化学反应工程_连续流动釜式反应器讲解
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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”。
一、多级全混流反应器的浓度特征
设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
N A0
NA
(rA ) f VR
0
V0CA0 V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR
VR
V0cA0 xAf (rA ) f
VR V0
(cA0 cAf ) cA0 xAf
(rA ) f
(rA ) f
VR
V0cA0 xAf (rA ) f
两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜 维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；
在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度 下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串 联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应 物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时 间或反应器体积就越小。
将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反 应器。
CA0
xA1
xA2
xAi-1
xAi
V0
CA1 V0
CA2 V0
CAi-1 V0
CAi V0
xAm CAm
V0
VR1
VR2
VRi-1
VRi
VRm
二、多级全混流反应器的计算
1. 解析计算 多级全混流反应器串联操作如上图所示。 设：稳定状态，等温，等容。 对第i级作A的物料衡算，则有
0
N A ' N A0 (1 xA0 )
N A N A0 (1 xAf )
V0CA0 (1 xA0 ) V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR 0
VR
V0CA0 (xAf (rA ) f
xA0 )
式中 rA
kC
n A
； 由式（1－13）:CA
N A0 (1 xA )
V0 (1 A yA0 xA )
2. 一级不可逆等容单一反应 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。
第i级
VRi
V0 (CAi1 CAi ) rAi
式中 rAi kCAi
上式可化为
k i
(CAi1 CAi ) C Ai
CAi 1
CAi1 1 k i
式中
i
VRi V0
(3 29)
上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等 温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。
2.物料平均停留时间τ
VR
对于等容过程，物料平均停留时间为
V0CA0 xAf (rA ) f
VR
V0
xAf
CA0 CAf CA0
CA0 xAf CA0 CAf
(rA ) f
(rA ) f
(3 24)
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
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。
多级全混釜的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最 终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流 反应器和全混流反应器的浓度推动力。 由图示，显然有，ΔCA平>ΔCA全 平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器 中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于 全混流反应器体积。
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
V0CA0 (1 xAi1) V0CA0 (1 xAi ) rAiVRi
或
VRi
V0CA0 (xAi rAi
xAi 1 )
VRi
Fra Baidu bibliotek
V0 (CAi1 CAi ) rAi
多级全混流反应器的级数一般为2－3级，所以可以按上
式从第1级开始逐级计算。根据不同的已知条件计算反应器
体积，级数或者最终转化率。
CAi 1
CAi1 1 k i
i 1 i2
CA1 1
CA0 1 k1
CA2 1
CA1 1 k 2
第三章第三节连续流动釜式反应器
连续流动釜式反应器--全混流反应器
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。
一、全混流反应器的特点 1. 反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于
浓度分布 ------ 推动力
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
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。
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
全混流反应器在出口条件下操作，当 出口浓度较低时，整个反应器处于低 反应速率状态。
若 xA0 0 ,则由物料衡算方程
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
NA '
NA
(rA ) f VR
ΔCA多=(CA1－CA*)1+(CA2－CA*)2+(CA3－CA*)3+(CA4－CA*)4 显然ΔCA平>ΔCA多>ΔCA全 当级数为∞，则ΔCA平＝ΔCA多
CA0
CA1
CA2
CA3
CA4
CA0 CA1
CA2 CA3 CA4
CA*
解释说明
将一个容积为VR的全混釜以N个容积为VR/N的全混 釜来代替，如果两者的起始与终止状态具有相同 的温度、浓度，则单釜操作时全部反应过程都维 持在最终浓度CAf下进行，反应速度最慢；
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”。
一、多级全混流反应器的浓度特征
设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
N A0
NA
(rA ) f VR
0
V0CA0 V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR
VR
V0cA0 xAf (rA ) f
VR V0
(cA0 cAf ) cA0 xAf
(rA ) f
(rA ) f
VR
V0cA0 xAf (rA ) f
两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜 维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；
在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度 下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串 联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应 物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时 间或反应器体积就越小。
将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反 应器。
CA0
xA1
xA2
xAi-1
xAi
V0
CA1 V0
CA2 V0
CAi-1 V0
CAi V0
xAm CAm
V0
VR1
VR2
VRi-1
VRi
VRm
二、多级全混流反应器的计算
1. 解析计算 多级全混流反应器串联操作如上图所示。 设：稳定状态，等温，等容。 对第i级作A的物料衡算，则有
0
N A ' N A0 (1 xA0 )
N A N A0 (1 xAf )
V0CA0 (1 xA0 ) V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR 0
VR
V0CA0 (xAf (rA ) f
xA0 )
式中 rA
kC
n A
； 由式（1－13）:CA
N A0 (1 xA )
V0 (1 A yA0 xA )
2. 一级不可逆等容单一反应 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。
第i级
VRi
V0 (CAi1 CAi ) rAi
式中 rAi kCAi
上式可化为
k i
(CAi1 CAi ) C Ai
CAi 1
CAi1 1 k i
式中
i
VRi V0
(3 29)
上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等 温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。
2.物料平均停留时间τ
VR
对于等容过程，物料平均停留时间为
V0CA0 xAf (rA ) f
VR
V0
xAf
CA0 CAf CA0
CA0 xAf CA0 CAf
(rA ) f
(rA ) f
(3 24)
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
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。
多级全混釜的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最 终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流 反应器和全混流反应器的浓度推动力。 由图示，显然有，ΔCA平>ΔCA全 平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器 中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于 全混流反应器体积。
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
V0CA0 (1 xAi1) V0CA0 (1 xAi ) rAiVRi
或
VRi
V0CA0 (xAi rAi
xAi 1 )
VRi
Fra Baidu bibliotek
V0 (CAi1 CAi ) rAi
多级全混流反应器的级数一般为2－3级，所以可以按上
式从第1级开始逐级计算。根据不同的已知条件计算反应器
体积，级数或者最终转化率。
CAi 1
CAi1 1 k i
i 1 i2
CA1 1
CA0 1 k1
CA2 1
CA1 1 k 2
第三章第三节连续流动釜式反应器
连续流动釜式反应器--全混流反应器
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。
一、全混流反应器的特点 1. 反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于
浓度分布 ------ 推动力
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
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。
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
全混流反应器在出口条件下操作，当 出口浓度较低时，整个反应器处于低 反应速率状态。
若 xA0 0 ,则由物料衡算方程
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
NA '
NA
(rA ) f VR
ΔCA多=(CA1－CA*)1+(CA2－CA*)2+(CA3－CA*)3+(CA4－CA*)4 显然ΔCA平>ΔCA多>ΔCA全 当级数为∞，则ΔCA平＝ΔCA多
CA0
CA1
CA2
CA3
CA4
CA0 CA1
CA2 CA3 CA4
CA*
解释说明
将一个容积为VR的全混釜以N个容积为VR/N的全混 釜来代替，如果两者的起始与终止状态具有相同 的温度、浓度，则单釜操作时全部反应过程都维 持在最终浓度CAf下进行，反应速度最慢；