理想反应器CSTR 1

◆连续操作的物料累积量为零。 基本衡算式：
试问化学反应速率 是固定不变的吗？
为什么？
进入量-排出量-反应量=累积量 对反应的A作物料衡算：
进入量=FA0=v0CA0 排出量=FA=FA0(1-xA)= v0CA0(1- xA)
反应量=（-rA）VR
CA0 xA0=0
(或xA1)
v0 FA0
CA
xA (或xA2)
?? rA ?
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
推导过程： 物料衡算式
注意：FA0表示
无产物基的A 的摩尔流率，
否则无任何物 理意义！
FA0(1-xA1) -FA0(1-xA2) -（-rA）VR=0 即：FA0(xA2-xA1) =（-rA）VR
★ 二级反应
A?P
(-rA)=
kC
2 A
对于任意εA值：
?
? ? VR
v0
?
C A0 xA
kC
2 A
?
x A (1 ? ? A x A )2
kC A0 (1 ? x A ) 2
?
C A0 (C A0 ? x A )
kC
2 A
(C
A0
?
? ACA )
对于? A ? 0
?
?
VR v0
?
xA kC A0 (1 ?
§3.4 全混流反应器 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、分批式（间歇釜式）反应器和全混流（CSTR） 反应器的比较
§3.5 多釜串联组合的全混流反应器
1、多釜串联CSTR反应器的特点 2、多釜串联CSTR反应器的设计方法
①解析法 ②图解法
1、全混流模型：
CSTR（Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR）
? ? ? VR ? C A0 xA ? C A0 xA ? C A0 ? C A
v0 (? rA )
k
k
或:
xA
?
k?
C A0
或 : C A ? C A0 ? k?
(注 :以上是? A ? 0的等分子反应)
若? A ? 0
? ? xA
?
CA0 ? C A
C A0 ? ? AC A
或
CALeabharlann Baidu
?
CA0 1? xA
xA)2
?
C A0 ? C A
kC
2 A
★ n级反应
?
rA
?
kC
n A
?? ?? ?
?
C A0 CA0 ? C A
kC
n A
C A0
?
?AxA
εA=0时
??
VR v0
?
xA
kC
n?1 Ao
(1
?
xA)n
?
C A0 ? C A
kC
n 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：
★反应器内物系的所有参数，如T、C、P等均不随时间变 化，从而不存在时间独立变量，独立变量是空间。
CA0 xA0=0
(或x A1 )
v0 FA0
CA
xA (或xA2)
VR
CSTR
CA xA
(或xA2)
v FA
Return
2、 全混流反应器的设计方程式
两点说明：
◆CSTR体系性质均一，不随时间而变，可就整个反应器进 行物料衡算，而且单位时间可以任取。
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。
特点：
★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。物料返混是连续操作反应器存在 的现象，且逆向混合程度最大，逆向混合直接导致 稀 释效应最大。
★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。
VR
CA xA
(或xA2)
v
FA
FA0-FA0(1-xA) -（-rA）VR=0 或：v0CA0- v0CA0(1- xA) -（-rA）VR=0
可以导出下列式子
? ? VR ? VR ? ? ? xA
FA0 v0C A0 C A0 ? rA
?
?
VR v0
?
CA0 x
?? rA
A
?
?
CA0 ? CA
◆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t 来表示，其定义为反应器的有效容 积与器内物料体积流速之比，即 t ? V v 。
1? ?AxA
将上式代入设计方程得 :
? ? C A0 (C A0 ? C A ) 或? ? C A0 x A (1 ? ? A )
k (C A0 ? ? AC A )
k(1 ? ? A x A )
★一级反应
A?P (-rA)=kCA
对于任意εA值
? ? VR ? C A0 xA ? xA (1 ? ? A xA ) ? C A0 (C A0 ? C A )
（-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 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。
v0 (? rA )
k (1 ? xA )
kC A (C A0 ? ? AC A )
对于液相反应, 可以认为是恒容过程 , 这时? A ? 0
? ? VR ? xA ? CA0 ? CA
v0 k (1 ? xA )
kC A
或:
xA
?
k? 1 ? k?
CA
?
C A0
1 ? k?
CA ? 1
C A0 1 ? k?
要注意区分上述三个工程上常用于表示时间的概念。
全混流反应器设计方程关联的参数有：xA、(-r A)、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。 Return
3、设计方程式的应用
★零级反应
A? P
(-rA)=k
? ? VR ? VR ? ? ? xA2 ? xA1
FA0 v0C A0 C A0
? rA
或?
?
VR v0
?
C
A0
?x A ??
2?x
rA ?
A
2
?
?
CA0 ? CA
?? rA ?
τ为空时，是反应器的有效容积与进料流体的容积流速比值
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