第三章理想流动反应器(201203)

1/rA —xA
t/CA0
1/rA —CA
t
反应速率 rA=kCA rA=kCA2
t CA dCA
CA0
rA
kt ln CA0 CA
11 kt
CA CA0
t CA0
xAf 0
dxA rA
kt ln 1 1 xA
C
A0k
t
1
x
A
xA
1.k的影响
k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
c.平推流串联全混流
C Af
CA0
1 k VR
CA0 1 2k
V0 / 2
平推流 k VR
CA,i CA,i1e V0
C Af
C A1
1 k VR
V0
C A1
CA0
1 k VR
V0
C Af
Hale Waihona Puke Baidu
CA0
(1 k VR )2
V0
全混流
C A,i
C A,i1
1 k i
CAf
CA1 1 k VR
CA0exp(k
物料衡算方程
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量
流入
反应消耗
反应单元
流出
累积
热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
反应单元
带入
反应热 带出
累积
传给环境
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大时，需要考虑压 降对反应的影响，需进行动量衡算。但有 时为了简化计算，常采用估算法。
平均停留时间 t ：所有微元体从反应器入口到出口所经历时 间的平均时间。
5 空间时间τ：定义为反应器有效体积 VR与流体特征体积 流率v0 之比值 VR
V0
V0为特征体积流率，是反应器入口温度及入口压力下的 体积流率。人为规定的。
3.1.2非理想流动模型
偏离平推流的情况
漩涡运动：涡流、 湍动、碰撞填料
3.3.4多级平推流反应器的串联
N个平推流反应器的串联操作
VRi
i xi dxA
V0iC A0
C A0
xi1 (rA )
V01 V02 V0i V0 N V0
V R
V0C A0
N
VRi
i1 V 0iC A0
1
V0C A0
N
VRi
i 1
VR VR1 VR 2 VRN
VR V0
C A0
xA dxA 0 (rA )
C A C A0 (1 x A ) dC A C A0 dxA
C A dC A C A0 (rA )
1 (rA )
cA0 (rA )
c A2
c A1
cA
x A1
x A2
xA
平推流反应器图解计算示意图
3.2.3 全混流反应器
特点:反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长 的产品生产 ,适合精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
(rA )V
dnA dt
nA0
dxA dt
(
nA
nA0 (1
▲平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)
活塞流模型或理想置换模型
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反 应器中平行地像气缸活塞一样向前移动。
特点：着物料的流动方向，物料的温度、 浓度不断变化;
垂直于物料流动方向的任一截面上物料的 所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相 同;
3.4.1 平行反应特性与反应器选型
甲苯硝化生成邻位\对位\间位硝基苯,如何获得 最大限度获得目的产品?
• 1 目的产物的选择性 • 在复合反应中,反应器中的流动状况影响反应器体积的确定,
同时对反应产品分布造成影响.
平行反应: a1A b1B k1 pP(目的产物）
rA!
a1
k1C
n1 A
C m1 B
a2 A b2B k2 sS (副产物）
rA2
a2
k
2C
n2 A
C m2 B
(1)收率
xA
在系加统入中系A统 物中 质A反物应质消的耗量的量
nA0 nA nA0
恒 容 C A0CA CA0
(2)平均选择性
SP
在系统在中系生统成中目A的物产质物反A物应质消反耗应的消量耗的量
（nA )P nA0 nA
a1 p
(nP
)
nA0 nA
a1 p
(nP
nP0 )
恒容
a1 p
(C PCP0 )
恒容，反应开始无P
a1 p
CP
nA0 nA
CA0 CA
CA0 CA
(3)收率
y
在系统中生成目的产物反应消耗A的量 加入系统中A物质的量
（n
）
Ap
nA0
a1 p
(nP ) nA0
恒容
a1 p
(C PCP0 )
选择合适的反应器型式
反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务+反应器结构和尺寸的优化
反应器设计的基本方程
化学动力学方程 物料衡算方程 能量衡算方程 动量衡算方程
第二章中讲过 计算反应体积 计算温度变化 计算压力变化
的物料质点而言的。
寿命：
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的 物料质点而言的。
3 反应时间tr：反应物料进行反应达到所需要的转化率 所需要时间
4 停留时间t、停留时间分布和平均停留时间 t
停留时间：在流动体系，流体微元从反应器入口到出口所经 历的时间。
停留时间分布：在反应器中，由于流体的非理想性，物料各 微元体在反应器中的停留时间是各不相同的，存在一个分布， 称为停留时间分布。
)
g. 平推流并联全混流
CA1 CA0e2k
CA2
CA0
1 2k
CAf
1 2 [CA1
CA2 ]
1 2
[C
e2k
A0
CA0 ]
1 2k
各种组合反应器最终转化率的大小依次为
(e)=(f) > (c) = (d) > (g) > (b) > (a)
3.4 反应器型式与操作方法评选
3.4.1平行反应特性与反应器选型 3.4.2连串反应特性与反应器选型 3.4.3全混流与平推流反应器的比较
)
)
i
VR
N V0iC A0 (
i 1
xA 0
dxA (rA
)
)
i
VR 0 V0i
使VR最小可得到：
1 2 i N
VR1 :VR2 : :VRN V01 :V02 : :V0N
体积流量应按照反应器体积大小成比例分配
3.3.3多级全混流反应器的并联
与平推流反应器并联结论及推导方法完全相同
xA))
t nA0
V
xAf 0
dxA (rA )
CA0
xAf 0
dxA (rA )
t CA0
xAf 0
dxA (rA )
CA dCA CA0 (rA )
等容过程，液相反应
• 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’) 反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V0(t+t’)
2.反应浓度的 影响
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 二级反应：t与初浓度CA0反比
3.残余浓度
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
反应后期的速度很小；反应机理的变化
3.2.2 平推流反应器
特点：
1. 连续定态下，各个截面上的各种参数只是 位置的函数，不随时间而变化；
所有物料质点在反应器中具有相同的停留 时间，反应器中不存在返混。
▲全混流反应器
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR) 连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中， 刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间 达到完全混合。
VR V0
)
C
ek
A0
1 k VR
1 k
V0
V0
d.全混流串联平推流
CAf
CA1ek
CA0
e 1
k
k
e. 两个平推流并联
C Af
CA0exp(k
VR V0 /
2
)
CA0exp(2k
)
f. 两个平推流串联
CAf
C
A1exp(k
VR V0
)
C
A0
exp(k
VR V0
)exp(k
VR V0
)
C
A0exp(2k
N个平推流反应器串联,总体积VR与一个具有体积VR的 单个平推流反应器所能获得的转化率相同
3.3.5理想反应器的混合组合
下图 全混流反应器+平推流反应器+全混流反应器
理想流动反应器的组合
工业生产中的应用 某个真实反应器的模型
反应器体积相同，一级不可逆反应
a．两个全混流并联 b. 两个全混流串联
截面上流 速不均匀
沟流、短路：填料或 催化剂装填不均匀
• 偏离全混流的情况
死角
短路
• 流动状况对化学反应的影响
短路、沟流
→ 停留时间的不均
停留时间减少
转化率降低
死区、 再循环
停留时 间过长
A+B→P：有效反应体积减少 A+B→P→S 产物P减少
3-1-3 反应器设计基本方程
▲反应器设计的基本内容
CA0
(4)瞬时选择性及与平均选择性关系
SP
在反应过程中某瞬间生 成目的产物反应消耗 A的量 在反应过程中同一瞬间 反应消耗 A的量
（
(rA1 ) rA1) (rA2 )
a1r1 a1r1 a2r2
瞬时选择性与反应温度.浓度及反应器的型式有关
对于平推流反应器及间歇反应器:
(nA0 nA )SP
1 CA,N CA0
故
xA,N
1
N i 1
1
(
)
1 k i
3.3.2多级平推流反应器的并联
• 若干个相同或不同体积的平推流反应器并联,如 何使最终转化率最大或反应器体积最小?
VR VR1 VR 2 VRN
V0 V01 V02 V0 N
VRi
V C 0i A0 (
xA 0
dxA (rA
特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而 且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应 器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短， 形成一个停留时间分布。
时间概念：
返混:又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合。
1 年龄和寿命
年龄： 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器内
i
VR,i V0
CA0 ( xA,i xA,i1) (rA )i
CA,i1 CA,i (rA )i
i
CA,i1 CA,i k CA,i
CA,i 1
CA,i1 1 k i
CA,N CA,1 CA,2 ... CA,N
N
(
1
)
CA0 CA0 CA,1 CA,N 1 i1 1 k i
由于
xA,N
nA nA0
(SP
)dnA
SP
nA nA0
(SP )dnA
Vcons
nA0 nA
CA CA0
2. 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布； 3. 反应物料具有相同的停留时间。
基本公式
dVR
0 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
V0CA0 (1 xA ) V0CA0 (1 xA dxA ) rAdVR
V0C A0 dxA rAdVR
VR
xA dxA
V0C A0
0 (rA )
全混流反应器τ的图解积分
平推流反应器与全混流反应器的比较
3.3 理想反应器的组合设计
• (1)多级全混流反应器的串联与并联 • (2)平推流反应器的并联与串联 • (3)混合组合
3.3.1多级全混流反应器的串联
各级反应体积不同时的串联
对于N个全混流反应器串联时
稳态，恒容
一级反应， m级反应器串联
第三章
理想流动反应器
武汉工业学院 化学与环境工程院
胡廷平
内容概要
3.1 流动模型概述 3.2等温理想流动反应器的设计与分析 3学时
间歇反应器 全混流反应器 平推流反应器 3.3理想反应器的组合设计 1学时 3.4反应器型式及操作评选 2学时
3.1 流动模型概述
3.1.1理想流动模型
间歇过程反应器
间歇反应器
返混最大
(a)
平推流反应器 完全没有返混 (b)
连续流动反应器
全混流反应器 返混最大
(c)
▲间歇搅拌反应器
Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)
反应物料间歇加 入与取出，反应物料 的温度和浓度等操作 参数随时间而变，不 随空间位置而变，所 有物料质点在反应器 内经历相同的反应时 间。
3.2等温理想流动反应器的设计
3.2.1 间歇反应器(BR)
特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺 度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排 除了物质传递对反应的影响；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考 虑器内的热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相 同的反应时间。
反应器流出物料的浓度和温度。
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
V0C A0 V0C A0 (1 xAf ) (rA ) f VR
VR CA0 CA CA0xAf
V0 (rA) f
(rA) f
VR
V0CA0 xAf (rA ) f
进口中已有A
VR
V0CA0 ( xAf xA0 ) (rA ) f