1、第二章第二章第二章第二章第二章第二章 理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器理想流动反应器反应器选型、反应器选型、设计和优化设计和优化反应器中的反应器中的流动状况影流动状况影响反应结果响反应结果数学数学模型模型流动流动模型模型对实际过程对实际过程的简化的简化理想理想模型模型非理想非理想模型模型第一节第一节 流动模型概述流动模型概述建立模型的建立模型的基本方法基本方法理想气体理想气体状态方程状态方程间歇反应器间歇反应器平推流反应器平推流反应器全混流反应器全混流反应器连续流动反应器连续流动反应器完全没有返混完全没有返混返混极大返混极大(a)(b)(c)间歇搅拌反应器
2、间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR)特点特点: 1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；响； 2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；的热量传递问题； 3 3 物料同时加入并同时停止反应，物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。所有物料具有相同的反应时间。优点优点： 操作灵活，
3、适用于小批量、多品种、操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产反应时间较长的产品生产 精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)1.连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2.径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；3.反应物料具有相同的停留时间。 全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)连续搅拌槽式反应器连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器或理想混合反应器假
4、设假设：反应物料以稳定流量流入反应：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。全混合。特点：特点：反应器中所有空间位置的物料反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而且等于反应器出参数都是均匀的，而且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应器口处的物料性质，物料质点在反应器中的停留时间参差不齐，有的很长，中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短，形成一个停留时间分布。有的很短，形成一个停留时间分布。年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；反应物料质点从进入反应器算
5、起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。是对已经离开反应器的物料质点而言的。返混返混：又称逆向返混，又称逆向返混，不同年龄不同年龄的质点之间的混合。的质点之间的混合。是时间概念上的混合是时间概念上的混合 BSTR PFR CSTR1投料投料 一次加料一次加料(起始起始) 连续加料连续加料(入口入口) 连续加料连续加料(入口入口)2年龄年龄 年龄相同年龄相同(某时某时) 年龄相同年龄相同(某处某处) 年龄不同年龄不同3寿
6、命寿命 寿命相同寿命相同(中止中止) 寿命相同寿命相同(出口出口) 寿命不同寿命不同(出口出口)4返混返混 全无返混全无返混 全无返混全无返混 返混极大返混极大反应器特性分析反应器特性分析 浓度分布 - 推动力反应器特性分析反应器特性分析反应推动力随反应推动力随反应时间逐渐反应时间逐渐降低降低反应推动力反应推动力随反应器轴随反应器轴向长度逐渐向长度逐渐降低降低反应推动力反应推动力不变，等于不变，等于出口处反应出口处反应推动力推动力 偏离平推流的情况非理想流动模型非理想流动模型 漩涡运动：涡漩涡运动：涡流、湍动、碰流、湍动、碰撞填料撞填料截面上流截面上流速不均匀速不均匀沟流、短路：填沟流、短路：
7、填料或催化剂装填料或催化剂装填不均匀不均匀非理想流动模型非理想流动模型 偏离全混流的情况死角死角短路短路搅拌造成搅拌造成的再循环的再循环 流动状况对化学反应的影响 - 由物料停留时间不同所造成由物料停留时间不同所造成非理想流动模型非理想流动模型 短路、沟流短路、沟流停留时间减少停留时间减少转化率降低转化率降低死区、死区、再循环再循环停留时停留时间过长间过长A+BP：有效反应体积减少：有效反应体积减少A+BPS 产物产物P减少减少 停留时间的不均停留时间的不均 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程 反应器设计的基本内容选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 反应动力学特性反应动力学特性+
8、+反应器的流动特征反应器的流动特征+ +传递特性传递特性确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 最大反应效果最大反应效果+ +反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率计算所需反应器体积计算所需反应器体积 规定任务规定任务+ +反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程物料衡算方程某组分流入量某组分流入量= =某组分流出量某组分流出量+ +某组分反应消耗量某组分反应消耗量+ +某组分累积量某组分累积量反应消耗反应消耗累积累积流入流入流出流出反应单元反应单元反应器反
9、应器反应单元反应单元流入量流入量流出量流出量反应量反应量累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程热量衡算方程带入的热焓带入的热焓= =带出的热焓带出的热焓+ +反应热反应热+ +热量的累积热量的累积+ +传给环境的热量传给环境的热量反应热反应热累积累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应器反应单元反应单元带入量带入量带出量带出量反应热反应热累积量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(
10、稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程动量衡算方程气相流动反应器的压降大气相流动反应器的压降大时，需要考虑压降对反应时，需要考虑压降对反应的影响，需进行动量衡算。的影响，需进行动量衡算。但有时为了简化计算，常但有时为了简化计算，常采用估算法。采用估算法。第二节第二节 理想流动反应器理想流动反应器 间歇反应器特点特点: 1 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应的影响；了物质传递对反应的
11、影响； 2 2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题；虑器内的热量传递问题； 3 3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。同的反应时间。优点：优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产产品生产 精细化工产品的生产精细化工产品的生产缺点缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 对整个反应器进行物料衡算：对整个反应
12、器进行物料衡算：)1 (00AAAAAAAxnndtdxndtdnVr流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反应量反应量 + + 累积量累积量00单位时间内反应量单位时间内反应量 = = 单位时间内消失量单位时间内消失量AfAfxAAAxAAArdxCrdxVnt0000AAAfCCAAxAAArdCrdxCt000等容过程，液相反应等容过程，液相反应间歇反应器的数学描述间歇反应器的数学描述 实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间(t) + 辅助时间辅助时间 (t)反应体积反应体积V VR R是指反应物料在反应器中所占的体积是指反应物料在反应器中所占的体积 V VR R=V(t+t)
13、=V(t+t)1/rA xAt/CA01/rA CAt反应速率rA=kCArA=kCA2AACCkt0lnAfxAAArdxCt00Axkt11ln011AACCktAAAxxktC10AACCAArdCt0间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应k k增大增大( (温度升高）温度升高）tt减少减少反应体积减小反应体积减小间歇反应器中的单反应间歇反应器中的单反应2. 反应浓度反应浓度的影响的影响1. k的影响的影响零级反应：零级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0正比正比一级反应：一级反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0无关无关二级反应：二级
14、反应：t t与初浓度与初浓度C CA0A0反比反比3. 残余浓度残余浓度零级反应：残余浓度随零级反应：残余浓度随t t直线下降直线下降一级反应：残余浓度随一级反应：残余浓度随t t逐渐下降逐渐下降二级反应：残余浓度随二级反应：残余浓度随t t慢慢下降慢慢下降反应后期的速度很小；反应机理的变化反应后期的速度很小；反应机理的变化1. 连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间而变化；2. 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；3. 反应物料具有相同的停留时间。 平推流反应器平推流反应器一一. 特点：特点：二二. 基本公式：基本公式：流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反应量反应
15、量 + + 累积量累积量0RAAAAAAdVrdxxCVxCV)1 ()1 (0000RAAAdVrdxCV00AfxAAARrdxCVV000二二. 基本公式：基本公式：1. k与与xA的关系的关系等温时等温时k k为常数为常数2. V0与与xA的关系的关系等分子反应？变分子反应？等分子反应？变分子反应？3. 等容过程等容过程AfxAAARrdxCVV000与间歇反应器的公式相同与间歇反应器的公式相同 等温平推流反应器的计算等温平推流反应器的计算AfxAAARrdxCVV000)1 (0AAAxCCAfAfAxCCnAAnAnAARkCdCVxkCdxVV001000)1 (等温平推流反应器
16、的计算等温平推流反应器的计算全混流反应器全混流反应器反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。于反应器流出物料的浓度和温度。流入量流入量 = = 流出量流出量 + + 反应量反应量 + + 累积量累积量0RfAAfAAVrxCVCV)()1 (0000fAAfAfAAARrxCrCCVV)()(000fAAfARrxCVV)(00fAAAfARrxxCVV)()(000进口中已有产物进口中已有产物（或者进口转化（或者进口转化率不为零）率不为零）全混流反应器全混流反应器全混流反应器全混流反应器的图解积分的图解积分平推流反应器与全混流
17、反应器的比较平推流反应器与全混流反应器的比较多级平推流反应器的串联多级平推流反应器的串联0V12in2RVRiVRnV0Ax1RV0AC1Ax2Ax1, iAxiAx,1,NAxANxiAiAxxAAAiRirdxCVV,1,00,).(.,1,2110021NANAAAAAxxAAxxAAxxAAAnrdxrdxrdxCNAAxxAAArdxC,00与单一平推流与单一平推流反应器相同反应器相同多级全混流反应器的串联多级全混流反应器的串联全混流反应器的反应速率始终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状态，采用多级全混流反应器串
18、联后，可以降低返混影响的串联后，可以降低返混影响的程度，提高反应速率或减少反程度，提高反应速率或减少反应器体积。应器体积。多级全混流反应器串联级数越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多，过程就越接近平推流反应器，那么，是不是级数越多越器，那么，是不是级数越多越好呢？好呢？iAiAiAiAiAiAAiRirCCrxxCVV)()()(,1,1,00,稳态，定容稳态，定容多级全混流反应器串联的计算多级全混流反应器串联的计算(解析法解析法)一级反应，一级反应，m级反应器串联级反应器串联iAiAiAikCCC,1,iiAiAkCC111,)11(.11,1 ,2,01 ,0,miim
19、AmAAAAAAmAkCCCCCCCC0,1AmAmACCx由于由于故故)11(11,NiimAkx多级全混流反应器串联的计算多级全混流反应器串联的计算mmAkx)11(1,m.21Amx各级反应器体积相同时：各级反应器体积相同时： 1)1 (11/1,mmAxk或或 1)1 (1/1,00,mmAiRRxkmVmVmVV反应总体积反应总体积可见，已知可见，已知 和最终转化率和最终转化率 ，可求出每级反应釜体积。，可求出每级反应釜体积。mVk,0一定时0VmAmxRiVAmx多级全混流反应器串联的计算（图解法）多级全混流反应器串联的计算（图解法）对非一级反应，图解计算更方便对非一级反应，图解计
20、算更方便以以 为纵坐标，为纵坐标，C CA A为横坐标作图，每一级为横坐标作图，每一级 均为直线关均为直线关系，直线斜率为系，直线斜率为 ，并经过点，并经过点 。又该级的出口浓度又该级的出口浓度 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，反映到学方程相同，反映到 图上就是同一曲线，由此曲线和上图上就是同一曲线，由此曲线和上述直线即可确定出口浓度述直线即可确定出口浓度。11AiAiAiAiiAiAiiiCCCCAi1)0 ,(1AiCAiCAACCA3CA2CA1CA0A3A2A1AiiAC各级反应体积相等时，即各级反应体积相等时，即 相同，各级直线平行
21、。相同，各级直线平行。若各级反应釜内温度不相同，则需作出不同温度下的动力学若各级反应釜内温度不相同，则需作出不同温度下的动力学曲线。曲线。 若各级体积不同，各条直线的斜率不同，但仍可求出各釜的若各级体积不同，各条直线的斜率不同，但仍可求出各釜的出口浓度。出口浓度。i多级全混流反应器串联多级全混流反应器串联- 图示图示各级反应体积不同各级反应体积不同多级全混流反应器串联的优化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反应器的设计中常碰到类似这样的问题，物料处理量题，物料处理量V V0 0，进料组成，进料组成C CA0A0及最终转化及最终转化率率 X XAmAm 均提前确定。反应
22、器级数因受生产条均提前确定。反应器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。级反应釜的转化率。多级全混流反应器串联的优化多级全混流反应器串联的优化优化总反应体积最小一级不可逆反应一级不可逆反应)1 (0AAAAxkCkCr)1.11(,1,2,1 ,2,1 ,01 ,0,1mAmAmAAAAAAAiRmiRxxxxxxxxxkVVV0)11)1 (1(1,2,1,0,iAiAiA
23、iARxxxkVxVi=1,2,m-11,1,11)1 (1iAiAiAiAxxxx1,1,1,11iAiAiAiAiAiAxxxxxx1,iRiRVV多级全混流反应器串联的优化多级全混流反应器串联的优化 可见，对一级不可逆反应，采用多级全混可见，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（等温、等容），则要使总的反应体积最小，必需的条件是各釜的反应体积相等。小，必需的条件是各釜的反应体积相等。理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合与反应体积比较 为了说明反应器组合的情况，下面以一级为了
24、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。流反应器按不同方式进行组合的情形。 两反应器温度相同，进料流量两反应器温度相同，进料流量V0，反应物，反应物浓度浓度CA0，且各反应器体积，且各反应器体积VR 均相同。均相同。理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合与反应体积比较iiAiAkCC11,01,VVkiAiAReCC平推流平推流全混流全混流kCVVkCCARAaAf212/1000,(a)2020001,)1 ()1 (1kCVVkCVVkCCARARAaAf(b)反应器体积相
25、同，一级不可逆反应反应器体积相同，一级不可逆反应理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合与反应体积比较keCVVkCCkARAcAf11001,(c)keCeCCkAVVkAdAfR101,0(d)kAVVkAeAfeCeCCR202/0,0(e)kAVVkAfAfeCeCCR201,02121020,kCeCCAkAgAf(g)(f) 可见（可见（c c）与（）与（d d）等效，）等效， （e e）与（）与（f f）等效。）等效。 反应物出口浓度，反应物出口浓度， (f)=(e)(d)=(c)(b)(a)(f)=(e)(d)=(c)(b)EE2 2, , 则在较高温度下进行则在
26、较高温度下进行若若E E1 1Enn2 2, , 较高反应物浓度较高反应物浓度对主反应有利对主反应有利若若n n1 1nnn2, 2, m m1 1mm2 2 n n1 1nn2 2 m m1 1mnn2 2 m m1 1mn2, m1m2CA, CB 都高都高n1n2, m1n2, m1EE2 2, , 则在较高温度下进行则在较高温度下进行若若E E1 1Enn2 2, , 增加初浓度增加初浓度C CA0A0若若n n1 1nn2 2, , 降低初浓度降低初浓度C CA0A0若若n n1 1=n=n2 2, , 初浓度的变化对选择性无影响初浓度的变化对选择性无影响3. 转化率转化率CL/CA
27、随随xA的增大而增大的增大而增大L的瞬时选择性下降的瞬时选择性下降转化率过高，选择性降低转化率过高，选择性降低工业上分离再循环工业上分离再循环理想流动反应器中多重反应的选择率理想流动反应器中多重反应的选择率流动类型的影响流动类型的影响对于不可逆的连串反应且以反应的中对于不可逆的连串反应且以反应的中间物为目的产物时，返混总是对选择间物为目的产物时，返混总是对选择性不利性不利左左左左右右左左理想流动反应器中多重反应的选择率理想流动反应器中多重反应的选择率连串反应的最佳反应时间与最大收率连串反应的最佳反应时间与最大收率)()(210121tktkALeeCkkkC间歇反应器或平推流反应器间歇反应器或
28、平推流反应器1212)/ln(kkkktopt最佳反应时间最佳反应时间0dtdCL最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率122)()(210maxkkkALfkkCC122)(21maxkkkkkY(*) 理想流动反应器中多重反应的选择率理想流动反应器中多重反应的选择率一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与反应物初浓度无关，只与k k2 2/k/k1 1的比值有关。的比值有关。)1)(1 (2110mmmALfkkkCC全混流反应器全混流反应器211)(kkoptm最佳反应时间最佳反应时间0d
29、tdCL最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率2210max)1 ()(kkCCALf(*)221max)1 (1kkY(*) 理想流动反应器中多重反应的选择率理想流动反应器中多重反应的选择率(a) 平推流平推流 (b) 全混流全混流1. xA, k1/k2相同时，相同时，BSTR和和PFR比比CSTR好好2. k1/k21, 高转化率下操作高转化率下操作 讨论：讨论： 1 1、对一级不可逆连串反应，不论是间歇反应器或、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，只与率与反应物初始浓度无关，只与k k2 2/k/k1 1有关。有关。 2 2、若以、若以S-XS-XA A作图在作图在 X XA A，k k2 2/k/k1 1 相同时，间歇操作相同时，间歇操作或平推流操作时，主产物的选择率或平推流操作时，主产物的选择率 S S 比全混流操比全混流操作为高。作为高。 在在k k1 1/k/k2 21 1 1 时，即使转化率较高，也可得到较高的时，即使转化率较高，也可得到较高的选择率。选择率。
