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1、全混流反应器分析 特点：特点：反反应应器器内内所所有有空空间间位位置置的的物物系系性性质质是是均均匀匀的的，并并且且等等于于反反应应器器出出口口处处的的物物料料性性质质，即即反反应应器器内内物物料料的的浓浓度度与与温温度均一，且与出口物料温度、浓度相同。度均一，且与出口物料温度、浓度相同。新新鲜鲜物物料料瞬瞬间间混混合合均均匀匀，存存在在不不同同停停留留时时间间的的物物料料之之间间的的混混合合，即即返返混混。且且逆逆向向混混合合程程度度最最大大，逆逆向向混混合合直直接接导致稀释效应最大。导致稀释效应最大。在在等等温温操操作作的的条条件件下下，反反应应器器内内物物系系的的所所有有参参数数，如如T
2、、C、P等既不随时间变化，也不随位置变化。等既不随时间变化，也不随位置变化。1 1 1 1、全混流模型、全混流模型、全混流模型、全混流模型2.2.设计方程：由于器内物料混合均匀，可以对全设计方程：由于器内物料混合均匀，可以对全釜做关键组分釜做关键组分A A的物料衡算：的物料衡算： A A进入量进入量=A=A出出V VR R量量+反应掉量反应掉量+累积量累积量 Q Q0 0C CA0 A0 = Q= Q0 0C CA A + V + VR R(-r(-rA A) + 0) + 0如进入反应器时还有一定转化率如进入反应器时还有一定转化率x0,出口为出口为xf 空时与空速的概念： 空时：空时：（因次
3、：时间） 空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。空速越大，反应器的原料处理能力越大。 空速：空速：反应工程中常用于表示时间概念的还有：反应工程中常用于表示时间概念的还有：反应时间反应时间t：反应物从进入反应器后从实际发生反应起到：反应物从进入反应器后从实际发生反应起到反应达某一程度（如某转化率）时所需的时间反应达某一程度（如某转化率）时所需的时间停留时间：它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它停留时间：它是指反应物从进入反应器的时刻算起到它们离开反应器的时刻为止在反应器内共停留的时间，对们离开反应器
4、的时刻为止在反应器内共停留的时间，对于分批式操作的釜式反应器与理想平推流反应器，反应于分批式操作的釜式反应器与理想平推流反应器，反应时间等于停留时间，而对于存在返混的反应器，则出口时间等于停留时间，而对于存在返混的反应器，则出口物料是由具有不同停留时间的混合物，即具有停留时间物料是由具有不同停留时间的混合物，即具有停留时间分布的问题，工程上常用平均停留时间来表示。分布的问题，工程上常用平均停留时间来表示。平均停留时间：以平均停留时间：以 来表示，其定义为反应器的有效容积来表示，其定义为反应器的有效容积与器内物料体积流速之比，即与器内物料体积流速之比，即 。要注意区分上述三个工程上常用于表示时间
5、的概念。要注意区分上述三个工程上常用于表示时间的概念。 全混流反应器设计方程关联的参数有：全混流反应器设计方程关联的参数有：xA、(-rA)、VR、FA0 图解全混流反应器相关计算：图解全混流反应器相关计算： 注意：上图中矩形可求出出口转化率注意：上图中矩形可求出出口转化率xA或出口浓度为或出口浓度为CA所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。所需空时，一定要明确上图黑点所代表的意义。 3、设计方程式的应用、设计方程式的应用零级反应零级反应 AP (-rA)=k 或一级反应 AP (-rA)=kCA 对于任意A值 二级反应 AP (-rA)= 对于任意A值： n级反应 A=0时例 题例题例题
6、工工厂厂采采用用CSTR以以硫硫酸酸为为催催化化剂剂使使已已二二酸酸与与已已二二醇醇以以等等摩摩尔尔比比在在70下下进进行行缩缩聚聚反反应应生生产产醇醇酸酸树树脂脂，实实验验测测得得该该反反应应的的速率方程式为：（速率方程式为：（-rA）=kCACB式中：式中：（-rA）-以已二酸组分计的反应速率，以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1-1.min-1 CA、CB-分别为已二酸和已二醇的浓度，分别为已二酸和已二醇的浓度，kmol.L-1 CA0、CB0-1若每天处理已二酸若每天处理已二酸2400kg，转化率为，转化率为80%，试计算确定反应，试计算确定反应器的体积大小。器的体积
7、大小。 解：根据解：根据CSTRCSTR反应器的设计方程可知，反应器的设计方程可知， 而间歇反应器所需的体积仅为：2.16m3 请思考：为何间歇釜式反应器所需反应体积要小得多？4、间歇釜式反应器和全混流（、间歇釜式反应器和全混流（CSTR）反应器的比较：）反应器的比较：对于反应级数对于反应级数n0的反应的反应:间间歇歇釜釜式式BR：一一次次性性投投料料，反反应应体体系系A的的浓浓度度由由CA0逐逐渐渐降降至至CA(排排料料时时A的的浓浓度度），反反应应速速率率随随 t 减减小小;全全混混流流CSTR：A的的浓浓度度由由CA0瞬瞬间间降降至至反反应应器器出出口口浓浓度度CA，故故全全混混流流反反
8、应应器器一一直直在在相相当当于于出出口口浓浓度度的的低低反反应应速速率率下下进进行行，相相当当于于图图中中B点点速速率率下下进进行。行。 间歇釜式反应器所需反应时间： 全混流反应器所需空时： = 面积CA0DBCA= 全混流反应器的容积效率： 说明容积效率可以用时间比空时的原因对于对于n0的不可逆反应，的不可逆反应，CSTR的容积效率的容积效率均小于均小于1，这是，这是由于由于“返混返混”造成的稀释效应使全混流的反应器的容积效率造成的稀释效应使全混流的反应器的容积效率小于小于1，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式反，也就是说全混流反应器的有效容积将是分批式反应器的应器的1/倍，但要注意倍
9、，但要注意间歇间歇式操作的非生产性时间式操作的非生产性时间t0在计在计算算时并没有考虑，若考虑之，则时并没有考虑，若考虑之，则=（t+t0）/，有可能，有可能=t /小于小于1的情况，而的情况，而=（t+t0）/大于大于1，这是完全可能，这是完全可能的。的。1、多釜串联、多釜串联CSTR反应器的特点反应器的特点如如果果由由几几个个串串联联的的全全混混流流反反应应器器来来进进行行原原来来由由一一个个全全混混流流反反应应器器进进行行的的反反应应，则则除除除除了了了了最最最最后后后后一一一一个个个个反反反反应应应应器器器器外外，所所有有其其其其它它它它反反反反应应应应器器器器都都在在比比比比原原原原
10、来来来来高高高高的的的的反反反反应应应应物物物物浓浓浓浓度度度度下下进进行行反反应应，这这势势必必减减减减少少少少了了混混合合作作用用所所产产生生的的释释释释稀稀稀稀效效效效应应应应，使使过过程程的的推推动动力得以提高。表现在：力得以提高。表现在： 若若两两者者的的起起始始和和最最终终浓浓度度及及温温度度条条件件相相同同，则则意意味味着着生产强度可以得到提高（因平均反应速度提高了）；生产强度可以得到提高（因平均反应速度提高了）； 如如果果多多釜釜与与单单釜釜具具有有相相同同的的生生产产能能力力和和转转化化率率，多多釜釜串串联联的的反反应应器器总总容容积积必必定定小小于于单单釜釜。串串联联级级数
11、数越越多多，所所需需体体积积愈愈小小，过过程程愈愈接接近近活活塞塞流流（PFR）和和分分批批式式反反应应器。器。 多釜串联反应器的设计方法多釜串联反应器的设计方法 解析法：解析法： 12iN设每个反应器的空时为设每个反应器的空时为i i，则总空时为：，则总空时为： 对任意对任意i i釜釜A A组分的物料衡算（恒容系统）：组分的物料衡算（恒容系统）：将具体的速率方程代入上式，从第一釜开始逐釜计算下去。将具体的速率方程代入上式，从第一釜开始逐釜计算下去。 各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应： 若n=1，则： 将串联的N釜设计方程左右分别相乘得： 总容积为：V=NVi=Niv0例例 题题
12、例例题题8 在在两两釜釜串串联联的的全全混混流流反反应应器器中中，用用已已二二酸酸和和已已二二醇醇生生产产醇醇酸酸树树脂脂，在在第第一一釜釜中中已已二二酸酸的的转转化化率率为为60%，第第二二釜釜中中它的转化率达到它的转化率达到80%，反应条件和产量如下：，反应条件和产量如下：速率方程式：（速率方程式：（-rA）=kCACB式中：式中： （-rA）-以已二酸组分计的反应速率，以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1-1.min-1 CA、CB-1 若每天处理已二酸若每天处理已二酸2400kg，转化率为，转化率为80%，试计算确定反，试计算确定反应器的总体积大小。应器的总体积大小。
13、解：解：反应速率方程可转化为：反应速率方程可转化为：(-r(-rA A)=)=第一釜有效容积的计算第一釜有效容积的计算 由操作方程知：由操作方程知： 总有效容积：VR=VR1+VR2=3170L。很明显，达到相同转化率时，两釜串联的有效容积要比很明显，达到相同转化率时，两釜串联的有效容积要比单釜（单釜（7230L7230L）的要小得多，为什么？请思考！）的要小得多，为什么？请思考！ 例题9：见陈甘棠教材P62例3-4-1（全混釜与间歇釜的比较） 若为等温恒容反应，且反应器的各釜容积相等，则设若为等温恒容反应，且反应器的各釜容积相等，则设计方程可改写为：计方程可改写为： 上式表明：上式表明： 若
14、第若第i釜的进口转化率釜的进口转化率xA,i-1一定时，一定时， 其出口转化率其出口转化率xAi与与(-rA)i呈直线关系，其斜率为呈直线关系，其斜率为 ，截距为，截距为 。出出口转化率不仅要满足物料衡算式（设计方程），而且还要口转化率不仅要满足物料衡算式（设计方程），而且还要满足动力学方程式，若将上两关系绘于满足动力学方程式，若将上两关系绘于 xA (-rA) 坐标系中，坐标系中，则两条线的交点所对应的则两条线的交点所对应的 xA 值即为该釜的出口转化率。值即为该釜的出口转化率。 设计方法图解法图解法 具体步骤如下：具体步骤如下：根据动力学方程式或实验数据作出根据动力学方程式或实验数据作出x
15、A(-rA)曲线曲线MN； 按式按式 作第一釜的物料作第一釜的物料衡算线，交点衡算线，交点P1P1即为第一釜出口转化率即为第一釜出口转化率x xA1A1。 因各釜体积相等，所以空时也相等，则各釜的物料因各釜体积相等，所以空时也相等，则各釜的物料衡算线的斜率一致。所以第二釜的物料衡算式可以从衡算线的斜率一致。所以第二釜的物料衡算式可以从点点xA1作平行于第一釜物料衡线交于作平行于第一釜物料衡线交于MN线于线于P2，其，其横坐标即为第二釜的出口转化率横坐标即为第二釜的出口转化率xA2。 依此类推，一直到第依此类推，一直到第N釜出口转化率釜出口转化率xA,N等于或大于等于或大于所要求的转化率所要求的
16、转化率xAf为止。则所得斜线数目即为反应为止。则所得斜线数目即为反应器釜数。器釜数。 xA-rAONMP1P2P3P4xA1xA2xA3xA4xA-(-rA)动力学线动力学线第二釜物料衡算线第二釜物料衡算线斜率：斜率：CA0/xAf若给定釜数，可以用此法作图，最后直接读出串联反应若给定釜数，可以用此法作图，最后直接读出串联反应器中器中A的最终出口转化率的最终出口转化率xAN。 若已知釜数若已知釜数N和最终的出口转化率和最终的出口转化率xAN, 可以用试差法确可以用试差法确定反应器的总有效容积或体积流量定反应器的总有效容积或体积流量v。即假定一直线的。即假定一直线的斜率，从开始作图，如最后一釜的
17、出口转化率与要求的斜率，从开始作图，如最后一釜的出口转化率与要求的不符，则另假设一斜率，直到符合为止，然后求出直线不符，则另假设一斜率，直到符合为止，然后求出直线的斜率，进而求出的斜率，进而求出，及，及VR或或v。 若串联的各釜体积不等，则斜率亦不同，但也可采用此若串联的各釜体积不等，则斜率亦不同，但也可采用此法进行计算最终出口转化率。法进行计算最终出口转化率。 注：注： 优优点点：xA(-rA)可可以以由由动动力力学学方方程程式式直直接接绘绘出出MN，也也可可由由实实验验数数据据描描出出MN，对对于于非非一一级级反反应应，均均可可不不用用较较繁锁的解析法，而采用图解法。繁锁的解析法，而采用图
18、解法。 缺缺点点：只只有有当当反反应应的的速速率率方方程程能能用用单单一一组组分分的的浓浓度度来来表表示示时时才才能能画画出出xA(-rA)曲曲线线，因因而而才才能能用用图图解解法法。对对于于平行、连串等复杂反应，此法不适用。平行、连串等复杂反应，此法不适用。 图解法的变种：图解法的变种： 若把第i釜的物料衡算式可写成： 根据反应动力学方程式绘出动力学线CA(-rA)； 从CA0开始，按下图所示方向逐个求得CA0、 CA1 CAN，直到CAN满足要求。注若体积不相注若体积不相等，则引斜线的斜率是不一样的。为什么？等，则引斜线的斜率是不一样的。为什么？ -rAOP1P2P3P4CA0CA-(-r
19、A)动力学线第1釜物料衡算线斜率：-1/ CACA1CA2CA3CA4原理方法是一样的，还是不适合于复合反应场合。 CAf例题例题10 由例由例2所给的数据，用图解法确定四釜串联反应器中用已所给的数据，用图解法确定四釜串联反应器中用已二酸和已二醇生产醇酸树脂所需反应器的有效体积。二酸和已二醇生产醇酸树脂所需反应器的有效体积。 速率方程式：（速率方程式：（-rA）=kCACB式中：式中： （-rA）-以已二酸组分计的反应速率，以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1-1.min-1 CA、CB-1 若每天处理已二酸若每天处理已二酸2400kg，转化率为，转化率为80%，试计算确定反
20、，试计算确定反应器的总体积大小。应器的总体积大小。解：解： 先画出动力学曲线先画出动力学曲线 由动力学方程可知：由动力学方程可知：列表：列表： XA00.10.20.30.40.50.60.70.80.9(-rA)10-31.891.531.210.930.680.470.300.170.0750.019绘出动力学线绘出动力学线MNMN。如下图：。如下图：由操作方程：由操作方程：可可作作出出各各釜釜的的物物料料衡衡算算线线，通通过过试试差差法法使使第第四四釜釜的的出出口口转转化率等于化率等于0.80。试差结果：试差结果：x1=0.47、x2=0.66、x3=0.75、x4=0.80斜率：斜率：
21、 思考思考 1. 用一个大反应器好还是几个小反应器好用一个大反应器好还是几个小反应器好?（Vr最小最小) 2. 若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？若采用多个小反应器，是串联好还是并联好？ （Vr最小最小) 3. 若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？若多个反应器串联操作，则各釜的体积是多少？或各釜的最佳反应体积比如何？或各釜的最佳反应体积比如何？连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联如用两个反应器串联来进行如用两个反应器串联来进行cA0cA1cAf 或或 xA0xA1xAf图解法图解法正常动力学正常动力学以转化率形式计
22、算：以转化率形式计算：反常动力学反常动力学 CSTR CSTR的并联：的并联：正常动力学，转化速率 随XA增加而降低。多釜串联比单釜有利，总反应体积小于单釜体积。对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。对于正常动力学，串联的釜数增多，则总体积减小。( (但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）但操作复杂程度增大，附属设备费用增大）反常动力学，转化速率 随XA增加而增加。单釜的反应体积小于串联釜的总体积。连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联1.1.图解分析图解分析 小结小结2. 2. 串联釜式反应器的计算串联釜式反应器的计算连续釜式反应器的串联与并联连续釜式反应器的串联与并联
23、 串联釜式反应器串联釜式反应器假设：假设：各釜体积相同，且各釜各釜体积相同，且各釜的进料可近似认为相等，的进料可近似认为相等，则各釜的空时则各釜的空时 相等。相等。 各釜操作温度相同，则各釜操作温度相同，则各釜的速率常数各釜的速率常数 k k 相等。相等。对第对第P P釜作组分釜作组分A A的物料衡算：的物料衡算：五五. .串联全混釜各级体积最佳分配串联全混釜各级体积最佳分配即：在釜数及最终转化率已规定情况下,为使总的反应体积最小,各釜反应体积存在一个最佳比例。对单一反应，总反应体积为：对单一反应，总反应体积为：据此求得各釜的转化率，从而求得 此时 最小。小结：串联釜式反应器进行小结：串联釜式
24、反应器进行 级反应：级反应：釜式反应器中复合反应的收率与选择性釜式反应器中复合反应的收率与选择性 当E1E2时.T(k2/k1)SP 当E1E2时. T(k2/k1) SP 当E1=E2时.与温度无关虽然当E1E2时. T(k2/k1) SP实际反应器中仍多用较高温度，以提高反应速率所以对全混釜存在一个Topt该温度下SP较高产量较大。a.温度影响：温度影响：b.b.浓度的影响浓度的影响4.4.连串反应：连串反应： 设全混釜中进行一段不可逆反设全混釜中进行一段不可逆反应应 APQ APQ总收率与总选择性总收率与总选择性则：则：七七. .全混流反应的定态操作（热稳定性）全混流反应的定态操作（热稳
25、定性）定态：全混釜温度不随时间变化定态：全混釜温度不随时间变化 非定态：非定态：T T随时间变化随时间变化 定态：非定态是一个变温过程：定态与非定态温度可由物定态：非定态是一个变温过程：定态与非定态温度可由物料衡算热量衡算给出料衡算热量衡算给出T T但定态可不是唯一即有多个温度可满足物料，热量衡算要求：但定态可不是唯一即有多个温度可满足物料，热量衡算要求：全混釜能量变化：全混釜能量变化：（1 1）. .流体进入流体进入CSTRCSTR由由T T00T T变化发生的内能的变化变化发生的内能的变化（2 2）反应器与环境）反应器与环境（3 3）发生化学反应产生的热效应）发生化学反应产生的热效应( (
26、流体流体T T0 0TT内能变化）内能变化）+ +（化学反应热效应）（化学反应热效应） = =物质与环境交换热物质与环境交换热 反应物系内能变化反应物系内能变化 物系与环境热交换物系与环境热交换1.1.连续釜式反应器的热量衡算式连续釜式反应器的热量衡算式定态操作热量衡算式为：定态操作热量衡算式为：对绝热反应，有对绝热反应，有：绝热温升，表示当反应物：绝热温升，表示当反应物A A全部转化时物系温度的变化。全部转化时物系温度的变化。2.2.连续釜式反应器的定态热稳定性连续釜式反应器的定态热稳定性 定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达定态下操作的连续釜式反应器，其操作温度和所达到的转化率应满
27、足物料及热量衡算式。到的转化率应满足物料及热量衡算式。连续釜式反应器的定态操作连续釜式反应器的定态操作CSTRCSTR反应器反应器作作Q Qg g T T线线 Q Qr r T T线线 可见可见. .只有只有a.b.ca.b.c三点方能满足三点方能满足Q Qg g=Q=Qr r的要的要求，故求，故a.b.ca.b.c（T Ta aT Tb bT Tc c) )称为稳定点称为稳定点3.3.进料状况的影响进料状况的影响 定态点是随操作条件变化的，如进料温度定态点是随操作条件变化的，如进料温度T T0 0进料温度：进料温度：T T1 1TT2 2TT1 1影响稳定系数的因素：进料温度，反应器与影响稳定系数的因素：进料温度，反应器与环境的热交换情况，反应特性：环境的热交换情况，反应特性： 如：只有放热反应才可能出现多个稳定点如：只有放热反应才可能出现多个稳定点 吸热反应的定态点总是唯一的。吸热反应的定态点总是唯一的。着火点与熄火点：着火点与熄火点： 当进料温度改变时，定态温度随之改变。当进料温度改变时，定态温度随之改变。
