全混流反應(yīng)器

1、二、全混流模型：(CSTR） 又稱理想混合流反應(yīng)器或連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器，進(jìn)出物料的操作是連續(xù)的，可以單釜或多釜串聯(lián)操作,1、全混流模型,2、全混流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程式,3、設(shè)計(jì)方程式的應(yīng)用,4、間歇釜式反應(yīng)器和全混流（CSTR）反應(yīng)器的比較,6、多釜串聯(lián)CSTR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法,5、多釜串聯(lián)CSTR反應(yīng)器的特點(diǎn),特點(diǎn)： 反應(yīng)器內(nèi)所有空間位置的物系性質(zhì)是均勻的，并且等于反應(yīng)器出口處的物料性質(zhì)，即反應(yīng)器內(nèi)物料的濃度與溫度均一，且與出口物料溫度、濃度相同。 新鮮物料瞬間混合均勻，存在不同停留時(shí)間的物料之間的混合，即返混。且逆向混合程度最大，逆向混合直接導(dǎo)致稀釋效應(yīng)最大。 在等溫操作的條件下，反應(yīng)器內(nèi)物

2、系的所有參數(shù)，如T、C、P等既不隨時(shí)間變化，也不隨位置變化,1、全混流模型,2.設(shè)計(jì)方程：由于器內(nèi)物料混合均勻，可以對(duì)全釜做關(guān)鍵組分A的物料衡算： A進(jìn)入量=A出VR量+反應(yīng)掉量+累積量 Q0CA0 = Q0CA + VR(-rA) + 0,如進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)還有一定轉(zhuǎn)化率x0,出口為xf,空時(shí)與空速的概念,空時(shí),因次：時(shí)間,空速的意義：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位反應(yīng)體積所處理的物料量。 空速越大，反應(yīng)器的原料處理能力越大,空速,反應(yīng)工程中常用于表示時(shí)間概念的還有： 反應(yīng)時(shí)間t：反應(yīng)物從進(jìn)入反應(yīng)器后從實(shí)際發(fā)生反應(yīng)起到反應(yīng)達(dá)某一程度（如某轉(zhuǎn)化率）時(shí)所需的時(shí)間 停留時(shí)間：它是指反應(yīng)物從進(jìn)入反應(yīng)器的時(shí)刻算起到它們離開

3、反應(yīng)器的時(shí)刻為止在反應(yīng)器內(nèi)共停留的時(shí)間，對(duì)于分批式操作的釜式反應(yīng)器與理想平推流反應(yīng)器，反應(yīng)時(shí)間等于停留時(shí)間，而對(duì)于存在返混的反應(yīng)器，則出口物料是由具有不同停留時(shí)間的混合物，即具有停留時(shí)間分布的問題，工程上常用平均停留時(shí)間來表示。 平均停留時(shí)間：以 來表示，其定義為反應(yīng)器的有效容積與器內(nèi)物料體積流速之比，即 。 要注意區(qū)分上述三個(gè)工程上常用于表示時(shí)間的概念,全混流反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程關(guān)聯(lián)的參數(shù)有：xA、(-rA)、VR、FA0 圖解全混流反應(yīng)器相關(guān)計(jì)算,注意：上圖中矩形可求出出口轉(zhuǎn)化率xA或出口濃度為CA所需空時(shí)，一定要明確上圖黑點(diǎn)所代表的意義,3、設(shè)計(jì)方程式的應(yīng)用,零級(jí)反應(yīng),AP (-rA)=k,或

4、,一級(jí)反應(yīng),AP (-rA)=kCA 對(duì)于任意A值,二級(jí)反應(yīng) AP (-rA),對(duì)于任意A值,n級(jí)反應(yīng),A=0時(shí),例 題,例題 工廠采用CSTR以硫酸為催化劑使已二酸與已二醇以等摩爾比在70下進(jìn)行縮聚反應(yīng)生產(chǎn)醇酸樹脂，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該反應(yīng)的速率方程式為：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）-以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1 k-反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，kmol.L-1 CA0、CB0均為0.004kmol.L-1 若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算確定反應(yīng)器的體積大小,解：根據(jù)CSTR反

5、應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程可知,而間歇反應(yīng)器所需的體積僅為：2.16m3 請(qǐng)思考：為何間歇釜式反應(yīng)器所需反應(yīng)體積要小得多,4、間歇釜式反應(yīng)器和全混流（CSTR）反應(yīng)器的比較,對(duì)于反應(yīng)級(jí)數(shù)n0的反應(yīng): 間歇釜式BR：一次性投料，反應(yīng)體系A(chǔ)的濃度由CA0逐漸降至CA(排料時(shí)A的濃度），反應(yīng)速率隨 t 減小; 全混流CSTR：A的濃度由CA0瞬間降至反應(yīng)器出口濃度CA，故全混流反應(yīng)器一直在相當(dāng)于出口濃度的低反應(yīng)速率下進(jìn)行，相當(dāng)于圖中B點(diǎn)速率下進(jìn)行,間歇釜式反應(yīng)器所需反應(yīng)時(shí)間,全混流反應(yīng)器所需空時(shí),= 面積CA0DBCA,全混流反應(yīng)器的容積效率,說明容積效率可以用時(shí)間比空時(shí)的原因,對(duì)于n0的不可逆反應(yīng)，CSTR的

6、容積效率均小于1，這是由于“返混”造成的稀釋效應(yīng)使全混流的反應(yīng)器的容積效率小于1，也就是說全混流反應(yīng)器的有效容積將是分批式反應(yīng)器的1/倍，但要注意間歇式操作的非生產(chǎn)性時(shí)間t0在計(jì)算時(shí)并沒有考慮，若考慮之，則=（t+t0）/，有可能=t /小于1的情況，而=（t+t0）/大于1，這是完全可能的,1、多釜串聯(lián)CSTR反應(yīng)器的特點(diǎn),如果由幾個(gè)串聯(lián)的全混流反應(yīng)器來進(jìn)行原來由一個(gè)全混流反應(yīng)器進(jìn)行的反應(yīng)，則除了最后一個(gè)反應(yīng)器外，所有其它反應(yīng)器都在比原來高的反應(yīng)物濃度下進(jìn)行反應(yīng)，這勢(shì)必減少了混合作用所產(chǎn)生的釋稀效應(yīng)，使過程的推動(dòng)力得以提高。表現(xiàn)在： 若兩者的起始和最終濃度及溫度條件相同，則意味著生產(chǎn)強(qiáng)度可以

7、得到提高（因平均反應(yīng)速度提高了）； 如果多釜與單釜具有相同的生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)化率，多釜串聯(lián)的反應(yīng)器總?cè)莘e必定小于單釜。串聯(lián)級(jí)數(shù)越多，所需體積愈小，過程愈接近活塞流（PFR）和分批式反應(yīng)器,多釜串聯(lián)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法,解析法,設(shè)每個(gè)反應(yīng)器的空時(shí)為i，則總空時(shí)為,對(duì)任意i釜A組分的物料衡算（恒容系統(tǒng),將具體的速率方程代入上式，從第一釜開始逐釜計(jì)算下去,各釜的容積與溫度可以不同，如對(duì)于n級(jí)不可逆反應(yīng),若n=1，則,將串聯(lián)的N釜設(shè)計(jì)方程左右分別相乘得,總?cè)莘e為：V=NVi=Niv0,例 題,例題8 在兩釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器中，用已二酸和已二醇生產(chǎn)醇酸樹脂，在第一釜中已二酸的轉(zhuǎn)化率為60%，第二釜中它的轉(zhuǎn)化率

8、達(dá)到80%，反應(yīng)條件和產(chǎn)量如下： 速率方程式：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）-以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1 k-反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，0.004kmol.L-1 若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算確定反應(yīng)器的總體積大小,解： 反應(yīng)速率方程可轉(zhuǎn)化為：(-rA)= 第一釜有效容積的計(jì)算 由操作方程知,總有效容積：VR=VR1+VR2=3170L,很明顯，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率時(shí)，兩釜串聯(lián)的有效容積要比單釜（7230L）的要小得多，為什么？請(qǐng)思考,例題9：見陳甘棠教材P62例3-4-

9、1（全混釜與間歇釜的比較,若為等溫恒容反應(yīng)，且反應(yīng)器的各釜容積相等，則設(shè)計(jì)方程可改寫為,上式表明： 若第i釜的進(jìn)口轉(zhuǎn)化率xA,i-1一定時(shí)， 其出口轉(zhuǎn)化率xAi與(-rA)i呈直線關(guān)系，其斜率為 ，截距為 。出口轉(zhuǎn)化率不僅要滿足物料衡算式（設(shè)計(jì)方程），而且還要滿足動(dòng)力學(xué)方程式，若將上兩關(guān)系繪于 xA (-rA) 坐標(biāo)系中，則兩條線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 xA 值即為該釜的出口轉(zhuǎn)化率,設(shè)計(jì)方法,圖解法,具體步驟如下,根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)作出xA(-rA)曲線MN,按式 作第一釜的物料衡算線，交點(diǎn)P1即為第一釜出口轉(zhuǎn)化率xA1,因各釜體積相等，所以空時(shí)也相等，則各釜的物料衡算線的斜率一致。所以第二釜

10、的物料衡算式可以從點(diǎn)xA1作平行于第一釜物料衡線交于MN線于P2，其橫坐標(biāo)即為第二釜的出口轉(zhuǎn)化率xA2,依此類推，一直到第N釜出口轉(zhuǎn)化率xA,N等于或大于所要求的轉(zhuǎn)化率xAf為止。則所得斜線數(shù)目即為反應(yīng)器釜數(shù),xA,rA,O,N,M,P1,P2,P3,P4,xA1,xA2,xA3,xA4,xA-(-rA)動(dòng)力學(xué)線,第二釜物料衡算線 斜率：CA0,xAf,若給定釜數(shù)，可以用此法作圖，最后直接讀出串聯(lián)反應(yīng)器中A的最終出口轉(zhuǎn)化率xAN,若已知釜數(shù)N和最終的出口轉(zhuǎn)化率xAN, 可以用試差法確定反應(yīng)器的總有效容積或體積流量v。即假定一直線的斜率，從開始作圖，如最后一釜的出口轉(zhuǎn)化率與要求的不符，則另假設(shè)一

11、斜率，直到符合為止，然后求出直線的斜率，進(jìn)而求出，及VR或v,若串聯(lián)的各釜體積不等，則斜率亦不同，但也可采用此法進(jìn)行計(jì)算最終出口轉(zhuǎn)化率,注： 優(yōu)點(diǎn)：xA(-rA)可以由動(dòng)力學(xué)方程式直接繪出MN，也可由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描出MN，對(duì)于非一級(jí)反應(yīng)，均可不用較繁鎖的解析法，而采用圖解法。 缺點(diǎn)：只有當(dāng)反應(yīng)的速率方程能用單一組分的濃度來表示時(shí)才能畫出xA(-rA)曲線，因而才能用圖解法。對(duì)于平行、連串等復(fù)雜反應(yīng)，此法不適用,圖解法的變種,若把第i釜的物料衡算式可寫成,根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式繪出動(dòng)力學(xué)線CA(-rA,從CA0開始，按下圖所示方向逐個(gè)求得CA0、 CA1 CAN，直到CAN滿足要求。注若體積不相等，則

12、引斜線的斜率是不一樣的。為什么,原理方法是一樣的，還是不適合于復(fù)合反應(yīng)場(chǎng)合,CAf,例題10 由例2所給的數(shù)據(jù)，用圖解法確定四釜串聯(lián)反應(yīng)器中用已二酸和已二醇生產(chǎn)醇酸樹脂所需反應(yīng)器的有效體積,速率方程式：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）-以已二酸組分計(jì)的反應(yīng)速率，kmol.L-1.min-1 k-反應(yīng)速率常數(shù)，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB-分別為已二酸和已二醇的濃度，0.004kmol.L-1 若每天處理已二酸2400kg，轉(zhuǎn)化率為80%，試計(jì)算確定反應(yīng)器的總體積大小,解： 先畫出動(dòng)力學(xué)曲線 由動(dòng)力學(xué)方程可知,列表,繪出動(dòng)力學(xué)線MN。如下圖,由操作方程： 可作出各釜

13、的物料衡算線，通過試差法使第四釜的出口轉(zhuǎn)化率等于0.80。 試差結(jié)果：x1=0.47、x2=0.66、x3=0.75、x4=0.80,斜率,思考 1. 用一個(gè)大反應(yīng)器好還是幾個(gè)小反應(yīng)器好?（Vr最小) 2. 若采用多個(gè)小反應(yīng)器，是串聯(lián)好還是并聯(lián)好？ （Vr最小) 3. 若多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)操作，則各釜的體積是多少？ 或各釜的最佳反應(yīng)體積比如何,連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián),連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián),如用兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)來進(jìn)行,cA0cA1cAf 或 xA0 xA1xAf,圖解法,正常動(dòng)力學(xué),以轉(zhuǎn)化率形式計(jì)算,反常動(dòng)力學(xué),CSTR的并聯(lián),正常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨XA增加而降低。 多釜串聯(lián)比單釜有利，總

14、反應(yīng)體積小于單釜體積,對(duì)于正常動(dòng)力學(xué)，串聯(lián)的釜數(shù)增多，則總體積減小。 (但操作復(fù)雜程度增大，附屬設(shè)備費(fèi)用增大,反常動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)化速率 隨XA增加而增加。 單釜的反應(yīng)體積小于串聯(lián)釜的總體積,連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián),1.圖解分析,小結(jié),2. 串聯(lián)釜式反應(yīng)器的計(jì)算,連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián),假設(shè)： 各釜體積相同，且各釜的進(jìn)料可近似認(rèn)為相等， 則各釜的空時(shí) 相等。 各釜操作溫度相同，則各釜的速率常數(shù) k 相等,對(duì)第P釜作組分A的物料衡算,五.串聯(lián)全混釜各級(jí)體積最佳分配,即：在釜數(shù)及最終轉(zhuǎn)化率已規(guī)定情況下,為使總的反應(yīng)體積最小,各釜反應(yīng)體積存在一個(gè)最佳比例,對(duì)單一反應(yīng)，總反應(yīng)體積為,據(jù)此求得各釜的轉(zhuǎn)

15、化率，從而求得 此時(shí) 最小,小結(jié)：串聯(lián)釜式反應(yīng)器進(jìn)行 級(jí)反應(yīng),釜式反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)的收率與選擇性,當(dāng)E1E2時(shí).T(k2/k1)SP 當(dāng)E1E2時(shí). T(k2/k1) SP 當(dāng)E1=E2時(shí).與溫度無關(guān),雖然當(dāng)E1E2時(shí). T(k2/k1) SP實(shí)際反應(yīng)器中仍多用較高溫度，以提高反應(yīng)速率 所以對(duì)全混釜存在一個(gè)Topt該溫度下SP較高產(chǎn)量較大,a.溫度影響,b.濃度的影響,4.連串反應(yīng)： 設(shè)全混釜中進(jìn)行一段不可逆反應(yīng) APQ,總收率與總選擇性,則,七.全混流反應(yīng)的定態(tài)操作（熱穩(wěn)定性,定態(tài)：全混釜溫度不隨時(shí)間變化 非定態(tài)：T隨時(shí)間變化 定態(tài)：非定態(tài)是一個(gè)變溫過程：定態(tài)與非定態(tài)溫度可由物料衡算熱量衡算

16、給出T 但定態(tài)可不是唯一即有多個(gè)溫度可滿足物料，熱量衡算要求,全混釜能量變化： （1）.流體進(jìn)入CSTR由T0T變化發(fā)生的內(nèi)能的變化 （2）反應(yīng)器與環(huán)境 （3）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱效應(yīng),流體T0T內(nèi)能變化）+（化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)） =物質(zhì)與環(huán)境交換熱 反應(yīng)物系內(nèi)能變化 物系與環(huán)境熱交換,1.連續(xù)釜式反應(yīng)器的熱量衡算式,定態(tài)操作熱量衡算式為,對(duì)絕熱反應(yīng)，有,絕熱溫升，表示當(dāng)反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化時(shí)物系溫度的變化,2.連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)熱穩(wěn)定性,定態(tài)下操作的連續(xù)釜式反應(yīng)器，其操作溫度和所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率應(yīng)滿足物料及熱量衡算式,連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作,CSTR反應(yīng)器,作Qg T線 Qr T線,可見.只有a.b.c三點(diǎn)方能滿足Qg=Qr的要求，故a.b.c（TaTbTc)稱為穩(wěn)定點(diǎn),3.進(jìn)料狀況的影響 定態(tài)點(diǎn)是隨操作條件變化的，如進(jìn)料溫度T0,進(jìn)料溫度：T1T2T1,影響穩(wěn)定系