化學反應工程_第五章_連續(xù)流動釜式反應器

1、12022-3-4上海工程技術大學化學化工學院 化學工程與工藝系第五章第五章 連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器化學反應工程Chemical Reaction Engineering22022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering5.1 CSTR5.1 CSTR中的均相反應中的均相反應5.2 5.2 返混原因及限制返混措施返混原因及限制返混措施32022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering5.1 CSTR

2、5.1 CSTR中的均相反應中的均相反應5.1.1 5.1.1 反應器特征反應器特征 全混流反應器是指物料流動狀況符合全混流模型，該反應器稱為全混流反應器（CSTR）。在實際反應器中，連續(xù)攪拌釜式反應器由于強烈攪拌，物料混合均勻，其流動狀況接近全混流。42022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering全混流反應器的特點1. 反應器內物料參數(shù)（濃度、溫度等）處處相等，且等于物料出口處的物料參數(shù)；2. 物料參數(shù)不隨時間而變化；3. 反應速率均勻，且等于 出口處的速率，不隨時間變化；4. 返混52022-3-

3、4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering BSTR PFR CSTR 投料投料 一次加料一次加料( (起始起始) ) 連續(xù)加料連續(xù)加料( (入口入口) ) 連續(xù)加料連續(xù)加料( (入口入口) ) 年齡年齡 年齡相同年齡相同( (某時某時) ) 年齡相同年齡相同( (某處某處) ) 年齡不同年齡不同 壽命壽命 壽命相同壽命相同( (中止中止) ) 壽命相同壽命相同( (出口出口) ) 壽命不同壽命不同( (出口出口) ) 返混返混 全無返混全無返混 全無返混全無返混 返混極大返混極大三種反應器區(qū)別62022-3-

4、4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering反應推動力隨反應推動力隨反應時間逐漸反應時間逐漸降低降低反應推動力隨反反應推動力隨反應器軸向長度逐應器軸向長度逐漸降低漸降低反應推動力不變，反應推動力不變，等于出口處反應等于出口處反應推動力推動力三種反應器濃度分布-推動力72022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering5.1.2 CSTR5.1.2 CSTR的反應速率的反應速率流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反應量

5、反應量 + + 累積量累積量82022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering 物料平均停留時間 對于等容過程，物料平均停留時間為的求解（數(shù)值法）92022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering102022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering的求解（圖解法）一般簡單反應（生產任務相同） 1/rA FPR 1/rA C

6、STR xAxA112022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction EngineeringRpRVVRpRVV=RpRMVV1AAxr000000000()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVV CV COABDrxVV CV COCBDrRMRpVV1 1）2 2）作作曲線曲線ABAB 轉化率越大，兩者的差距較大轉化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉化率操作?？刹捎玫娃D化率操作。x xA Ax xAfAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrO OA AB BD DC C122022-3-4 化學反應工程化學

7、反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering生產任務相同時，反應級數(shù)越高，兩種反應器或體積相差越大。反應級數(shù)的影響即：反應轉化率越高，兩種反應器空時和反應體積相差越大。反應轉化率的影響132022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering5.1.3 5.1.3 組合反應器組合反應器142022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering德國德國ParrPar

8、r全自動全自動組合式化學反應組合式化學反應器器-5000-5000系列系列 152022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering多級平推流管式反應器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

9、 rate of A to the first reactor, we find for the ith reactor from Eq.3.2-6AiAixxAAAirdxFV10162022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering172022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering182022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engi

10、neeringAiAixxAAAirdxFV10192022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering 平推流反應器的物料參數(shù)如濃度等沿流動方向變化。對于等溫反應，很難控制整個反應器內物料溫度均勻。對于全混流反應器，物料參數(shù)是均勻的，對于物料溫度的控制比較容易。 在有機反應中，特別是多重反應，要求反應過程中物料濃度溫度等參數(shù)保持均勻，否則極易發(fā)生副反應，所以一般選擇全混流反應器。 為了滿足工藝要求，又要提高反應推動力，人們把一個大的反應器分割成m個小的全混流反應器，然后串聯(lián)起來，稱為“多級串聯(lián)全混流反應器

11、”。202022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering單釜體積（空時）大于多單釜體積（空時）大于多釜體積（空時）釜體積（空時）多級全混流反應器212022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering多級全混流反應器的串聯(lián)計算222022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering00100(1)(1)AAiAAiAiRiV Cx

12、V Cxr V010AiAiAiRiV CV Cr V()AiAirf c001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiVCCVr1.解析計算232022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2.一級不可逆反應 對于一級不可逆反應，可以直接建立級數(shù)m和最終轉化率之間的關系，不必逐級計算。上式可化為01()AiAiRiAiV CCVr 由上式，第i級式中242022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動

13、釜式反應器 Chemical Reaction Engineering111AiAiiCCk1012121211111121.11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk由式由式將上述諸式相乘將上述諸式相乘252022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering262022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering272022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜

14、式反應器 Chemical Reaction Engineering3.3.圖解計算：圖解計算：對于非一級反應，采用解析法計算比較麻煩， 一般采用圖解法計算。（1）等溫等容過程，且各級體積相同 01()AiAiRiAiV CCVr()AiAirk f C1AiAiAiCCr得到 將上述兩個方程同時繪于兩線交點的橫坐標即為CAi.。動力學方程為AArC圖上由282022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering-1/C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A1A2A3

15、C CAmAmOM等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算292022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering（2）等容過程，且各級體積相同，但溫度不同如果各級溫度不同，則需作出各級的動力學曲線 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。-1/-1/ C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A A1 1A A2 2A A3 3M M1 1M M2 2M M3 3O O302022-3-4 化學反應工程化

16、學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering（3）等容等溫，但各級體積不同如果各級體積不相同，則 的各直線斜率 不相同，如圖依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1、CA2、CA3。C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A1A2A3C CAmAm-1/2-1/3-1/1OAArC1312022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering多級全混流反應器的串聯(lián)優(yōu)化 在設計反應器時，物料處

17、理量VO、進料組成及最終轉化率XAm是由工藝條件確定的。 如何確定反應器級數(shù)m和各級的體積，使總體積最小。 反應器級數(shù)越多,反應推動力增大,但設備投資、工藝流程和操作控制變得復雜，因此需要綜合考慮。 以下討論，當物料處理量VO、進料組成及最終轉化率XAm和反應器級數(shù)m確定后，如何最佳分配各級轉化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。322022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering 為使為使V VR R最小，將上式分別對最小，將上式分別對x xA1A1、x xA2A2、x xAmAm1 1求偏求偏導

18、數(shù)，并令之為零，則有導數(shù)，并令之為零，則有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x 對于等溫等容過程，各級反應器體積為對于等溫等容過程，各級反應器體積為 反應器總體積反應器總體積 為為001()AAiAiRiAiV CxxVr332022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering0(1,2,.1)RAiVimx以上共有（以上共有（m-1m-1）個方程，可解出（）個方程，可解出（m-1m-1）個待定量）個待定量(x(xA1A1、x xA2A2、x

19、 xA3A3x xAmAm1 1) )。342022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering 以一級不可逆反應為例反應器總體積 上式表示：對于一級不可逆反應，當各級的體積相等時，總反應體積最小。111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim1121000102001210.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVx

20、Vimxkxx111111AiAiAiAixxxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx352022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering一般來說，a級反應中（CSTR)，為了使總體積最?。海?）a 1，沿物料方向，各釜體積依此增加；（2）a 1，沿物料方向，各釜體積依此降低；（3）a 1，沿物料方向，各釜體積相等；（4）a 0，反應速率于濃度無關，串聯(lián)的反應總體積于 單釜相等，串聯(lián)操作無必要；（5）a C CA,OPT,A,OPT,CSTRCSTR PFRCAC CA A PFRP

21、FRPAAACkCdtdCr)(CA0CAf1/(-rA)CA,optCACA返混有利，尤其是在開始階段，采用CSTR操作432022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering（4）CSTR的用途： 很大時，VR很大，若采用PFR，則反應器管較長； 溫度易控制； 特殊反應，如自催化反應開始階段（返混有利）。442022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering5.1.5 5.1.5 平行反應過程反應器的操作方式平行反

22、應過程反應器的操作方式122111221121111)()()(nnAnAnAnASPPAAACkkCkCkCkrrrrrr生成副產物的速率生成目的產物的速率瞬時選擇性n1PSkkA12n2AfACCACCdCAfA00452022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction EngineeringCACA0CAfn1n2CSTRPFR21SS472022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering收率AfAPPfCCCCmolmol00數(shù)過程

23、中生成產物總數(shù)過程中生成目的產物總總選擇性AfAPAfACCAPfCAfACCAdCCCCdC00000482022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction EngineeringCACA0CAfn1n2CSTRPFR21SS502022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineeringn n1 1nn2 2CA升高選擇率增大n n1 1n n2m1 m2CA低低CB低低n1 n2m1 n2m1 m2522022-3-4 化學反應工程化學反應工程

24、/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering532022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering5.1.6 5.1.6 串連反應過程的優(yōu)化串連反應過程的優(yōu)化（1）選擇率：APAPAAPCCkkCkCkCkrr121211)( 選擇率隨反應過程的進行不斷降低，凡是使得CP增加和 CA降低的因素對選擇率不利； 返混對選擇率不利。542022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering)()(;:21101210kkAPkAAeeCkkkCeCCPFR)1)(1 (;1:21100kkkCCkCCCSTRAPAA552022-3-4 化學反應工程化學反應工程/連續(xù)流動釜式反應器連續(xù)流動釜式反應器 Chemical Reaction Engineering（2）收率：1212210max,maxln;)(:122kkkkkkCCPFROPTkkkAP2122/1120max,