1、12022-5-31上海工程技术大学化学化工学院 化学工程与工艺系第五章第五章 连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器化学反应工程Chemical Reaction Engineering22022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering5.1 CSTR5.1 CSTR中的均相反应中的均相反应5.2 5.2 返混原因及限制返混措施返混原因及限制返混措施32022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering5.1 C
2、STR5.1 CSTR中的均相反应中的均相反应5.1.1 5.1.1 反应器特征反应器特征 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。42022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering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5202
3、2-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering BSTR PFR CSTR 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) ) 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 寿命寿命 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) ) 返混返混 全无返混全无返混 全无返混全无返混 返混极大返混极大三种反应器区别620
4、22-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering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随反反应推动力随反应器轴向长度逐应器轴向长度逐渐降低渐降低反应推动力不变，反应推动力不变，等于出口处反应等于出口处反应推动力推动力三种反应器浓度分布-推动力72022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering5.1.2 CSTR5.1.2 CSTR的反应速率的反应速率流入量流入量 = = 流出量流出量
5、+ + 反应量反应量 + + 累积量累积量RfAAfAAVrxCVCV)()1 (0000fAAfAfAAARrxCrCCVV)()(000fAAfARrxCVV)(00fAAAfARrxxCVV)()(000进口中已有进口中已有A82022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering 物料平均停留时间 对于等容过程，物料平均停留时间为00()AAfRAfV CxVr00AAfAfACCxC的求解（数值法）92022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemica
6、l Reaction Engineering102022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering的求解（图解法） CSTR PFR， V CSTR V PFR一般简单反应（生产任务相同） 1/rA FPR 1/rA CSTR xAxA112022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction EngineeringRpRVVRpRVV=RpRMVV1AAxr000000000()AfXARpAAAAfRMAAAfdxVV CV COABD
7、rxVV CV COCBDrRMRpVV1 1）2 2）作作曲线曲线ABAB 转化率越大，两者的差距较大转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。可采用低转化率操作。x xA Ax xAfAf1Ar1Afr0AfxAAdxr()AfAfxrO OA AB BD DC C122022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering生产任务相同时，反应级数越高，两种反应器或体积相差越大。反应级数的影响即：反应转化率越高，两种反应器空时和反应体积相差越大。反应转化率的影响132022-5-31 化学反应工程化
8、学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering5.1.3 5.1.3 组合反应器组合反应器142022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering德国德国ParrParr全自动全自动组合式化学反应组合式化学反应器器-5000-5000系列系列 152022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering多级平推流管式反应器Consider N plug flo
9、w reactor connected in series, and let x1, x2, , xN be the fractional conversion of component A leaving reactor 1,2, , N. Basing the material balance on the feed rate of A to the first reactor, we find for the ith reactor from Eq.3.2-6AiAixxAAAirdxFV10162022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chem
10、ical Reaction Engineering172022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering182022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction EngineeringAiAixxAAAirdxFV10192022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering 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
11、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”。202022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering单釜体积（空时）大于多单釜体积（空时）大于多釜体积（空时）釜体积（空时）多级全混流反应器212022-5-31 化学反应
12、工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering多级全混流反应器的串联计算222022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering00100(1)(1)AAiAAiAiRiV CxV Cxr V010AiAiAiRiV CV Cr V()AiAirf c001()AAiAiRiAiV CxxVr01()AiAiRiAiVCCVr1.解析计算232022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemica
13、l Reaction Engineering0RiiVV式中AiAirkC1()AiAiiAiCCkC2.一级不可逆反应 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()AiAiRiAiV CCVr 由上式，第i级式中242022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering111AiAiiCCk1012121211111121.11111AAAAAmAmmAmAmmCiCkCiCkCimCkCimCk由式由式将上述诸式相乘将上述诸式相乘252022-5-31
14、化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering262022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering272022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering3.3.图解计算：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 01()AiAiRiAiV CCVr()AiAirk f C
15、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282022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering-1/C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A1A2A3C CAmAmOM等温、等容、各级体积相等情况的图解计算292022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering（2）等容过程，且各级体积相同，但温度不同如果各级
16、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/-1/ C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A A1 1A A2 2A A3 3M M1 1M M2 2M M3 3O O302022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering（3）等容等温，但各级体积不同如果各级体积不相同，则 的各直线斜率 不相同，如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3，求出CA1、
17、CA2、CA3。C CA1A1C CA0A0C CA Ar rA AC CA2A2C CA3A3A1A2A3C CAmAm-1/2-1/3-1/1OAArC1312022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering多级全混流反应器的串联优化 在设计反应器时，物料处理量VO、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VO、进料组成及最终转化
18、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、xAm1，使VR最小。322022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering 为使为使V VR R最小，将上式分别对最小，将上式分别对x xA1A1、x xA2A2、x xAmAm1 1求偏求偏导数，并令之为零，则有导数，并令之为零，则有001001111()()()mmmAAiAiAAiAiRRiAiAiV CxxV CxxVVrf x 对于等温等容过程，各级反应器体积为对于等温等容过程，各级反应器体积为 反应器总体积反应器总体积 为
19、为001()AAiAiRiAiV CxxVr332022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering0(1,2,.1)RAiVimx以上共有（以上共有（m-1m-1）个方程，可解出（）个方程，可解出（m-1m-1）个待定量）个待定量(x(xA1A1、x xA2A2、x xA3A3x xAmAm1 1) )。342022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering 以一级不可逆反应为例反应器总体积 上式表示：对于一级不
20、可逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。111010111111AiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAiAixxxxxxV xxV xxkxkx1(1,2,.1)RiRiVVim1121000102001210.(1)(1)(1)110(1,2,.1)(1)1AmAmAAARAAAAAAAmAiRAiAiAixxxxxVV CkCxkCxkCxVxVimxkxx111111AiAiAiAixxxx12111(1,2,.1)(1)1AiAiAiximxx352022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engin
21、eering一般来说，a级反应中（CSTR)，为了使总体积最小：（1）a 1，沿物料方向，各釜体积依此增加；（2）a 1，沿物料方向，各釜体积依此降低；（3）a 1，沿物料方向，各釜体积相等；（4）a 0，反应速率于浓度无关，串联的反应总体积于 单釜相等，串联操作无必要；（5）a C CA,OPT,A,OPT,CSTRCSTR PFRCAC CA A PFRPFRPAAACkCdtdCr)(CA0CAf1/(-rA)CA,optCACA返混有利，尤其是在开始阶段，采用CSTR操作432022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical React
22、ion Engineering（4）CSTR的用途： 很大时，VR很大，若采用PFR，则反应器管较长； 温度易控制； 特殊反应，如自催化反应开始阶段（返混有利）。442022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering5.1.5 5.1.5 平行反应过程反应器的操作方式平行反应过程反应器的操作方式122111221121111)()()(nnAnAnAnASPPAAACkkCkCkCkrrrrrr生成副产物的速率生成目的产物的速率瞬时选择性n1PSkkA12n2AfACCACCdCAfA00452022-
23、5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction EngineeringCACA0CAfn1n2CSTRPFR21SS472022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering收率AfAPPfCCCCmolmol00数过程中生成产物总数过程中生成目的产物总总选择性AfAPAfACCAPfCAfACCAdCCCCdC00000482022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction E
24、ngineeringCACA0CAfn1n2CSTRPFR21SS502022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineeringn n1 1nn2 2CA升高选择率增大n n1 1n n2m1 m2CA低低CB低低n1 n2m1 n2m1 m2522022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering532022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction E
25、ngineering5.1.6 5.1.6 串连反应过程的优化串连反应过程的优化（1）选择率：APAPAAPCCkkCkCkCkrr121211)( 选择率随反应过程的进行不断降低，凡是使得CP增加和 CA降低的因素对选择率不利； 返混对选择率不利。542022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering)()(;:21101210kkAPkAAeeCkkkCeCCPFR)1)(1 (;1:21100kkkCCkCCCSTRAPAA552022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流
26、动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering（2）收率：1212210max,maxln;)(:122kkkkkkCCPFROPTkkkAP2122/1120max,max1; 1)(1:kkkkCCCSTRoptAP562022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering作图：12maxkk572022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering 一级串连反应， ； 应采用PFR操作，即
27、需限制返混的影响； 采用分批和分段加料方式，使CA降低，从而提高选择率。无关与0max,AoptCCSTRPFRmaxmax582022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering5.2 5.2 返混原因及限制返混措施返混原因及限制返混措施 返混是不同时刻进入反应器内物料的混合，不同于一般意义上的混合； 返混只针对连续化才出现的一种现象； 间歇搅拌釜中不存在返混； 理想管式反应器虽然连续化，但不存在返混； 返混改变反应器内浓度分布，反应物浓度下降，产物浓度上升； 返混是连续反应器的一种重要工程因素。 59
28、2022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering（1）原因 反应器内速度不均匀的物料混合，如流速分布； 反应器中的环流，如：搅拌浆的流速分布。（2）后果 改变浓度分布，从而影响反应浓度效应； 形成停留时间分布。602022-5-31 化学反应工程化学反应工程/连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering（3）控制 形成返混 反应过程由间歇操作变化为连续操作，可能产生返混； 返混程度随几何尺寸的变化增加。 限制返混 强化速度分布的均匀性 横向分割，以多釜串联操作，N足够多 PFR 纵向分割 放置填料
