平推流模型_模型特点11

平推流模型模型特点(1)物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；2)垂直流动方向的任一截面上的物料参数相同；(3)沿流动方向的截面间不相混合；4)返混＝0，不同年龄的质点不相混合。。适用范围：L/D较大，流速比较大。全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）模型特点：(1)同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间达到完全分散混合。(2)物料参数处处相同，并等于出口处的参数；器内物料参数不随时间变化。(3)器内物料粒子的年龄不同；同一时刻离开反应器的物料中，粒子的寿命也不相同。(4)返混＝∞，粒子停留时间分布最大。适用范围：搅拌反应器，强烈搅拌。在连续操作的反应器中，对于恒容过程，物料的平均停留时间也可以看作是空时，两者在数值上是等同的；若为变容过程，在一定的反应器体积VR下，按初始进料的体积流量计算的平均停留时间，并不等于体积起变化时的真实平均停留时间，而且，平均停留时间与空时也有差异。2平推流反应器物料衡算式特点：(1)各点浓度、温度和反应速度不随时间而变化，故单元时间上t可任取；(2)沿流动方向物料浓度、温度和(–rA)都在改变，故应取单元体积∆V=dV；(3)流体流动为连续稳定流动，在单元时间、单元体积内反应物的积累量为零。平推流反应器的串联操作N个平推流反应器串联操作，设N个平推流反应器的出口转化率分别为x1、x2、xN。第一个反应器物料衡算：第二个反应器物料衡算：第i个反应器物料衡算：N个平推流反应器串联：若每个反应器内的温度相同，则(-rA)也相同，有：结论：N个平推流反应器串联操作，其总体积为VR，则其最终转化率与一个具有相同体积（VR）的单个平推流反应器所能获得的转化率相同。单个平推流反应器可以拆分为N个平推流反应器串联操作，只要满足两者的所到达的转化率相同，即可。2平推流反应器并联并联操作反应器的总体积等于各个支路反应器体积之和：并联操作反应器的总物料体积流量等于各个支路体积流量之和：基础设计方程：110001()AxRAAAAVdxcFr212002()AAxRAAxAAVdxcFr100()AiAixRiAAxAAiVdxcFr121112100000012()()()AAANAANNRiRNRRRiAAAAAxxxAAAxxAAANVVVVVFFFFFdxdxdxrrr000()ANxRAAAAVdxcFr123RRRRVVVV0010203000()AxRAAAVdxcr010111111,1AAAAACCCCkCk01212222221122,1(1)(1)AAAAAACCCCCkCkkk0011221(1)(1)(1)1AAANNNNiiiCCCkkkk1212,iikkk01,1(1)(1)AANANNNiiCCxkk若干个平推流反应器并联操作，要使最终转化率达到最大或使反应器总体积最小，前提条件是要尽可能减少返混，而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。如各支路的转化率不同，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料的混合，就是返混。并联操作要满足：或3全混流反应器并联多个全混流反应器并联操作时，要满足并联的全混流反应器体积最小，就要求每一支路达到相同的转化率，这与平推流反应器并联操作的要求相同。并联操作要满足：或4多釜串联基础设计方程对任意第i釜中关键组分A作物料衡算流入量=流出量+反应量+累积量FA,i-1FA,i(-rA)iVi0整理得：或：恒容系统：对于N釜串联操作的系统，总空时：釜与釜之间不存在返混，所以总的返混程度小于单个全混釜的返混。τ小于单个全混釜达到相同转化率xAN时的空时。各釜之间不存在返混，故总的返混程度小于单个全混釜的返混。解析法计算出口浓度或转化率(1)一级反应第１个釜的出口浓度：第2个釜的出口浓度：依此类推，可求出第n个釜的出口浓度为：若各釜的温度或体积相等，即：则：2)二级反应121212RRAAVVFF121212RRAAVVFF,1,()AiAiAiRiFFrV0,10,(1)(1)()AAiAAiAiRiFxFxrV00,,10()()()AAiAiAAiRiAiAiCxxFxVrr,,100()()AiAiRiiAiAAAiAixxVxFCrr,1,0()AiAiRiiAiCCVr12N0012()()AANANANCxxr.11142iAiAiikCCk以上面方法，可以推出：达到指定转化率反应器总体积随釜数N增加而减少。釜数总成本费用与釜数的关系如右图所示。N＝4，总费用最少。釜数N增加，生产操作的难度和费用也增加。因此串联釜数的最优选择一般不超过4。3.等温、等体积情况的图解计算图解法原理联立并解基础设计式和动力学方程5循环反应器(RecycleReactor)前面已介绍过平推流反应器的主要优点是没有返混，因此，在同样的转化率下反应器体积最小。在工业上却经常把部分产物循环送至反应器入口。此类反应器称为循环反应器，见图。循环反应器的一个重要参数是循环比β，定义为：当β=0时无循环，即为PFR情况。当β=∞时，全部循环，即相当于CSTR的情况。2.5反应器选型与操作方式评选单一反应：没有产物分布问题，设计中只需考虑反应器的大小，即生产能力的大小；复合反应：存在产物的分布，主要考虑产物的收率或选择性。单一反应2.5.1.1简单反应器的大小比较一、简单反应器的设计方程单一不可逆反应：A→P，等温，n＞0，动力学方程为：(1)间歇釜处理物料量为FA0，不计辅助时间(2)平推流反应器(PFR)：3)全混流反应器(CSTR)：(4)多混串联反应器N-CSTR：间歇反应器和平推流反应器的比较1.比较二者的CA~t、xA~t、(-rA)~t曲线，曲线相同，可重叠，说明二者具有相同的特征，不存在返混。2.二者基础设计式具有相同的函数关系，只是间歇釜设计式采用反应时间(t)作为参数，平推流反应器设计式采用空间时间(τ)作为参数。二者积分结果一样。3.二者的操作状态差别很大。平推流反应器操作是稳定流动状态，间歇反应器操作是与外界没有物料交换。,,11()()AAiAiirCC()()AArkfC12循环物料的体积流量离开反应器物料的体积流量0(1)()(1)nnnAAAAnAACxrkCkx000()AxBBAAAAVtdxFCr000()AxPPAAAAVdxFCr000()CCAAAAAVxxFCr1000()NNNiAiiAAAAiVxFCCr4.间歇反应器操作过程还要考虑辅助时间的影响。所以完成相同的生产任务，间歇反应器体积比平推流反应器要大ν0t0。间歇反应器基础设计式平推流反应器基础设计式全混釜与平推流反应器的比较1.浓度、转化率、速率曲线的比较全混釜中返混最大，釜内反应物浓度处于最低浓度操作，相应的转化率和速率也较低。平推流反应器中反应物浓度处于高浓度操作，转化率和速率也较大。结论：达到相同转化率，全混釜体积较大，平推流反应器体积较小。全混釜与平推流反应器设计式的比较全混釜(CSTR)：平推流反应器(PFR)当进料流量FA0、温度T、浓度CA0、转化率xA0相同时，平推流反应器与全混流反应器的体积比为：1不可逆反应，级数n＞0转化率xA较小时，VC/VP→1，平推流反应器的体积与全混釜的体积相差不大。随转化率xA增大，反应物浓度变化增大，达到相同的转化率，VC/VP比值增大；级数n的增大，达到相同的转化率，两种反应器的VC/VP比值增加得更大。级数n相同，转化率相同，随ε的增大，两种反应器的VC/VP比值增加得更大；级数高、转化率高、膨胀率大的反应，应考虑采用PFR。2.对于级数n=0的不可逆反应：反应速率只受温度的影响，与浓度无关，即浓度对反应器体积无影响，VC＝VP。3.当级数n＜0时，情况与1相反。串联N–CSTR与PFR的性能比较等温等容反应时，用N个相同体积的CSTR串联操作所需的反应器总体积VN与完成相同生产任务的PFR体积VP之比R=VN/VP与反应级数有关。一级反应全混釜串联：其中为单釜的空时。多釜串联总空时为：平推流反应器：多釜串联与平推流反应器二者体积比较：各类反应器的体积比较1.级数n＞0VB≥VP≤VN＜VC2.级数n=0，各类反应器具有相同的性能。3.反应级数n＜0，则情况与1(n＞0)相反。00()AxAAAdxtCr0000000()()AxABAAdxVttctr00()AxAPAAdxCr000()AxAPAAdxVcr0000(1)()()(1)nCCAAAAAAnnAAAAAAVxxxxxFCrrkCx00000(1)1()(1)AAnxxPPAAAAnnAAAAAVdxxdxFCrkCx01111AnAAAACCnxPPAAAAxxxVVxdxx01111,11(1)ANNAiNAAiCxCkxk0CiiV1111NNiNANNkx11ln1PAkx111(,)1ln1NANNAPPANxVfxNVx4.若干重要影响因素：（a）转化率：转化率越高，体积差别越大；（b）反应级数：级数越高，体积差别越大；（c）串联级数：级数越多，体积差别越小；（d）膨胀率（因子）：膨胀率越大，则返混影响越大，体积差别也就越大。一.不同大小的全混釜串联根据动力学和转化率大小进行比较一级反应：体积相同的全混釜串联最优n＞0：较小反应器在前n＜0：较大反应器在前二.不同型式简单反应器组合的最优排列速率-浓度曲线单调上升的反应(n＞0)，反应器应串联操作。n＞0，速率-浓度曲线为凹形，组合排列次序应满足反应物浓度尽可能高；n＜0，速率-浓度曲线为凸形，组合排列次序应使反应物浓度尽可能低。如：一个PFR和二个大小不的全混釜组合，n＞0，最优排列是：平推流反应器+小釜+大釜n＜0，最优排列与n＞0情况相反。速率-浓度曲线出现最大或最小值，反应器排列次序由曲线形状决定。研究(-1/rA)~CA曲线形状,确定最优排列。平行反应1.不同型式反应器的产物分布反应器形式不同，产物分布也不同。(1)简单反应器的选择性平推流反应器或间歇反应器间歇反应器和平推流反应器的产物分布是相同的。瞬时选择性产物浓度与瞬时选择性的关系：总选择性与瞬时选择性的关系：全混釜(CSTR)釜内各处浓度相同，总选择性等于瞬时选择性。多釜串联(N-CSTR)各釜的分选择性与总选择性的关系：(2)P的出口浓度对任一型式反应器，产物P的浓度与总选择性的关系：图解法求取CPCP是sPCA曲线下图形的面积或矩形的面积。(3)产物P的最大出口浓度CP是相应于sPCA曲线下图形的面积或矩形的面积。选择其中面积最大者的反应器型式，可得到最大的目的产物收率。sP~CA曲线形状决定最优产物分布的流动模型。①sP~CA曲线向上翘，CPm＜CPP，平推流反应器最优；②sP~CA曲线向下降，CPm＞CPP，全混流反应器最优；③sP~CA曲线有最高点，则用全混流反应器后接平推流反应器的串联最有利。()PPPAArdCsrdC0AACPPACCsdC001AACPPACAASsdCCC00()PPPPPAAACCrSsCCr10121210()()()()AAAANANANPAANsCCsCCsCCSCC00()PPPAANCCSCC设有平行反应动力学方