(整理)平推流模型 模型特点

平推流模型 模型特点(1)物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；2)垂直流动方向的任一截面上的物料参数相同； (3)沿流动方向的截面间不相混合；4)返混＝0，不同年龄的质点不相混合。

适用范围：L/D 较大，流速比较大。

全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）模型特点： (1)同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间达到完全分散混合。

(2)物料参数处处相同，并等于出口处的参数；器内物料参数不随时间变化。

(3)器内物料粒子的年龄不同；同一时刻离开反应器的物料中，粒子的寿命也不相同。

(4)返混＝∞，粒子停留时间分布最大。

适用范围：搅拌反应器，强烈搅拌。

在连续操作的反应器中，对于恒容过程，物料的平均停留时间也可以看作是空时，两者在数值上是等同的； 若为变容过程，在一定的反应器体积 VR 下，按初始进料的体积流量计算的平均停留时间，并不等于体积起变化时的真实平均停留时间，而且，平均停留时间与空时也有差异。

1间歇釜式反应器优缺点用于非生产性的操作时间长，即每次投料、排料、清釜和物料加热的时间，产物的损失较大且控制费用较大等。

适用于经济价值高、批量小的产物，如药品和精细化工产品等的生产。

每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间 反应器有效体积 VR ：式中 V ′为单位时间的物料处理量反应器的实际体积 V 实： 2 平推流反应器 物料衡算式特点：(1) 各点浓度、温度和反应速度不随时间而变化，故单元时间上 t 可任取； (2) 沿流动方向物料浓度、温度和(–rA)都在改变，故应取单元体积 ∆V = dV ； (3)流体流动为连续稳定流动，在单元时间、单元体积内反应物的积累量为零。

3 全混流反应器全混釜物料衡算式特点：(1)釜内各处物料参数相同，不随时间改变，不随时间改变，过程参数与空间位置和时间无关。

(2)釜内参数与流出参数一致，所以釜内与流出流体的反应速率值均为 (–rA)f 。

(3)定常态操作，所以累积量 = 0 平推流反应器的串联操作N 个平推流反应器串联操作，设 N 个平推流反应器的出口转化率分别为 x1、x2、、xN 。

第一个反应器物料衡算：第二个反应器物料衡算：第 i 个反应器物料衡算： N 个平推流反应器串联：R t t t =+0()R V V t t '=+V V =δϕ10001()xR AA A A V dx c F r =-⎰2002()x R AA xA A V dxc F r =-⎰00()x RiAA xA A iV dxc F r =-⎰121012()()()NRiRNRR R i A A A A A x x x AAA x x A A A NV V V V V F F F F Fdx dx dx r r r ===++⋅⋅⋅+=++⋅⋅⋅+---∑⎰⎰⎰若每个反应器内的温度相同，则(-rA)也相同，有：结论：N 个平推流反应器串联操作，其总体积为 VR ，则其最终转化率与一个具有相同体积（ VR ）的单个平推流反应器所能获得的转化率相同。

单个平推流反应器可以拆分为 N 个平推流反应器串联操作，只要满足两者的所到达的转化率相同，即可。

2 平推流反应器并联并联操作反应器的总体积等于各个支路反应器体积之和：并联操作反应器的总物料体积流量等于各个支路体积流量之和：基础设计方程：若干个平推流反应器并联操作，要使最终转化率达到最大或使反应器总体积最小，前提条件是要尽可能减少返混，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。

如各支路的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物料的混合，就是返混。

并联操作要满足： 或3 全混流反应器并联多个全混流反应器并联操作时，要满足并联的全混流反应器体积最小，就要求每一支路达到相同的转化率，这与平推流反应器并联操作的要求相同。

并联操作要满足： 或 4 多釜串联 基础设计方程对任意第 i 釜中关键组分A 作物料衡算流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量FA, i-1 FA, i (-rA)i Vi 0整理得：或： 恒容系统： 对于 N 釜串联操作的系统，总空时：釜与釜之间不存在返混，所以总的返混程度小于单个全混釜的返混。

τ 小于单个全混釜达到相同转化率 xAN 时的空时。

各釜之间不存在返混，故总的返混程度小于单个全混釜的返混。

000()ANx R AA A A V dx c F r =-⎰123R R R R V V V V =+++0010203νννν=+++000()A x R AA A V dx c r τν==-⎰12ττ=1212R R A A V V F F =12ττ=1212R R A A V V F F =,1,()A i A i A i Ri F F r V -=+-0,10,(1)(1)()A A i A A i A i Ri F x F x r V --=-+-00,,10()()()A A iA i A Ai Ri A i A iC x x F xV r r ν--∆==--,,100()()A iA i Ri i Ai A A A i A ix x V x F C r r τ--∆===--,1,0()A i A i Ri i A iC C Vr τν--==-12N ττττ=++⋅⋅⋅+0012()()A ANA N A NC x x r τττ-++⋅⋅⋅+<-解析法计算出口浓度或转化率 (1)一级反应第１个釜的出口浓度：第2个釜的出口浓度：依此类推，可求出第n 个釜的出口浓度为：若各釜的温度或体积相等，即：则： 2)二级反应以上面方法，可以推出： 达到指定转化率反应器总体积随釜数 N 增加而减少。

釜数总成本费用与釜数的关系如右图所示。

N ＝4 ，总费用最少。

釜数N 增加，生产操作的难度和费用也增加。

因此串联釜数的最优选择一般不超过4。

3.等温、等体积情况的图解计算 图解法原理联立并解基础设计式和动力学方程5 循环反应器(Recycle Reactor)前面已介绍过平推流反应器的主要优点是没有返混，因此，在同样的转化率下反应器体积最小。

在工业上却经常把部分产物循环送至反应器入口。

此类反应器称为循环反应器，见图。

循环反应器的一个重要参数是循环比 β，定义为：当 β = 0 时无循环，即为 PFR 情况。

当 β = ∞ 时，全部循环，即相当于CSTR 的情况。

2.5 反应器选型与 操作方式评选单一反应：没有产物分布问题，设计中只需考虑反应器的大小，即生产能力的大小； 复合反应：存在产物的分布，主要考虑产物的收率或选择性。

单一反应2.5.1.1 简单反应器的大小比较 一、简单反应器的设计方程单一不可逆反应： A → P ，等温，n ＞0，动力学方程为：(1)间歇釜处理物料量为 FA0，不计辅助时间010111111,1A A A A A C C C C k C k ττ-==+01212222221122,1(1)(1)A A A A A A C C C C C k C k k k ττττ-===+++011221(1)(1)(1)1A A ANNN Ni ii C CC k k k k ττττ===++⋅⋅⋅++∏1212,i i k k k τττ==⋅⋅⋅===⋅⋅⋅=01,1(1)(1)A ANANNNiiC C x k k ττ==-++Ai iC ,,11()()A A i A i i r C C τ---=⋅-()()A A r k f C -=⋅12νβν==循环物料的体积流量离开反应器物料的体积流量0(1)()(1)n n n A A AAn A A C x r kC kx ε--==+000()Ax B B AA A A V t dx F C r ==-⎰(2)平推流反应器 (PFR)： 3)全混流反应器 (CSTR)：(4)多混串联反应器 N-CSTR ：间歇反应器和平推流反应器的比较1.比较二者的CA~t 、xA~t 、(-rA)~t 曲线，曲线相同，可重叠，说明二者具有相同的特征，不存在返混。

2.二者基础设计式具有相同的函数关系，只是间歇釜设计式采用反应时间(t)作为参数，平推流反应器设计式采用空间时间(τ)作为参数。

二者积分结果一样。

3.二者的操作状态差别很大。

平推流反应器操作是稳定流动状态，间歇反应器操作是与外界没有物料交换。

4.间歇反应器操作过程还要考虑辅助时间的影响。

所以完成相同的生产任务，间歇反应器体积比平推流反应器要大 ν0t0 。

间歇反应器基础设计式平推流反应器基础设计式全混釜与平推流反应器的比较 1.浓度、转化率、速率曲线的比较全混釜中返混最大，釜内反应物浓度处于最低浓度操作，相应的转化率和速率也较低。

平推流反应器中反应物浓度处于高浓度操作，转化率和速率也较大。

结论：达到相同转化率，全混釜体积较大，平推流反应器体积较小。

全混釜与平推流反应器设计式的比较全混釜(CSTR)：平推流反应器(PFR)当进料流量 FA0、温度 T 、浓度CA0、转化率 xA0 相同时，平推流反应器与全混流反应器的体积比为： 1不可逆反应，级数 n ＞0转化率 xA 较小时， VC/VP →1，平推流反应器的体积与全混釜的体积相差不大。

随转化率 xA 增大，反应物浓度变化增大，达到相同的转化率，VC/VP 比值增大； 级数 n 的增大，达到相同的转化率，两种反应器的 VC/VP 比值增加得更大。

级数 n 相同，转化率相同，随 ε 的增大，两种反应器的 VC/VP 比值增加得更大； 级数高、转化率高、膨胀率大的反应，应考虑采用PFR 。

2.对于级数 n = 0 的不可逆反应：反应速率只受温度的影响，与浓度无关，即浓度对反应器体积无影响， VC ＝VP 。

3.当级数 n ＜0 时，情况与 1 相反。

串联N –CSTR 与PFR 的性能比较等温等容反应时，用 N 个相同体积的 CSTR 串联操作所需的反应器总体积 VN 与完成相000()Ax P P AA A AV dx F C r τ==-⎰000()C C A A A A A V x x F C r τ-==-1000()NN N i Ai i A A A A i V x F C C r ττ=∆===-∑∑00()Ax AA A dx t C r =-⎰000000()()x AB A Adx V t t c t r ννν=+=+-⎰00()A x A P A A dx C r τ=-⎰000()A x A P A A dx V c r ν=-⎰0000(1)()()(1)n C C A A A A A A n nA A A A A A V x x x x x F C r r kC x τε-+====---00000(1)1()(1)n x x P P A A A A n n A A A A A V dx x dxF C r kC x τε+===--⎰⎰01111n A A A A C C nx P P A AA A x x x V V x dx x εττε⎛⎫+ ⎪-⎝⎭==⎛⎫+⎪-⎝⎭⎰同生产任务的 PFR 体积 VP 之比 R = VN / VP 与反应级数有关。