第五章连续流动釜式反应器课件.ppt

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1、2022/12/3,上海工程技术大学化学化工学院 化学工程与工艺系,第五章 连续流动釜式反应器,化学反应工程Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1 CSTR中的均相反应5.2 返混原因及限制返混措施,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1 CSTR中的均相反应,5.1.1 反应器特征,全混流反应器是指物料流动状况符合全混流模型，该反应器称为全混流反应器（CSTR）。在实际反

2、应器中，连续搅拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况接近全混流。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,全混流反应器的特点反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于物料出口处的物料参数；物料参数不随时间而变化；反应速率均匀，且等于 出口处的速率，不随时间变化；4. 返混,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,BSTR PFR CSTR 投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口) 年龄 年龄相同(某时) 年龄相同

3、(某处) 年龄不同 寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口) 返混 全无返混 全无返混 返混极大,三种反应器区别,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,反应推动力随反应时间逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,三种反应器浓度分布-推动力,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1.2 CSTR的反应速率,流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量,进口中已有A,2022/12/3

4、,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,物料平均停留时间 对于等容过程，物料平均停留时间为,的求解（数值法）,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,的求解（图解法）, CSTR PFR， V CSTR V PFR,一般简单反应（生产任务相同）,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineerin

5、g,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,生产任务相同时，反应级数越高，两种反应器或体积相差越大。,反应级数的影响,即：反应转化率越高，两种反应器空时和反应体积相差越大。,反应转化率的影响,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1.3 组合反应器,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,德国Parr全自动组合式化学反应器-5000系列,2022/12/3,化学反应工程

6、/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,多级平推流管式反应器,Consider N plug flow reactor connected in series, and let x1, x2, , xN be the fractional conversion of component A leaving reactor 1,2, , N. Basing the material balance on the feed rate of A to the first reactor, we find for the ith reactor from Eq

7、.3.2-6,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,平推流反应器的物料参数如浓度等沿流动方向变化。对于等温反应，很难控制整个反应器内物料温度均匀。对于全混流反应器，物料参数是均匀的，

8、对于物料温度的控制比较容易。 在有机反应中，特别是多重反应，要求反应过程中物料浓度温度等参数保持均匀，否则极易发生副反应，所以一般选择全混流反应器。 为了满足工艺要求，又要提高反应推动力，人们把一个大的反应器分割成m个小的全混流反应器，然后串联起来，称为“多级串联全混流反应器”。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,单釜体积（空时）大于多釜体积（空时）,多级全混流反应器,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,多级全混流反应器的串联计算,202

9、2/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,1.解析计算,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2.一级不可逆反应 对于一级不可逆反应，可以直接建立级数m和最终转化率之间的关系，不必逐级计算。,上式可化为,由上式，第i级,式中,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,由式,将上述诸式相乘,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Eng

10、ineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,3.图解计算：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。（1）等温等容过程，且各级体积相同,得到,将上述两个方程同时绘于,两线交点的横坐标即为CAi.。,动力学方程为,图上,由,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,等温、等容、各级体积相等情况的图解计算,2

11、022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（2）等容过程，且各级体积相同，但温度不同,如果各级温度不同，则需作出各级的动力学曲线 OM1、OM2。然后依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，依此 求出CA1 、CA2、 CA3。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（3）等容等温，但各级体积不同,如果各级体积不相同，则 的各直线斜率 不相同，如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1、CA2、CA3。,2022/12/3

12、,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,多级全混流反应器的串联优化,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VO、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。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,为

13、使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、xAm1求偏导数，并令之为零，则有,对于等温等容过程，各级反应器体积为 反应器总体积 为,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3xAm1)。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,以一级不可逆反应为例反应器总体积,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。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器

14、 Chemical Reaction Engineering,一般来说，a级反应中（CSTR)，为了使总体积最小：（1）a 1，沿物料方向，各釜体积依此增加；（2）a 1，沿物料方向，各釜体积依此降低；（3）a 1，沿物料方向，各釜体积相等；（4）a 0，反应速率于浓度无关，串联的反应总体积于 单釜相等，串联操作无必要；（5）a 0，单釜操作优于串联操作，串联已成多余。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,多种组合类型,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engi

15、neering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,此组合等效于一个大的CSTR（总体积相等）,由上述诸式，无论何种动力学方程，结论均成立。等效的前提：,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,此组合等效于一个大的PFR（总体积相等）,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,此两种组合在一级不可逆反应且两反应器体积相等时是等效的。,零级反应，无论体积是否相等，也等效。,2

16、022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1.4 返混,（1）关于返混： 不同时间物料的混合，由于搅拌作用，引入反应器的新鲜物料与已停留在反应器内物料在瞬间达到混合，使釜内温度和浓度处处相等。（2）返混后果： 完成同样任务的空时要比PFR长（对于简单不可逆反应）问题：为什么对于同样任务时，有时候需要采用CSTR操作而不用PFR操作？,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（3）自催化反应过程的优化：,CA0,CAf,1/(-rA),CA,opt,

17、CA,CACA,OPT,CSTRPFR,CA,CAPFR,CA0,CAf,1/(-rA),CA,opt,CA,CA,返混有利，尤其是在开始阶段，采用CSTR操作,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（4）CSTR的用途： 很大时，VR很大，若采用PFR，则反应器管较长； 温度易控制； 特殊反应，如自催化反应开始阶段（返混有利）。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1.5 平行反应过程反应器的操作方式,2022/12/3,化学反应工程/

18、连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,选择率,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,收率,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,CA,CA0,CAf,n1n2,2022/12/3

19、,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.1.6 串连反应过程的优化,（1）选择率：, 选择率随反应过程的进行不断降低，凡是使得CP增加和 CA降低的因素对选择率不利； 返混对选择率不利。,2022/

20、12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（2）收率：,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,作图：,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering, 一级串连反应， ； 应采用PFR操作，即需限制返混的影响； 采用分批和分段加料方式，使CA降低，从而提高选择率。,2022/12/

21、3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,5.2 返混原因及限制返混措施,返混是不同时刻进入反应器内物料的混合，不同于一般意义上的混合； 返混只针对连续化才出现的一种现象； 间歇搅拌釜中不存在返混； 理想管式反应器虽然连续化，但不存在返混； 返混改变反应器内浓度分布，反应物浓度下降，产物浓度上升； 返混是连续反应器的一种重要工程因素。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（1）原因 反应器内速度不均匀的物料混合，如流速分布； 反应器中的环流，如：搅拌浆的流速分布。,（2）后果 改变浓度分布，从而影响反应浓度效应； 形成停留时间分布。,2022/12/3,化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering,（3）控制 形成返混 反应过程由间歇操作变化为连续操作，可能产生返混； 返混程度随几何尺寸的变化增加。 限制返混 强化速度分布的均匀性 横向分割，以多釜串联操作，N足够多 PFR 纵向分割 放置填料,