第二章理想流动反应器教案.doc

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1、第二章 理想流动反应器研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。根据流体流动质点的返混情况理想流动模型 非理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程而言的。间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间而变，无空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图示） 停留时间不同：全混反应器 （图示）一、 理想流动模型1、平推流模型 活塞流或理想置换模型特点：沿物流方向，反应混合物T、C不断变化，而垂直于物流方向的任一截面（称径向平面）上物料的所有参数，如：C、T

2、、P、U等均相同。总而言之，在定态情况下，沿流动方向上物料质点不存在返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。实例：长径比很大，流速较高的管式反应器。2、全混流模型 理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，而且等于物料在反应器出口处的性质。实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。关于物料质点停留时间的描述： 年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间。 寿命：指反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。寿命可看作时反应器出口物料质点的年龄。关于返混：返混：又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即

3、“逆向”为时间上得逆向，而非一般的搅拌混合。如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，而只是统一时间进入反应器的物料之间的混合。平推流反应器不产生返混，而全混流反应器中为完全返混，返混程度最大。关于实际反应器的返混。介于平推流和全混流反应器之间。关于各种反应器的推动力：CA等温下：CA 、CAf 、C A *(a) 间歇反应器 CA随时间变化 (b) 平推流反应器 CA随时间变化 (c) 全混流反应器 CA随时间变化 CACACAfCA反应时间CAoCA*CAfCAf轴向长度CAoCA*CAf轴向长度CAoCA*CACA非理想流动反应器，其反应推动力介于平推流和全混流之间。二、 非理想

4、流动模型1、 偏离平推流反应器的几种情况：漩涡运动，径向流速分布不均匀，沟流或短路，死角。2、 偏离全混流反应器的几种情况：死角、短路、再循环3、 返混情况对化学反应影响主要是由于物料质点的停留时间不同所造成。2.2 理想流动反应器 ideal flow reactor2.2.1间歇反应器 batch reactor一、 间歇反应器得特征反应物A反应物B一定配比辅助：加热（或冷却）测量T、P、加料口等间歇反应器搅拌生产周期：反应时间清洗、拆卸、安装等辅助时间。特点： 剧烈的搅拌，混合完全均匀，无浓度梯度存在；反应器有足够的传热条件，反应器内无温度梯度； 物料同时加入，并同时停止反应，所有物料具

5、有相同的反应时间。应用：由于操作灵活，但生产能力小，常用于精细化与生物化工产品的生产。二、间歇反应器性能的数学描述 物料衡算式： 对等容过程： 对液相反应，反应前后液体体积变化不大，可看作等容过程，反应时间t，辅助时间t，生产能力为V（单位时间所处理的物料量），则反应器体积 VRV（tt，）辅助时间t，容易确定，对反应时间t的时间须事先知道动力学数据关系曲线（或数学表达式）。对等容过程，也可依据关系曲线（或数学表达式）求取t：1/t/CA0t1/CAfCA0CAXA0XAfX三、 间歇反应器中的单一反应单一反应的动力学方程式常可以下式表示： 反应级数不同，反应时间t的积分式形式不同，各级反应的

6、反应时间分别为：（等容过程）反应级数 反映速率 残余浓度式 转化率式 n0 n1 n2 n级n1 讨论：通过反应时间t与初始浓度的关系可判断反应级数例：以醋酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为100，每批进料1Kmol的A和4.96Kmol的B，已知反映速率VA1.045 Kmol/(m3h)，试求醋酸转化比率分别为0.5、0.9、0.99所需的反应时间，已知醋酸与正丁醇的密度分别为96Kg/m3和740Kg/m3。解： CH3COOH （A） +C4G9OH （B） CH3COOC4H9 （C） + H2O（D） 对每KmolA而言，投料情况是： 醋 酸（A）

7、1Kmol 60Kg 正丁醇（B） 4.96 Kmol 386 Kg 该反应为液相反应，反映过程中体积不变，且每次投料体积V=0.559m3代入得 2.2.2平推流反应器 plug flow reactor一、 平推流反应器的特点1. 反应器各截面上物料参数只随流向变化，不随时间变化。2. 无径向浓度梯度，只须考虑轴向的变化。3. 无返混，各质点停留时间相同。二、 平推流反应器计算的基本公式已知：初始条件 V0 CAO XAO=0 出口：XAf (CAf) 求：。VOCAO(1-XA)=VOCAO(1-XA-dXA)+AdVR简化： VOCAO dXAAdVR 或 讨论：在形式上与间歇反应器一

8、致，故间歇反应器的结论适用于平推流反应器；须知的关系，等温等容条件与间歇反应器一致。下边分两种情况进行讨论：1、 反应过程为变分子反应通常以化学膨胀因子来描述反应过程中分子数的变化：若反应过程中有惰性物质I，初始状态为 则 反应过程中 不变，可令 称为膨胀率。可见，变分子反应的转化率给定时，还与相关。依然可由积出。此时与关系更复杂，下边以一级不可逆反应为例说明：微分得 对一级反应 或 大家可下去推导n级反应的情形 2、 变温过程物料衡算 热量衡算 联立求解得：达到一定转化率所需的反应体积。讨论：1对等温反应，热量衡算简化为： 可求出平推流反应器所需的传热面积。2对绝热反应，传热项为零令 ， 则

9、称之为绝热温升，其意义时在绝热条件下，组分A完全反应时反应物系的温度升高的数值，若，则这样就把绝热条件下每一瞬间的反应温度T与转化率联系起来。2.2.3 全混流反应器 CSTR continuous stirring flow Tank reactor一、 全混流反应器的特点前面已经给大家介绍过全混流模型的反应器特点，这里再回顾一下。根据全混流的定义，由于强烈搅拌作用而时釜内反应物料的浓度和温度处处相等，同时，时进入反应器的反应物料在瞬间与存留于反应器的物料达到瞬间完全混合，且反应器出口处即将流出的物料也与釜内的物料浓度相等。相对平推流反应器而言，全混流反应器内的反应浓度与出口浓度相等，故在转

10、化率相同的情况下，反应物的浓度低于平推流反应器，而产物浓度则高于平推流反应器。二、 全混流反应器计算的基本公式对整个反应器作物料衡算较方便，定态条件下，反应器内反应物料的累积量为零，对组分A作物料衡算 或 表示安出口浓度计算的反应速率。若反应器进口物料中已含反应产物，且可用来表示其转化率，则 和平推流反应器停留时间的比较图形平推流：曲线下的面积全混流：矩形面积公式：反应级数平 全零级 同左一级 二级 2.2.4多级全混流反应器的串联及优化一、 多级全混流反应器的浓度特征全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物浓度的低速率状态，采用多级全混流反应器串联后，可以降低返混影响的程度，提高反应速率或减

11、少反应器体积。CA0CA1CA2CAfCAfCA3CA2CA0CA1多级全混流反应器串联级数越多，过程就越接近平推流反应器，那么，是不是级数越多越好呢？下边加以说明：二、 多级全混流反应器串联的计算解决这一问题有两种方法：解析计算、图解计算1 解析计算设各釜都在定态的等温条件下操作，反应过程中物料体积不发生变化，对任一釜之中的组分A进行物料衡算则 或 以一级反应为例，由 ，即定时 即 . . . 最终转化率 若 则工业生产常与此相符，将各级釜做成等体积的，便于制造安装。上式可求出值。或 可见，已知和最终转化率，可求出每级反应釜体积。 2 图解计算对非一级反应，图解计算更方便 以为纵坐标，CA为

12、横坐标作图，每一级均为直线关系，直线斜率为，并经过点。又该级的出口浓度亦满足动力学方程式，若各级反应釜动力学方程相同，反映到图上就是同一曲线，由此曲线和上述直线即可确定出口浓度CA3CA2CA1CA0A3A2A1各级反应釜体积相等时，即相同，各级直线平行。若各级反应釜内温度不相同，则需按级给出各级反应釜内的动力学曲线。三、 多级全混流反应器串联的优化反应器的设计中常碰到类似这样的问题，物料处理量V0，进料组成CA0及最终转化率XAm均提前确定。反应级数因受生产条件限制亦确定。如何分配各级反应器的转化率才合理呢？通常以总体积为目标函数来求解此类问题即使反应总体积为最小来确定各级反应釜的转化率。下

13、边以一级不可逆反应为例进行说明：为使VR最小，对VR求偏导数得： 令 则即即 可见，对一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联时，若各釜反应条件相同（等温、等容），则要使总的反应体积最小，必需的条件使各釜的反应体积相等。2.2.5理想流动反应器的组合一、 理想流动反应器的组合为了说明反应器组合的情况，下面以一级不可逆反应为例，探讨平推流反应器与全混流反应器按不同方式进行组合的情形。 (d)(a)(b)(c)(e)(f)(g)两反应器温度相同，进料流量V0，反应物浓度CA0，且各反应器体积VR均相同。(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) 可见（c）与（d）等效，（e）与（f）等

14、效反应物出口浓度，(f)=(e)(d)=(c)(b)E2，T，S，温度增高有利于选择率增大。若E1n2，S随CA的升高而增大。若n1n2， A、B同时加入的间歇式操作 m1m2， CA、CB都高 A、B同时加入的平推式操作 多段全混流反应器，A、B同时加入第一级 n1n2， A、B缓慢滴加的间歇式单个全混流 m1n2， A一次加入，B缓慢滴加的间歇式平推流 m1E2，T，S，温度增高有利于S温度效应同于平行反应 若E1E2，相反 浓度效应：改变反应物的初始浓度和转化率。主反应级数高时，增加初始浓度有利于提高选择率,副反应级数高时，降低初始浓度有利于提高选择率，转化率XA,CA,CL/CA,S,

15、Y3有极值。连串反应不能盲目地追求高转化率，而是通过循环流程回收原料以提高原料利用率。3、 连串反应的最佳反应时间与最大收率主产物收率连串反应的收率有极大值XAf,S得 此时刻CL取最大值，即Y最大，记作最佳反应时间t0pt时， 同样 t0pt 对全混流反应器，一级不可逆连串反应 由可得此时 时， 讨论：1、对一级不可逆连串反应，不论是间歇反应器或平推反应器，还是全混流反应器，主产物最大收率与反应物初始浓度无关，只与k2/k1有关。 2、若以S-XA作图在XA，k2/k1相同时，间歇操作或平推流操作时，主产物的选择率S比全混流操作为高。在k1/k21时，即使转化率较高，也可得到较高的选择率。例： P107、4 P111、5