第三章 化学反应器中的混合现象
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
反应器中的混合及其对反应的影响
第三章 反应器中的混合及其对反应的影响 用反应物料质点在反应器内的停留时间来描述不同反应器内流体流动类型是 很好的主意， 平推流反应器具有相同地停留时间， 而全混流反应器则具有不同的停 留时间， 不同的停留时间可以用停留时间分布来描述， 工业反应器流动类型往往偏 离了两种理想流动模式， 其停留时间分布特征也与两种理想流动模式不同。
通过了 解工业反应器地停留时间分布，能较好的反映出它偏离理想流动模式地程度。
§ 3.1 连续反应器中物料混合状态分析 按混合对象的年龄来分类① 相同年龄物料之间混合－同龄混合，如间歇反应器② 不同年龄物料之间的混合－返混，如连续流动釜式反应器。
按混合发生的尺度大小来分类。
①宏观混合：指设备尺度上的混合现象。
②微观混合：一种物料微团尺度上的混合。
（微团如固颗、气泡、液滴等） §3.2 停留时间分布的测定 § Residence time distribution停留时间是指物料质点从进入反应器开始， 到离开反应器为止， 在反应器中总共停留的 时间，即质点的寿命分布。
物料在反应器中的停留时间分布是一随即过程， 按照概率论， 可用两种概率分布规律来 描述无聊在流动系统中的停留时间分布，即停留时间分布密度与停留时间分布函数。
一、停留时间分布密度 RTD定义：同时进入反应器的 N 各流体质点中， 停留时间介于 t 与 t ＋dt 间的质点所占分率 为 E （t ）dt ， E （t ） 称为停留时间分布密度函数，此函数具有归一化性质。
二、停留时间分布函数 F （t ） 定义：流过反应器的物料中停留时间小于 分率。
t=0 时， F （t ） ＝ 0 t时， F （t ） ＝ 1F （t ）与 E （t ）的关系，由定义可知： E （t ） dF（t ）dt反映在图上， E （t ）曲线在某一 t 时的值就是 F （t ）曲线对应点处切线的斜率，反之，若 E （t ）曲线已知， 0～t 区间 E （t ）曲线下的曲面面积即为 t 时刻 F （t ）的值。
化学反应工程第三章均相理想反应器
第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。
全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。
3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
化学反应工程第三章
m 1c A0 c A 1 ln m x A 1 ln m 1 mc A m 1 m1 x A
m m xA ln m 1 m1 x A
cB 0 k t
3.3 反应温度
3.2 理想连续流动反应器(1)
一 平推流反应器
1.1. 平推流反应器的特点 流体在管内作平推流流动具有如下特征： (1) 在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布； (2) 而在流体流动的方向不存流体质点间的混合，即无返混现象； (3) 离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的平均停留时间， 而这个停留时间就等于反应时间。
k1 cQ k 2
cp
3.1.2 间歇反应器内复合反应的计算（4）
二 连串反应 等温间歇反应器进行一级不可逆连串反应
K1 K2 A P Q
dcA k1c A dt dc p k1c A k 2 cP dt
t 0, c A c A0 , cP 0, cQ 0, 积分第一式： c A c A0 e k1t 或 t 1 c A0 1 1 ln ln k1 c A k1 1 x A
B
A
O
D
E
t
间歇反应器最优化反应时间
3.1.3 间歇反应器优化操作（3）
（2） 以生产费用为目标
AT
at a0t0 a f VR cR
dcR ac at a t a 0 0 f R dt dA dcR cR 当 T ＝0， dt dt t a0t0 a f / a dAT 2 dt VR cR
产物P的浓度先增大，在降低，存在极大值。可对cp对时间求导， 得最优化时间
topt ln k1 / k 2 k1 k 2
反应器工程中的混合问题研究
反应器工程中的混合问题研究反应器工程是化工工业中最为重要、最为复杂的部分之一。
反应器工程中的混合问题是一项非常重要的研究内容，它直接关系到反应器内各种物质的混合情况。
混合问题的解决不仅可以提高反应器生产效率，还可以减少反应器操作过程中的事故风险，避免物料的层析现象和颗粒的沉淀现象等。
一、混合问题的原因在反应器工程中，混合问题主要是由以下两个原因引起的：1.反应器结构引起的混合不均匀：在反应器内部，由于不同部分的结构和孔隙度的不同，容易造成物质混合不均匀。
这会导致反应器内出现局部高温局部低温、局部快速反应局部缓慢反应等现象，从而影响反应的效率和质量。
2.反应器内流体机理引起的混合不均匀：流体在受到摩擦力、涡流、湍流等作用下，容易产生流动不稳定，从而影响反应器内物质的混合和传递。
例如，反应器内物料的成分及颗粒大小等因素，同样会影响流体的混合，从而影响反应效率和质量。
二、混合问题的解决方案为了解决反应器内的混合问题，需要采用一系列的解决方案，以提高反应器的生产效率和质量。
1. 优化反应器设计：首先，需要优化反应器的内部结构，尽量使得物质的混合更加均匀。
例如，在反应器内部设置不同的均流板和反应器罐的直径、高度比例等因素可以改善反应器内物质混合情况。
2. 改善流动机理：其次，需要对流体的流动机理进行深入研究，找到制约流体混合的关键因素。
例如，通过提高流体的转速、调节反应器罐的角度等方法，可以改善流体的混合效果，提高反应器的效率和质量。
3. 优化反应器操作：反应器的操作操作也是影响混合效果的重要因素之一，因此需要加强对反应器操作操作的培训和管理。
尤其是在进行反应器开启、关闭等操作操作时，应该严格遵守操作规程，避免对反应器造成损害。
4. 采用新型混合工艺：最后，考虑采用新型的混合工艺，如机械搅拌、超声波混合等，以解决反应器混合问题。
三、混合问题的应用混合问题的应用在化工生产行业中非常广泛，它可以帮助化工企业提高生产效率和质量，并使企业更加安全、高效地实现生产目标。
4化学反应器中的混合现象
• 更小尺度上的均匀
• 分子扩散
• 微团最终消失
• 微观均匀
停留时间分布仅仅涉及反应器中停留时间不同的物料所占得分率，
但不能提供任何有关物料在反应器中“遇到了什么”的信息。
反应物系聚集状态的两种极限——微观流体和宏观流体
微观混合涉及两个问题：
反应物系的聚集状态，即微观混合能达到的终极状态； 相对化学反应，微观混合进行的速度，即反应物系的预混合问题。
cA t E t dt c A0
cA(t) ~ t 的关系由 间歇反应器计算式确定
[例] 用离析流模型计算具有CSTR停留时间分布的反应器。
对 n 级不可逆反应，
n rA kcA
分别以 n ＝ 1/2 ， n ＝ 1 c A0 kt 2
均值表示。
离析流模型（Segregation Model）
将进入反应器的宏观流体分解为互相离析的粒子群，反应器出口的
组成等于粒子组成的加权平均；
每个粒子在反应器停留期间相当于一个间歇反应器； 适用于宏观流体。
cA cA t E t dt
0
1 xA
0
x x(t ) E (t )dt
0
（4）微观流体应按流动模型来计算反应结果。
（2）聚集状态对复杂反应选择性的影响
4.2.3 化学反应器的预混合问题
预混合问题： 反应物在大量反应进行前通过混合能否达到分子尺度均匀？
对慢反应，在达到微观均匀前的短暂时间内的反应量可以忽略。
微观混合对反应结果的影响可以忽略。 对快反应和飞速反应，在达到微观均匀前，反应已经大量进行，
若以反应物料微团作为考察对象，由于不同微团间不断发生凝并、分
化学反应工程陈甘棠第三章课件
2020/3/30
间歇式完全混合（无返混）
理想混合反应器 （完全混合）
理想反应器
连续式完全混合（返混程度最大）
平推流反应器 （无返混）
2020/3/30
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2020/3/30
1 物料衡算
单位时间
单位时间
单位时间
A在反应
输入的物 _ 输出的物 _ 内反应掉 = 器内积累
料A量
料A量
的A量
速率
对于间歇釜式反应器： 输入=输出=0
假设釜的有效反应容积为VR ，单位时间内反应掉的A量
为： (rA)VR
积累 dn A dVR cA
dt
dt
2020/3/30
t 0 ,c A c A 0 ,x A 0 ,T T 0
与设计方程联立，用龙格库塔法求解
对于绝热操作：U0
积分：
2020/3/30
ddT tcH vrcA0ddA xt
t 0 ,T T 0 ,xAxA 0
TT 0 c H vrcA 0xAxA 0
3 反应容积的计算
V RQ 0tt0
t ：反应时间 t 0 ：辅助时间
求反应时间
2020/3/30
先将题给的速率方程变换成转化率的函数：
c A c A 0 1 x A cBcB 0cA 0cA
cRcA0xA
cScS0cA 0xA
代入速率方程，整理后得：
式中：
2020/3/30
r A k 1 a 2 b x A c x c A 0 2
化学反应工程原理—— 反应过程中的混合现象及其对反应的影响66页PPT
混合现象及其对反应的影响
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
化学反应器中的混合与分离设计
化学反应器中的混合与分离设计化学反应器是化学工业生产中不可或缺的设备，其设计和操作涉及到多方面的知识和技术。
和许多化工过程一样，反应器的设计和操作也需要考虑混合和分离两个主要问题。
混合：反应物之间混合的快慢和均匀程度对反应速率和产物质量有着重要影响。
化学反应器中的混合方式通常有物理混合和化学混合两种。
物理混合是通过机械搅拌器、换热器等设备实现的。
搅拌器可以使液体、气体、固体三相之间发生相互作用，从而使反应物之间的质量传递更加均匀，反应速率更快。
但是，搅拌器在操作过程中会产生不同程度的分散和剪切力，使得反应物发生改变，从而导致产物质量受到一定影响。
因此，在设计搅拌器时需要在混合效果和反应物的物化性质之间进行平衡。
化学混合是通过自身反应物的化学性质实现的。
有些反应物在混合的过程中会自然地发生反应，从而进一步促进反应中心的形成。
但是，化学混合通常难以控制，可能导致副反应和较差的产物质量。
因此，在设计化学反应器时需要考虑更加精细的控制和操作方法。
分离：化学反应器产生的大量混合物需要进行分离和提纯，以得到高纯度的产物。
分离方法根据不同的物理和化学属性可以分为多种，主要包括萃取、蒸馏、结晶等。
蒸馏是一种用于分离和提纯液态混合物的广泛应用方法。
基于反应物的沸点差异，可以通过蒸发和冷凝的方式将混合物分离为不同的组分。
蒸馏方法具有操作方便、分离效率高和大规模应用的优势，但是对于高沸点杂质的分离有一定的限制。
萃取是通过溶剂的选择性作用，将混合物分离为组分。
萃取方法可以在只有微量助剂存在的情况下分离物质，从而被广泛应用于工业领域。
在设计萃取装置时需要考虑溶剂的选择、挥发和再生等问题。
结晶分离是一种用于提纯固态混合物的方法。
在反应器中，通过调节反应物的化学组成和反应条件，可以获得高度结晶化的产物。
通过结晶和过滤的过程，可以得到高纯度的单一物质。
但是，结晶方法对于熔点相近的组分分离不够有效，且需要投入大量的工程和设备成本。
《反应过程》李绍芬版 第三章釜式反应器
3.2.2 最优反应时间
Vr cR FR t t0 dcR cR dt t t0 AT at a0t 0 a f Vr cR
dA T 0 dt
3.3 等温 BR 的计算
反应时间的计算
复合反应
3.3.1 平行反应 A P rP k1c A 对各组分作物料衡算(恒容条件)： A Q rQ k 2c A 对A：(k1 k2 )c A 对P：
等温CSTR 的计算
复合反应－平行反应 对关键组分A有： Vr
Q0c A0 X Af (k1 k2 )c A
Q0c p k1c A ， 设c p 0 0
对目的产物P有： Vr
对副产物Q有：
Vr
Q0cQ k2c A
， 设cQ0 0
三式中有两式独立，可解Vr、XA、YP三者关系
全混流反应器图
等温CSTR 的计算
对稳态操作，有：
dni dt
M
0
i 1,2, K
单一反应
则物料衡算通式变为：
Q0 ci 0 Qci Vr
j 1
ij r j
连续釜式反应器物料衡算式
Vr
Q0 c A0 X Af rA ( X Af )
Q0 (c A0 c A ) rA
3.1 釜式反应器设计方程
物料衡算：
3.2 等温 BR 的t计算
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。
3.2.1 等温 BR 的Vr计算
化学反应器中的混合流动模拟
化学反应器中的混合流动模拟随着化学工业的不断发展，大型化学反应器在生产流程中扮演着至关重要的角色。
而混合流动模拟技术是化学反应器设计、优化及操作的一项重要工具。
本文将着重探讨混合流动模拟在化学反应器中的应用及其优势。
一、混合流动模拟的原理混合流动模拟是通过数学模型来模拟流体在混合过程中的流动、温度、化学反应、浓度等各种参数的变化。
其原理基于流体力学及质量守恒方程等基本原理。
利用各种数值模拟方法，将复杂的流体系统转换为计算机可处理的简单数学模型，再用计算机模拟运算的方法进行处理，最终得到预测流体在反应器内流动以及反应过程所发生的变化的结果。
二、混合流动模拟的应用混合流动模拟可以应用于化学反应器中，对反应体系进行优化设计。
其主要应用于：1.化学反应器的设计和优化混合流动模拟可以预测化学反应器中流体的运动和化学反应过程的变化，从而在设计化学反应器时考虑优化反应器结构以及反应物进料机构等问题。
通过模拟得到的数据，工程师可以准确地预测化学反应器的性能表现，进而进行反应器的优化设计。
2.化学反应过程的监测和控制混合流动模拟还可以对化学反应过程进行实时监测和控制。
化学反应中，物质存在反应速率、浓度、温度等的变化，这些变化如果得不到及时的监测，将会造成反应结果的偏差。
通过混合流动模拟的方法，可以获得实时的物质变化数据、反应速率和反应时间等信息，从而可以进行针对性的监测和控制。
3.化学反应器的安全性评估化学反应器中的化学反应是一种高风险的反应过程，如果处理不当，会带来严重的安全隐患。
混合流动模拟可以在化学反应过程中，预测反应过程中可能存在的高风险事件。
通过提前预测风险，可以采取相应的措施进行安全隐患的排除。
三、混合流动模拟的优势混合流动模拟具有以下优势：1.精确度高由于混合流动模拟是利用大量计算机运算来进行的，它能够精确地模拟流体系统中的各种变化。
因此，在流体力学领域中，混合流动模拟已成为最适用的手段之一。
2.易于分析和理解混合流动模拟可以把复杂的流体运动和化学反应过程分解成一系列更简单的数学模型，从而使得复杂的过程变得容易分析和理解。
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平推流反应器
CR0＝0，平推流反应器 产物 R 的出口浓度 CR 是 S R CA曲线下图形 的面积。
全混流反应器
全混釜产物 R的出口浓 度 CR 是 sR CA曲线下 这块矩形图形的面积
sR CR
CA
sR
CR
Af Chemical Reaction Engineering
CA0
C
Chemical Reaction Engineering
负级数反应
例： 氧和臭氧的转换反应的反应式为: 2 O3 → 3 O 2 它是一种可逆反应，因此反应示可以记为: 2 O3⇌3 O2 因此O3和O2会同时出现，但是这个反应会受产物影响，在高 浓度时，会衰变成普通的双原子氧，双原子氧也会参与这个 反应（在一大气压条件下的半衰期约半小时），因此，反应 式可以改写成: 2 O3 + O2 → 4 O2 或 O3 + 3O2 → 3 O3 此时的速率方程为 在此时，对于参与正反应的O2而言，其反应及数为-1，但整 体而言，其反应总级数(-1)+2=1，是一个一级反应。
在一定体系和温度下，CR/CA愈大，瞬时选择性愈小。 随连串反应过程进行，CA浓度降低，瞬时选择性降低。
Chemical Reaction Engineering
不管k1、k2如何，在相同
的xA时，sP>sC k1>>k2时，sR值随xA增大 而下降缓慢，可选择 较高的转化率操作。 k1<<k2时，sR值随xA增大而
n0 ~ t C ( t ) 阶跃法——直接测定分布函数 F ( t ) N C 0
n0~ t 1 VC ( t ) 脉冲法——直接测定分布密度 E( t ) N t M
需要指出的是, 虽然具有确定混合机理的反应器将具有确定的停 留时间分布, 但具有确定的停留时间分布的反应器, 其混合机理 却可能不同。
• 返混指不同时间进入反应器的物料之间 发生的混合, 是连续流动反应器才具有
的一种传递现象， 可通过PFR和CSTR
这两种理想流动反应器的性能比较来考 察返混的利弊。
Plug Flow Reactor PFR Continuous Stirred Tank Reactor CSTR
Chemical Reaction Engineering
为微观流体, 如反应物系为气相或不很粘稠的互溶液相。
●宏观流体 ：是不同物料微团间 完全不能进行物质交换 , 因而 在反应器微元尺度上也会存在相当大的不均匀性 , 这类物系称 为宏观流体, 如气固相反应过程中的固相反应物。
Chemical Reaction Engineering
反应速率与微观流体、宏观流体
Chemical Reaction Engineering
●综上所述, 无论对反应速率还是对选择性, 返 混都既可能是一种有利的因素, 也可能是一种
不利的因素。因此, 根据反应的特征, 全面分
析返混的利弊, 是决定反应器的选型和操作方 式时必须考虑的一个重要因素。
Chemical Reaction Engineering
即使对串联反应, 返混对选择性的影响也不一定是不利因素。
✄例2： 对一放热串联反应, 若主反应活化能大于副反 应活化能, 在全混流反应器中由于反应始终在高温下 进行, 有可能改善反应的选择性。 ✄例3：对反应产物具有催化作用的反应, 即自催化反 应，返混降低了反应物的浓度，但提高了反应产物即 催化剂的浓度， 因而可能使反应加速。对负级数反应, 返混也能使反应加速。负一级反应：r=K[A][B]-2
一层含义是后进入反应器的物料和先 进入反应器的物料混合发生时间的迟 早, 这属于宏观混合的范畴。
另一层含义是同时进入反应器的两种 反应物之间混合发生时间的迟早, 即 所谓预混合问题。
Chemical Reaction Engineering
先混合与后混合两种连接方 式的停留时间分布一样。 前提：一级反应
Chemical Reac合是化学反应器中普遍存在的一种传递过 程，混合的作用是使反应器中物料的组成和 温度趋于均匀，不同的混合机理和混合程度 对反应结果（转化率和选择性）往往具有重 要的影响。
• 反应器中发生的混合现象是十分复杂的。对 反应器中的混合现象进行如实的描述和分析 非常困难。对实际过程进行简化，借助各种 理想化的模型去分析混合对反应过程的影响 依然是必要的。
往是比浓度更敏感的因素 , 因此在分析返混对反应
选择性的影响时 , 不仅要考虑浓度的影响 , 而且要 考虑温度的影响。
Chemical Reaction Engineering
✄例1：在绝热反应器中进行一放热的平行反应, 由 于返混全混流反应器中的平均温度将高于活塞流反 应器, 如果主反应活化能大于副反应活化能, 从温 度效应考察, 返混将有利于改善反应的选择性。
3.2.1 理想流动反应器的比较
1、反应物浓度
• PFR：由进口到出口反 应物浓度逐渐降低。 CA
PFR
• CSTR：反应物的 浓度处处相等 CA CA, out
CSTR
0
t
0
t
Chemical Reaction Engineering
2、停留时间
C A0 - rA
CSTR
C A0 - rA
PFR
• 当反应速率较低, 与物料停留时间和物料微团寿命
相比, 特征反应时间较长时, 物系的行为将比较接
近微观流体。
• 当反应速率较高, 与物料停留时间和物料微团寿命
相比, 特征反应时间较短时, 物系的行为将比较接 近宏观流体。
Chemical Reaction Engineering
混合发生时间的迟早
☞对于高反应级数、或在 n=2
10
n=1
n=0.5 n=0.25 1 0.01 0. 1
高转化率条件下, CSTR所 需的容积PFR大得多 ☞例如, 对二级反应, 当转 化率x 为99%时, 全混流反 应器所需的容积是活塞流 反应器的100 倍。 1-xA
1.0
结果表明, 返混可能使单 位反应器容积的生产能 图 不同转化率时全混流反应器和活塞 力降低 Chemical Reaction Engineering 流反应器的容积比较
rA达到最大值
图3-6（a） 自催化r与x关系
Chemical Reaction Engineering
以
C A0 ∽ xA - rA
作图
C A0 - rA
(b)
VP
如果要求的最终转化率小于
或等于xA1 , PFR所需的停留
时间为曲线下的阴影面积,
0 xA1
VC
xA
CSTR所需的停留时间为虚
(c)
了有害的因素。
0
怎么办
xA1
xA
图3-6（c） 自催化r与x关系
Chemical Reaction Engineering
解决方案一：
最优的操作方案应将反应分两段进行：第一段 采用CSTR, 保持在转化率xA1 下操作; 第二段采用PFR, 使转化率达到要求值, 这就是 反应器的组合
Chemical Reaction Engineering
Chemical Reaction Engineering
3.1 宏观混合与微观混合
Chemical Reaction Engineering
3.1 宏观混合与微观混合
☆宏观混合：设备尺度上的混合
设备空间内的分散程度 ☆微观混合：物料微团尺度上的混合 物料粒子内的均匀程度——分子扩散 • 对连续流动反应器, 研究反应器中的混合现象通常 会涉及三方面的问题:
• (1 ) 可用停留时间分布表征的反应器的宏观混合;
• (2 ) 反应物系的聚集状态, 即微观均一性; • (3 ) 混合发生时间的迟早。
Chemical Reaction Engineering
宏观混合
活塞流反应器宏观混合为零
宏观混合即返混 全混流反应器宏观混合为无穷大 反应器的宏观混合程度可用物料的停留时间分布来表征, 停 留时间分布可利用信号响应法实验测定。
不同串联方式全混流和活塞流反应器的停留时间分布密度函数
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活塞流反应器在前的连接方式将 达到较高的转化率
混合迟早对二级反应中反应物残余浓度的影响
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3.2 返混及其对反应的影响
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解决方案二：
采用一个全混流反应器与一个分离装置的组合 , 全混流反应器仍维持在转化率xA1 下操作, 其出 口物流进入分离装置, 使未反应的反应物循环 返回反应器进口。
返混对复杂反应选择性的影响
分析
1
对简单反应, 返混仅仅影响反应速率。而对复杂反应, 返混对产 物选择性也有影响。
●平行反应
反应的瞬时选择性为：
R 主反应
A
2
S
副反应
☆当主反应级数n1高于＞副反应的n2时，CA↑，S↑ →PFR的选择性高于CSTR (CA小） 。 ☆当n2 ＞n1时，则相反。
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VR V0
xA0 xAf
1
VR V0
xA
xA0
xAf
1 xA
图 反应物初浓度和反应速率之比cA0/( - rA ) 对转化率xA
阴影面积为达到规定出口转化率xAf 所需的停留时间
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C A0 - rA
CSTR
VR V0 VR V0
3.2.2 理想反应器的组合和操作方式选择