反应工程第三章ppt课件

CAf
CA1 1kVR
,CA1
CA0 1kVR
V0
V0
C A,b f 1 C kA 1 V R(1 C kA V 0R)2(1 C k A 0)2
V 0
V 0
(c)为平推流反应器与全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为
CAf
CA1 1kVR
,CA1
kVR
CA0e V0
V0
CAf,C1C kA1 VR
但是一个是稳定的，另一个是不稳定的。可见，平衡和稳定
是两个不同的概念。平衡不等于稳定。平衡有两种：稳定的
平衡和不稳定的平衡。
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一般来说，热稳定性条件要比热平衡条件苛刻得多。热 平衡条件只要求放热速率等于移热速率，因此可以采用很大 的传热温差，以减少必需的传热面，从而简化了反应器的结 构；而热稳定性条件则给传热温盖以限制，要求传热温差小 于某个规定值，因而增加了所需的传热面积，使反应器结构 复杂化。热稳定性问题，严格地说属于动态问题。
应，两种组合最终转化
率不相同，在本题条件
下，平推流在前优于全
混流在前。
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3.4.2 理想流动反应器的体积比较
如果在这些理想反应器中进 行相同的反应，采用相同的 进料流量与进料浓度，反应 温度与最终反应率也相同。 这几种反应器所需的体积是 否相同呢?
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(1) 间歇反应器与平推流反应器体积比较 如果间歇反应器与平推流反应器中进行相同的反应，
kVR
CA0e V0 1kVR
CA0ek 1k
V 最新版整理ppt 0
V0
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(d)为全混流反应器与平推流反应器串联，第二反应器出口浓度为
kVR
CAf,dCA1e V0
kVR
CA0e V0 1kVR
CA0ek 1k
V0
(e)为两个平推流反应器并联。每只平推流反应器的出口 浓度即为混合后的出口浓度
QR(QC)
QC
QR
N
P
QR曲线与QC直线的交点处 QR =QC
放热速率=移热速率，达到了热平 衡，就是系统的操作点。并且这 种交点随操作参数不同有可能是 多个，这种有多个交点的现象称 为反应器的多态。 最新版整理ppt
M TM
T
TP
TN
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多态操作点的特征
M点：
当有扰动使T略大于
TM时(dT＞0)，移热速率大 Q 于放热速率，体系温度
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1）全混流反应器的多态
自热过程：化工生产中的放热过程，通常
利用反应热加热原料，以达到反应所要求
V m3/s
的温度，这种过程称为自热过程。
热稳定性：是指定态的抗干扰能力，当外
界条件有一个小的扰动时，能否仍然达到
自热要求。
干扰
hh
t
对反应器的要求：
能自热平衡，维持反
应在恒温下进行，当外部
环境发生变化时，能保持
为了使反应器操作稳定，应使用尽可能大的传 热面积，和尽可能小的传热温差等。至于釜式反应 器，如果调节手段适当，不一定非要在稳定的定态 下操作。
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3.4 理想流动反应器的组合与比较 3.4.1 理想流动反应器组合 连接方式：串联、并联 反应器类型：平推流、全混流 串联：前后顺序 共有七种组合
P
于放热速率，体系温度继
续下降，直至到M点。
M
TM
TP
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Qr QG
N
T TN
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N点：
当有扰动使T略大于TN 时(dT＞0)，移热速率大于
Q
放热速率，体系温度下降
，自动恢复到N点。
当有扰动使T略小于TN
P
(dT＜0)时，，移热速率小
于放热速率，体系温度上 M
升，自动恢复到N点。
TM
TP
QR
N
T TN
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2）操作参数对热稳定性的影响
随着操作条件的改变，定
态温度也随之而变。图3.15为
进料温度T0与定态温度T的关系 示意图。 当进料温度从T1慢慢 地增加至T5时，定态温度的变 化如图中曲线12489所示。注意
的是曲线在点4处是不连续的，
定态温度突然增高，这一点称
为着火点；再继续提高进料温
（2）e与f等效，两个平推流反应器串联和并联时结果相同，与 连接方式无关。
（3）CAf：a>b>c=d>e=f
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(4)xAf:f=e>d=c>b>a
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例题3-4：等体积的平推流与全混流反应器串联， 在等温条件下进行二级不可逆反应，反应速率
C A,e fC A0ekV V 0R 2C A0e2kV V R 0 C A0e2k
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(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为
C A,ffC A 1ekV V R 0C A0e2kV V R 0C A0e2k
(g)为平推流与全混流反应器并联
cAf,g0.5cA0e2kt 1cA 20k
讨论
（1） VRM 大于VRP
（2）
xAf
VRM VRP
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(3) 平推流反应器与多级串联全混流反应器体积比较 多级全混流反应器串联操作可以减小返混，提高推动
力，缩小与平推流反应器的体积差别。
A、对一级不可逆反应
等体积的多级全混流反应器串联，设VRP与VRM分别表 示平推流与多级串联全混流反应器的反应体积，两者之
热稳定性。
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（1）全混流反应器的定态基本方程 条件：一级不可逆反应；反应过程中体积不变 A、放热速率
QR VR(rA)f (HR) VRk CAf (HR)
V0CA0 V0CAf VRk CAf
CAf
V0CA0 V0 VRk
CA0
1 km
QR
CA0VRk(HR)
1 km
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采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终反应 率也相同。则两者的体积是相同的(未考虑间歇反应器 的辅助时间)，这是因为它们均不存在返混。
平推流反应器：
VR
V0C A0
xAf 0
dxA rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间
t C A0
xAf 0
dxA rA
VR
V0t V0C A0
xAf 0
V VR RM P[V0(C rA A)0xfAf]/V [0CA0
xAfd]x 0 rA
当V0、 CA0 、 x Af 相同时，全混流反应器所需体积 大于平推流反应器的体积，这是由于前者存在返混造
成的。
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V VR RM P[V0(C rA A)0xfAf]/V [0CA0
xAfd]x 0 rA
即使反应器满足热稳定性条件，仍然还有一个垂数灵敏 性问题。参数灵敏性指的是各有关参数(流量、进口温度、冷 却温度等)作做小的调整时，反应器内的温度(或反应结果)将 会有多大变化。
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稳定性问题，系统所受到的短暂的扰动消失后，如果原定 态点是稳定的，将逐步恢复到原操作状态。参数灵敏性问题 ，如果某操作参数的微小变化会引起操作状态的很大变化， 则为反应器操作状态对该参数灵敏，反之为不灵敏。
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当 k 1时
C
Af
,a
C A0 1 2k
C A0 3
C Af ,b
C A0 (1 k ) 2
C A0 4
C Af ,c
C Af , d
C A0 1 k
e k
C A0 5 .44
C Af ,e
C Af , f
C A0e 2k
C A0 7 .4
结论
(1) C与d等效，平推流与全混流反应器串联时，与顺序无关。
dxA rA
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(2) 全混流反应器与平推流反应器体积比较 如果全混流反应器与平推流反应器中进行相同的反
应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终 反应率也相同。则由于全混流反应器中存在返混。所以 反应体积要大一些。
设VRP与VRM分别表示平推流与全混流反应器的反应 体积，两者之比
动。扰动表示为流量、进口温度、冷却介质温度等有关参数
的变动。如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的
变化，产生两种情况，一是反应温度会自动返回原来的平衡
状态，此时称该反应器是热稳定的，或是有自衡能力；另一
种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反
应器是不稳定的，或无自衡能力。二者虽然都是热平衡的，
QC
N
QR
T TN
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M、N点是稳定的定态点， P点为不稳定的定态点
全混流反应器有热稳定的操 作点的条件：
QR = QC
dQR dQC dT dt
放热速率=移热速率
放热速率曲线的斜率﹤移热速 率直线的斜率
M、N点都是稳定的定态点 实际操作中选哪一个？
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Q
P
M
TM
TP
QC
度，定态温度的升高再不出现
突跳现象；若将进料温度逐渐
降低，比如从9降至6，定态温
5
度则沿987621曲线下降。这条
曲线也存在一个间断点6，此处
定态温度出现突降，这点称为
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熄火点。
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着火与熄火现象对于反应器操作控制甚为重要， 特别是开停工的时候。例如，若操作温度系在着火 点附近，进料温度稍有改变，便会产生超温，从而 破坏操作，可能出现烧坏催化剂或者可能产生爆炸 等事故；在熄火点附近操作时，则易产生突然降温 以致反应终止。
x Af
C A 0 C Af C A0
0 . 635
( 2 ) 全混流在前，平推流在
后
C A1
1 4 C A 0 k 1 0 . 615 2k
C Af
C A1
1 C A1k
0 . 380
x Af
C A 0 C Af C A0
0 . 620
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讨论：对二级不可逆反
r A kA 2 C ,k 1 m 3 /(.m km )C i,A 0 n o 1 klm /m 3 ol
平推流与全混流反应器的接触时间均为1min,计算 其最终转化率。
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解：（ 1）平推流在前，全混流
在后
C
A1
1
C A0 C A0k
0 .5
C Af
1 4 C A 1 k 1 0 . 365 2k
CA0VR
(HR
)k10
exp(
E) RT
1mk10exp(
E) RT
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B、移热速率
Q CN T0CP(TT0)K(F TTC) (N T0CPK)F T(N T0CPT0KF C)T
（2）全混流反应器的多态
Q RCA0V 1R kk ( mHR)CA0V 1R ( mk H 1R 0 e)k1x0 e p R x E ()T p R E()T
反应温度上升
反应速率加快
反应放热速率增大
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1
1）热稳定性和参数灵敏性的概念
如果一个反应器是在某一平衡状态下设计并进行操作的，
就传热而言，反应器处于热平衡状态，即反应的放热速率应
该等于移热速率。只要这个平衡不被破坏，反应器内各处温
度将不随时间而变化，处于定态。但是，实际上各有关事数
不可能严格保持在给定值，总会有各种偶然的原因而引起扰
下降，自动恢复到M点。
当有扰动使T略小于
TM (dT＜0)时， 移热速率
P
小于放热速率，体系温
度上升，自动恢复到M点
M
TM
TP
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QC
QR
N
T TN
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P点：
当有扰动使T略大于
TP时(dT＞0), 移热速率小 于放热速率，体系继续温 Q
度上降，直至到N点。
当有扰动使T略小于
TP时(dT＜0), 移热速率大
如果反应器的参数灵敏性过高，那么对参数的调节就会有 过高的精度要求，使反应器的操作变得十分困难。因此，在 反应器的设计中，确定设备尺寸和工艺条件时必须设法避免 过高的参数灵敏性。无论是热稳定性还是参数灵敏牲，两者 都给反应器的设计增加了限制因素。如果不予重视，往往会 使设计的反应器无法操作。
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0010111vvkccvvkccraaraaf????0001212aaafarcccvkkv?????001011vvkaaraafreccvvkcc????b为两个全混流反应器串联第二反应器出口浓度为c为平推流反应器与全混流反应器串联第二反应器出口浓度为0010111vvkccvvkccraaraaf??????kecvvkecvvkcckarvvkaracafr????????1110000102020001111?kcvvkcvvkccararabaf??????d为全混流反应器与平推流反应器串联第二反应器出口浓度为e为两个平推流反应器并联
3.3.3 全混流反应器的热稳定性
任何化学反应都有一定的热效应，因此有必要讨论 反应器的传热问题，尤其当反应器放热强度较大时，传 热过程对化学反应过程的影响，往往成为过程的关键因 素。反应过程中的热量传递与传质一样，也可按其尺度 分为：设备尺度的热量传递和颗粒尺度的热量传递。
对放热反应过程，当某些外界因素使得反应温度升高 时，根据阿累尼乌斯公式可知反应速率随之加快。然而 反应速率的剧增，反应放热速率也愈大这就使反应温度 进一步上升，因而就可能出现如下的恶性循环
讨论：
条件：（1）等温
（2）两个等体积理想反应器组合
（3）一级不可逆反应
（4）V0,,，CA0相同
问题：不同组合下，出口浓度如 何？
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全混流反应器：
VR
V0 (C A0 C Af kCAf
)
CAf
CA0 1 k VR
V0
平推流反应器：
VR
V0
CAf dC A
k C CA0
A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V0 k
ln
C Af C A0
k VR
C Af C A0e V0
CAf
CA1 1kVR
,CA1
CA0 1kVR
V0
V0
(a)为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓 度即为混合后的出口浓度
CAf ,a
CA0 1k VR
CA0
12k
V0 /2
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(b)为两个全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为