化学反应工程第3章

由上面讨论可以看出，平推流和全混流流动 是物料在反应器中的两种极端流动状况。
（3）理想流动
•平推流流动 •全混流流动
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（4）非理想流动
•流体流动介于平推流流动和全混流流动 之间，即偏离理想流动。
•起因： •A.径向流速不匀； •B.流体的轴向扩散效应； •C.反应器的结构； •D.搅拌不充分。
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• 如要等温，就要求dT/dt=0。
• cA亦不是常数－－由物料衡算式3.2-1
rA
V
'R
nA0
dxA dt
姑且认为是恒容
而cA cA0 1 xA ,
dcA cA0dxA
上式变成：
rA
－
dcA dt
E
k0e RT
44
• 二式联立：
d d T tC 1 K p V RT A W T k0eR Ec T A H r
化学反应工程第3章
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第三章 理想流动反应器
理想(Ideal)－－并不存在的，从流动角度 看理想化的反应器。
• 主要讨论三种理想反应器： • 间歇反应器(BR)(Batch Reactor) • 全混流反应器(CSTR)(Continuously
Stirred Tank Reactor) • 平推流反应器(PFR)(Plug (or Piston)
• 注意：微元体系固定在反应器上，不随 物料流动。
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• 进入dVR量=排出量＋反应量＋积累量
• FA
=（FA＋dFA）＋(-rA)dVR＋0
• 由于FA=FA0(1－xA)，dFA=－FA0dxA
• 得物料衡算微分式：FA0dXA=(-rA)dVR
• 对整个反应器积分：
VR dVR x A dxA
是过程的自变量，而只有当知道 了反应器中所发生的变化后才能 确定的一个参量。
即：当等温恒容时 v v0 c 当等温变容时 v v0 c
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三、流动状况对反应过程的影响
• 1.理想流动和非理想流动 • （1）平推流流动 • 轴向上完全不混合，各微元在反应器中
齐头并进，停留时间相同（同进同出）； • 径向上剧烈混合，且同一截面上各微元
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全混流反应器图
CA0， XA0=0 V0, FA0
CA, V, FA, XA, rA
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• 基本设计方程：
进入量 排出量
FA01xA1
FA0
1xAf
＋反 rA应 fVR量 ＋0积累量
整理得：
VR xAf xA1
FA0
rAf
• 说明，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。
流入的 A
－流出的
A
－反应掉的
＝累在反应器内
物质量 物质量 A物质量 的A物质量
0 － 0 － rA V 'R
dnA dt
nA nA0Βιβλιοθήκη Baidu1 xA
dnA nA0dxA
rA V
'R
nA0
dxA dt
分离变量积分：
tr
t
0 dt nA0
xA 0
dxA rA V 'R
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• 特点： 流体以平推流方式连续流动；反 应器内状态仅随轴向位置而变，在同一 截面上状态相同；在定常态下操作，参 数不随时间而变。
• 管式反应器内的流动状态接近平推流。
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CA0,FA0,XA0
设计方程
dVR
FA,XA
FA+dFA,XA+dXA
• 取长度为dl，体积为dVR的微元体系，以 反应组份A作物料衡算。
rA
k0e
E RT
cA代入
dT dl
1 Gc p
k0e
E RT
cA
H
r
AT
KdT TW
T
46
• 再由物料衡算式： FA0dxA=(-rA)dVR
FA0dxA rA AT dl
由cA cA0 1 xA 得dcA cA0 dxA
FA0 cA0
dcA
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反应时间图示
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非生产时间
• 非生产时间t’－－包括升降温，装卸料，
清洗等时间。
• •
总时间tt=tr+t’ 反应器处理量
V0
V'R tt
•
反应器总体积
VR
V'R
m3/hr
:装料系数0， .6取 0.85
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二、 平推流反应器
• 又称理想置换反应器，活塞流反应器 （ PFR， Plug Flow Reactor or Piston Flow Reactor ）
2.返混
• （1）混合： • 简单混合－－相同停留时间的粒子的混合。 • 返混 (Back mixing) －－不同停留时间的粒
子的混合。 • 任何实际的流动都存在返混。 • 管内流体的流动返混较小。 • 容器内流体的流动返混较大。
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（2）按返混分类反应器
•按物料在反应器内返混情况作为反应器分类 的依据将能更好的反映出其本质上的差异。
速度、浓度、温度均相同。
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径向流分布
平推流与层流的区别
平推流：同一截面上各微元具有相同的速率，
径向剧烈混合；
层流：同一截面上各微元具有不同的速率，
径向没有混合。
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（2）全混流流动
•物料加入反应器瞬间完全混合（最大混合）； •反应器中物料的温度、浓度均匀，且等于出 口物料的温度、浓度； •停留时间不同，形成确定的停留时间分布。
Flow Reactor)
2
第一节 反应器设计基础
一、反应器的物料衡算方程
1.物料衡算--描述浓度的变化规律
关 输键 入－ 组 速 关 输分 率 键 出－ 组 速 转 关分 率 化 键＝ 速 组 累 关率 分 积 键
F inF ou t F r F b
3
2.能量衡算--描述温度的变化规律
3.动量衡算--描述压力的变化情况
•全混流反应器：连续操作的充分搅拌槽 型反应器（简称）。在这类反应器中物 料返混达最大值。
•非理想流反应器：物料在这类反应器中存 在一定的返混，即物料返混程度介于平推流 反应器及全混流反应器之间。
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第二节 等温条件下理想反应器
• 目的： • 对已知的反应器，根据反应动力学方程
和物料衡算方程预测反应结果。 • 对要求的反应结果，根据反应动力学方
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• 全混流反应器图示：
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• 三种理想反应器对照：
操作方式 返混 各点温 停留时间
度浓度
BR 间歇
无 均一 一致
PFR 连续
无 分布 一致
CSTR 连续
最大 均一 分布
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• 图3－3C，图3－6A，图3－8对照
间歇反应器
平推流反应器
全混流反应器
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例3－3，4，7
(3) 计算转化率分别为80％，90％时所需平推流反应器的大小。 (4)计算转化率分别为80％，90％时所需全混流反应器的大小。
dc A rA
三者相同。说
明三者遵循同一动力学 规律。
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• 理解： • 如果把每个流体微元看作从入口到出口
流动的小的间歇反应器，由于没有返混， 每个微元的停留时间都相等，且等于间 歇反应器的反应时间。 • 因此，平推流反应器可以作为间歇反应 器的替代，而且节省非生产时间。但是， 停留时间过长的反应器还是采用间歇式 的好。
•按返混情况不同反应器被分为以下四种类型： •间歇反应器：间歇操作的充分搅拌槽式反 应器（简称间歇反应器）。在反应器中物料 被充分混合，但由于所有物料均为同一时间 进入的，物料之间的混合过程属于简单混合， 不存在返混。
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•平推流反应器：（又称理想置换反应器或 活塞流反应器）。在连续流动的反应器内 物料允许作径向混合（属于简单混合）但 不存在轴向混合（即无返混）。典型例子 是物料在管内流速较快的管式反应器。
4.动力学方程--描述反应速率随温度、 浓度的变化情况
4
二、几个时间概念
• 1.反应持续时间tr－－在间歇反应器中反 应达到一定转化率所需时间（不包括辅 助时间）。
• 2.停留时间t－－连续流动反应器中流体 微元从入口到出口所经历的时间。
• 3.平均停留时间tc－－各物料微元从反应
器入口至出口所经历的平均时间。
• 恒容条件下（多数情况），上式可以简 化成：
tr
cA0
xA 0
dA x rA
or
tr
cA cA0
dA c rA
对照P教 2， 1材 式 2.2－ 4
t
cA c A0
dcA k cAn
• 二者相同。这说明，在充分混合的间歇
反应器中，反应是依照它的动力学特征
进行的。流动过程对反应没有影响。
d d A c t k 0 e R E c T A B:tC 0 ,T T 0 ,c A c A 0
• 这仅仅是一级不可逆反应在间歇反应器 中的温度变化规律。涉及到非等温的反 应器其复杂程度可见一斑。
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二、 平推流反应器热量衡算
以物料衡算所取的相同 微元进行热量衡算：
物流携 入热量 Gc pT
物流携出 热量
Gc p T dT
微元与环 ＋境的热交换
KdT TW T
dl
微元内反应 热效应
rA Hr
dVR
积累量 0
整理得：
Gc pdT KdT TW T dl rA Hr AT dl 0
dT dl
1 Gc p
rA Hr AT
KdT TW
T
以一级反应为例：－
0 FA0 0 rA
VR
V0
CA0
x A出 0
dxA rA
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• 对恒容过程，
c A c A 0 1 x A ,
dc A c A 0 dx A
因此，V R ＝ c A 2 dc A
V0
r c A1
A
对照间歇反应器和式（ 2 .2 4）：
t cA
r
cA0
积累量
热量 0
＋热量 0
＋境的热交换
KATW T
热效应
rA VR
Hr
VR
Cp
dT dt
整理得：
dT dt
C1 p
KVRATW
T
rA Hr
以一级反应为例：r－ A
k0e
E
RTcA代入
dT dt
1
Cp
KVRATW
T
E
k0e RTcA
Hr
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• 讨论：
• 高度非线性。
0 rA 1 A xA V0
t cA0
xAf 0
dxA
rA 1 AxA
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• 平均停留时间和空间时间的区别：
tCA0
xA出 0
rA
dA x 1 AxA
CA0
xA出 0
dxA rA
t VR dVR 0V
VR V0
• 当恒容时εA=0，二者相同。
• 在变容过程中，反应速率不仅是转化率 的函数，而且也是反应体积的函数。确 切地说，是反应物浓度对反应速率造成 了影响，转化率和反应体积的变化共同 影响了反应物浓度。
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•6空时与反应时间和平均停留时间的区别 •（1）空时与反应时间： •空时用于连续流动反应器，反映生产强 度的大小； •反应时间用于间歇反应器，反映化学反 应进行快慢的量度，并不反映反应器的生 产强度。
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（2）空时与平均停留时间： 空时是人为规定的参量，可以看作是过程的
自变量，可以用空时来表示连续流动反 应器的基本设计方程式； 平均停留时间不是人为规定的参量，不能认为
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• 平推流反应器图示：
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平推流反应器的平均停留时间
• 根据平推流反应器的定义，流过反应器
的所有微元体的停留时间都等于平均停
留时间，也就是微元体的真实停留时间。
•
t VR dVR
物料衡算式：FA00dxAV=(-rA)dVR
• 又有变容过程V=V0(1＋εAxA)
t xAf
FA0dxA
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三、 全混流反应器
• 全混流反应器－－连续搅拌槽式反应器 (CSTR Continuously stirred tank reactor)
• 特性：物料在反应器内充分返混，达到 极大程度，以至于反应器内各处物料参 数均一；反应器的出口组成与反应器内 物料的组成相同；连续、稳定流动，在 定常态下操作。
程和物料衡算方程决定反应器体积。
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一、 间歇反应器Batch Reactor
• 间歇操作的充分搅拌槽 式反应器。
• 用于液相反应。
• 在反应过程中没有进出 料。
• 反应器内物料充分混合， 器内各点温度浓度相同。
• 间歇操作，需要辅助生 产时间。
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1.设计方程 • 物料衡算：
单位时间 单位时间 单位时间 单位时间内积
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• 对全混流：
40
同样处理量三种反应器对比
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第三节 理想反应器热量衡算
• 思路： • 与物料衡算相同，含有物流携带的热量
进，出，反应和积累各项，同时增加反 应器与环境的热交换项。 • 由于各种反应器的操作方式不同，热量 衡算方程也不同。
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一、 间歇反应器热量衡算
物流携入 物流携出 反应器与环 反应
c
反应器的有效体＝ 积VR 反应器中物料的体 量积V流
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•4.空间时间τ－－反应器有效体积VR和反应 流体入口条件下体积流率V0之比。
VR
V0
•5.空间速度（空速）Sv[时间－1]－－单位时 间内投入到反应器中的物料的体积流量与反 应器有效容积之比。
SvV VO R 标准空 Sv速 V VO RN