第五章 连续流动釜式反应器

2016/10/9
5.1 CSTR中的均相反应
5.1.1 反应器特征
全混流反应器是指物料流动状况符合全混流 模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）。在 实际反应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅 拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。
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三种反应器区别 BSTR
投料 一次加料(起始)
PFR
连续加料(入口)
CSTR
连续加料(入口)
年龄
寿命 返混
年龄相同(某时)
寿命相同(中止) 全无返混
年龄相同(某处)
寿命相同(出口) 全无返混
年龄不同
寿命不同(出口) 返混极大
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三种反应器浓度分布--推动力
反应推动力随 反应时间逐渐 降低 6
反应推动力随反 应器轴向长度逐 渐降低
反应推动力不变， 等于出口处反应 推动力
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5.1.2 CSTR的反应速率
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多级全混流反应器
单釜体积（空时）大于多 釜体积（空时）
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多级全混流反应器的串联计算
CAi-1
CAi
CAi
V0C A0 ( x Ai x Ai 1 ) VRi rAi
VRi
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VRi
V0 (C Ai 1 C Ai ) rAi
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2.一级不可逆反应 对于一级不可逆反应，可以直接建立级数m 和最终转化率之间的关系，不必逐级计算。
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多级平推流管式反应器
Consider N plug flow reactor connected in series, and let x1, x2, …, xN be the fractional conversion of component A leaving reactor 1,2, …, N. Basing the material balance on the feed rate of A to the first reactor, we find for the ith reactor from Eq.3.2-6
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（2）等容过程，且各级体积相同，但温度不同
如果各级温度不同，则 需作出各级的动力学曲 rA 线 OM1、OM2……。然 后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3……，依 此 求出CA1 、CA2、 CA3……。
M3 M2 A3 A2 A1
rA=kf(CA)
M1
-1/
CA3 CA2 CA1 CA0 CA
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1） VRp～VR 2） VRp～VRM 作
1 ~ xA rA
X Af
VRp = VR
1 rAf
C
xAf (rA ) f
B
dxA rA
曲线AB
VRp V0C A0 VRM V0C A0

0
dxA V0C A0 [OABD] rA xAf V0C A0 [OCBD]
1 rA
A O

xA
x Af
0
D
(rA ) f
VRM VRp
xAf
转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。 11
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反应级数的影响 生产任务相同时，反应级数越高，两种反应 器或体积相差越大。 反应转化率的影响 即：反应转化率越高，两种反应器空时和反 应体积相差越大。
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1.解析计算
V0CA0 (1 xAi 1 ) V0CA0 (1 xAi ) rAiVRi V0CAi 1 V0CAi rAiVRi r f (c )
Ai Ai
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τ的求解（图解法）
一般简单反应 1/rA （生产任务相同）
1/rA
FPR
xA
CSTR
CSTR PFR
xA
τ
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CSTR
>τ
PFR，
V
>V
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全混流反应器的特点 1. 反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物 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＝∞
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流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
V0CA0 V0CA0 (1 xAf ) (rA ) f VR
VR C A0 C A C A0 x Af V0 (rA ) f (rA ) f
VR
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V0C A0 x Af (rA ) f
进口中已有A
VR
V0C A0 ( x Af x A0 ) (rA ) f
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τ的求解（数值法）
物料平均停留时间τ 对于等容过程，物料平均停留时间为
VR
V0C A0 xAf (rA ) f
C A0 CAf C A0
xAf
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3.图解计算：对于非一级反应，采用解析法计算比较麻烦， 一般采用图解法计算。 （1）等温等容过程，且各级体积相同 由
VRi V0 (CAi 1 CAi ) rAi
得到
rAi
C Ai 1


C Ai

动力学方程为 rAi k f (CAi ) 将上述两个方程同时绘于 rA ~ CA 图上 两线交点的横坐标即为CAi.。 27
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第五章 连续流动釜式反应器
上海工程技术大学 化学化工学院 化学工程与工艺系
化学反应工程
Chemical Reaction Engineering
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5.1 CSTR中的均相反应 5.2 返混原因及限制返混措施
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5.1.3 组合反应器
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德国Parr全自动 组合式化学反应 器-5000系列
由式
C Ai 1 C Ai 1 1 k i
i 1 i2
C A1 1 C A0 1 k 1 C A2 1 C A1 1 k 2
....... C Am 1 1 i m 1 C Am 2 1 k m 1 im C Am 1 C Am 1 1 k m
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Vi FA0

x Ai
x Ai 1
dxA rA
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平推流反应器的物料参数如浓度等沿流动方向变化。 对于等温反应，很难控制整个反应器内物料温度均匀。 对于全混流反应器，物料参数是均匀的，对于物料温度 的控制比较容易。 在有机反应中，特别是多重反应，要求反应过程中 物料浓度温度等参数保持均匀，否则极易发生副反应， 所以一般选择全混流反应器。 为了满足工艺要求，又要提高反应推动力，人们把 一个大的反应器分割成m个小的全混流反应器，然后串 联起来，称为“多级串联全混流反应器”。 19
x Ai Vi dxA x Ai 1 r FA0 A
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将上述诸式相乘 24
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m m
为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、……xAm－1求 偏导数，并令之为零，则有 32
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VR 0(i 1, 2,.....m 1) xAi
以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、 xA2、xA3……xAm－1)。
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等温、等容、各级体积相等情况的图解计算 rA
A2 A3
O M
A1
rA=kf(CA)
-1/
CAm CA3 CA2 28
CA1
CA0
CA
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由上式，第i级
上式可化为
VRi V0 (C Ai 1 C Ai ) rAi
式中 rAi kCAi
(CAi 1 CAi ) k i CAi
VRi 式中 i V0
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化率XAm是由工艺条件确定的。
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VO、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。 31
O
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（3）等容等温，但各级体积不同
如果各级体积不相 同，则 rA ~ CA 的各直 1 线斜率 不相同， 如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3……，求 出CA1、CA2、CA3……。
rA
A2
A1
rA=kf(C
A)
-1/1
A3 -1/2
O
-1/3
CAm CA3 CA2 CA1 30
CA0 CA
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多级来自百度文库混流反应器的串联优化
在设计反应器时，物料处理量VO、进料组成及最终转
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对于等温等容过程，各级反应器体积为
VRi V0C A0 ( xAi xAi 1 ) rAi
反应器总体积 为
V0CA0 ( xAi xAi 1 ) m V0CA0 ( xAi xAi 1 ) VR VRi rAi f ( xAi ) 1 1 1