化学反应工程_第五章_连续流动釜式反应器.ppt

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、……、xAm－1，使VR最小。 为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、……xAm－1求偏导数，并令之为零，则有 对于等温等容过程，各级反应器体积为 反应器总体积 为 以上共有（m-1）个方程，可解出（m-1）个待定量(xA1、xA2、xA3……xAm－1)。 以一级不可逆反应为例反应器总体积 上式表示：对于一级不可逆反应，当各级的体积相等时，总反应体积最小。 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 0，单釜操作优于串联操作，串联已成多余。 多种组合类型 此组合等效于一个大的CSTR（总体积相等） 由上述诸式，无论何种动力学方程，结论均成立。等效的前提：　　　　　　　　 此组合等效于一个大的PFR（总体积相等） 此两种组合在一级不可逆反应且两反应器体积相等时是等效的。 零级反应，无论体积是否相等，也等效。 5.1.4 返混 （1）关于返混： 不同时间物料的混合，由于搅拌作用，引入反应器的新鲜物料与已停留在反应器内物料在瞬间达到混合，使釜内温度和浓度处处相等。 （2）返混后果： 完成同样任务的空时要比PFR长（对于简单不可逆反应） 问题：为什么对于同样任务时，有时候需要采用CSTR操作而不用PFR操作？ （3）自催化反应过程的优化： CA0 CAf 1/(-rA) CA,opt CA CACA,OPT,τCSTRτPFR CA CACA,OPT,τCSTRτPFR CA0 CAf 1/(-rA) CA,opt CA CA 返混有利，尤其是在开始阶段，采用CSTR操作 * 化学反应工程/连续流动釜式反应器 Chemical Reaction Engineering * * * 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 连续流动釜式反应器 化学反应工程Chemical Reaction Engineering 5.1 CSTR中的均相反应 5.2 返混原因及限制返混措施 5.1 CSTR中的均相反应 5.1.1 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。 全混流反应器的特点 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； 物料参数不随时间而变化； 反应速率均匀，且等于 出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞ BSTR PFR CSTR 投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口) 年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处) 年龄不同 寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口) 返混 全无返混 全无返混 返混极大 三种反应器区别 反应推动力随反应时间逐渐降低 反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低 反应推动力不变，等于出口处反应推动力 三种反应器浓度分布--推动力 5.1.2 CSTR的反应速率 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 物料平均停留时间τ 对于等容过程，物料平均停留时间为 τ的求解（数值法） τ的求解（图解法） 一般简单反应 （生产任务相同） 1/rA FPR 1/rA CSTR xA xA 1） 2） 作 曲线AB 转化率越大，两者的差距较大，可采用低转化率操作。 xA xAf O A