称体积元。 体积元有确定的边界，由这些边界围住的体积称为系统体积。 在这个体积元中，物料温度、浓度必须是均匀的。 在满足这个条件的前提下尽可能使这个体积元体积更大。 在这个体积元中对关键组分A进行物料衡算。,衡算范围的选择,2.2 间歇搅拌釜式反应器（BR）,反应物料一次投入反应器内，在反

3、应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。,间歇反应器的特点：,反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同； 所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象； 出料组成与反应器内物料的最终组成相同； 为间歇操作，有辅助生产时间。一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。,反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积Vr作为衡算体系。在单位时间内，对组分A作物料衡算：,2.2.1 等温间歇反应器及体积的计算,整理得

4、 当进口转化率为0时，分离变量并积分得 为间歇反应器设计计算的通式。它表达了 在一定操作条件下，为达到所要求的转化 率xA所需的反应时间t。,在恒容条件下， 上式可简化为： 间歇反应器内为达到一定转化率所需反应 时间 t，只是动力学方程式的直接积分， 与反应器大小及物料投入量无关。,反应体积,t 为反应时间：装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间。计算关键,t0 为辅助时间：装料、卸料、清洗所需时间之和。 经验给定,反应器的体积,对于沸腾或起泡沫的液体物料，可取0.4-0.6,对于不起泡或不沸腾的液体，可取0.7-0.85,：设计系数，一般取11.15。,m：反应器个数。,2.3

5、连续搅拌釜式反应器（CSTR）,2.3.1 等温单级CSTR,连续搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。,全混流反应器，简称MFR。,全混流反应器的特性,物料在反应器内充分返混； 反应器内各处物料参数均一； 反应器的出口组成与器内物料组成相同； 连续、稳定流动，是一定态过程。,全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积Vr为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。,设计计算,输入的量=输出的量+反应消耗掉的量+累积量,整理得到： 恒容条件下又可以简化为：,定义空时,代表反应器处理物料的能力,变小，处理能力变大,对

6、于均相反应：,（体积空速）,空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。,2.3.2 等温多级CSTR串联, 正常动力学,单釜,两釜串联,1.图解分析,反常动力学,正常动力学，转化速率 随XA增加而降低。 多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。,对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。 (但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）,反常动力学，转化速率 随XA增加而增加。 单釜的反应体积小于串联釜的总体积。, 小结,1.流程,2.3.3 等温多级CSTR串联的计算,2. 多釜串联反应器的总容积,1）解析法,以一级不可逆反应为例，对于恒容系统，任

7、意第i个反应 器有：,即：,N个反应器的总容积:,2）图解法,2.3.4 串联釜式反应器体积优化,对于第i个反应器，有：,反应流体在N个串联全混流反应器的总的空时：,得：,满足总容积最小的条件,对于一级不可逆反应：,可得：,对于非一级反应，需求解非线性代数方程组得各釜出口转化率，然后再计算反应体积，或用图解法确定各釜出口转化率。,结论：,总反应体积最小的条件：,反应物流流动方向，各釜的体积依次增大，即小 釜在前，大釜在后。,1时:,各釜反应体积依次减小。,01时:,=1时:,各釜体积相等。,=0时 :,串联釜式反应器的总反应体积与单一釜式反应器的反应体积相等，串联操作无必要。,单釜操作优于串联

8、操作。,0时:,2.3.5 等温多级CSTR并联,并联的釜式反应器,XAf与Q01,Q02, XAf1, XAf2有关,多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，应当遵循的条件是每一个全混流反应器的空时必须相等。即：,2.3.6 非等温CSTR,设计方程：,热量衡算：（找出T与XA的关系）,对绝热反应，有,：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。,1.连续釜式反应器的热量衡算式,定态操作热量衡算式为：,对绝热反应，有,：绝热温升，表示当反应物A全部转化时物系温度的变化。,2.4 连续搅拌釜式反应器的定态操作,2.连续釜式反应器的定态热稳定性,定态下操作的连续釜式反

9、应器，其操作温度和所达到的转化率应满足物料及热量衡算式。,物料衡算式：,热量衡算式：,Ta,Tb,Tc,Td,Te,2.连续釜式反应器的定态热稳定性,2.5 管式反应器（PFR）,进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量, 单一反应 A Single Reaction,2.5.1 等温管式反应器（PFR）,等容过程的表达式？,恒容：,根据空时的定义 对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停留时间,对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均停留时间？,问题？,2.5.2 PFR的串联和并联,PFR的串联操作,在相同空时下，两个PFR串联和单一的PFR性能是相同的。（为什么？）,PFR的并联

10、操作,多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，应当遵循的条件是每一个全混流反应器的空时必须相等。即：,2.5.3循环操作的平推流反应器（循环反应器）,循环反应器的基本假设： 反应器内为理想活塞流流动； 管线内不发生化学反应； 整个体系处于定常态操作。,对M点作A的物料衡算,可得：,循环操作的平推流反应器的设计方程：,即：,时：,时,平推流反应器,全混流反应器,当0E2时，E1-E20，随着温度的上升，选择性SR上升，可见高温有利于提高瞬时选择性；当E1b2时，升高浓度，使选择性增加，若要维持较高的cA、cB，则应选择平推流反应器、间歇反应器或多釜串联反应器,例2-2 有一分

11、解反应 其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-3，cP0=cS0=0，体积流速为5m3h-1，求转化率为90时： (1)全混流反应器出口目的产物P的浓度及所需全混流反应器的体积。 (2)若采用平推流反应器，其出口cP为多少?所需反应器体积为多少? (3)若采用两釜串联，最佳出口cP为多少?相应反应器体积为多少?,(1)全混流反应器 全混流反应器平均选择性等于瞬间选择性,(2)平推流反应器,(3)两个全混釜串联 为使cP最大，求 ， 得cA1=1.91kmolm-3,连串反应特性与反应器选型,连串反应是指反应产物能进一步反应成其它副产物的过程。 作为讨

12、论的例子，考虑下面最简单型式的连串反应(在等温、恒容下的基元反应)： 在该反应过程中，目的产物为P，若目的产物为S则该反应过程可视为非基元的简单反应。,三个组分的生成速率为： 设开始时各组分的浓度为cA0，cP0=cS0=0，则由第一式积分得：,将此结果代入第二式得： 为一阶线性常微分方程，其解为： 由于总摩尔数没有变化，所以 cA0=cA+cP+cS,若k2k1时， 若k1k2时， 组分A、P、S随时间的变化关系以浓度-时间标绘得图,中间产物P浓度的最大值及其位置 由前面式子可以求出： 为了提高目的产物的收率，应尽可能使k1/k2比值增加，使cA浓度增加，cP浓度降低。 反应速率常数k与浓度

13、无关，只有改变温度能够影响k1/k2。,对连串反应 瞬时选择性定义为： 如果是一级反应且 a=p=1,当生成中间产物的活化能E1大于进一步生成副产物活化能E2(即E1E2)时，升高温度对生成中间目的产物是有利。当生成中间产物的活化能E1小于生成副产物活化能E2(即E1E2)时，降低温度对生成中间目的产物是有利。与平行反应一致。,提高cA浓度，降低cP浓度，有利于提高瞬间选择性，显然平推流反应器(或间歇反应器)比全混流反应器易满足这一条件，应选用平推流反应器。,全混流反应器的计算(计算最佳空间时间op和相应的cPmax值)。 以最简单一级反应为例： 在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0 在恒容过程中，在CSTR中对A作物料衡算：,对P作物料衡算： 当时 ，cP值最大，为最佳值op。,op为反应速率常数的几何平均值的倒数。,平推流反应器的计算。仍讨论这一典型的一级恒容反应过程。在平推流反应器中，任取一微元体，对A组分进行物料衡算：,同样对组分P进行物料衡算：,下面针对不同情况确定积分常数。 情况1：当kl=