第五章-連續(xù)流動釜式反應(yīng)器課件

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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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)