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上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝系第五章連續(xù)流動釜式反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程
ChemicalReactionEngineering2023/6/105.1CSTR中的均相反應(yīng)5.2返混原因及限制返混措施2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器5.1CSTR中的均相反應(yīng)5.1.1反應(yīng)器特征
全混流反應(yīng)器是指物料流動狀況符合全混流模型,該反應(yīng)器稱為全混流反應(yīng)器(CSTR)。在實際反應(yīng)器中,連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器由于強烈攪拌,物料混合均勻,其流動狀況接近全混流。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器全混流反應(yīng)器的特點反應(yīng)器內(nèi)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);物料參數(shù)不隨時間而變化;反應(yīng)速率均勻,且等于出口處的速率,不隨時間變化;4.返混=∞2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器
BSTRPFRCSTR
投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)
年齡年齡相同(某時)年齡相同(某處)年齡不同壽命壽命相同(中止)壽命相同(出口)壽命不同(出口)
返混全無返混全無返混返混極大三種反應(yīng)器區(qū)別2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器反應(yīng)推動力隨反應(yīng)時間逐漸降低反應(yīng)推動力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動力不變,等于出口處反應(yīng)推動力三種反應(yīng)器濃度分布--推動力2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器5.1.2CSTR的反應(yīng)速率流入量=流出量+反應(yīng)量+累積量進口中已有A2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器物料平均停留時間τ
對于等容過程,物料平均停留時間為τ的求解(數(shù)值法)2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器τ的求解(圖解法)τCSTR>τPFR,VCSTR>VPFR一般簡單反應(yīng)(生產(chǎn)任務(wù)相同)
1/rA
FPR
1/rA
CSTR
xAxA2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器1)2)作曲線AB
轉(zhuǎn)化率越大,兩者的差距較大,可采用低轉(zhuǎn)化率操作。xAxAfOABDC2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器生產(chǎn)任務(wù)相同時,反應(yīng)級數(shù)越高,兩種反應(yīng)器或體積相差越大。反應(yīng)級數(shù)的影響即:反應(yīng)轉(zhuǎn)化率越高,兩種反應(yīng)器空時和反應(yīng)體積相差越大。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器5.1.3組合反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器德國Parr全自動組合式化學(xué)反應(yīng)器-5000系列
2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器多級平推流管式反應(yīng)器ConsiderNplugflowreactorconnectedinseries,andletx1,x2,…,xNbethefractionalconversionofcomponentAleavingreactor1,2,…,N.BasingthematerialbalanceonthefeedrateofAtothefirstreactor,wefindfortheithreactorfromEq.3.2-62023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器平推流反應(yīng)器的物料參數(shù)如濃度等沿流動方向變化。對于等溫反應(yīng),很難控制整個反應(yīng)器內(nèi)物料溫度均勻。對于全混流反應(yīng)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(yīng)中,特別是多重反應(yīng),要求反應(yīng)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(yīng),所以一般選擇全混流反應(yīng)器。為了滿足工藝要求,又要提高反應(yīng)推動力,人們把一個大的反應(yīng)器分割成m個小的全混流反應(yīng)器,然后串聯(lián)起來,稱為“多級串聯(lián)全混流反應(yīng)器”。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器單釜體積(空時)大于多釜體積(空時)多級全混流反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)計算2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器CAi-1CAiVRiCAi1.解析計算2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2.一級不可逆反應(yīng)對于一級不可逆反應(yīng),可以直接建立級數(shù)m和最終轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系,不必逐級計算。上式可化為由上式,第i級式中2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器由式將上述諸式相乘2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器3.圖解計算:對于非一級反應(yīng),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
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(xué)方程為圖上由2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM等溫、等容、各級體積相等情況的圖解計算2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器(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(xué)曲線OM1、OM2……。然后依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3……,依此求出CA1
、CA2、CA3……。-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3O2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器(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……。CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1O2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器多級全混流反應(yīng)器的串聯(lián)優(yōu)化在設(shè)計反應(yīng)器時,物料處理量VO、進料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm是由工藝條件確定的。如何確定反應(yīng)器級數(shù)m和各級的體積,使總體積最小。反應(yīng)器級數(shù)越多,反應(yīng)推動力增大,但設(shè)備投資、工藝流程和操作控制變得復(fù)雜,因此需要綜合考慮。
以下討論,當(dāng)物料處理量VO、進料組成及最終轉(zhuǎn)化率XAm和反應(yīng)器級數(shù)m確定后,如何最佳分配各級轉(zhuǎn)化率xA1、xA2、……、xAm-1,使VR最小。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器為使VR最小,將上式分別對xA1、xA2、……xAm-1求偏導(dǎo)數(shù),并令之為零,則有對于等溫等容過程,各級反應(yīng)器體積為
反應(yīng)器總體積為2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器以上共有(m-1)個方程,可解出(m-1)個待定量(xA1、xA2、xA3……xAm-1)。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器
以一級不可逆反應(yīng)為例反應(yīng)器總體積上式表示:對于一級不可逆反應(yīng),當(dāng)各級的體積相等時,總反應(yīng)體積最小。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器一般來說,a級反應(yīng)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(yīng)速率于濃度無關(guān),串聯(lián)的反應(yīng)總體積于單釜相等,串聯(lián)操作無必要;(5)a<0,單釜操作優(yōu)于串聯(lián)操作,串聯(lián)已成多余。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器多種組合類型2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器此組合等效于一個大的CSTR(總體積相等)由上述諸式,無論何種動力學(xué)方程,結(jié)論均成立。等效的前提:2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器此組合等效于一個大的PFR(總體積相等)2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器此兩種組合在一級不可逆反應(yīng)且兩反應(yīng)器體積相等時是等效的。零級反應(yīng),無論體積是否相等,也等效。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器5.1.4返混(1)關(guān)于返混:不同時間物料的混合,由于攪拌作用,引入反應(yīng)器的新鮮物料與已停留在反應(yīng)器內(nèi)物料在瞬間達到混合,使釜內(nèi)溫度和濃度處處相等。(2)返混后果:完成同樣任務(wù)的空時要比PFR長(對于簡單不可逆反應(yīng))問題:為什么對于同樣任務(wù)時,有時候需要采用CSTR操作而不用PFR操作?2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器(3)自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化:CA0CAf1/(-rA)CA,optCACA>CA,OPT,τCSTR<τPFRCACA<CA,OPT,τCSTR>τPFRCA0CAf1/(-rA)CA,optCACA返混有利,尤其是在開始階段,采用CSTR操作2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器(4)CSTR的用途:
τ很大時,VR很大,若采用PFR,則反應(yīng)器管較長;溫度易控制;特殊反應(yīng),如自催化反應(yīng)開始階段(返混有利)。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器5.1.5平行反應(yīng)過程反應(yīng)器的操作方式n1n22023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器CACA0CAfn1<n2選擇率2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器CACA0CAfn1>n22023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器收率2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器CACA0CAfn1<n22023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器CACA0CAfn1>n22023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器n1>n2CA升高→選擇率增大n1<n2CA降低→選擇率增大n1=n2選擇率與CA無關(guān)2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器n1,m1n2,m2CA高CB低n1>n2m1<m2CA低CB低n1<n2m1<m2CA高CB高n1>n2m1>m22023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器5.1.6串連反應(yīng)過程的優(yōu)化(1)選擇率:①選擇率隨反應(yīng)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;②返混對選擇率不利。2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器(2)收率:2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)器作圖:2023/6/10
化學(xué)反應(yīng)工程/連續(xù)流動釜式反應(yīng)
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