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1、第八章 均相反应过程,化学与工程化学反应工程,反应物料一次加入； 充分搅拌，整个反应器内物料的浓度和温度保持均匀； 常配有夹套或蛇管，以控制反应温度； 间歇反应器操作的一个生产周期包括加料、反应、出料、清洗；,BSTR,由于剧烈搅拌，物料达到分子尺度上的均匀，且浓度、温度处处相等并随时间变化。,BSTR内物料状况,1. 反应器内任一几何位置的物料浓度都相同 2. 温度都相同 3. 物料在反应器中停留时间都相同 4. 反应物浓度随时间延长而降低,BSTR内物料的混合程度 = ,对于着眼组分A：,单位时间内由于反应而消耗的A物料量 = -单位时间内A物料的积累量,间歇反应器基本方程式,BSTR反应
2、器容积的计算,对于定容过程：,BSTR简单整级数的反应的表达式（p34）,1/rA,xA,0,xA0,0,cA,cA0,cA,1/rA,面积=VR/qnA0=t/cA0,面积= t =VR/qV0,对于不能表达成简单整数级的复杂的化学反应，可采用作图法求解。,BSTR反应器容积的计算,（1）有效容积VR（p24）,VR = u(t + t),u：每小时处理物料的平均体积 t：反应所需时间（装料完毕开始反应算起到达到一定转化率时所经历的时间）(计算关键) t：辅助时间（装料、卸料、清洗等所需时间之和）(经验给定),（2） 总容积VT,j：装料系数 ，由经验确定，一般为 0.40.85,PFR结构
3、与操作特点,1. 无搅拌器，但可附设加热、冷却器 2. 连续投料，连续出料 3. 物料在反应器中高速流动,PFR物料流动状况,(1)物料在反应器中依次前进，象活塞推进一样流动 (2) 反应器中物料完全不混合，混合程度= 0 (3) 任一截面上有关参数c、r、x等都相等 (4) 物料的c、r、x等随反应器长度的改变而变化 (5) 物料在反应器中停留的时间都相等,定态操作时，对关键组分A进行物料衡算: 单位时间内物料A的进入量(qn,A ) =单位时间内物料A的引出量(qn,A+dqn,A )+单位时间内反应掉的A的量(rAdVR)+累积量(连续操作条件下为0 ),PFR反应器容积的计算,对整个反
4、应器，其边界条件为：,若反应过程中流体体积流量不发生变化,活塞流反应器基本计算式,注：理想管式反应器中简单级数的反应表达式与间歇釜式反应器的结果完全一样,停留时间和空间时间,t：停留时间，反应器中反应物料从进入到离开反应器的时间,t：空间时间，反应器有效容积与进口处物料体积流量之比 （p33）,对等温恒容过程的PFR，两者一致,反应时间的计算（p34）, PFR与BSTR相同,BSTR与PFR比较,一、相同点 1. 停留（反应）时间的表达式相同 2. 物料操作方程形式类似 3. 反应器内物料浓度、反应速度、转化率变迁过程相同，反应推动力一致,二、不同点 物料流动状况不同,全混流,特点： 反应器
5、内物料的参数处处均匀，且等于流出物料的参数； 但物料质点在反应器中停留的时间各不相同，即形成停留时间分布； 物料连续地流入和流出反应器，操作为定态过程。,是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合，又称理想混合流。,8-5 全混流反应器(CSTR),CSTR：Continuous Stirred Tank Reactor 又称连续搅拌釜式反应器,一、结构与操作特点,1. 结构 CSTR结构与BSTR相同 可以是单釜连续操作，也可由多釜串联操作,2. 操作 CSTR：连续操作，连续投料，连续出料 BSTR：间歇操作，一次投料，一次出料,二、物料流动状况,1. 连续
6、加料并高速搅拌，CSTR内混合程度 2. 反应器内c、x、rA、T等都为定值，且任一位置上的c、x、rA、T都相同 3. 连续出料，出料的c、x、rA、T等都与反应器内物料相同 4. 物料在反应器内停留时间从0都存在，不同停留时间的物料在反应器内混合很好,在等温、定态条件下对全混流反应器中反应物A进行物料衡算：,设反应过程中，物料体积不变,进入量=引出量+反应量+累积量,三、CSTR的计算,t为停留时间，由于物料微粒在反应器中停留时间不等，故t应称为平均停留时间。,1/rA,1/rA,xA,xAf,0,cA,cA0,0,面积=t/cA0,面积=VR/qV = t,物料出口情况,cA,CAf,C
7、A,CA,CAf,CA0,PFR CSTR,CA0,l,t,反应物浓度沿管长逐渐降低,反应物浓度始终与出口相同,1. CSTR基本方程:,t：停留时间，对CSTR，t为平均停留时间 完成相同的反应任务，CSTR所需平均停留时间远大于PFR和BSTR所对应的时间（p35）,间歇釜式反应器和平推流反应器的计算方程式都是微分形式；而全混流反应器的计算式却是一个代数方程。这是因为全混流反应器内，反应物的温度、浓度、转化率均不随时间而变(定态过程)也不随空间位置而变(整个反应器内是均匀的)。,2. CSTR简单整级数反应表达式,与间歇釜式反应器和平推流反应器比较，为完成同样的反应任务(即流量相等，反应物
8、的转化率相等)，全混流反应器所需的空间时间远大于间歇釜式反应器和平推流反应器所对应的时间。,例8-4（p36，例8-6）反应物A和B以等物质的量比，在343K下进行反应。反应式可表示为：A+BR，由实验测得其反应速率方程式为rA=kcAcB，式中cA为A的瞬时浓度（kmolm-3），343K时反应速率常数k=0.1182m3kmol-1h-1，反应物A的起始浓度cA,0=4kmolm-3，A的摩尔质量为146kgkmol-1。若每天处理2400kg（A），A的转化率为80%。计算采用全混流反应器所需的有效容积。,解：,对CSTR二级反应：,四、返混和混合,2. 返混 先后进入反应器，经历了不同
9、反应时间的物料间的混合称为返混，它是指不同反应经历（不同时间），具有不同性质（不同浓度、温度等）的物料之间的混合 返混是不同停留时间物料间的混合,1. 混合 是不同空间位置的物料之间的相互混合,时间尺度,几何尺度,五、混合和返混实例,1. BSTR：物料搅拌均匀，是指物料在空间不同的位置上，它们在反应器中停留时间相等，是混合,2. CSTR：新鲜物料一进入反应器中，即与反应器中物料（都经历了不同的反应时间）瞬间混合，因此返混极大，是连续反应器中的一种极端,3. PFR：物料在流动过程中任一截面上r、c、x都均一，不存在不同停留时间的物料之间的混合，返混为0，是连续反应器中的另一种极端,混合 =
10、 ,返混 = 0,混合 = 0,返混 = 0,混合 = ,返混 = ,实际反应器都有一定程度的返混，返混程度介于0之间，称为非理想流动 返混非反应器特有，连续过程都存在一定程度返混,六、返混对化学反应的影响 返混的结果降低了过程的推动力，从动力学角度来看，是一种不利的因素,8-6 多釜串联反应器,一、结构与操作特点,1. 结构,2. 操作：连续操作,将若干全混流反应器头尾相接，即为多釜串联反应器,三、多釜串联的计算,1. 计算内容 （1）反应釜数目 （2）已知釜数，求可达最大转化率 （3）已知釜数、cA,0、cA,N或xA,N，求单釜(VR)i及总VR,1. 每釜都是一个CSTR 2. 多釜串
11、联工作：物料介于CSTRPFR之间,二、物料流动状况,2. 计算理论,将单釜的基本方程式重复应用于每个串联的反应釜,如对于第i釜进行计算：,qnA1 cA,1 xA,1,qnA2 cA,2 xA,2,qnA3 cA,3 xA,3,VR,1,VR,2,VR,3,1,2,3,qnA0 cA,0 xA,0=0,VR,N,N,qnAN cA,N xA,N,（1）代数法 前一釜出口物料就是后一釜进口物料，因此可用CSTR计算方法逐釜计算，直算到要求的转化率为止,如在多釜串联反应器中发生一级反应：AR,反应不是一级反应时，也可用上述方法逐步计算（p39，例8-7）,（2）图解法（p40）,3. 计算方法,0,xA,xA,1,xA,2,xA,3,P3,P2,P1,rA,多釜串联反应器图解法,M,N,8-7 反应器类型和操作方法的评选,同样反应条件下，不同反应器所需反应器容积的差别，主要由浓度效应造成 从工艺角度选择反应器及操作方法主要考虑： （1）设备费、操作费小 （2）原料利用率高 各种反应器各有自己的特性，只有反应器特性与反应特性相结合，才能最合理的使用反应器,
