《第三章釜式及均相管式反应器PPT(精品).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章釜式及均相管式反应器PPT(精品).ppt（124页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第三章第三章 釜式及均相管式反应器釜式及均相管式反应器 本章授课内容本章授课内容第一节 间歇釜式反应器第二节 连续流动均相管式反应器第三节 连续流动釜式反应器第四节 理想流动反应器的组合和比较第五节 多重反应的选择率第六节 半间歇釜式反应器第七节 釜式反应器中进行的多相反应第一节第一节 间歇釜式反应器间歇釜式反应器 釜釜式式或或槽槽式式反反应应器器都都设设置置搅搅拌拌装装置置。釜釜式式反反应应器器大大都都用用于于完完全全互互溶溶的的液液相相或或呈呈两两相相的的液液-液液相相及及液液-固固相相反反应应物物系系在在间间歇歇状状态态下下操操作作，与与化化学学实实验验室室内内装有电动搅拌器的玻璃三口烧
2、瓶极为类似。装有电动搅拌器的玻璃三口烧瓶极为类似。一、一、釜式反应器的特征釜式反应器的特征 间间歇歇操操作作时时，反反应应物物料料按按一一定定配配料料比比一一次次加加入入反反应应器器中中，容容器器的的顶顶部部有有一一可可拆拆卸卸的的顶顶盖盖，以以供供清清洗洗和和维维修修用用。在在容容器器内内部部设设置置搅搅拌拌装装置置，经经过过一一定定的的时时间间，反反应应达达到到规规定定的的转转化化率率后后，停停止止反反应应并并将将物料排出反应器，完成一个生产周期。物料排出反应器，完成一个生产周期。F反反应应器器内内液液相相均均相相和和气气-液液相相反反应应的的物物料料浓浓度度处处处处相相等。等。F反反应应
3、器器内内具具有有足足够够强强的的传传热热条条件件，无无需需考考虑虑反反应应物物料内的热量传递问题。料内的热量传递问题。F反反应应器器内内物物料料同同时时开开始始和和停停止止反反应应，所所有有物物料料具具有有相同的反应时间。相同的反应时间。间间歇歇反反应应器器的的优优点点是是操操作作灵灵活活，适适应应不不同同操操作作条条件件与与不不同同产产品品品品种种，适适用用于于小小批批量量、多多品品种种、反反应应时时间间较较长长的的产产品品生生产产。间间歇歇反反应应器器缺缺点点是是，装装料料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间。卸料等辅助操作要耗费一定的时间。uFlowdirection：(1)搅搅拌器的旋拌器
4、的旋转转(2)桨桨叶形状的不同叶形状的不同切向圆切向圆周运动周运动轴向流动轴向流动径向流动径向流动间歇釜式反应器间歇釜式反应器 径向流径向流轴向流轴向流uEffectsofAgitator：(1)循循环环流流动动(2)高度湍高度湍动动将流体输送到将流体输送到搅拌釜内各处搅拌釜内各处大尺度宏观混合大尺度宏观混合产生旋涡，旋涡产生旋涡，旋涡分裂使流体分散分裂使流体分散小尺度微观混合小尺度微观混合小直经高转速搅拌器小直经高转速搅拌器(1)推进式搅拌器推进式搅拌器(2)涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器大直经低转速搅拌器大直经低转速搅拌器(1)桨式桨式(2)锚式和框式锚式和框式(3)螺带式螺带式1.2.(1)P
5、ropellerAgitator叶叶轮轮直直径径一一般般为为釜釜径径的的0.20.5倍倍,常常用用转转速速为为100500rpm，叶端圆周速度可达，叶端圆周速度可达515m s-1。1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators(a)直叶圆盘叶轮直叶圆盘叶轮(2)Turbineagitator(b)弯叶圆盘叶轮弯叶圆盘叶轮1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators直叶直叶涡轮涡轮叶轮直径为釜径的叶轮直径为釜径的0.20.5倍倍,转速转速10500rpm,叶端圆周速度可
6、达叶端圆周速度可达410m s-1。弯叶弯叶涡轮涡轮折叶涡轮折叶涡轮流速流速粘度粘度流动阻力流动阻力机械能被消耗机械能被消耗湍动程湍动程度下降度下降总体流动范总体流动范围大大缩小围大大缩小大直径低转速搅拌器大直径低转速搅拌器2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators2.MajorDiameterandLowSpeedAgitatorsv桨式搅拌器桨式搅拌器v锚式和框式搅拌器锚式和框式搅拌器v螺带式搅拌器螺带式搅拌器2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators(1)桨式搅拌器桨式搅拌器旋旋转转直直径径为为釜釜径径的的0.350.8倍倍，甚甚至
7、至达达0.9倍倍以以上上。常常用用转速为转速为1100rpm，叶端圆周速度为，叶端圆周速度为15m s-1。(b)斜桨式斜桨式(a)平桨式平桨式2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators(a)平桨平桨(b)斜桨斜桨桨叶可分成桨叶可分成2424、4545或或6060倾角倾角 轴向和径向运动轴向和径向运动切向和径向运动切向和径向运动可用于简单的可用于简单的固液悬浮固液悬浮FeaturesandApplications:单层桨式的缺点：轴向流动范围小单层桨式的缺点：轴向流动范围小2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators桨桨式式搅搅拌拌器器的的
8、径径向向搅搅拌拌范范围围大大，可可用用于于较较高高粘粘度度液液体体的的搅拌。搅拌。釜内液位釜内液位较高时较高时(c)MajorityInclined多斜桨式多斜桨式(2)锚式和框式搅拌器锚式和框式搅拌器(a)锚式锚式(b)框式框式根据釜底的形状制造根据釜底的形状制造旋转直径可达釜径的旋转直径可达釜径的0.90.98倍倍2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators一般在层流状态下操作一般在层流状态下操作缺点：主要使液体产生水平环向流动缺点：主要使液体产生水平环向流动基本不产生轴向流动基本不产生轴向流动优点：搅动范围大，在桨上增加横梁和竖梁，优点：搅动范围大，在桨上增加横
9、梁和竖梁，防止死区的形成防止死区的形成锚式和框式搅拌器常用于中、高粘度液体的搅拌锚式和框式搅拌器常用于中、高粘度液体的搅拌难以保证难以保证轴向混合轴向混合均匀均匀FeaturesandApplications:2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators框框式式搅搅拌拌器器(3)螺带式搅拌器螺带式搅拌器目的：提高轴向混合效果目的：提高轴向混合效果一一般般具具有有12条条螺螺带带，旋旋转转直直径径为为釜釜径径的的0.90.98倍倍。2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators
10、一般在层流状态下操作一般在层流状态下操作液体将沿着螺旋面上升或下降液体将沿着螺旋面上升或下降形成轴向循环流动，形成轴向循环流动，螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合FeaturesandApplications:2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators6.5.2Measuresofimprovingeffects1.打旋现象及其消除打旋现象及其消除危害危害:各层液体之间几乎各层液体之间几乎 不发生轴向混合，不发生轴向混合，当物料为多相体系时，当物料为多相体系时，还会发生分层或分离现象。还会发生分层或分离现象。搅拌效率下降搅拌效率下降
11、打旋现象打旋现象6.5.2Measuresofimprovingeffects(1)装设挡板装设挡板 目的：破坏釜内的圆周运动目的：破坏釜内的圆周运动釜内液面的下凹现象基本消失釜内液面的下凹现象基本消失对轴向和径向流动无影响对轴向和径向流动无影响提高了混合效果提高了混合效果作用：作用：6.5.2Measuresofimprovingeffects低粘度低粘度高等粘度高等粘度中等粘度中等粘度挡板的常见安装方式挡板的常见安装方式(2)偏心安装偏心安装 目的：破坏循环回路的对称性目的：破坏循环回路的对称性6.5.2Measuresofimprovingeffects2.导流筒导流筒 既提高了循环流量
12、和混合效果，既提高了循环流量和混合效果，又有助于消除短路与流动死区。又有助于消除短路与流动死区。6.5.2Measuresofimprovingeffects二、间歇釜式反应器的数学模型二、间歇釜式反应器的数学模型间间歇歇釜釜式式反反应应器器中中物物系系温温度度和和各各组组分分的的浓浓度度均均达达到到均均一一，可可以以对对整整个个反反应应器器进进行行物物料料衡衡算算。若若VR为为反反应应物物料料在在整整个个反反应应器器中中占占有有的的体体积积，间间歇歇操操作作则则物物料料的的流流入入量量及及流流出出量量均均为为零零，此此时时单单一一反反应应关关键键反反应应组组分分A的的物物料衡算式可写成料衡算
13、式可写成整理积分，可得整理积分，可得该该式式是是液液相相单单一一反反应应达达到到一一定定转转化化率率所所需需反反应应时时间间的的数数学模型学模型。若若反反应应过过程程中中等等温温液液相相物物料料的的密密度度变变化化可可以以不不计计，即等容过程，则即等容过程，则 cA0及及cAf为为关关键键反反应应组组分分A初初始始和和所所要要求求的的摩摩尔尔浓浓度度，kmol/m3。只只要要已已知知反反应应动动力力学学方方程程或或反反应应速速率率与与组组分分A浓浓度度cA之之间间的的变变化化规规律律，就就能能计计算算达达到到cAf所所需需反反应应时时间间。最最基本、最直接的方法是数值积分或图解法。基本、最直接
14、的方法是数值积分或图解法。图图3-2等温间液相歇反应过程等温间液相歇反应过程反应时间的图解积分反应时间的图解积分图图3-1等温间歇液相反应等温间歇液相反应过程的参数积分过程的参数积分已知动力学数据已知动力学数据1/(rA)VxA的曲线，然后求取的曲线，然后求取xA0到到xAf之间曲线下的面积即为之间曲线下的面积即为t/cA0。同时也可作出。同时也可作出曲线曲线1/(rA)VcA，然后求取，然后求取cA0到到cAf之间曲线下的面之间曲线下的面积为反应时间。积为反应时间。1.1.等温等容液相单一反应等温等容液相单一反应在在间间歇歇反反应应器器中中，若若进进行行等等容容液液相相单单一一不不可可逆逆反
15、反应应，反反应应物物系系的的体体积积VR不不变变，以以零零级级、一一级级和和二二级级不不可可逆逆反反应的本征速率方程代入应的本征速率方程代入由于等容过程中，由于等容过程中，在在计计算算中中采采用用转转化化率率和和残残余余浓浓度度两两种种形形式式表表示示反反应应要要求求。若若要要求求达达到到规规定定转转化化率率，即即着着眼眼于于反反应应物物料料的的利利用用率率，或或着着眼眼于于减减轻轻反反应应后后的的分分离离任任务务。另另一一种种要要求求是是达达到到规规定定的的残残余余浓浓度度，这这完完全全是是为为了了适适应应后后续续工工序序的的要要求求，如如有害杂质的除去即属此类。有害杂质的除去即属此类。间歇
16、反应器中等温等容液相单一不可逆反应的间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学及积分结果动力学及积分结果 比较不同反应级数的残余浓度和反应时间，可以比较不同反应级数的残余浓度和反应时间，可以发现：发现：零级反应残余浓度随反应时间增加呈直线下零级反应残余浓度随反应时间增加呈直线下降，一直到反应物完全转化为止降，一直到反应物完全转化为止。而。而一级反应和二一级反应和二级反应的残余浓度随反应时间的增加而慢慢地下降级反应的残余浓度随反应时间的增加而慢慢地下降。特别是特别是二级反应，反应后期的残余浓度变化速率非二级反应，反应后期的残余浓度变化速率非常小，这意味着反应的大部分时间花费在反应的末常小，这
17、意味着反应的大部分时间花费在反应的末期。若提高转化率和降低残余浓度，会使所需的反期。若提高转化率和降低残余浓度，会使所需的反应时间大幅度增加应时间大幅度增加。为了保证反应后期动力学的准。为了保证反应后期动力学的准确、可靠，为了要密切注意反应后期的反应机理是确、可靠，为了要密切注意反应后期的反应机理是否发生变化，要重视反应过程后期动力学的研究。否发生变化，要重视反应过程后期动力学的研究。例例3-1（课本（课本79页）页）课后习题课后习题3-1（课本（课本111页）页）对对于于单单一一可可逆逆反反应应，要要考考虑虑化化学学平平衡衡，动动力力学学方方程程及及积积分分式式，其其中中kc及及kc分分别别
18、为为正正反反应应及及逆逆反反应应速速率率常常数数，Kc为为平平衡衡常常数，数，kc/kc=KC。三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化由由间间歇歇反反应应器器的的设设计计方方程程可可得得一一个个极极为为重重要要的的结结论论：反反应应物物达达到到一一定定的的转转化化率率所所需需的的反反应应时时间间，只只取取决决于于过过程程的的反反应应速速率率或或动动力力学学因因素素，与与反反应应器器的的大大小小无无关关；反反应应器器的的大大小小是是由由反反应应物物料料的的处处理理量量决定的。决定的。1.工程放大工程放大 实实验验室室用用的的小小型型反反应应器器要要做做到到等
19、等温温操操作作比比较较容容易易，而而大大型型反反应应器器就就很很难难做做到到；又又如如实实验验室室反反应应器器通通过过搅搅拌拌可可使使反反应应物物料料混混合合均均匀匀，浓浓度度均均一一，而而大大型型反反应应器器要要做做到到这这一一点点就就比比较较困困难难。生生产产规规模模的的间间歇歇反反应应器器的的反反应应效果与实验室反应器相比，总是有些差异。效果与实验室反应器相比，总是有些差异。间间歇歇反反应应器器的的反反应应体体积积根根据据单单位位时时间间的的反反应应物物料料处处理理体体积积Q0及及操操作作周周期期来来决决定定。Q0由由生生产产任任务务确确定定，而而操操作作周周期期由由两两部部分分组组成成
20、：一一是是反反应应时时间间t，由由式式（3-4）求求得得；另另一一是是辅辅助助时时间间t0，其其值值只只能能根根据据实实际际经经验验来来决决定定。由由此此可可得得间间歇歇反反应应器器的的反反应应体体积。积。无无论论间间歇歇釜釜式式反反应应器器中中进进行行液液相相，液液-液液相相或或液液-固固相相反反应应，反反应应体体积积VR要要比比反反应应器器的的实实际际体体积积Vt要要小小，以以保保证证反反应应物物料料上上面面存存有有一一定定的的空空间间，VR与与Vt之之比比为为填填充充系系数数f，其其值值根根据据反反应应物物料料的的性性质质而而定定，一一般般为为0.40.85。间间歇歇釜釜式式反反应应器器
21、中中未未装装填填液液体体物物料料的的空空间间为为液液体体物物料料的的蒸蒸汽汽所所占占据据，即即液液体体混混合合物物中中各各有有关关组组分分的的蒸蒸汽汽之之和和所所确确定定，物物料料的的反反应应温温度度越越高高，则则蒸蒸汽汽压压越越大大，反反应应器器应应承承受受的的总总压压越越高高，所所采采用用的的耐耐压压等等级级也也越越高高。釜釜式式反反应应器器必必须须在在密密闭闭条条件下操作。件下操作。2.反应时间的优化反应时间的优化间间歇歇反反应应器器每每批批物物料料的的操操作作时时间间包包括括反反应应时时间间和和辅辅助助时时间间，对对于于一一定定的的化化学学反反应应和和反反应应器器，辅辅助助时时间间是是
22、一一定定值值。随随着着反反应应操操作作时时间间延延长长，无无疑疑会会使使产产品品的的产产量量增增多多，但但按按单单位位操操作作时时间间计计算算的的产产品品产产量量并并不不增增加加。因因此此，以以单单位位操操作作时时间间的的产产品品产产量量为为目目标标函函数数，就就必必然然存存在在一一个个最最优优反反应应时时间间，此此时时该该函数值最大。函数值最大。对对于于反反应应，若若要要求求产产物物R的的浓浓度度为为cR，则单位操作时间的产品产量则单位操作时间的产品产量PR为为对反应时间求导，对反应时间求导，并可由并可由，得，得3.配料比配料比对反应对反应，如动力学方程为，如动力学方程为在在工工业业上上，为
23、为了了使使价价格格较较高高的的或或在在后后续续工工序序中中较较难难分分离离的的组组分分A的的残残余余浓浓度度尽尽可可能能低低，也也为为了了缩缩短短反反应应时时间间，常常采采用用反反应应物物B过过量量的的操操作作方方法法。定定义义配配料料比比，于于是是，等等容容液液相相反反应应过过程程中中组组分分的的浓度浓度代入动力学方程代入动力学方程 积分可得积分可得或写成或写成当当要要求求A的的转转化化率率较较高高时时，配配料料比比的的影影响响更更加加明明显显，提提高高配配料料比比可可缩缩短短反反应应时时间间，而而需需付付出出的的代代价价是是：（1）降降低低反反应应器器的的容容积积利利用用率率；（2）增增加
24、加组分组分B的回收费用的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。，所以这也是一个需优化的参数。当当配配料料比比大大到到在在反反应应中中的的消消耗耗可可以以忽忽略略时时，上上述动力学方程可写为述动力学方程可写为。此此时时，该该二二级级反反应应可可视视同同一一级级反反应应。即即使使不不是是很很大大，在在反反应应末末期期也也可可能能发发生生这这种种反反应应级级数数的的转转变变。例例如如：当当cA0=1，cB0=1.3时时，在在反反应应初初期期，A和和B浓浓度度接接近近，表表现现出出二二级级反反应应的的特特征征；而而当当的的转转化化率率为为0.9时时，cA0=0.1，cB0=0.4此此时时配配料料比比为
25、为4，组组分分B过过量量甚多，其动力学特征接近一级反应。甚多，其动力学特征接近一级反应。4.反应温度反应温度对对于于间间歇歇釜釜式式反反应应器器，可可以以在在反反应应时时间间的的不不同同阶阶段段，反反应应物物系系处处于于不不同同组组成成时时，调调整整反反应应温温度度。一一般般说说来来，高高转转化化率率时时，反反应应物物浓浓度度减减少少，反反应应速速率率随随之之减减少少，可可以以适适当当调调高高反反应应温温度度，以以促促使使反反应应速率常数增大而增加反应速率速率常数增大而增加反应速率。但但应应注注意意，对对于于液液相相反反应应，液液相相组组分分的的性性质质随随温度而变，例如：温度而变，例如：反反
26、应应温温度度提提高高，液液相相组组分分的的蒸蒸汽汽压压很很快快上上升升，甚甚至至某一组分会达到沸点；某一组分会达到沸点；反应温度增大，可能使某些反应组分的腐蚀性加强；反应温度增大，可能使某些反应组分的腐蚀性加强；对对于于多多重重反反应应，反反应应温温度度增增高高，会会使使某某些些副副反反应应加加剧。剧。第二节第二节 连续流动均相管式反应器连续流动均相管式反应器在在连连续续管管式式反反应应器器中中，在在流流速速较较大大的的湍湍流流状状态态时时，虽虽然然径径向向速速度度分分布布较较均均匀匀，但但在在边边界界层层中中速速度度仍仍然然因因壁壁面面的的阻阻滞滞而而减减慢慢，使使径径向向和和轴轴向向都都还
27、还存存在在一一定定程程度度的的混混合合，人人们们设设想想了了一一种种理理想想流流动动，即即认认为为物物料料在在反反应应器器内内具具有有严严格格均均匀匀的的径径向向速速度度分分布布，物物料料像像活活塞塞一一样样向向前前流流动动，反反应应器器内内没没有有返返混混。这这种种流流动动称称为为平平推推流流，亦亦称称活活塞塞流流，当当管管式式反反应应器器的的管管长长远远大大于于管管径径且且物物系系处处于于湍湍流流状状态态时时接接近近于于平平推推流流动，习惯用流流动，习惯用PFR，即，即PlugFlowReactor来表示。来表示。一、均相管式反应器的特征一、均相管式反应器的特征平推流反应器具有以下特点：平
28、推流反应器具有以下特点：在在连连续续定定态态条条件件下下操操作作时时，反反应应器器的的径径向向截截面面上上物物料料的的各各种种参参数数，如如浓浓度度、温温度度等等只只随随物物料料流流动动方方向向变化，不随时间而变化；变化，不随时间而变化；由由于于径径向向具具有有均均匀匀的的流流速速，也也就就是是在在径径向向不不存存在在浓浓度分布，反应速率随空间位置的变化只限于轴向；度分布，反应速率随空间位置的变化只限于轴向；由由于于径径向向速速度度均均匀匀，反反应应物物料料在在反反应应器器内内具具有有相相同同的停留时间。的停留时间。如如果果反反应应物物系系是是液液相相，在在等等温温反反应应过过程程中中，无无论
29、论摩摩尔尔流流量量有有无无变变化化，物物系系的的密密度度均均可可视视为为不不变变，即即等等容容过过程程，定定态态下下平平均均停停留留时时间间tm可可用用反反应应器器体体积积VR与与液液相相物物系系进进口口体体积积流流量量V0之之比比来来确确定定，即即tm=VR/V0。如如果果反反应应物物系系是是气气相相，例例如如低低碳碳烃烃热热裂裂解解反反应应，由由于于变变温温和和摩摩尔尔流流量量不不断断增增加加，即即变变容容过过程程，物物系系的的体体积积流流量量沿沿反反应应器器轴轴向向长长度度而而变变，定定态态下平均平均停留时间不能用下平均平均停留时间不能用VR/V0来计算。来计算。二、平推流均相管式反应器
30、的数学模型二、平推流均相管式反应器的数学模型根根据据平平推推流流反反应应器器的的特特点点，应应取取反反应应器器内内一一微微元元体体积积dVR进进行行物物料料衡衡算算。在在微微元元体体积积内内反反应应物物料料的浓度、温度均匀一致。的浓度、温度均匀一致。微元中单一反应物料衡算如下微元中单一反应物料衡算如下当当VR=0时时，xA=0，则则达达到到一一定定转转化化率率xAf所所需需的的反应体积为反应体积为1.等温平推流均相反应器等温平推流均相反应器进行积分时，需知道进行积分时，需知道(rA)V与与xA的函数关系。的函数关系。为此，要为此，要注意两点注意两点：C反反应应是是等等温温还还是是变变温温，等等
31、温温时时反反应应速速率率常常数数为为常常数数，变变温温反反应应时时要要结结合合热热量量衡衡算算式式建建立立k与与xA的的关关系；系；C如如化化学学计计量量式式中中，对对于于气气相相反反应应，过过程程中中气气体体混混合合物物的的摩摩尔尔流流量量和和体体积积流流量量不不断断地地变变化化，需建立反应物系体积流量需建立反应物系体积流量xA的关系。的关系。如如平平推推流流反反应应器器内内进进行行等等温温等等容容过过程程，其其平平均均停留时间停留时间tm为为将将上上式式与与间间歇歇反反应应器器中中反反应应时时间间的的积积分分式式相相比比，表表明明两两者者结结果果完完全全相相同同，也也即即间间歇歇反反应应器
32、器中中的的结结论论完全适用于平推流反应器完全适用于平推流反应器。对对于于等等容容液液相相过过程程，以以反反应应物物浓浓度度cA与与转转化化率率xf的关系的关系代入上式，可得代入上式，可得 本本书书第第一一章章将将空空间间速速度度的的倒倒数数定定义义为为标标准准接接触触时时间间0，0即即反反应应体体积积VR与与STP状状况况下下初初态态反反应应混混合合物物体体积积流流量量VS0之之比比。当当反反应应器器中中有有填填充充物物，如如气气-固固相相固固定定床床催催化化反反应应器器，以以含含有有填填充充物物间间的的空空隙隙在在内内的的反反应应床床层层体体积积计计算算VR。VR与与进进口口状状态态下下初初
33、态态反反应应混混合合物物流流量量V0之之比比，称称为为接接触触时时间间。教教材材中中表表3-4中中tm与与0或或是是有有区区别别的的。tm只只适适用用于于等等温温等等容容反反应应，而而0或或通通用用于于变变温温变变容容反反应应，因因为为0或或按按初初态态流流量量VS0或或V计算，计算，VS0或或V0在反应器中是一个不变值。在反应器中是一个不变值。第三节第三节 连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器连连续续流流动动釜釜式式反反应应器器在在强强烈烈搅搅拌拌情情况况下下可可视视为为全全混混流流反反应应器器，反反应应物物料料连连续续地地加加入入和和流流出出反反应应器器，不不存存在在间间歇歇操操作作中中的
34、的辅辅助助时时间间问问题题。在在定定态态操操作作中中，容容易易实实现现自自动动控控制制，操操作作简简单单，节节省省人人力力，产产品品质质量稳定，可用于产量大的产品生产过程。量稳定，可用于产量大的产品生产过程。一、一、连续流动釜式反应器的特征及数学模型连续流动釜式反应器的特征及数学模型 由由于于强强烈烈搅搅拌拌，反反应应器器内内物物料料达达到到全全釜釜均均匀匀的的浓浓度度和和温温度度。这这种种连连续续流流动动反反应应器器的的流流动动状状况况称称为为全混流反应器全混流反应器，常用，常用CSTR表示。表示。这这种种全全混混流流也也是是一一种种理理想想化化的的假假设设，实实际际工工业业生生产产中中广广
35、泛泛使使用用连连续续搅搅拌拌釜釜式式反反应应器器进进行行液液相相反反应应，只要达到足够的搅拌强度，其流型很接近于全混流。只要达到足够的搅拌强度，其流型很接近于全混流。根根据据全全混混流流的的定定义义，进进入入反反应应器器的的反反应应物物料料与与存存留留于于反反应应器器中中的的物物料料达达到到瞬瞬间间混混合合，而而且且在在反反应应器出口处即将要流出的物料也与釜内物料浓度相等器出口处即将要流出的物料也与釜内物料浓度相等。全全混混流流反反应应器器的的特特点点是是反反应应器器中中反反应应物物料料的的浓浓度度处处于于出出口口状状态态的的低低浓浓度度，而而反反应应产产物物浓浓度度则则处处于于出出口口状状态
36、态的的高高浓浓度度。全全混混流流反反应应器器的的反反应应速速率率由由釜釜内的浓度和温度所决定。内的浓度和温度所决定。根根据据全全混混流流反反应应器器的的特特征征，可可对对整整个个反反应应器器作作物物料料衡衡算算。定定态态下下，反反应应器器内内反反应应物物料料的的累累积积量量为为零零，V0和和cA0分分别别为为液液相相物物料料进进口口流流量量和和反反应应组组分分A的的浓浓度度，反反应应物物料料充充满满整整个个反反应器，其体积为应器，其体积为VR。对关键反应组分对关键反应组分A作物料衡算作物料衡算化简得化简得式式中中(rA)f表表示示按按出出口口浓浓度度计计算算的的反反应应速速率率。当当反反应应器
37、器进进口口物料中已含反应产物，即物料中已含反应产物，即 如如果果已已知知反反应应速速率率rA与与反反应应物物浓浓度度cA（或或转转化化率率xA）的的动动力力学学关关系系，可可以以标标绘绘成成1/rAcA的的曲曲线线；全全混混流流反反应应器器中中进进行行反反应应的的接接触触时时间间为为图图中中的的矩矩形形面面积积，而而相相同同条条件件等等温温平平推推流流反反应应器器所所需需接接触触时时间间为为1/rAcA曲线下面的面积曲线下面的面积，明显低于全混流反应器明显低于全混流反应器。图图3-3全混流反应器全混流反应器的图解法的图解法全混流全混流平推流平推流 例例3-4生生化化工工程程中中酶酶反反应应AR
38、为为自自催催化化液液相相反反应应，反反应应速速率率式式rA=kcAcB，产产物物R是是过过程程的的催催化化剂剂，因因此此进进口口原原料料种种含含有有产产物物R，某某温温度度下下k=1.512m3/(kmolmin)，采采用用的的原原料料中中含含A0.99kmol/m3，含含R0.01kmol/m3，原原料料的的进进料料量量为为10m3/h，要求要求A的最终浓度降到的最终浓度降到0.01kmol/m3，求，求:(l)反应速率达到最大时，反应速率达到最大时，A的浓度为多少的浓度为多少?(2)采用全混流反应器时，反应器体积是多大采用全混流反应器时，反应器体积是多大?(3)采用平推流反应器时，反应器体
39、积是多大采用平推流反应器时，反应器体积是多大?(4)为为使使反反应应器器体体积积为为最最小小，将将全全混混流流和和平平推推流流反反应应器器组组合合使使用，组合方式如何？其最小体积为多少用，组合方式如何？其最小体积为多少?解：(l)要使反应速率最大，则即化简得(2)在全混流反应器中(3)在平推流反应器中在平推流反应器中由由cA0到到cAm和由和由cAm到到cAf是对称的，因此是对称的，因此(4)反应器的组合形式及最小体积。反应器的组合形式及最小体积。要要使使反反应应器器体体积积最最小小，从从cA0到到cAm应应该该用用全全混混流流反反应应器器，而后从而后从cAm到到cAf串联一个平推流反应器。串
40、联一个平推流反应器。全混流反应器体积为全混流反应器体积为平推流反应器体积为平推流反应器体积为所以最小总体积所以最小总体积二、多级全混釜的串联及优化图图3-4多级串联全混流反应器的推动力多级串联全混流反应器的推动力1.多级全混釜的浓度特征多级全混釜的浓度特征 平平推推流流反反应应器器是是无无返返混混的的反反应应器器，全全混混流流反反应应器是返混最大的反应器器是返混最大的反应器。从从反反应应过过程程的的推推动动力力来来比比较较，平平推推流流反反应应器器的的反反应应推推动动力力比比全全混混流流反反应应器器的的反反应应推推动动力力大大得得多多，平平推推流流反反应应器器的的反反应应速速率率沿沿物物料料流
41、流动动方方向向有有一一个个由由高高到到低低的的变变化化过过程程，全全混混流流反反应应器器的的反反应应速速率率始始终终处处于于出出口口反反应应物物料料低低浓浓度度的的低低速速率率状状态态。为为此此，为为了了降降低低返返混混影影响响的的程程度度，提提高高全全混混流流反反应应过过程程的的推推动力，常采用多级全混流反应器串联的措施动力，常采用多级全混流反应器串联的措施。一一个个体体积积为为VR的的全全混混流流反反应应器器改改用用m个个体体积积为为VR/m的的全全混混流流反反应应器器串串联联来来代代替替，若若两两者者的的初初始始浓浓度度和和最最终终浓浓度度相相等等，则则后后者者的的平平均均推推动动力力大
42、大于于前前者者。当当只只用用一一个个全全混混流流反反应应器器时时，整整个个反反应应器器中中反反应应物物浓浓度度均均为为cAf，反反应应过过程程的的平平均均推推动动力力比比例例于于浓度浓度cAf与平衡浓度与平衡浓度之间的矩形面积之间的矩形面积；若若采采用用多多级级串串联联，各各级级全全混混流流反反应应器器中中的的浓浓度度分分别别是是cA1、cA2、cA3、cAf，除除最最后后一一级级外外，其其余余各各级级都都在在高高于于单单级级操操作作时时的的浓浓度度下下进进行行，因因此此平平均均推推动动力力提提高高。级级数数越越多多，过过程程就就越越接接近近平平推推流流反反应应器器。从从图图还还可可看看出出，
43、对对多多级级全全混混釜釜，每每一一级级内内浓浓度度是是均均匀匀的的，等等于于该该级级的的出出口口浓浓度度，而而各各级级之之间间浓浓度度是是不不同的。同的。2.多级全混釜串联的计算多级全混釜串联的计算解解析析计计算算多多级级全全混混釜釜的的串串联联操操作作如如图图3-5所所示示。设设各各釜釜都都在在定定态态的的同同一一等等温温条条件件下下操操作作，反反应应过过程程中中物物料料的的体体积积不不发发生生变变化化，以以VR1、VR2、VRm；cA1、cA2、cAm及及xA1、xA2、xAm分分别别表表示示各各釜的反应体积、反应物釜的反应体积、反应物A的浓度及转化率的浓度及转化率图图3-4多级串联全混流
44、反应器示意图多级串联全混流反应器示意图xA1xA2xAi-1xAixAm 式式中中(rA)i表表示示按按第第i级级出出口口组组分分A的的浓浓度度计计算算的的反反应应速速率率。只只要要反反应应的的动动力力学学关关系系已已知知，利利用用上上式式可可以以计计算算各各釜釜的的反反应应体体积积。对对于于一一定定的的原原料料、给给定定各各釜釜的的反反应应体体积积和和规规定定的的最最终终转转化化率率，可可确确定定各各釜釜的出口转化率和反应器的个数。的出口转化率和反应器的个数。任一釜任一釜i中的关键组分中的关键组分A的反应速率可表示为的反应速率可表示为或 对对于于一一级级不不可可逆逆等等容容单单一一反反应应，
45、由由物物料料衡衡算算可可以以直直接接建建立立级级数数和和最最终终转转化化率率的的关关系系式式，而而不不必必逐逐釜釜计计算算，就就可可求求出出反反应应器器的的串串联联个个数数和和反反应应体体积积。根据根据接触时间的定义接触时间的定义，而而，则：，则：即即 设设1、2、m分分别别为为第第l、2、m级级的的接触时间，对各釜可分别写出接触时间，对各釜可分别写出，,将以上各式相乘，得将以上各式相乘，得由于最终转化率由于最终转化率，故，故 当串联级数（当串联级数（m）及各级反应体积（）及各级反应体积（）已定时，由上式可直接求出所能达到的最终转化率。已定时，由上式可直接求出所能达到的最终转化率。当各级反应体
46、积已定时，也可求出达到最终反应率当各级反应体积已定时，也可求出达到最终反应率所需的级数。所需的级数。工业生产上，多级全混釜串联时，常采用相等工业生产上，多级全混釜串联时，常采用相等的各级体积，以便设备制造。此时的各级体积，以便设备制造。此时1=2=m=，上式便成为，上式便成为或或 反应釜级数越多，最终转化率越高；处理量一定时，反应釜体积反应釜级数越多，最终转化率越高；处理量一定时，反应釜体积越大，最终转化率也越高。越大，最终转化率也越高。反应系统的总体积反应系统的总体积图图解解计计算算对对于于非非一一级级反反应应，采采用用解解析析法法计计算算各各级级浓浓度度是是比比较较麻麻烦烦的的，当当已已知
47、知反反应应速速率率和和初初浓浓度度时时，可用图解法。可用图解法。在在rAcA图上为一直线，图上为一直线，其斜率为其斜率为两线交点的横坐标两线交点的横坐标就是所求的就是所求的cAi值值 F由由于于各各级级全全混混釜釜i相相等等，从从cA1作作cA0A1的的平平行行线线cA1A2，与与OM曲曲线线交交于于A2点点，A2点点的的横横坐坐标标cA2为为第第二二级级的的出出口口浓浓度度。如如此此下下去去，当当最最终终浓浓度度等等于于或或略略超超过过规规定定出出口口浓浓度度时时，所所作作平平行行线线的的根根数数就就是是反反应应器器的的级级数。数。若各级全混釜的温度相等，体积也相同，作图法若各级全混釜的温度
48、相等，体积也相同，作图法求解的步骤如下。求解的步骤如下。F在在rAcA图上标出动力学曲线，如图中的图上标出动力学曲线，如图中的OM曲线曲线F以初始浓度以初始浓度cA0为起点，从为起点，从cA0作斜率为作斜率为的直线与的直线与OM线交线交于于Al，其横座标，其横座标cA1就是第一级出口浓度。就是第一级出口浓度。如如果果各各级级的的反反应应温温度度不不相相同同，需需作作出出不不同同温温度度下下的的动动力力学学曲曲线线，按按上上法法求求出出物物料料衡衡算算线线与与动动力力学学曲曲线线的的交交点点，即即各各级级的的出出口口浓浓度度。如如果果各各级级体体积积不不相相同同，各各条条直直线线的的斜斜率率就就
49、不不相相等等，各各组组物物料料衡衡算算线线不不平平行行，用用上上述述方方法法仍仍可可求求出出各各釜釜的出口浓度。的出口浓度。3.多级全混釜串联的优化多级全混釜串联的优化 一一般般说说来来，物物料料处处理理量量、进进料料组组成成及及最最终终转转化化率率是是设设计计反反应应器器前前根根据据工工业业生生产产的的工工艺艺而而规规定定的的，当当级级数数也也确确定定后后，希希望望合合理理分分配配各各级级转转化化率率，使使所所需需反反应应总总体体积积最最小小。这这就是各级转化率的最佳分配问题。就是各级转化率的最佳分配问题。现现讨讨论论一一级级不不可可逆逆等等容容单单一一反反应应的的情情况况，m个个全全混混釜
50、釜，各各级级温温度度相相同同，由由式式(3-32)可可计计算算所所需需的的反应总体积反应总体积为为使使VR最最小小，可可将将上上式式分分别别对对xA1、xA2、xAm-1求偏导数，则求偏导数，则(i=1，2，m-1)使使VR最小必须满足最小必须满足，即即 (i=1，2，m-1)化简得化简得 对对一一级级不不可可逆逆等等容容单单一一反反应应，各各级级反反应应釜釜的的温温度度均均相相同同，采采用用多多级级全全混混釜釜串串联联时时，要要保保证证总总的的反反应应体体积积最最小小，必必需需的的条条件件是是各各釜釜的的反反应应体体积积相相等等。对对于于其其他他级级数数的的反反应应，可可仿仿照照上上述述办办