反应器-8连续操作釜式反应器课件.ppt

全混流反应器全混流反应器v全混流反应器又称全混釜或连续流动充分搅拌槽式反应器，简称CSTR。流入反应器的物料，在瞬间与反应器内的物料混合均匀，即在反应器中各处物料的温度、浓度都是相同的。全混流反应器特性全混流反应器特性v物料在反应器内充分返混；v反应器内各处物料参数均一；v反应器的出口组成与器内物料组成相同；v连续、稳定流动，是一定态过程。全混流反应器基本设计方程全混流反应器基本设计方程 v全混釜中各处物料均一，故选整个反应器有效容积VR为物料衡算体系，对组分A作物料衡算。的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入AAAARRRRVVVV0RfAAfA1VrFFv整理得到：v恒容条件下又可以简化为： RfAA1AfA0VrxxFfA1AAfA0RrxxFVfA1AAf0A0RrxxcVVfAAfA1rccv例1-7 条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用CSTR反应器，求己二酸转化率分别80、90时，所需反应器的体积。v解：由例1-3已知：2A2A0A1xkcr110Aminkmol0114. 0hkmol684. 0F130hm171. 0Vv由设计方程v代入数据，xAf=0.8时v代入数据，xAf=0.9时2A20A1AAf0AR1xkcxxFV3223Rm23. 78 . 0141097. 18 . 00114. 0V3223Rm6 .329 . 0141097. 19 . 00114. 0Vv将例1-3，1-4，1-7的结果汇总v从上表可看出，达到同样结果间歇反应器比平推流反应器所需反应体积略大些，这是由于间歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速率下降所致。当转化率增加时，所需反应体积迅速增加。反应器有效容积平推流反应器间歇釜式反应器全混流反应器xA=0.81.45 m32.17 m37.23m3xA=0.93.26 m34.56 m332.6 m3LOGO第二章第二章复合反应与反应器选型v化学反应动力学关联温度及单位反应体积内反应物的摩尔数（浓度）与反应速率的函数关系。而反应速率讲的是单位反应体积内反应物（或产物）摩尔数随时间的变化率。二者都涉及到“单位反应体积”。化学反应工程学重视反应体积的概念，强调在反应器中不同时间、不同位置上的局部浓度可能不相同。这就造成了同一个反应发生在不同反应器中会有不同的结果。间歇反应器与平推流反应器间歇反应器与平推流反应器v平推流反应器在结构和操作方式上与间歇反应器截然不同，一个没有搅拌一个有搅拌；一个连续操作一个间歇操作；一个是管式一个是釜式，但有一点是共同的，就是二者都没有返混，所有物料在反应器内的停留时间都相同。既然停留时间都相同，没有不同停留时间（即不同转化率，不同浓度）物料的混合，两种反应器在相同的进口（初始）条件和反应时间下，就应该得到相同的反应结果。间歇反应器与全混流反应器间歇反应器与全混流反应器v间歇反应器与全混流反应器在结构上大体相同，但从返混的角度上看却是完全不同的。间歇反应器完全没有返混，而全混流反应器的返混达到了极大的程度。因而，二者的设计方程不同，同一个反应在这两种反应器中进行，产生的结果也就不一样。单一不可逆反应过程平推流反应器单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较与全混流反应器的比较v对于平推流反应器，在恒温下进行，其设计式为：v对于全混流反应器，在恒温下进行，其设计式为：v v二式相除，当初始条件和反应温度相同时：A0nAAA1nA0Pd111AxxxkcxnAAA1nA0Am11xxkcxA0nAAAnAAAApRmRpmd1111AxxxxxxVVx理想流动反应器的组合理想流动反应器的组合v(1)平推流反应器的并联操作vVR=VRl+VR2 v因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应器体积流量之和：vV0=V01+V02v由平推流反应器的设计方程A0AA0A0RdxrxcVVv尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时间的物流的混合，就是返混。因此，是应当遵循的条件2102012R1R:VVVVv(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同转化率使反应器体积最小，与平推流并联操作同样道理，必须满足的条件相同。v(3)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，v对串联的N个反应器而言niixxxirxrxFVFVAA1A0AAAAA0R0ARddv(2)全混流反应器的串联操作 N个全混流反应器串联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合平推流假定，没有返混，也不发生反应。v对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。v对恒容、定常态流动系统，V0不变，v ，故有：v对于N釜串联操作的系统，总空间时间：v小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作时的空间时间。iiVV0RiiiiiiirccrxxcAA1AA1AA0AN21由于釜与釜之间不存在返混，故总的返混程度小于单个全混釜的返混。v计算出口浓度或转化率v对于一级反应：v依此类推：210A21A2A2A2A1A210A1A1A1A0A11111kkckcckccckcckcccN10AAN1iikccv如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：v对二级反应，以上面方法，可以推出：N0AAN1ikccNAN111ikxiiiikckc24111AAv例2-1 条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采用四釜串联的全混釜，求己二酸转化率为80时，各釜出口己二酸的浓度和所需反应器的体积。v解：v已知8 . 0mkmol4hm171. 01097. 1Af3B0A0130BA3AxccVccrv要求第四釜出口转化率为80%，即v以试差法确定每釜出口浓度v设i=3h代入v由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、 cA3、 cA4，看是否满足cA4=0.8的要求。将以上数据代入，求得：vcA4=0.824 kmolm-33Af0A4Amkmol8 . 08 . 0141xcciiiikckc24111AAv结果稍大，重新假设i=3.14h，求得：vcA1=2.202kmolm-3vcA2=1.437kmolm-3vcA3=1.037kmolm-3vcA4=0.798kmolm-3v基本满足精度要求。3R30Rm15. 2537. 04m537. 014. 3171. 0VVVii自催化反应特性与反应器选型自催化反应特性与反应器选型v自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化作用，加速该反应过程的进行。这类反应频繁出现在生化反应过程中。v反应1v反应2PA1kPPPA2kv特性：v通常k2值远大于k1。在反应初期尽管反应物的浓度较高，但产物浓度很低，所以总反应速率不大。随着反应的进行，产物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低，但其值仍然较高。因此，反应速率将是增加的。当反应进行到某一时刻时，反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下降。v反应1的动力学方程为： v反应2的动力学方程为： vA组分的消耗速率为：v在整个反应过程中，A组分被反应掉了，但生成了等量的P组分，则A与P的总摩尔数是恒定的，即A11AckrPA22Acckr PA2A12A1AAcckckrrr0PA0P0AcccccA0P0APccccvA组分的消耗速率为：v分离变量积分得：A0P0A12A1AA0P0AA2A1A1ddccckkcktccccckckr0P21P21A0A0P0A2lnlnckkckkcctcckv最大反应速率对应的反应物浓度为：20P0A21Aop2kcckkcv(1)平推流与全混流反应器 低转化率的自催化反应，如图 (c)所示，全混流反应器优于平推流反应器；转化率足够高时，如图 (a)所示，用平推流反应器是较适宜的。但应注意，自催化反应要求进料中必须保证有一些产物，否则平推流反应器是不适宜的，此时应采用循环反应器。自催化反应与循环反应器自催化反应与循环反应器v前面我们已推导出循环反应器的基础设计式为：v当=0，为平推流反应器。当，为全混流反应器。通过调节循环比，可以改变反应器流动性能，对于一定的反应，可以使得反应器体积最小，这时的循环比称为最佳循环比。2A2A1AA0ARd1xxrxFVv可由：v得到：v v它表示最佳循环比应使反应器进口物料的反应速率的倒数等于反应器内反应速率倒数的平均值。如图所示。图中KL代表反应器进口的值，PQ代表整个反应器的平均值。0dd0ARFVixxxxxrxriiAAfAAAAfAAd1反应器组合反应器组合v为了使得反应器组的总体积最小，设计这样一组反应器，在这组反应器中，反应大部分控制在最高速率点或接近最高速率点处进行。为此，可使用一个全混釜式反应器，它可以不必经过较低反应速率的中间组成，而直接控制在最高速率组成下操作。然后再由平推流反应器完成最终反应可逆反应特性与反应器选型可逆反应特性与反应器选型v设可逆反应：v总反应速率(-rA)为正逆反应速率之差：SRBA21srbakkA2A1ASR2BA1A2A1AAxgkxfkrccakccakrrrrsrbav当正逆反应速率相等时，总反应速率为零，反应达到平衡（-rA）=0。v此时：v式中：KC为此反应在当前反应温度下以浓度表示的平衡常数，因次为浓度单位的n次方；xAe为平衡转化率。v平衡常数K为热力学参数，无因次，与反应速率及其表达式无关，可以通过参与此反应的各组分的标准生成自由焓求得。CAA21Kxfxgkkeev平衡常数与温度的关系：v如果忽略反应热效应随温度的变化，可以通过下式由已知的一个温度下的平衡常数求得另一个温度下的平衡常数：2rdlndRTHTK12r1211lnTTRHKKv可以推导出平衡转化率与平衡温度之间的关系：eeexgxfkkREETAA201021lnln可逆反应过程特点可逆反应过程特点v(1) 在温度恒定时，随关键组分转化率xA的增加，正反应速率k1f(xA)将随之下降；逆反应速率k2g(xA)将随之上升；总反应速率-rA=ak1f (xA)-ak2g(xA)将随之下降。v(2)温度对反应速率的影响 在一定转化率下，可逆吸热反应的速率总是随着温度的升高而增加。v可逆放热反应的速率随温度的变化规律如图所示，当温度较低时，反应净速率随温度升高而加快，到达某一极大值后，随着温度的继续升高，净反应速率反而下降。平行反应特性与反应器选型平行反应特性与反应器选型v反应物能同时进行两个或两个以上的反应，称为平行反应。v一般情况下，在平行反应生成的多个产物中，只有一个是需要的目的产物，而其余为不希望产生的副产物。在工业生产上，总是希望在一定反应器和工艺条件下，能够获得所期望的最大目的产物量，副产物量尽可能小。v考虑下列等温、恒容基元反应：vAP(目的产物)vAS(副产物)v反应物A的消耗速率为：2A21A1AAddnnckcktnrv产物P、S的生成速率为：v当两个反应都是一级时，可以积分求得：1A1PPddncktcr2A2SSddncktcrtkkecc210AAtkkeckkkc2110A211Ptkkeckkkc2110A212S平行反应的选择性平行反应的选择性v平行反应是一种典型的复合反应，流动状况不但影响其所需反应器大小，而且还影响反应产物的分布。优化的主要技术指标是目的产物的选择性。选择性、收率定义选择性、收率定义v （目的产物） v （付产物）v生成目的产物的反应速率：v生成付产物的反应速率：PBA111pbakSBA222sbak11BA11Abacckr22BA22Abacckrv转化率v式中 nA0、nA为进入系统和离开系统A物质的摩尔数。v平均选择性v式中 (nA)P、(nP)为生成目的产物P消耗的A量和生成目的产物P的量。0AA0AAAAnnnx物质的量加入系统中物质反应掉的量在系统中PSA0AP1AA0PAPAAnnnpannnS的量在系统中反应掉的的量消耗的在系统中生成目的产物v收率yv三者关系：0AP10APAAAnnpanny物质的量加入系统中的量消耗的在系统中生成目的产物PASxy v瞬时选择性SPv对于上述平行反应的消耗速率在反应过程中同一瞬时速率生成目的产物消耗的在反应过程中某一瞬时AAPS 2A1A1APrrrS瞬时选择性与平均选择性的关系瞬时选择性与平均选择性的关系v对平推流或间歇反应器v对全混流反应器v对N个串联的全混流反应器0AAAPA0APd1nnnSnnSPPSS AN0AAN1ANPN2A1AP21A0A1PPccccSccSccSSv当a1=p=1时的恒容过程，对任一型式反应器，P的出口浓度为：A0APPccSc影响瞬时选择性的因素影响瞬时选择性的因素v为了增加目的产物的收率，必须从反应器选型及工艺条件优化来提高瞬时选择性。 122121BA10202A1A1AP11bbaaRTEEccekkrrrSva温度对选择性的影响(浓度不变时) 当ElE2时，E1-E20，随着温度的上升， 选择性SP上升，可见高温有利于提高瞬时选择性；当E1E2时，E1-E2a2，blb2时，升高浓度，使选择性增加，若要维持较高的cA、cB，则应选择平推流反应器、间歇反应器或多釜串联反应器v例2-2 有一分解反应v其中kl=lh-1，k2=l.5m3kmol-1h-1，cA0 =5 kmolm-3，cP0=cS0=0，体积流速为5m3h-1，求转化率为90时：v (1)全混流反应器出口目的产物P的浓度及所需全混流反应器的体积。v (2)若采用平推流反应器，其出口cP为多少?所需反应器体积为多少?v (3)若采用两釜串联，最佳出口cP为多少?相应反应器体积为多少?2A2SA1pSAPAckrckr付产物目的产物v(1)全混流反应器v全混流反应器平均选择性等于瞬间选择性32AA0A0R3A0APP22A2A1A1AP1PPm7 .255 . 05 . 15 . 015 . 45mkmol57. 25 . 05571. 0%1 .579 . 0155 . 19 . 01519 . 0151rccVVccScckckckrrpaSSv(2)平推流反应器A0APPccSc0AAAPA0APd1CCcSccS0AAAPPdcccSc30AAA0A0RAAAAA0RA0APP3A0AAAAA12A2A2A1A1Pm61. 35 . 115 . 11lnln5 . 11dd%3 .235 . 0505. 1mkmol05. 15 . 05 . 1155 . 11ln5 . 115 . 115 . 11ln5 . 11d5 . 111d11d0AA0AAA0A0AA0AAccccVVcccrcVVcccScccccckkcckckckcccccccccccv(3)两个全混釜串联v为使cP最大，求 ，v得cA1=1.91kmolm-32A2A1A1A1A0A2A1A22A22A12A11A0A21A21A11A12A2P1AP1P5 . 115 . 11ccccccccckckckccckckckcScSc0dd1APcc32222A22A12A1A021A21A11002R1RRP3m5 .105 . 05 . 15 . 015 . 091. 1591. 15 . 191. 1191. 155%7 .355 . 0561. 1mkmol61. 15 . 05 . 115 . 091. 191. 15 . 1191. 15ckckccVckckccVVVVScAAP连串反应特性与反应器选型连串反应特性与反应器选型v连串反应是指反应产物能进一步反应成其它副产物的过程。v作为讨论的例子，考虑下面最简单型式的连串反应(在等温、恒容下的基元反应)：v在该反应过程中，目的产物为P，若目的产物为S则该反应过程可视为非基元的简单反应。SPA21kkv三个组分的生成速率为：v设开始时各组分的浓度为cA0，cP0=cS0=0，则由第一式积分得：A1AAddcktcrP2A1PPddckcktcrP2SSddcktcrtkecc10AAv将此结果代入第二式得：v为一阶线性常微分方程，其解为：v由于总摩尔数没有变化，所以 cA0=cA+cP+cS0dd10A1P2Ptkeckcktctktkeekkkcc122110APtktkekekkkcc2112210AS11v若k2k1时，v若k1k2时，v组分A、P、S随时间的变化关系以浓度-时间标绘得图tkecc110AStkecc210ASv中间产物P浓度的最大值及其位置v由前面式子可以求出：v为了提高目的产物的收率，应尽可能使k1/k2比值增加，使cA浓度增加，cP浓度降低。v反应速率常数k与浓度无关，只有改变温度能够影响k1/k2。1212optlnkkkkt21221A0maxPkkkkkccv对连串反应v瞬时选择性定义为：v如果是一级反应且a=p=1SPA21spakkApPrrpaSAP1020A1P2A1APP211ccekkckckckrrSRTEE v当生成中间产物的活化能E1大于进一步生成副产物活化能E2(即E1E2)时，升高温度对生成中间目的产物是有利。当生成中间产物的活化能E1小于生成副产物活化能E2(即E1E2)时，降低温度对生成中间目的产物是有利。与平行反应一致。v提高cA浓度，降低cP浓度，有利于提高瞬间选择性，显然平推流反应器(或间歇反应器)比全混流反应器易满足这一条件，应选用平推流反应器。v全混流反应器的计算(计算最佳空间时间op和相应的cPmax值)。v以最简单一级反应为例：v在原料中，cA=cA0，cP0=cS0=0v在恒容过程中，在CSTR中对A作物料衡算：RAA00A0VrcVcV1A0RAAA01kcVVrcc0RA1AVVckr10AA1kccv对P作物料衡算：v当时 cP值最大，为最佳值op。P0RP0P0cVVrcVP2A1PPckckrc210A12A1P111kkckkckc0ddPcvop为反应速率常数的几何平均值的倒数。011211dd221212121A01Pkkkkkkkkckc21OP1kk2120AmaxP1kkcc21A0AOP1kkccv平推流反应器的计算。仍讨论这一典型的一级恒容反应过程。在平推流反应器中，任取一微元体，对A组分进行物料衡算： RAAA0A0ddVrccVcVddA1Ackc0RVV10AAkeccv同样对组分P进行物料衡算：RPPP0P0ddVrccVcVP2A1PckckrddP2A1Pckckc10A1P2PddkeckckcCd1220A1Pkkkeckecv下面针对不同情况确定积分常数。v情况1：当kl=k2=k，而且cP0=0；v当 时，相应为最佳值。得到：keckc0AP0ddPck1OPkVV10ROPA00APmax368. 0cecc0A0AAOP368. 0cecck0AAmaxP0AS264. 0cccccv情况2：当cP0=0，但k1k2时，同样可解得：122110APkkeekkkcc1212OPlnkkkk12212212121A021210A121maxPkkkkkkkkkkkckkkkckkkc121210AAOPkkkkkcc12120ROPlnkkkkVVv在(k2/k1)相同时，即平推流的平均选择性永远大于全混流。当反应的平均停留时间小于最优反应时间时副反应生成的S量小；反之，副反应生成的S量增加，所以平均停留时间宁可取小于op的值。随着转化率增加，平均选择性是下降的，当k2/k11时，转化率增加，平均选择性明显下降。为了避免副产物S取代产物P，应在低转化率下操作。LOGO第三章第三章非理想流动反应器 单个连续操作釜式反应器（1CSTR） n 基础设计式基础设计式A的积累量=A的进入量-A的离开量-A的反应量 0 = FA0 - FA0 （1-xA）-(- rA ) VR 物料的平均停留时间： 0()RAAAVxFr00()RAAAVxCVr求解方法n 解析法解析法由于反应器中的反应速率恒等于出口处值反应器中的反应速率恒等于出口处值，因此结合反应动力学方程，将出口处的浓度、温度等参数代入得到出口处反应速率，将其代入基础设计式即得。如：恒温恒容不可逆反应n=0 n=1 n=2 01AAC xk00(1)(1)AAAAAAC xxkCxkx022200(1)(1)AAAAAAACxxkCxkCxn 图解法例3-5、例3-6讲解多个串联连续操作釜式反应器（NCSTR）n 为什么要采用为什么要采用N NCSTRCSTR代替代替1 1CSTRCSTR？ 由于1CSTR存在严重的返混，降低了反应速率，同时容易在某些反应中导致副反应的增加。 为了降低逆向混合的程度，又发挥其优点，可采用NCSTR，这样可以使物料浓度呈阶梯状下降，有效提高反应速率； 同时还可以在各釜内控制不同的反应温度和物料浓度以及不同的搅拌和加料情况，以适应工艺上的不同要求。 n-CSTR的基础设计式n 在、V内对任意第i釜内的反应物A进行物料衡算A的积累量=A的进入量-A的离开量-A的反应量 0 = FAi-1 - FAi- (-rA)iVRi VR=VRi 检验：i=1 n=1 R Ri iA Ai i- -1 1A Ai iA Ai iA Ai i- -1 1i iA A0 00 0A Ai iA Ai iV VC C- -C Cx x- -x x= = = C CV V( (- -r r ) )( (- -r r ) )i 0101()()AAAAAACCCxrr 求解方法n 解析法解析法 按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达到要求的转化率为止。 例题讲解。n 图解法图解法 适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应，但只适于（-rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。 步骤： 1、作出（-rA）-CA曲线2、从起点CA = CA0出发，以-1/-1/1 1为斜率为斜率作直线，交曲线于一点，即第 一釜的操作状态CA13、过点(CA1 0)以-1/-1/2 2为斜率作直线,与曲线交点为第三釜操作点.4、过点(CAN-1,0)以-1/-1/N N为斜率作直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试差法。若各釜体积相同，则各直线斜率相同。若各釜温度不同，则应分别作动力学曲线，各釜直线分别与各自曲线相交。