《釜式反应器》课件.ppt

第三章 釜式反应器,3.1反应器中流体的流动模型研究流动模型的目的：本章讨论流动模型与化工原理流体动力学的流动模型不是一回事，这里是指流体流经反应器时的流动和返混状况。建立各种流型的数学模型（研究粒子在反应器的停留时间分布），目的是进行反应器体积和反应率的计算。,流动模型：是指流体流经反应器时的流动和返混的状况。对各种流动模型进行的数学描述就得到流动的数学模型。化工生产中有许多型式的反应器，如管式、槽式等。这些反应器中流体流动的情况很复杂。但在众多的反应器中，就流体的返混情况而言，可以抽象出两种极限的情况。,活塞流反应器：完全没有返混全混流反应器：返混达到极大值实际生产中的多数管式反应器、固定床催化反应器都可作为活塞流反应器处理。实际生产中的多数槽式反应器都可作全混流反应器处理。,在这两种理想流动反应器的基础上，经过适当修正和组合，可以得到比较符合实际多种非理想流动模型。例如在活塞流模型基础上考虑轴向返混的返混模型、考虑流速分布的层流模型等。在全混流基础上发展的多级串联全混流模型等。,工业生产中的反应器，在进行逗留时间测定的基础上可以用这些修正的非理想流动模型而描述。例如：扩散模型、多级理想混合模型以及各种组合模型等等都属于广泛采用的非理想流动模型。,为什么要研究流动模型？流体在反应器中的流动情况影响着反应率。反应选择性直接影响反应结果。研究反应器的流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。我们知道，实际进行的化学反应，往往都伴随着传递过程（动量、热量、质量传递），这些物理过程都会影响化学反应。例如：不均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对化学反应的程度和速率都有一定的影响。,来自实验室的化学反应动力学数据，若不计传递过程的影响，就会使反应机理、反应级数、活化能及选择性以及反应速率表达式发生错误而不能反映实际情况。此外，在反应器的模拟、放大、设计以及分析反应器的稳定性和可控性方面，都会有一定的影响。因此，只有弄清传递过程对化学反应的影响，才能正确地用化学动力学数据来进行反应器设计、模拟、放大和操作控制。研究传递过程对化学反应的影响，首先要研究流动模型。因为流动模型是传递过程的基础。只有在流动模型确定之后，才能正确分析动量传递、传质、传热和化学反应等过程。,本章的重点是阐述流动模型的基本概念、讨论间歇反应器、理想混合反应器的设计计算。并对理想混合反应器的热稳定性进行讨论。在讨论反应器流体流动模型之前，先讨论流动过程与间歇过程的主要区别（复习）一、理想流动反应器的基本概念理想反应器：间歇反应器 流动反应器（全混流、活塞流）,1.间歇反应器与流动反应器的区别（1）反应物系参数的变化情况不同间歇反应器：物料是间歇地加入和取出，物料不流动，反应的各种参数（如温度、浓度、压力等）随时间而变，但不随反应器内空间位置而变。流动反应器：物系参数只随位置而变，不随时间而变,（2）质点流动状况不同间歇：物料中的所有流体粒子（流体粒子是能代表反应物系特征的微元）。在反应器内的反应时间是相同的，不存在返混或逗留时间分布问题。反应物料（质点）不流动。流动：物料粒子在反应器内的逗留时间可能并不相同，可能存在着不同程度的返混和逗留时间分布问题。物料处于连续稳定流动。,综上所述，二者的区别,由于连续反应器有许多优点，化工生产已广泛应用。下面着重讨论反应器的流动模型。连续流动反应器内流体的流动模型(1)活塞流反应器（理想置换或挤出流反应器）,反应物料以稳定的流入速率进入反应器后，粒子平行地向前移动。特征：1）垂直于物料流向的任一截面上，所有的物系参数T、P、C、u都是均匀的（相同的）2）所有的粒子在反应器内的停留时间都相同。,实际生产中属于理想置换的情况有：管式反应器：它的流型基本上是理想置换模型（活塞流模型），特别是在长径比很大、流速较高时可看作是理想置换。如：CH4+H2O=CO+3H2-Q1 CH4+2H2O=CO2+4H2-Q2固定床反应器（近似）：氨合成塔、CO变换炉、SO2转化器实验用的膜式反应器（可用于多相反应、均相反应）,(2)理想混合模型（全混流）（完全混合）反应物料以稳定的流入速率进入反应器后，新鲜物料粒子与存留在反应器内的物料粒子在瞬间达到完全混合。高与直径相类似,特征：1）在反应器内各处的参数T、P、C相同，并等于反应器出口值。CA=CAf T=Tf rA=rAf 2)粒子在反应器内停留时间不同，参差不齐，形成一个逗留时间分布,实际生产接近全混流反应器的有：强烈搅拌的反应器例：普钙的生产Ca5（PO4）3F+H2SO4 Ca(H2PO4)2+CaSO4+HF流化床（沸腾床）反应器 硫酸生产中硫铁矿的焙烧实验室用的无梯度反应器循环量出料量的反应器,(3)非理想流动反应器为了进一步分析流动模型的本质，下面介绍几个概念a、物料粒子的年龄与寿命 连续反应器内，物料中各个粒子的逗留时间可能并不相同，为了说明逗留时间的长短，通常采用两种表示，年龄与寿命,年龄：指存留在器内的粒子，在器内已经逗留了的时间寿命：指粒子从进入反应器算起，到粒子离开反应器，粒子总共在反应器内逗留的时间二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备内的粒子而言。寿命则对已经离开反应器的粒子而言。所以说寿命也可以说是反应器出口处物料粒子的年龄。,b、逆向混合（返混）指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，是指时间概念上的逆向。理想置换模型：返混最小 理想流动反应器理想混合模型：返混最大非理想流动：介于最大和最小之间不同年龄的粒子混合,产生返混的原因a、由于物料粒子与流体流向作相反的运动i 强烈搅拌所引起的流动（搅拌引起的再循环）ii 对流 由于温度、密度不同而造成的气体从上往下走，在反应过程中放热，使气体温度升高、重力减小，气体有上浮趋势iii 分子扩散或涡流扩散从上到下的气体在反应过程中，浓度减小，所以有向上扩散的趋势,b、由于垂直于流向的截面上流速不均匀造成i 层流引起的径向流速不均匀ii 设备有死角，则停留时间很长iii 沟流和短路,、逆向返混对化学反应的影响a、影响反应的转化率和选择性i 短路和沟流：由于短路和沟流，使这部分粒子停留时间短、转化率下降，即x,从而降低了平均接触时间ii 死区和角循环：死区占据了反应器的有效空间（相当于VR降低）使其余粒子的停留时间缩短，转化率降低，即xiii 对需要严格控制反应时间的化学反应来说，过长的时间反而使副反应增加，影响选择性（产品性能）,b、影响化学反应速率流型不同，返混程度不同，使得物系参数（T、C等）不同，从而影响化学反应速率,从图中可明显看出，理想置换反应器推动力大，反应速度快，而返混使推动力下降，反应速率下降不同程度返混的两种反应器，CA0、CAf分别代表反应组分A的进、出口浓度，CA*为反应组分A的平衡浓度，由于反应都是在等温条件下进行，故CA*为常数。如果温度相同，进出口浓度相同，即CA0、CAf、CA*都相同的条件下进行同一化学反应，则理想置换反应器推动力最大。因为反应组分的实际浓度CA沿轴向长度而逐渐降低，但理想混合反应器实际浓度CA由进口处的CA0值瞬间降到出口处的CAf 值。故推动力小。,除此之外，还有一种中间型反应器：,二、反应器设计的基本方程工业反应器中化学反应的进行总是伴随着质量、热量以及动量的传递过程，这些传递过程对化学反应速率都有直接的影响。所以根据物热以及动量衡算得到计算反应器的基本方程，再结合化学反应的速率方程，就可以计算反应器体积。,1.物料衡算：它是以质量守恒定律为依据的，对任何类型的反应器，都可作某一反应组分的物料衡算，如果反应器内物料均匀，可对整个反应器作物料衡算，否则按微元反应体积进行。反应组分A 的流入速率(1)反应组分A 的流出速率(2)反应组分A 的反应速率(3)反应组分A 的累积速率(4),上式是对反应物而言的，若为反应产物，上面式子右边的第二项改为生成速率，并将其移至式子左边。1）对于单个反应，建立一个连续性方程。2）对于多个反应，找到描述反应过程所需的关键组分的数目，然后找到合适的反应组分作为关键组分，分别对它们建立物料衡算式。（复合反应系统，需建立多个物料衡算式）3）多相反应：分别对每一项作物料衡算式，增加了物料衡算式的数目。,4）对间歇反应器，反应期间无输入输出，（1）=0，（2）=05）对流动反应器，（4）=0，即（1）=（2）+（3）6）对于不稳定体系，如半间歇反应器，需要同时考虑上式中的各项。,2、热量衡算：上式中反应组分A的反应量与反应过程的温度条件有关，计算非等温反应器的反应体积时，需同时考虑物料衡算和热量衡算。热量衡算是以能量守恒与转化定律为基础的。加入反应器的热量（1）带走的热量（2）反应热（3）累积的热量（4）对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号,1）对于单一反应，只需建立一个方程2）多相反应，需分别对每相建立方程，多一相，多建立一个3）反应热 放热 HR“-”QP“+”吸热 HR“+”QP“-”热效应是若干反应的代数和4）对间歇反应（1）=0，（2）=05）连续反应（4）=06）半间歇反应器，各项均需考虑。,3.动量衡算式输入的动量（1）=输出的动量（2）+消耗的动量（3）+累积的动量（4）1）对流动反应器才需建立2）当P与P处于同一数量级时考虑。例：合成塔P=8-12Kg/cm2 总P=-320Kg/cm2,不予考虑，因为不处于同一数量级,当气相流动反应器的压力降很大，以致影响到反应组分的浓度时，就要考虑动量衡算式。一般情况下，在反应体积计算时可不考虑。这样反应体积的计算是物料衡算、热量衡算联立求解。对于一个单一反应就有二到三个方程，如果遇到多个反应，计算就非常麻烦，因此必须根据具体情况作必要的简化。,4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)5.经济衡算式经济的输入=经济的输出+经济的消耗+经济的积累我们着重讨论最简单的情况-等温反应器的计算方法。这样只需考虑物料衡算与动力学方程就可以了。对非等温反应器的计算，只对理想置换反应器加以讨论。,3.2间歇釜式反应器的设计计算,间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操作时间是由两部分组成，一是反应时间，即装料完毕后算起至达到所要求的产品收率时所需的时间。另一是辅助时间，即装料、卸料及清洗等所需时间之和。涉及反应器的关键就在于确定每批所需操作时间，其中尤以反应时间的确定最为重要，而辅助时间主要根据经验来确定。,一、单一反应的等温间歇釜式反应器的计算1.反应时间及反应体积的计算计算反应器的体积，必须先确定反应器的有效体积间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的产品生产，特别是用于多品种而批量小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应用。其操作时间是由两部分组成：反应时间（t）和辅助时间（t0）,VR=VO(t+to)VR-反应器有效体积 VO-每小时处理的物料量t-反应时间 to-辅助时间，包括加料、卸料、清洗等非生产时间，一般由经验数据确定,这里的关键是反应时间t的计算由于搅拌均匀的间歇反应器，器内物料组成是均匀的，器内的物料的浓度与温度也是均匀的。因此可以对整个反应器作某一反应组分的物料衡算。（反应组分A）根据间歇反应器的特征，仅考虑（3）（4）两项，即（3）+（）按公式的反应速率的积累速率,即：表组分的反应速率（单位时间、单位体积反应混合物中组分的反应量）：表反应混合物体积（）项：单位时间内，体积反应混合物中反应了的组分的量为（）项：若表示为反应器中任一瞬间组分的量，由于反应不断进行，组分的量随时间变化，所以组分的积累速率为,但对间歇反应器液相反应：反应过程中体积变化很小，可略气相反应：反应器的整个体积都被反应混合物充满所以，间歇反应器一般大多数属于恒容过程则：,VR=VO(t+to)实际反应器的反应体积要比VR大，以保证反应物料上有一定空间。通常VR，为装料系数据反应物料的性质不同而选择（对沸腾起泡的液相物料，系数小；反之，）,结论：在间歇反应器中，反应物达到一定的反应率所需的反应时间只取决于过程的反应速率，也就是说取决于动力学因素，而与反应器大小无关，反应器大小只取决于反应物料的处理量（取决于生产能力）,由此可见，上述计算反应时间的公式，既适用于小型设备，又适用于大型设备。这样利用中间试验数据设计大型设备时，只要保证两种情况下对化学反应速率的影响因素相同（例：保持相同温度、相同搅拌程度）即可。这样就很容易进行设备的高倍数放大。,但要注意，要保持相同的反应温度，相同的搅拌程度和反应器的大小有关，反应器越大，搅拌性能越差，会影响传热的性能，难以保证器内各处浓度均一，同时，对完成一定的生产任务，反应器小了，要求的反应器的数目就增多，显然辅助费用也会增加，所以确定反应器的大小及数目，应从物料的性质、操作的稳定以及经济成本等各方面进行全面分析。,2.最优反应时间前面已说过，间歇反应器每批物料的操作时间（反应时间、辅助时间），对于一定的化学反应和反应器（若化学反应和反应器已定），则辅助时间是定值CA而反应产物的生成速率随反应物浓度的降低而降低。所以，延长产品数量，但单位操作时间内产品的产量不一定增加。所以，我们以单位操作时间的产品产量为目标函数，必存在一个最优反应时间，使目标函数值最大。,若：反应AR，产物R的浓度为CR,.用速率式计算出txA的关系.转换成CRt关系.作CRt图.作.自A(-t0，0)做CRt 曲线的切线AM，切点为M，斜率 MD/AD=dCR/dt.M点的横座标0D为最优反应时间最优反应时间下，MD=CR,AD=t0+t,平均生产速率最大图解法示意图,上面是以单位时间内产品产量最大为目标函数，如果选择的目标函数不一样，结果就不一样，若以生产费用最小为目标函数，总费用若如下表示：:表示在反应操作时的操 作费用(元小时)0:非生产性操作时的费用(元 时)；f:表示固定消费(元时)。为使AT最小，由此可求最优时间,二、复合反应的等温间歇釜式反应器的计算 1.平行反应,间歇反应器中，平行反应各组分的浓度随时间变化设在间歇反应器中进行如下平行反应：A P（主反应）(1)A S（副反应）(2)(3),由间歇反应器的设计基础式 得：(4),将(4)代入(1)积分得(5)将(4)代入(2)积分得：(6),由上面的公式可以看出，反应物A的浓度总是随反应时间的增加而减少，而产物P、S的浓度总是随反应时间的增加而增加。,讨论：1）平行反应的特点：tCACPCS2)CP/CS=k1/k2(将CP 和CS相除可得此式)即两种反应物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。适用范围：1）两反应的动力学方程形式一样2）不可逆反应,将上述结果推广到含有M个一级反应的平行反应系统：,反应物A的浓度为：,反应产物的浓度为：,反应时间确定后，即可确定必需的反应体积。注意：这个关系只有当各反应的速率方程相同时才成立，这里讨论的反应物系中各反应组分的化学计量系数均相等，若不等，各反应组分的浓度与反应时间的关系需作相应的修正。,2.连串反应,对A作物料衡算：,对P作物料衡算：,对Q作物料衡算：,此式只能说明第一个反应进行的程度，而不能说明第二个反应的进程，因此需求出CP.这与平行反应相类似，只根据一个物料衡算式便可球定达到一定转化率所需的反应时间，但同样确定不了在此反应时间时B的收率。,根据上面几个关系式作图，由图可见，tCACQCP先后，有一最大值解释：反应时间短，A转化率超过P转化为Q的速率，故CP，过了极大值后，P转化成Q的速率大于A转化成P的速率，故CP。,由此可见，生产目的产物P需控制反应时间，使P的收率最大，将CP对时间求导。将时间topt代入CB式中可求B的最大浓度。,讨论：1）连串反应，tCACQCP有最大值2）目的产物为Q，反应时间越长越好3）目的产物为P，存在最佳反应时间，使P收益最大。以上的讨论是针对包括两个一级反应的连串反应。其结论也可推广到更多反应时的场合，只要是中间产物，比存在极大浓度对于非一级反应也可处理，只是很难获得解析解。需用数值解法。t确定后求出VR.,三、变温间歇反应器反应体积对于间歇反应器做到绝对等温是极其困难的，当反应热效应不大时近视等温是可以办到的，但反应热效应大时就很难办到，对于许多化学反应，等温操作的效果不如变温操作好，所以，研究变温操作具有很大的实际意义。对于变温反应，还需要一个热量衡算式，,根据间歇反应器的特性，热量衡算式：加入反应器的热量（1）=带走的热量（2）+反应热（3）+积累的热量（4）间歇反应器，仅需考虑（3）（4）两项。当反应器与外界有热交换时，也要在热量衡算式中作相应的考虑。若以组分A为基准的摩尔反应热为HR，则反应热（3）为（HR）rAVR,若反应物料中各组分的摩尔数为ni，摩尔定容热容为Cvi,则热量的积累（4）为ni CvidT/dt,设外界向反应器内加热，传热系数为K传热面积为F外界温度为TOS则传热项为KF(TOS-T),得到间歇反应器的热量衡算式：传入热 反应热 积累热CV:因是间歇系统，故不用CP,由此可知，对一定的反应物系而言，温度与转化率的关系取决于物系与环境的换热速率。由于反应速率rA是转化率和温度的函数，即rA=(T)f(x)，因此，只有知道反应过程的温度随时间的变化，才能确定rA，所以变温间歇反应器的设计必须联立求解物料衡算式和热量衡算式。如果间歇反应器是在等温或绝热情况下进行，可以简化,1.等温操作因为：等温操作，无温度变化，dT=0,(4)=0，所以：上式用于：a、TOS一定时，计算所需的换热面积Fb、当F一定时，确定换热介质的温度 TOS(即外界温度)才能保证反应在等温条件下进行,反应要在等温条件下进行，反应放出或吸收的热量必须等于与环境交换的热量，但要做到这一点不容易，因为反应速率随时间而变，从而反应放热及吸热速率随时间而变，只有物系与环境的换热速率与之相适应时才能做到等温，所以工业间歇反应器常是变温过程，热效应大的反应更是如此，对于某些强放热反应过程，从安全操作观点看，更应重视反应温度的控制。,2.绝热操作与外界没有热交换，,利用这一关系式可将rA化成只含单一变量xA的函数，代入下式，积分便可得。,由于反应速率rA是转化率和温度的函数，即rA=(T)f(x)，因此，只有知道反应过程的温度随时间的变化，才能确定rA。,先假定一个转化率x,则转化量dnA也知，则放出的热量Q知，可求出温升值，T=T0+T,这样可求出反应速率常数K，最后可求出反应速度rA,由此可算出反应时间,以上是针对单一反应来说的，若同时有多个反应，则热量衡算式要做相应的修正，主要是反应热项包括各个反应所作的贡献。,实际生产中的连续釜式反应器几乎都是在定态下操作，因此各股物料以及反应器的所有参数均不随时间而变，从而不存在时间自变量。另一方面，这类反应器多用于在液相中进行的反应，反应过程中。定态操作的连续釜式反应器是在等温、等浓度下进行，因而也是在等反应速率下进行反应，也就是我们所讲的理想混合反应器。所以，连续釜式反应器的设计计算作一定的假定后，变为理想混合反应器。,3.3连续釜式反应器的设计计算,一、单级理想混合反应器的反应体积由理想混合的特性可知，返混达到最大限度，由于强烈搅拌，在反应器内各点的参数（T、P、C）相同，且等于反应器处口出的浓度和温度，因此反应器内各点的反应速率也相同，且等于出口反应速率。,等速操作是理想混合反应器不同于其它反应器的一个显著特点。此类反应器多用于液相中进行的反应，反应过程中液体体积的变化不显著，完全可以认为是在等容下进行的。,取整个反应器为衡算对象,流入量=流出量+反应量+累积量,复习：间歇反应器VR=VO(t+to)达到一定的反应率所需的反应时间之取决于过程的反应速率，动力学因素，而与反应器大小无关，大小只取决于反应物料的处理量（生产能力）,平行反应特征：A B A U,连串反应A B D,由上节讨论可知，间歇反应器的反应体积是通过反应时间及物料处理量来确定的，而理想混合反应器则是由物料衡算式直接计算反应体积。为了对连续反应器的生产能力作比较，这里引入一个概念,越小，表示该反应器的处理物料量越大，生产能力大；相反，则生产能力小对于等容均相反应过程，空时也等于物料在反应器内的平均停留时间。为空速，意义是单位反应体积单位时间内所处理的物料量，因次为时间-1，反应器的生成能力,应当指出，理想混合反应器无论是绝热条件或是与外界有热交换的过程，因返混最大，过程基本上是等温进行的，所以在稳定条件下，对整个反应器作热量衡算，就可以决定反应器的反应温度。,自学 例3-6、3-7（P62）作业3-1、3-2,二、多级连续釜式反应器反应体积的计算工业生产中常同时使用数个理想混合反应器进行同样的反应，反应器设计中常碰到这样的问题：一个反应器好，还是几个小的反应器好，同时使用几个反应器时，采用什么样的联结方式效果最好，这样的反应器组应如何去设计计算，这就是这个问题所要讨论的中心内容。,在讨论多级理想混合反应器之前，简单叙述一下多级理想置换反应器的情况，以便于与多级理想混合反应器比较。（一）多级理想置换反应器,VOCA0XA0,VR1,XA1,XA2,XA1,当理想置换反应器的长度受到制造、安装以及操作等方面的限制，不允许做得很长时，就采取多个反应器串联。,若有m个理想置换反应器串联操作，每个反应器称作一级，起始反应混合物体积流率为V0,依次通过各反应器，起始浓度CA0,各反应器出口处A的转化率分别是XA1、XA2、XA3、XAm，对任一理想置换反应器的反应体积,结论：i在相同的物料处理量，初始组成及最终转化率下，多级串联理想置换反应器的总反应体积与采用单段理想置换反应器的反应体积相等,ii如果处理的反应物量很大，以至单个反应器的直径过大而难于制造时，也可以采用数个反应器并联操作 若多个并联的理想置换反应器的体积，可按单个方法求取，每个初始流量为V0/m，它们体积之和为多段并联理想置换反应器的总体积。,iii 若干个操作条件相同的理想置换反应器并联操作时，为了使所需的总反应器体积最小，应保证各级反应器出口物料组成相同。,（二）多级理想混合反应器前面讨论过相同条件下，理想置换反应器中过程的推动力比理想混合反应器大，因此，如有可能尽量采用理想置换反应器进行操作，但是有许多反应由于种种原因需采用理想混合反应器操作（如要求过程温度均匀等等）。如何提高过程的推动力？,有效的办法是采用分段反应，即反应过程不要在一个反应器内一次完成，而是采用多个反应器串联进行，将一个反应体积为VR的理想混合反应器，用m个反应体积为VR/m的理想混合反应器来代替，如果两者的初始及最终浓度以及温度条件都相同，则后者的平均推动力要大于前者。,如图所示：条件：相同的进、出口浓度CA0、CAf,若采用单个理想混合反应器，推动力为矩形akij的面积若采用多级串联理想混合反应器，推动力是abcdefghik所围成的面积显然采用多级理想混合过程的平均推动力增大了，所以反应速度快，级数越多，推动力越大，但总的推动力变化接近理想置换。,而理想置换过程的平均推动力是曲线acegN与直线ik包围的面积，所以理想置换推动力最大，反应速度最快。,j,多级连续釜式反应器的并联与串联、多级串联全混流反应器的设计计算前面介绍了连续釜式反应器反应体积的计算，下面以图进一步阐述计算式的几何意义，以简单反应为例：体积计算式,以1/rAxA作图得到两种情况,xAf,从计算反应体积的公式可以看出，相当于求反应器体积，如果只有一个全混流反应器，反应体积即相当于图中ABCD的面积,若三个全混流反应器串联，三釜的物料处理量相同，都为V0,可见在此情况下，三釜串联所需总反应体积要小于单釜，这一结论可推广到多釜串联，当m个反应器串联时，图中所画折线接近于DB曲线。也就是 此时，反应器的体积减小，mVR，级数越多，反应器体积越小。所以，对正常动力学来说，根据实际情况采用m级串联，采用多釜串联比单釜有利。,G,当m个反应器串联时，图中所画折线接近于曲线。也就是 mVR，级数越多，反应器体积越大。所以，对反常动力学来说，只能采用单级全混流反应器或数个反应器并联（各釜的出口转化率相同）。,在釜式反应器中进行具有正常动力学的反应时，是在最小的反应速率下操作，而进行具有反常动力学的反应时，则在最大的反应速率下操作。故此两者在反应器连接方式的选择上不同。,当用单釜进行反应所需的反应体积过大而难以加工制造时，就需用若干个体积较小的反应釜。据上面的分析，具有正常动力学的反应采用串联方式，若为反常动力学，采用并联方式。这就产生一个如何分配各釜的进料量问题，其分配原则是保证各釜的空时相同，也就是说各釜的出口转化率相等，这样效果最好。,2.多级全混流反应器各段浓度的分析计算单个反应器过程的推动力小，而多个串联的反应器过程推动力大，因而在工业生产中往往采用数个理想混合反应器串联操作。多级理想混合反应器的计算，主要是根据处理的物料量，决定达到最终转化率所需的反应级数，以及各级的反应体积和反应物的浓度。,即由V0、CA0m、VR、xiV0、m、VRi xAm（已知物料量、组成，计算达到规定的输出物料组成时所需的釜数和各釜的反应体积）下图是由m个釜组成的串联釜式反应器，要求反应系统所达到的最终转化率或收率，比较容易。对各个釜分别作关键组分i的物料衡算就可以求得。,CAi-1,对以上m级串联理想混合反应器解释基本假设：i反应在等温下进行，而且个反应器的温度相等 T1=T2=Ti=Tmii反应过程中体积不发生变化，即V0=常数,V0：反应混合物起始体积流量，依次通过各反应器VR1、VR2 VRi VRm 各反应器体积1、2 i m 各反应器停留时间CA1、CA2 CAi CAm 各反应器出口处A组分的浓度,在稳定过程中，对i级反应器作物料衡算,(13),单级理想混合反应体积的计算公式,它关联了任一级反应体积与该级进、出口反应率的关系由（14）据假设条件,V0=常数，T=常数，K=常数因此，a、若反应器的级数（m）及每一级反应器的体积（VRi）一定，可用来依次求出第1，2，m级出口物料中反应组分A的浓度,即：m,VRixA1(CA1),xA2(CA2),xAm(CAm),b、若各级反应器体积一定，xAm为生产任务给定时，则可求得所需的级数，即VRi,XAmm,根据第2级的反应体积求出xA1，依次求出xA2 直到求到xAm，此时xAm对应的级数m就是所求。,（13）（14）是通式，当求m时较烦，如能建立级数与最终转化率之间的关系，就不必像上述那样逐个计算，为此，以一级不可逆反应为例进行讨论，建立xAmm之间的关系,一级不可逆反应动力学方程为：,对第i级，（14）将变为,若i为第i级的接触时间，根据接触时间的定义,设1、2 m分别为第1，2，m级的接触时间，则上式可分别写成：,将左边诸式相乘,若xAm为最终转化率，按转化率的定义,在实际生产中，各级反应体积往往相等，这是从机械加工制造方便的角度出发的，即：VR1=VR2=VRi,此时，,则上式可进一步简化,或,总体积,由（16）式可知：i 级数m愈多，即m,所以最终转化率xAm愈高ii 当处理量一定时（V0），各级反应体积VRi愈大，i愈大，最终转化率xAm也愈高。,（16）式的三个用途：a、单个体积 VRi（i）一定，级数m一定，求最终转化率xAm。b、xAm和m一定,求总体积.VR=m V0。c、单个体积 VRi（i）一定，xAm一定，求级数m适用条件：一级不可逆反应对于非一级反应，采用分析法计算各级浓度是比较麻烦的，此时可用图解法。P67,例3-5,3.多级全混流反应器各级浓度的图解计算（1）等温等容过程，V=常数，T=常数对于非一级反应，采用解析法计算比较麻烦，一般采用图解法计算。因为是等温等容过程，各段温度相同，反应过程混合物体积不发生变化。由 得,（19）,动力学方程为,此式表明当i级入口浓度CAi-1为一定时，出口浓度CAi与反应速率rAi的关系。如第i级反应体积已定，则接触时间i也一定，此时该式变为rAi与CAi的直线关系，斜率为，截距为,（20）,联立求解（19）（20）可得出口浓度CAi因此，图解法就是把式（19）（20）标绘在rA-CA图上，两者的交点所对应的CAi,的直线与OM线交于A1点，其横坐标即为CA1；c.由于各级温度相同，所以各级的动力学曲线均为OM线;且为等容过程，各级体积相等：,（2）作图步骤a.在,图上标出动力学曲线OM,d.过CA1作CA0 A1的平行线，与OM曲线交于A2,其横坐标即为C A2。如此下去，当最终浓度等于或小于规定出口浓度时，所作平行线的根数就是反应器级数。,b.以初始浓度CA0为起点，过CA0作斜率为,等温、等容、各级体积相等情况的图解计算,也可将CA2换算成xAi,也可以直接作rA-xA形式的图进行图解计算。,当各釜反应体积相同，操作温度相同时，若VRi已知，（V0为已知数），i一定物料衡算线的斜率 或 已定 可求出达到xAm所需的m,作图以此类推，可求出m若m一定，要求各釜的VRi,作图程序相同，要试差，即先假设斜率，按上述方法作图，看看是否能达到规定的xAm,若不满足，重假设斜率，直至符合为止，i VRi VR,4、多段理想混合反应器各段转化率的最佳分配,在设计反应器时，物料处理量VO、进料组成及最终转化率XAm是由工艺条件确定的。如何确定反应器级数m和各级的体积，使总体积最小。反应器级数越多,反应推动力增大,但设备投资、工艺流程和操作控制变得复杂，因此需要综合考虑。,以下讨论，当物料处理量V0、进料组成及最终转化率XAm和反应器级数m确定后，如何最佳分配各级转化率xA1、xA2、xAm1，使VR最小。,对于等温等容过程，各级反应器体积为反应器总体积 为,为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、xAm1求偏导数，并令之为零，则有,以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。,以一级不可逆反应为例反应器总体积,即,化简后,即,由上式,上式表示：对于一级不可逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。对于非一级反应，但差别不大，考虑到设备制造安装检修方便，也可做成一样大,举例：若对两段理想混合反应器进行一级不可逆反应为例，xAm=0.8,并设两个反应器的反应温度相同，过程中无体积变化，动力学方程为rA=kCA0(1-xA)则反应系统所需的总反应体积为,由于最终转化率已知，故用上式可算出不同xA1时所对应的总体积VR,计算结果如下当xA1=0.55时，总体积最小，最经济。也可用求极值的方法。,3.4釜式反应器中复合反应收率与选择性,在反应器中进行复合反应时，必须要考虑目的产物的收率问题，因为它直接影响到产品的数量与质量。反应选择性也要考虑。它反映了原料利用的程度、反应器的型式、操作方式和操作条件与收率选择性大小密切相关。我们就釜式反应器对这些影响因素来分析讨论。,一.总收率与总选择性,设生成1mol目的产物P需反应物A的量用PA表示,则：,总选择性和转化率的关系取决于反应动力学，反应器形式和操作方式等。因此，同是釜式反应器，由于操作方式不同，虽然最终转化率一样，但最终收率却不一样。,当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调增加时，收率顺序：间歇釜多个连续釜串联单一连续釜 当瞬时选择性随关键组分转化率增大而单调下降时，收率顺序：间歇釜多个连续釜串联单一连续釜,下面讨论两种反应1.平行反应,瞬时选择性,分析：温度和浓度对瞬时选择性的影响,(1)温度对选择性的影响,E主E副，与温度无关E主E副，温度增高，瞬时选择性增加E主 E副，温度增高，瞬时选择性降低平行反应选择性的温度效应：提高温度对活化能高的那个反应有利,（2）浓度对选择性的影响使S增加的方法：,n1n2,m1m2 CA,CB 都高,n1n2,m1m2 CA高,CB低,n1n2,m1m2 CA,CB 都低,n1=n2,m1=m2 S与CA,CB 无关,a、可采用间歇操作，一次性将A、B投入到反应器中b、连续流动操作，多釜串联，A、B从第一釜加入c、采用不等釜串联，由小到大，可使第1、2釜浓度更高,n1n2,m1m2 CA,CB 都高,（3）平行反应加料方式的选择,a、采用单釜连续操作b、采用多釜串联连续操作，应为不等体积釜，体积依次减小，这样经过第一釜浓度可降很低,n1n2,m1m2 CA,CB 都低,a、对于半间歇反应：A一次性加入，B连续加入b、连续操作，A连续加入，B分釜加入c、配料时使A过量，将反应后的物料分离，大部分未反应的A可返回。,n1n2,m1m2 CA高,CB低,2.连串反应假设在等温间歇釜式反应器中进行如下的一级不可逆连串反应，P为目的产物,连串反应的瞬时选择性温度效应同平行反应一样，决定于k1/k2的大小，温度高低又决定于主、副反应活化能的相对大小E主E副，与温度无关，但实际上仍采用较高温度为佳，反应器生产强度提高E主E副，温度增高，瞬时选择性增加E主 E副，温度增高，瞬时选择性降低 温度降低，瞬时选择性增加，,选择合适的催化剂，使k1/k2的比值改变。低温下操作可获得较高的s,但T下降，导致反应速率下降，反应器的生产强度下降，总之，根据主、副反应活化能相对大小及其他具体情况决定适宜的温度。,浓度效应 提高连串反应选择性可适当通过选择反应物的初浓度和转化率来实现初浓度对连串反应选择性的影响，取决于主、副反应级数的相对大小,主反应级数高时，CA0S级数低时，CA0 S转化率对连串反应的影响xACA，则CP/CAS因此，对于连串反应，不能盲目追求过高的转化率，在工业生产中进行连串反应时，常使反应在较低的单程转化率下操作，而将未反应物料经分离回收利用。,在连续釜式反应器中是否也存在最大收率？（间歇釜式反应器中目的产物P存在最大收率）,分别对组分A和P作物料衡算（一级反应）,可见，在连续釜式反应器中进行连串反应时，同样也存在最大收率，无论间歇操作还是连续操作，釜式反应器的收率S随k2/k1的减小而增大，即k2/k1S改变k2/k1值的另一个有效办法是选择合适的催化剂，因此选择有利于P生成反应而不利于R转化反应的催化剂，使k1k2提高P的收率。,以上讨论都是针对P为目的产物而言，若目的产物为Q，比较简单，对于间歇反应器，只要反应时间足够长，最终A几乎全部转化为Q，对于连续反应器，只要空时足够大，Q的收率接近100%。,二、间歇釜式反应器和连续釜式反应器收率的比较总收率YPf与总转化率xAf瞬时选择性的关系总选择性和转化率的关系取决于反应动力学、反应器型式和操作方式等。关系复杂，同样是釜式反应器，由于操作方式不同，（连续、间歇）虽然xAf相同，但YPf却不同。下面用图来说明,分两种情况讨论：1.xAS2.xAS,1.xAS（1）间歇反应器：左图曲线表示间歇反应器的瞬时选择性与转化率的关系，由上面积分式可知，当最终转化率为xAf时，曲线下包围的面积应为YPf（图中竖线部分）,若釜式反应器改为连续操作，过程保持定态，并达到相同的最终转化率，则YPf,为四边形ODFG的面积,从图中可以看出,多釜串联系统（例：两釜）介于间歇釜式反应器和连续釜式反应器之间，即:,（2）理想混合因为连续釜式反应器是在等温等浓度等转化率的情况下操作，瞬时选择性S为常数，从中也可知，因为xA为定值，所以S0=S(瞬时选择性等于总选择性)，这是连续釜式反应器的又一个特征（等速操作是一个特征）,2.xAS，情况又不一样了,3.9 连续釜式反应器的定态操作,反应器的定态操作即稳定性、何谓稳定性影响反应器能否稳定操作的主要因素,自热过程：放热过程通常利用反应热加热反应原料，以达到反应所要求的温度。这种过程称为自热过程。化工生产中许多重要的催化反应，如氨合成、二氧化硫氧化、一氧化碳变换，都属于利用反应热来预热原料气的自热过程。,如果催化剂的活性衰退，反应率降低，或者原料气中惰性气体分率增加，使单位反应混合物的反应热减少，或者操作空速增加，需要预热的原料气增加，在这些情况下，能否仍然达到自热的要求，就是反应器的热稳定性问题。,连续釜式反应器内反应物料温度均匀（由于强烈搅拌）定态操作：反应在等温下进行非定态操作：反应在变温下进行，反