化学反应工程-连续流动釜式反应器

第三章第三节连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器一--全混流反应器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。一、全混流反应器的特点1.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；2.物料参数不随时间而变化；3.反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化；4.返混＝∞0()0AAAfRNNrV二、全混流反应器计算的基本公式1.反应器体积VR衡算对象：关键组分A衡算基准：整个反应器（VR）稳定状态：[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝00,0,0AAVNC,AAfNCAfX00AX0000(1)()AAAfAfRVCVCxrVfAAfAfAAfARfAAfARrxcrccVVrxcVV)()()()(00000()Afr式中指按出口浓度计算的反应速率。0,0,0AAVNC,AAfNCAfX00AXfAAfARrxcVV)(00全混流反应器在出口条件下操作，当出口浓度较低时，整个反应器处于低反应速率状态。00Ax000'()0'(1)(1)AAAfRAAAAAAfNNrVNNxNNx若,则由物料衡算方程[A流入量]－[A流出量]－[A反应量]＝0上述公式均为普遍式，全混流反应器一般为等温反应器，公式可用于等容过程和非等容过程。000(1):(1)nAAAAAAAANxrkCCVyx式中；由式（1－13）000()()AAfARAfVCxxVr00000(1)(1)()0AAAAfAfRVCxVCxrV表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应结果比较，其中000(324)()()RAAfAAfAfAfVVCxCCrr0RVV2.物料平均停留时间τ对于等容过程，物料平均停留时间为，这是对等容过程而言。00()AAfRAfVCxVr00AAfAfACCxC平推流反应器与全混流反应器的比较补充知识点：空时与空速的概念：空时：进料体积流量反应体积0VVr（因次：时间）,Vo处理能力表明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。rAArVcFVV0001空速：-1:时间因次多级全混釜的串联及优化设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流反应器和全混流反应器的浓度推动力。由图示，显然有，ΔCA平ΔCA全平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于全混流反应器体积。浓度分布------推动力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，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”。设有4级串联全混流反应器，其浓度推动力如图所示。ΔCA多=(CA1－CA*)1+(CA2－CA*)2+(CA3－CA*)3+(CA4－CA*)4显然ΔCA平ΔCA多ΔCA全当级数为∞，则ΔCA平＝ΔCA多一、多级全混流反应器的浓度特征CA0CA*CA4CA3CA2CA1CA0CA4CA3CA2CA1解释说明将一个容积为VR的全混釜以N个容积为VR/N的全混釜来代替，如果两者的起始与终止状态具有相同的温度、浓度，则单釜操作时全部反应过程都维持在最终浓度CAf下进行，反应速度最慢；两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时间或反应器体积就越小。将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反应器。VR1CA1CAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0xAmxAixAi-1xA2xA100100(1)(1)AAiAAiAiRiVCxVCxrV二、多级全混流反应器的计算1.解析计算多级全混流反应器串联操作如上图所示。设：稳定状态，等温，等容。对第i级作A的物料衡算，则有001()AAiAiRiAiVCxxVr01()AiAiRiAiVCCVr或多级全混流反应器的级数一般为2－3级，所以可以按上式从第1级开始逐级计算。根据不同的已知条件计算反应器体积，级数或者最终转化率。0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2.一级不可逆等容单一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01()AiAiRiAiVCCVr11(329)1AiAiiCCk第i级式中111AiAiiCCk1012121211111121.......11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk1011mAmiAiCCk（3－30）将上述诸式相乘0001AAmAmAmAACCCxCC1111mAmiixk（3－31）123...m由等容过程得故当每级体积相等时则可进一步简化1111111mmAmiixkk（3－32）或1/1111mAmkx（3－33）总体积001/111RRimAmmVVmVmVkx（3－34）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（1）图解法基本原理01()AiAiRiAiVCCVr()AiAirkfC1AiAiAiCCr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~AArC图上由等温、等容、各级体积相等情况的图解计算-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM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~AArC1123...m图上标出动力学曲线OMd.过CA1作CA0A1的平行线，与OM曲线交于A2,其横坐标即为CA2。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-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAmOM2)等容、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……。-1/CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3M1M2M3O3)等容、等温但各级体积不同~AArC的各直线斜率不相同，1如图依次作出CA0A1、CA1A2、CA2A3……，求出CA1、CA2、CA3……。如果各级体积不相同，则CA1CA0CArACA2CA3rA=kf(CA)A1A2A3CAm-1/2-1/3-1/1OM三、多级全混流反应器串联的优化在设计反应器时，物料处理量V0、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、……、xAm－1，使VR最小。为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、……xAm－1求偏导数，并令之为零，则有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiVCxxVCxxVVrfx0(1,2,.....1)RAiVimx对于等温等容过程，各级反应器体积为反应器总体积为以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3……xAm－1)。001()AAiAiRiAiVCxxVr1121000102001210...(1)(1)(1)110(1,2,.....1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVVCkCxkCxkCxVxVimxkxx12111(1,2,.....1)(1)1AiAiAiximxx111111AiAiAiAixxxx111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxVxxVxxkxkx1(1,2,.....1)RiRiVVim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。小结：串联釜式反应器进行级反应：单釜优于串联釜，积。串联总体积等于单釜体，各釜体积依次减小。，各釜体积相等。，釜在前，大釜在后。各釜体积依次增大，小，＜001011＜＜＞理想流动反应器的组合与反应器体积比较一、理想流动反应器的组合工业生产中为了满足工艺要求，常常将理想反应器组合起来，构成组合理想流动反应器。各种组合方式如图所示。当反应温度、流量Vo、初始浓度CAo及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。afedcbg当反应温度、流量Vo、初始浓度CAo及各反应器体积VR相同时，进行一级不可逆反应。考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。a．000121/2AAAfRCCCVkkVb.0011200011(1)AAAAAfRRRCCCCCVVVkkkVVV，101kkAfAAeCCeCk000()(2)/2RAfAAVCCexpkCexpkVd.e.010000()111RAkAAAfRRVCexpkCVCeCVVkkkVVc.f.100000()()()(2)RRRAfAAAVVVCCexpkCexpkexpkCexpkVVVg.2100212kAAAACCeCCk2012011[][]2212kAAfAAACCCCCek00,,AAfVCxRRpRMRmVVVV，，，二、理想流动反应器的体积比较1.基本条件等温、等容过程，且相同。间歇反应器体积；平推流反应器体积；全混流反应器体积；多级全混流反应器体积。分别表示：000(34)AfxARAAdxVtCtrVAfA0A00AxRdxVVCr间歇反应器AfA0A00A(313)xRpdxVVCr00()AAfRMAfVCxVr（3-25）RpRVV～RpRVV=RpRMVV～1~AAxr000000000[][]()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVVCVCOABDrxVVCVCOCBDrRMRpVV1）2）作曲线AB转化率越大，两者的差距较大，可采用低转