全混流反应器
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全混流反应器
★ 二级反应 AP 对于任意εA值： (-rA)=
2 kCA
C A0 (C A0 x A ) V R C A0 x A x A (1 A x A ) 2 2 2 2 v0 kC A kC A0 (1 x A ) kC A (C A0 A C A ) 对于 A 0 C A0 C A VR xA 2 2 v0 kC A0 (1 x A ) kC A
★ n级反应
C A0 C A0 C A n kC A C A0 A x A
εA=0时
rA kC
n A
C A0 C A VR xA n 1 n n v0 kC Ao (1 x A ) kC A
例
题
例题7：
工厂采用 CSTR 以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔 比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的 速率方程式为：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1
总有效容积：VR=VR1+VR2=3170L。
很明显，达到相同转化率时，两釜串联的有效容积要比 单釜（7230L）的要小得多，为什么？请思考！
VR VR xA FA0 v0 C A0 C A0 rA VR C A0 x A C A0 C A rA rA v0
CSTR设计方程式（xA0=0的情况） xA0≠0呢？
xA0≠0, 可认为原料中的A已转化了xA1 推导出的设计方程具有通用性
若n=1，则：
C A ,i C A,i 1
全混流反应器的热稳定性
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。 （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 (4)xAf:f=e>d=c>b>a
思考题：
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
平推流反应器： VR V0C A0 dxA rA
x Af 0
x Af
0
dxA rA
间歇反应器：不考虑辅 助操作时间 t C A0
x Af 0
VR V0t V0C A0
dxA rA
(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。
3.3.4
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 反应温度上升 反应速率加快 反应放热速率增大
E C A0VR (H R )k10 exp( ) C A0VR k (H R ) RT QR E 1 k m 1 m k10 exp( ) RT
B、移热速率
[化学反应工程原理]第十章__停留时间分布-数学期望及方差
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tm
tE(t)dt
0
E (t )dt
tE(t)dt
0
0
它是指整个物料在设备内的停留时间，而不是个别质点的 停留时间。 不管设备型式和个别质点的停留时间，只要反应体积与物 料体积流量比值相同，平均停留时间就相同。
➢在实验中得到的是离散情况(即各个别时间)下的E(t)，可用 下式计算：
tm
dC dt
V VR
C0C1 tmC0CdC 1
dt
C0 C tm
积分上式：ln C0 C t C F (t) 1 et /tm
C0
tm C0
F ( ) 1 e
E(t) dF(t) 1 exp( t )
dt tm
tm
方差为
2
1,
2 t
tm2
全混流反应器的F(t)和E(t)函数的曲线如图示。
ci
cn
②轴向扩散模型
轴向扩散
N
Dx
dc dx
c c+dc
dx
一、多釜串联模型(N为模型参数)
多釜串联模型是用N个全混釜串联来模拟一个实 际的反应器。N为模型参数。
1.模型假定条件： ① 每一级内为全混流； ② 级际间无返混； ③ 各釜体积相同
2.多釜串联模型的停留时间分布
设反应器总体积为Vr，并假想由N个体积相等的全混釜串联组 成，釜间无任何返混。若对系统施加脉冲示踪后，作示踪剂
F（t）
阶跃输入 出口响应
0
t
阶跃法所得输入—响应曲线
由图可知，在t=0时，C=0；t↑， C→ C0
阶跃示踪法测得的是停留时间分布函数F(t)
时间为t时，出口物料中示踪剂浓度为C(t)，物料流量为 V，所以示踪剂流出量为V C(t)，又因为在时间为t时流出 的示踪剂，也就是反应器中停留时间小于t的示踪剂，按 定义，物料中停留时间小于t的粒子所占的分率为F(t)，因 此，当示踪剂入口流量为VC0时，出口流量VC0 F(t)，所 以有：
§84全混流反应器
VRLeabharlann kCA20 (1 qV C A0 x A x A )2 (CB0 0.5C A0 xA )
0.0025
0.028 / 60 60 2(1 0.6)2 (3 0.5 2 0.6)
0.146 m3
• 9题，解（1）
VR
qV C A0 x A kCA0 (1 x A )
14.4 0.8 24 60 0.0806 (1 0.8)
（1）
t k CA0
x (1
A
x
A
)
2
0.5 kCA0 0.52
1 0.5k CA0
VR=qVt，VR2=6VR，6VR=6qVt=qVt2
6qV
qV xA
0.5kCA0 kCA0 (1 xA )2
xA2 25 xA 12 0
∴ xA 0.75
2020/6/17
8
• 另解：
6VR
xA
qV (C A0 C A ) (rA )VR
t VR CA0 CA
qV
rA
(2)
将 C A C A0 (1 xA )
代入（2）
t VR CA0 xA
(3)
qV rA
2020/6/17
4
t— 空间时间，因为是定容过程，∴又称为逗
留时间，因为物料质点在反应器的停留时间
长短不一，所以称为平均逗留时间。
• 因为流动情况不同，根据PFR的特点，有以下关
系式，
t3
CA3 CA0
dCA kCA2
1 1
k
CA3
1 CA0
kt3C A0
C A0 C A3
1
2
∴
C A3 1
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.反应器设计的基本内容
(1) 选择合适的反应器形式
(2) 确定最佳的工艺条件
(3) 计算所需反应器体积
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
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。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
全混流反应器最佳反应体积
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
UAT Tm 0
若反应器没有设置传热面，在绝热条件下操作，则：
V rA H r v0 C p T T0
故变温操作的CSTR设计就是操作方程、设计方程、动力 学方程联立求解的过程，即：
I)全混流反应器的热平衡
单位时间内的热量衡算：
V rA H r v0 C p T T0 UAT Tm
以Qg表示放热速度，则：Qg V rA H r 以Qr表示移热速率，则： Qr v0 C p T T0 UAT Tm 定常态下：Qg=Qr
解上式得： xA1=0.702
VR1 VR 2
v0 x A 2 x A1 3 3.88m 2 k CA0 (1 x A 2 )
3
v0 x A1 3 2.77 m 2 k CA0 (1 x A1 )
VRT 6.65m
Return
§3.7 全混流反应器的热量衡算与热稳定性 (1)全混流反应器的热衡算方程（操作方程） 忽略反应流体的密度和定压比热CP随温度的变化，在 定常态下，对反应器作热量衡算有：
★Qr~T是呈直线关系
Qg、Qr都是温度T的函数，当Qg=Qr时，在Q-T图上就表 示两条曲线的交点，交点体现的状态为定常态，但处于 定常态操作的反应器不一定是稳定的。 Qg Qr Qr b c
对于微小的干扰：
a
Qg
△T>0，对a, c两点，Qr>Qg， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qg>Qr，则使反 应温度进一步升高，直到a点； △T<0，对a, c两点，Qg>Qr， 则系统恢复至原来的状态； 而对于b点，Qr>Qg，则使反 应温度进一步降低，直到c点；
全混流反应器
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
级不可逆放热反应有： 对n级不可逆放热反应有： 级不可逆放热反应有
V (−∆H r )C A0 n QG = k (1 − x A ) n v0 ρ c p
对于n=1的情况，有 的情况， 对于 的情况
QG = V (−∆H r )C A0 k ( ) v0 ρ c p 1 + kτ
UATm V (−rA )(−∆H r ) UA = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p v0 ρ c p ρ c p v0
则：
放热速率 移热速率
QG =
V ( − rA )( −∆ H r ) v0 ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
全混流反应器的热衡算及热稳定性
§3.3 连续操作的完全混合流反应器
三、全混流反应器的热衡算及热稳定性
1．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） ．全混流发应器的热衡算方程（操作方程） 随温度的变化， 若忽略反应流体的密度和定压比热 c p 随温度的变化，反应器在 定常态下操作对反应器作热量衡算， 定常态下操作对反应器作热量衡算，有：
或
E ] RT QG = E v0 ρ c p + V ρ c p k0 exp[− ] RT V (−∆H r )C A0 k0 exp[−
当 T 时，有 →∞
QG = ( −∆H r )C A0 / ρ c p
UATm UA Qr = T (1 + ) − (T0 + ) v0 ρ c p ρ c p v0
单位时间 内反应的 放热量
+
全混流反应器(CSTR)
例题
对于一级不可逆反应方程：
A → B , rA = kcA
在全混流反应器完成上述一级反应，如k＝ 0.01s－1，体积流量为10-3 m3s-1，试计算转化 率达到30%时所用的反应时间。
间歇反应器t＝35.7s 平推流反应器τ＝35.7s 全混流反应器τ＝42.9s
全混流反应器对完成同样的转化率所需的反应器 体积和停留时间都比平推流和间歇反应器大。 体积和停留时间都比平推流和间歇反应器大。
FA0 = vT c A0
FA = vT c A
rAV
0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
FA0 = FA + rAV
FA0 − FA rA = V
全混流反应器的设计方程不是微分格式，这不 同于平推流反应器和间歇反应器。平推流需要 微分形式来描述组分随空间的变化，间歇反应 器组分随反应时间的变化。相反，CSTR方程 其组分不随时间和空间变化。因此，反应组分 不随时间和空间变化，那么全混流行为还是反 应器？回答呢：问题在于新鲜的物料是连续的 引入到反应器内，因为完全混合是一个瞬间变 化，因此反应组分也是瞬间发生变化的。
CSTR的体积计算 的体积计算
n n FA0 − FA FA0 x A FA0 x AvT FA0 x AvT V= = = = n n n n rA kc A kFA kFA0 (1 − x A )
反应为一级反应
V 1 xA τ= = vT k 1 − x A
kτ xA = 1 + kτ
全混流反应器
全混流反应器（CSTR）
操作特点
反应物料和产物流速恒定； 反应流体在反应器内是完全混合的，故在反应 器内时具有均一的温度和组成，且与从反应器 流出的物料的温度和组成是一致的 当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入 反应器的容积流速v是相同的 反应器内的反应速率亦维持恒定。
全混流反应器计算的基本公式-化学反应工程
表3－1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
n=0
rA k
CA CA0 kt
C kt ln A0 CA
kt ln 1 1 xA
n=1
rA kCA
2 rA kCA
VR=V’(t+t’) 式中V’为单位时间所处理的物料量。
三、间歇反应器中的单反应
设有单一反应A→P n r kC 动力学方程为 A A n＝1时， rA kCA 按式（3－5）残余浓度式
kt ln
C A0 CA
或转化率公式：
kt ln(1 xA )
残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度，而转化率式 是计算A的利用率，根据工艺要求可以公式（3－5）计 算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度的计算结 果列于表3－1。
二、间歇反应器性能的数学描述 1.反应时间～xA的关系 在反应器中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间 变化，可以通过物料衡算求出反应时间t和xA的关系式。 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算： [A流入量] = [A流出量] +[ A反应量] + [A累积量] 0 = 0 ＋
x Af 0
dxA rA
可知，二者具有一定的等效性。
三、等温平推流反应器的计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动方 向变化。 n 将 rA kCA 代入平推流反应器体积计算公式
VR V0CA0
X Af 0 X Af dx dxA A V0CA0 n 0 rA kCA
全混流反应器的返混
全混流反应器的返混全混流反应器是一种在化学工程中广泛使用的反应器类型，其设计和操作参数对反应的效果有着重要的影响。
下面是一些与全混流反应器相关的参考内容，以帮助读者深入理解全混流反应器的原理和应用。
1. 反应器设计：全混流反应器的设计涉及多个方面，包括反应器的尺寸和体积、反应物的进料方式、搅拌机械的选择和搅拌速度、采样管和温度、压力和流量测量等。
其中，反应器尺寸和容积的确定通常需要考虑到反应物料的热效应、反应速率和转化程度等因素。
2. 反应器模型：全混流反应器的模型可以通过质量守恒和能量守恒等原理进行推导和分析。
一般情况下，可以使用连续性方程和能量方程来建立模型，以描述反应物的浓度和温度随时间和位置的变化。
3. 反应动力学：反应动力学是全混流反应器设计的重要依据，它研究了反应速率和反应物浓度之间的关系。
常见的反应动力学模型有零级、一级、二级和伪一级反应动力学模型等，它们可以用来描述多种化学反应的速率。
4. 放热反应控制：全混流反应器中的放热反应对温度的影响较大，需要进行合适的温度控制以保证反应的安全和有效进行。
参考内容可以包括放热反应的控制策略、热交换技术的应用以及多相反应体系中的热传递问题等。
5. 混合与分离操作：全混流反应器中需要进行的混合和分离操作对反应过程的控制和产品的纯度有着重要影响。
相关参考内容可以包括混合操作的选择和优化以及分离操作的技术，如蒸馏、离心等。
6. 反应器应用：全混流反应器在化学工程中有广泛的应用，涉及到多个领域，如有机合成、催化反应、聚合反应等。
文中可以引用一些具体的应用案例，介绍全混流反应器在如化学品生产、石油炼制和新能源开发等领域的实际应用。
以上提及的参考内容涵盖了全混流反应器的原理、设计、动力学、热控制、运行操作和应用等方面，有助于读者了解和应用全混流反应器。
通过深入研究和实践，读者可以进一步掌握全混流反应器的工程设计和操作技术，为化学工程领域的反应过程提供技术支持。
化学反应工程全混流基本特点
化学反应工程全混流基本特点
化学反应工程全混流的基本特点包括以下几个方面：
1. 反应物料混合均匀：全混流反应器内的反应物料混合均匀，反应过程具有良好的一致性，可以保证产品质量和产物的稳定性。
2. 反应速率快：全混流反应器内的反应物料流动状态良好，可以加快反应速率，提高生产效率。
3. 操作简单：全混流反应器结构简单，操作方便，可以实现连续进料和出料，易于实现自动化控制。
4. 适应性广：全混流反应器适用于多种类型的化学反应，可以根据不同的反应需求进行设计，满足不同生产工艺的要求。
5. 可靠性高：全混流反应器结构简单，操作稳定，可以降低故障率，提高生产过程的可靠性。
6. 能耗低：全混流反应器内的反应物料混合均匀，可以降低搅拌能耗，同时反应速率快也可以减少反应时间，降低能耗。
综上所述，化学反应工程全混流具有反应物料混合均匀、反应速率快、操作简单、适应性广、可靠性高、能耗低等特点，在化工生产中得到广泛应用。
全混流反应器的热稳定性
(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
k VR V0 2k VR V0 2 k
C Af , f C A1e
C A0 e
C A0 e
(g)为平推流与全混流反应器并联
cAf , g
c A0 2 kt 0.5 cA0e 1 2k
（2）全混流反应器的多态
QR C A0VR k (H R ) 1 k m C A0VR (H R )k10 exp( E 1 m k10 exp( ) RT E ) RT
QR(QC) QC
QR
N
QR曲线与QC直线的交点处 QR =QC
P
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。
当k 1时 C A0 C C Af ,a A0 1 2k 3 C A0 C A0 C Af ,b 2 (1 k ) 4 C A0 k C A0 C Af ,c C Af ,d e 1 k 5.44 C A0 2 k C Af ,e C Af , f C A0 e 7 .4
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，实际上各有关参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。
《全混流反应器》课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
05
全混流反应器的优缺点
优点
高混合效率
全混流反应器能够提供高度均匀的混 合液，有助于提高化学反应的效率和 产物质量。
高反应速率
由于良好的混合效果，反应物在全混 流反应器中的接触面积大，提高了反 应速率。
易于控制温度
全混流反应器通常配备有冷却或加热 系统，便于控制反应温度，减少温度 对反应的影响。
建立完善的维护保养制度，确保全混流反 应器的正常运行和使用寿命。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
06
全混流反应器的发展趋 势与展望
技术创新
高效能催化剂
研发更高效、选择性更高的催化剂是全混流反应器技术创新的重点之一。通过改进催化剂 的活性、稳定性和选择性，可以提高反应速率和产物收率，降低能耗和生产成本。
精细化工
在精细化工领域，全混流反应器可用 于生产高附加值化学品，如香料、染 料、农药等，提高产品质量和收率。
生物工程
微生物发酵
全混流反应器适用于微生物发酵过程，如抗生素、氨基酸、酶制剂等的生产， 能够提供适宜的微生物生长和代谢环境。
酶催化反应
全混流反应器可用于酶催化反应过程，实现大规模、连续的生产，提高酶的利 用效率和产物收率。
02
根据工艺流程和操作条件，设计合理的内部构件，如挡板、搅
拌器等，以提高混合效果和传量和工艺要求，合理设置进出口管道和阀门，以满
足工艺操作要求。
参数选择
选择合适的搅拌速
度
根据物料的特性和工艺要求，选 择合适的搅拌速度，以保证良好 的混合效果和传热性能。
全混流反应器串联特点
全混流反应器串联特点
1. 全混流反应器串联起来，那可真是不得了啊！就好像一群小伙伴齐
心协力做一件大事。
比如在化工生产中，好几个全混流反应器串起来，那效率蹭蹭上涨，反应进行得可顺畅了！这效果多让人惊喜啊！
2. 你想想看，全混流反应器串联后是什么样的呢？这就如同接力比赛
一样，一个接一个传递力量。
在处理污水的时候，这种串联能让污染物一步一步被处理得更彻底，多厉害呀！
3. 全混流反应器串联有个超棒的特点呢！这就好比是建房子，一块砖
一块砖叠加起来更稳固。
在反应过程中，它们相互配合，让反应效果达到最佳，是不是很神奇？拿制药来说，这样的串联能大大提高药品的质量啊！
4. 全混流反应器串联会怎么样呢？嘿，那可有意思了，就像一列火车，一节节车厢带着反应不断前进。
像在食品加工中，这种串联能让加工过程更精细，这难道不让人兴奋吗？
5. 全混流反应器串联的这个特点呀，哇，真的很牛！仿佛是一支训练
有素的军队，有序地进行战斗。
在能源领域，通过它们的串联，能让能源转化更高效，这多了不起啊！
6. 全混流反应器串联可是有神奇效果的哟！就好像是一场精彩的音乐会，各种乐器协同演奏出美妙的乐章。
在材料合成中，依靠这种串联能制造出更好的材料，是不是很赞呢！
总的来说，全混流反应器串联具有很独特且强大的特点，能在很多领域发挥重要作用，带来意想不到的效果。
化学反应工程 3.3 全混流反应器CSTR
正级数反应
VP F R FA0
xAedxA 0 rA
负级数反应
VCSTR
FA0
xAe rA
FA0 vTcA0 FA vTcA
rAV
0
FA0FArAV
rA
FA0 V
FA
间歇反应器t＝35.7s 平推流反应器＝35.7s 全混流反应器＝42.9s
全混流反应器对完成同样的转化率所需的反应器 体积和停留时间都比平推流和间歇反应器大。
例题
某液相反应 A+B→R+S，其反应动力学表达式 为 rA＝kcAcB，T＝373K时，k=0.24 m3kmol/min。今要完成一生产任务，A的处理 量为 80 kmol/h，入口物料的浓度为cA,0=2.5 kmol/m3，cB,0=5.0kmol/m3，要求A的转化率 达到80％，问：①若采用活塞流反应器，反应 器容积应为多少m3？③采用全混流反应器，反 应器的容积应为多少m3？
CSTR的体积计算
V F A 0 r AF AF k A 0 x A nA cF A k 0 x A A n v F T n kF A n 0 F A 0 1 x A v x T n An
反应为一级反应
V 1 xA
vT k1xA
xA
k 1 k
全混流反应器应器 对比
全混流反应器（CSTR）
操作特点
反应物料和产物流速恒定； 反应流体在反应器内是完全混合的，故在反应
器内时具有均一的温度和组成，且与从反应器 流出的物料的温度和组成是一致的 当反应流体的密度是恒定时，则流出和流入 反应器的容积流速v是相同的 反应器内的反应速率亦维持恒定。
物料衡算
单 反位 应 A的时 器 ＝ 量 单 反 间位 应 进 A的时 器 入 量 ＋ 单 间 反位 流 应 A的时 出 掉 量间 ＋ 单 A 反 的位 应 累时 器 积间 中 量
全混流反应器的返混
全混流反应器的返混全混流反应器是一种常见的化学反应器，其特点是反应物进入反应器后通过全混合过程，达到反应的目的。
全混流反应器的优点在于它具有高效、均匀的混合特性，能够保证反应物均匀地分布在整个反应器中，从而更好地利用反应物和催化剂，提高反应的效率和产率。
全混流反应器的构成包括反应器本体、进料装置、搅拌机构、产物出料装置、温度、压力、流量、物质平衡等自动控制系统等。
反应器本体通常采用圆柱形、方形或椭圆形等形状，根据反应液特性、反应条件、反应程度选择最适合的结构。
进料装置通常采用外部管道引入反应物质，进料量和流量可以通过控制泵或其他的仪表进行自动调节。
产物出料装置采用叶片或广泛接管的形式，将反应物从反应器中排出，也可以在反应中进行在线采样和分析。
搅拌机构通常采用机械或磁力搅拌器实现搅拌，以达到混合的目的。
全混流反应器中的反应物质转化受多种因素的影响，例如反应物浓度、温度、压力、催化剂或酶的特性等。
反应物浓度通常通过控制进料量控制其浓度，以满足反应物的需求。
温度和压力是反应物质转化的两个重要因素，通常通过控制加热制冷和压力调节阀实现。
催化剂或酶的特性主要表现在催化速率和选择性上，可以通过设计不同的催化剂和酶来达到特定的反应物质转化要求。
全混流反应器在化学工业中广泛应用，但也存在一些缺陷，如反应物质转化不彻底、反应过程不可逆、难以控制反应过程中产生的副反应等问题。
因此，为了提高反应物的转化率和产率，减少副反应的发生，通常采用多段式反应器和流程优化等方法进行改进和优化。
总之，全混流反应器具有高效、均匀的混合特性，对化学工业中的物质转化和生产具有重要意义。
但需要注意反应条件的控制和反应过程的优化，才能发挥其最大的作用。
化学反应工程-连续流动釜式反应器
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
式中 (rA) f 指按出口浓度计算的反应速率。
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。
若 xA0 0 ,则由物料衡算方程
[A流入量]－[A流出量]－[ A反应量]＝0
NA '
NA
(rA ) f VR
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。 反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流 程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。 以下讨论，当物料处理量V0、进料组成及最终转化率 XAm和反应器级数m确定后，如何最佳分配各级转化率xA1、 xA2、……、xAm－1，使VR最小。
对于等温等容过程，各级反应器体积为
上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等 温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。
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全混釜反应器体积计算
Q C C 0( A 0 A) V R ( r A)
Q0CA0xA (rA )
空时与空速的概念：
空时：
Vr 反应体积 （因次：时间） Q 进料体积流量 0
表明 Q o , 处理能力
空速：
Q FA0 0 Vr cA0Vr 1
对于任意εA值
★ 二级反应 对于任意εA值：
AP
(-rA)=
kC
2 A
2 C x C C x ) V x ( 1 x ) A 0 A A 0( A 0 A R A A A 2 2 2 Q kC kC 1 x ) kC C AC 0 A A 0( A A( A 0 A)
二、全混流模型：(CSTR） 又称理想混合流反应器或 连续搅拌釜式反应器，进出物料的操作是连续的，可 以单釜或多釜串联操作。
1、全混流模型
2、全混流反应器的设计方程式
3、设计方程式的应用 4、间歇釜式反应器和全混流（CSTR）反应器的 比较 5、多釜串联CSTR反应器的特点
6、多釜串联CSTR反应器的设计方法
若 A 0 C A0 C A xA C A0 A C A
或
C 1xA A 0 C A 1AxA
将上式代入设计方程得 : C A0 (C A0 C A ) C A0 x A (1 A ) 或 k (C A0 AC A ) k (1 A x A )
★一级反应
AP
(-rA)=kCA
C A 0 (C A 0 C A ) V R C A 0 x A x A (1 A x A ) Q0 ( rA ) k (1 x A ) kC A ( C A 0 A C A ) 对于液相反应 , 可以认为是恒容过程 , 这时 A 0 C A0 x A C A0 C A VR Q 0 kC A 0 (1 x A ) kC A k 或 : xA 1 k C A0 CA 1 k CA 1 C A0 1 k
CA0、CB0均为0.004kmol.L-1
若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反应 器的体积大小。
解：根据CSTR反应器的设计方程可知，
因次 : 时间
-1
空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。
反应工程中常用于表示时间概念的还有： ◆反应时间t：反应物从进入反应器后从实际发生反应起到 反应达某一程度（如某转化率）时所需的时间 ◆停留时间：它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们 离开反应器的时刻为止在反应器内共停留的时间，对于 分批式操作的釜式反应器与理想平推流反应器，反应时 间等于停留时间，而对于存在返混的反应器，则出口物 料是由具有不同停留时间的混合物，即具有停留时间分 布的问题，工程上常用平均停留时间来表示。 ◆平均停留时间：以 来表示，其定义为反应器的有效容积 tV 。 与器内物料体积流速之比，即 t v
A
Vr
Q C C ( 1 x ) C Q x 0 A 0 A 0 Af A 0 0 Af ( r ) ( r ) A A
如进入反应器时还有一定转化率x0,出口为xf
Q C ( 1 x ) C ( 1 x )Q C ( x x ) 0 A 0 0 A 0 f 0 A 0 f 0 V R ( r ) ( r ) A A
2.设计方程：由于器内物料混合均匀，可以对全 釜做关键组分A的物料衡算： [A进入量]=[A出VR量]+[反应掉量]+[累积量]
Q0CA0 = Q0CA + VR(-rA) + 0
Q0
Q
0
c
A 0
c
Q C Q C ( C C ) 0 A 0 0 A Q 0 A 0 A V R ( r ) ( r ) A A
对于 A 0 C C V x A 0 A R A 2 2 Q k C ( 1 x ) k C 0 A 0 A A
★ n级反应
C C C A 0 A 0 A n kC C x A A 0 A A
εA=0时
rA kC
n A
C C V x A 0 A R A n 1 n n v kC ( 1 x ) kC 0 Ao A A
例
题
例题 工厂采用 CSTR 以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔 比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的 速率方程式为：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1
1、全混流模型
特点： ★反应器内所有空间位置的物系性质是均匀的，并且等于 反应器出口处的物料性质，即反应器内物料的浓度与温 度均一，且与出口物料温度、浓度相同。 ★新鲜物料瞬间混合均匀，存在不同停留时间的物料之间 的混合，即返混。且逆向混合程度最大，逆向混合直接 导致稀释效应最大。 ★在等温操作的条件下，反应器内物系的所有参数，如T、 C、P等既不随时间变化，也不随位置变化。
要注意区设计方程关联的参数有：xA、(-rA)、VR、FA0 图解全混流反应器相关计算：
注意：上图中矩形可求出出口转化率xA或出口浓度为CA 所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。
3、设计方程式的应用
★零级反应 AP (-rA)=k
VR C A 0 x A C A 0 x A C A 0 C A Q0 ( rA ) k k k 或 : xA C A0 或 : C A C A0 k (注 : 以上是 A 0的等分子反应 )