1、ECRE第二章 理想流动反应器理想流动反应理想流动反应器器0404组合比较组合比较ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器2.5 理想流动反应器的组合与反应器体积比较理想流动反应器的组合与反应器体积比较2.5.1 理想流动反应器的组合理想流动反应器的组合 工业生产过程中为了满足一定的需要经常将工业生产过程中为了满足一定的需要经常将平推流平推流反应器和反应器和全混流全混流反应器按一定方式进行反应器按一定方式进行组合。下面讨论组合。下面讨论等温、恒容过程等温、恒容过程两个两个体积相同体积相同的理想反应器的理想反应器并联或串联并联或串联组合进行组合进行一级不可逆一级不可逆反应反应
2、的几种情况。的几种情况。 各种组合方式如图所示。各种组合方式如图所示。ECRE第二章 理想流动反应器afedcbgECRE第二章 理想流动反应器设进料流量为设进料流量为V0，反应物初始浓度为，反应物初始浓度为cA0，各反，各反应器体积均为应器体积均为VR。 考察各种组合反应器所能达考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。到的出口浓度。反应速率：反应速率：rA=kcA(一级不可逆单反应）一级不可逆单反应）停留时间：停留时间：=VR/V0MFR：PFR：A0Afcc1kkAfA0cc eECRE第二章 理想流动反应器（a）两全混流反应器并联）两全混流反应器并联流入每个反应器的流量为流入每个反应器的流
3、量为V0/2，每个反应器的出，每个反应器的出口浓度口浓度相等且等于混合出口浓度相等且等于混合出口浓度。 （b）两全混流反应器串联）两全混流反应器串联2k1c2VVk1ccA00RA0a ,Af2A00RA1b .Afk1cVVk1ccA0A1cc1k (1+k)2=1+2k+(k)21+2kcAf,acAf,bECRE第二章 理想流动反应器（d）全混流反应器与平推流反应器串联）全混流反应器与平推流反应器串联 k1eck1ecVVk1cckA0VVkA00RA1c .Af0Rek1+kcAf,c1+k e-k1/(1+k)2kA0VVkA1f .Afececc0R cAf,f=cAf,e cAf
4、,e(1+k)，xA=1-cAf/cA0，cAf,f=cAf,ecAf,d=cAf,ccAf,bcAf,a，因此（，因此（a）的转化）的转化率最低，（率最低，（b）的转化率次之，（）的转化率次之，（c）、（）、（d）相等）相等高于（高于（b），（），（e）、（）、（f）转化率最高。）转化率最高。)2k1cec ( 5 . 0cA02kA0g ,Af2100212kAAAACC eCCkECRE第二章 理想流动反应器xA=1-cAf/cA0ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器RRpRMRmVVVV，2.5.2 理想流动反应器体积比较理想流动反应器体积比较间歇反应器体积；平
5、推流反应器体积；全混流间歇反应器体积；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。反应器体积；多级全混流反应器体积。分别表示：分别表示：基本条件 00,AAfV Cx等温、等容过程，且等温、等容过程，且 相同。相同。ECRE第二章 理想流动反应器000AfxARAAdxVtCtrVAfA0A00AxRdxVV Cr间歇反应器间歇反应器 AfA0A00AxRpdxVV Cr00()AAfRMAfV CxVr平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器ECRE第二章 理想流动反应器反应速率随反应物浓度增加而增大，反应速率随反应物浓度增加而增大，1/rA随随xA增加增加而单调上升而
6、单调上升。随着反应的不断进行，反应物浓度降。随着反应的不断进行，反应物浓度降低，转化率增大，反应速率下降。采用平推流、全低，转化率增大，反应速率下降。采用平推流、全混流或多釜串联全混流反应器时，反应器体积可分混流或多釜串联全混流反应器时，反应器体积可分别由它们的别由它们的体积设计方程体积设计方程计算求得。计算求得。 反应速率：反应速率：rA=kcAncA ，rA ，（，（1/rA ）；cA ，xA，rA，（，（1/rA ）ECRE第二章 理想流动反应器PFR MMFR MFR()AfAfxr1Afr1Afr1Afr0AfxAAdxrxAxAfxAfxAfxAxAECRE第二章 理想流动反应器R
7、pRVVRpRVV=RpRMVV1AAxr000000000()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVV CV COABDrxVV CV COCBDrRMRpVV1）2）作作曲线曲线AB 转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。xAxAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrOABDCECRE第二章 理想流动反应器 因此对于因此对于反应级数大于反应级数大于0的的不可逆不可逆化学反应，化学反应，返混降低了反应器的浓度推动力，使反应体积返混降低了反应器的浓度推动力，使反应体积增大。增大。反应级数越高反应级数越高，反应对浓度推动力的
8、依，反应对浓度推动力的依赖越强，赖越强，返混返混对反应影响对反应影响越严重越严重，在反应器工，在反应器工程放大设计和形式选择时，必须引起高度重视。程放大设计和形式选择时，必须引起高度重视。 ECRE第二章 理想流动反应器RpRmVV01/111RmmAmmVVkx011RpAfVVlnkx1/11111RmmAfRpAmVmlnxVx3） 当为当为一级不可逆反应一级不可逆反应，各级，各级体积相同体积相同时，有时，有 等体积多级全混流反应器串联的总反应体积与单个平推流等体积多级全混流反应器串联的总反应体积与单个平推流反应器体积之比为反应器体积之比为 ECRE第二章 理想流动反应器RmRpVV1A
9、fxAfxRmRpVVAfxRmRpVV(1)A fx越 小 。RpRmVV以以为纵坐标，为纵坐标，m为参变数作图。为参变数作图。越大，越大，（2）当）当一定时一定时:越小，接近于平推流。越小，接近于平推流。对于二级不可逆反应对于二级不可逆反应的关系见图。的关系见图。为横坐标，为横坐标，越大越大,远离平推流。远离平推流。m越大，越大，（3）当）当k一定时一定时:m越大越大，则，则如图如图319所示，结论如下：所示，结论如下：（1）当）当 m 一定时一定时:虚线表明虚线表明k一定时，反应器级数不同，所得最终转化率一定时，反应器级数不同，所得最终转化率也不同。也不同。 ECRE第二章 理想流动反应
10、器ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器反应速率随反应物浓度下降反而增加反应速率随反应物浓度下降反而增加，1/rA随随xA增加而单调下降增加而单调下降。此时降低反应器内的。此时降低反应器内的浓度推动力反而对反应有利，因此返混最大浓度推动力反而对反应有利，因此返混最大的的全混流全混流模型所需要的模型所需要的体积最小体积最小，而没有返，而没有返混的混的平推流平推流模型所需要的模型所需要的体积最大体积最大，多釜串多釜串联联模型所需体积模型所需体积介于两者之间介于两者之间，且随釜数增，且随釜
11、数增多所需反应体积迅速增大。多所需反应体积迅速增大。 反应速率：反应速率：rA=kcAn cA ，xA，rA ，（，（1/rA ） ECRE第二章 理想流动反应器MFR MMFR PFR1Afr()AfAfxrxAxAf0AfxAAdxr1Afr1AfrxAxAxAfxAfECRE第二章 理想流动反应器 即有些反应的反应速率随反应进行存在极即有些反应的反应速率随反应进行存在极大值的现象。大值的现象。 如如自催化反应自催化反应中，随产物量增多反应速率中，随产物量增多反应速率加快，当反应达到一定程度后，由于反应加快，当反应达到一定程度后，由于反应物浓度下降影响更显著，物浓度下降影响更显著，反应速率
12、达到极反应速率达到极大后又下降大后又下降，反应动力学曲线存在，反应动力学曲线存在极值极值，很多生化反应以及绝热操作的可逆放热反很多生化反应以及绝热操作的可逆放热反应具有这一特征。应具有这一特征。 ECRE第二章 理想流动反应器如图所示，这种情况下存在极小值，在反应初始阶段未达如图所示，这种情况下存在极小值，在反应初始阶段未达到到极值点前极值点前，返混大的全混流反应器所需体积最小，而在，返混大的全混流反应器所需体积最小，而在反反应后期应后期，使用无返混的，使用无返混的平推流平推流反应器更为反应器更为有利有利。因此应根据。因此应根据反应动力学特性，弄清楚返混的影响规律，合理设计、配置反应动力学特性
13、，弄清楚返混的影响规律，合理设计、配置反应器。反应器。 MFR+PFR PFR MFR1A frxA0 xAfxAfxAfxA0 xA01A fr1A frxAmECRE第二章 理想流动反应器 如图所示，这种情况下存在如图所示，这种情况下存在极小值极小值，在反，在反应初始阶段未达到极值点前，返混大的全应初始阶段未达到极值点前，返混大的全混流反应器所需体积最小，而在反应后期，混流反应器所需体积最小，而在反应后期，使用无返混的平推流反应器更为有利。因使用无返混的平推流反应器更为有利。因此应根据反应动力学特性，弄清楚返混的此应根据反应动力学特性，弄清楚返混的影响规律，合理设计、配置反应器。影响规律，
14、合理设计、配置反应器。 ECRE第二章 理想流动反应器 由于自催化反应在没有产物的情况下便不由于自催化反应在没有产物的情况下便不能进行，图中反应速率曲线没有与纵坐标能进行，图中反应速率曲线没有与纵坐标相交。相交。 由图可知，在转化率由图可知，在转化率xAxAm时平推流反时平推流反应器所需体积最小，因此最好采用一个全应器所需体积最小，因此最好采用一个全混流反应器将反应进行到混流反应器将反应进行到xAm，再接一个平，再接一个平推流反应器将反应进行到出口转化率可以推流反应器将反应进行到出口转化率可以使反应器总体积最小。使反应器总体积最小。 ECRE第二章 理想流动反应器ECRE第二章 理想流动反应器2009-03-16
