釜式及管式反应器.pptx

反应器的特性反应器的特性流动状态流动状态混合状态混合状态传热特性传热特性这些特性随反应器的几何结构和几何尺寸而异这些特性随反应器的几何结构和几何尺寸而异反应器开发的任务反应器开发的任务选择合适的反应器选择合适的反应器确定操作方式并确定操作方式并进行优化设计进行优化设计确定反应器尺寸确定反应器尺寸，进行经济评价进行经济评价理想反应器的内涵理想反应器的内涵理想的理想的间歇式间歇式反应器：温度和浓度均一反应器：温度和浓度均一全混流全混流反应器：返混为无穷大反应器：返混为无穷大平推流平推流反应器：无返混反应器：无返混理想的连续流动式反应器理想的连续流动式反应器理想反应器理想反应器n概述概述n 按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。相应的反应器为间歇反应器和流动反应器。.间歇反应器间歇反应器n 物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性物料一次性加入，反应一定时间后把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动取出，反应是分批进行的。物料在反应器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。状况是相同的，经历的反应时间也是相同的。1 1、间歇釜式反应器、间歇釜式反应器Batch ReactorBatch Reactorn间歇操作的充分反应器。间歇操作的充分反应器。n用于液相反应。用于液相反应。n在反应过程中没有进出料。在反应过程中没有进出料。n反应器内物料充分混合，器反应器内物料充分混合，器内各点温度浓度相同。不需内各点温度浓度相同。不需考虑热量传递考虑热量传递n间歇操作，需要辅助生产时间歇操作，需要辅助生产时间。间。n化学实验室内装有电动搅拌装置的玻化学实验室内装有电动搅拌装置的玻璃三口烧瓶即和釜式反应器极为相似，璃三口烧瓶即和釜式反应器极为相似，故可用三口烧瓶进行反应开发、操作故可用三口烧瓶进行反应开发、操作条件及动力学研究，便于移植于工业条件及动力学研究，便于移植于工业反应器中进行生产。反应器中进行生产。n优点优点：操作灵活，适应不同操作条件与不同：操作灵活，适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种，反应时产品品种，适用于小批量、多品种，反应时间较长的产品生产。间较长的产品生产。n缺点缺点：不能连续操作，装填料需要较多人力：不能连续操作，装填料需要较多人力物力、耗费较多的非生产时间。物力、耗费较多的非生产时间。n应用：精细合成液应用：精细合成液-液均相或非均相反应；液均相或非均相反应；有色冶金、化学矿加工中的液有色冶金、化学矿加工中的液-固相反应，固相反应，生物反应中的微生物发酵反应，聚合物生产生物反应中的微生物发酵反应，聚合物生产中的乳液、悬浮液聚合，油脂加氢等反应中的乳液、悬浮液聚合，油脂加氢等反应 F Fi0 i0F Fi i体积体积V VG Gi i指定的边界指定的边界2 2、间歇反应器的数学模型、间歇反应器的数学模型2 2、间歇反应器的数学模型、间歇反应器的数学模型通用的摩尔衡算方程通用的摩尔衡算方程n以以 表示反应物料在整个反应器中占有的表示反应物料在整个反应器中占有的体积，当反应物被充分搅拌达到完全混合的体积，当反应物被充分搅拌达到完全混合的前提下，以反应物前提下，以反应物A A为基准的通用摩尔衡算为基准的通用摩尔衡算方程可写成方程可写成积分积分等容过程等容过程上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。上式适用于等容、等温和变温的各种反应系统。n恒容条件下恒容条件下（多数情况）（多数情况）n这说明，在充分混合的间歇反应器中，这说明，在充分混合的间歇反应器中，反应是依照它的动力学特征进行的。流反应是依照它的动力学特征进行的。流动过程对反应没有影响。动过程对反应没有影响。n如果间歇反应器中的物料由于搅拌而如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的（理想），但随操作时间或反应致的（理想），但随操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。时间而变化，故独立变量为时间。（1 1）反应时间的计算）反应时间的计算 已知反应动力学方程和组分已知反应动力学方程和组分A A的浓度变化，的浓度变化，就能按式计算反应时间。就能按式计算反应时间。一般采用数值积分或一般采用数值积分或图解法图解法。图解积分示意图图解积分示意图t/cA0rA-1xxAfxA0trA-1CACAfCA0（2.2.）实际操作时间）实际操作时间实际操作时间实际操作时间=反应时间反应时间 t+t+辅助时间辅助时间 t t辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。（3.3.）反应器体积）反应器体积 V VR R=Q=Q0 0(t+t)(t+t)式中式中Q Q0 0为单位时间所处理的物料量。为单位时间所处理的物料量。n如果间歇反应器中的物料由于搅拌而如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的（理想），但随操作时间或反应致的（理想），但随操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。时间而变化，故独立变量为时间。间歇系统间歇系统反应器在反应器在t=0t=0时刻打开时刻打开t=tt=t时刻，时刻，A A组分的组分的转化率为转化率为X X组分组分初始量初始量变化量变化量剩余量剩余量A AB BL LMM惰性组分惰性组分合计合计n由理想气体状态方程可以得到n浓度和转化率的关系nC C总总不变，而每个组分的浓度变化了不变，而每个组分的浓度变化了（4 4）间歇反应器中的单反应）间歇反应器中的单反应 设有单一反应设有单一反应 ARAR 动力学方程为动力学方程为 积分上式，可计算积分上式，可计算A A的残余浓度和转化率。的残余浓度和转化率。.残余浓度式残余浓度式 计算经反应时间计算经反应时间t t后后A A的残余浓度。的残余浓度。.转化率式转化率式 计算经反应时间计算经反应时间t t后后A A的转化率。的转化率。A A的残余浓度和转化率可用公式计算。的残余浓度和转化率可用公式计算。间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓间歇反应器中反应速率、转化率和残余浓度的计算结果列于表（度的计算结果列于表（1 1）。）。反应级数反应级数反应速率反应速率残余浓度式残余浓度式转化率式转化率式n=0n=0n=1n=1n=2n=2n n级级n1n1表表1 1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式.残余浓度和反应时间的关系残余浓度和反应时间的关系0 0级反应：级反应：，CACA随随t t 直线下降；直线下降；1 1级反应：级反应：CACA随随t t 较缓慢下降；较缓慢下降；2 2级反应：级反应：CACA随随t t 缓慢下降。缓慢下降。对对于于一一级级或或二二级级不不可可逆逆反反应应，在在反反应应后后期期，C CA A的的下下降降速速率率，即即x xA A的的上上升升速速率率相相当当缓缓慢慢。若若追追求求过过低低的的残残余余浓浓度度，即即过过高高的的转转化化率率，则则在在反反应应后后期期要要花花费大量的反应时间。费大量的反应时间。n例例1 1 以乙酸（以乙酸（A A）和正丁醇（）和正丁醇（B B）为原料在间歇反）为原料在间歇反应器中生产乙酸丁酯，操作温度为应器中生产乙酸丁酯，操作温度为100C100C，每，每批进料批进料1kmol1kmol的的A A和和4.96kmol4.96kmol的的B B。已知反应速。已知反应速率率 试求乙酸的转化率为试求乙酸的转化率为0.50.5，0.90.9，0.990.99所需的反所需的反应时间。应时间。已知乙酸与正丁醇的密度分别为已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3960kg/m3和和740kg/m3 740kg/m3 n解：解：显然显然A A是关键组分，不过量，对于是关键组分，不过量，对于1kmolA 1kmolA 来来说，投料情况是说，投料情况是n由于反应为液相反应，体积不变对每由于反应为液相反应，体积不变对每1kmolA1kmolA而言，每次投料体积（有效反应体积）为而言，每次投料体积（有效反应体积）为当转化率为当转化率为0.50.5时，时，t t0.535h0.535h，当转化率为当转化率为0.90.9时，时，t t4.81h4.81h，当转化率为当转化率为0.990.99时，时，t t52.9h52.9h。￥不能片面追求转化率，导致反应时不能片面追求转化率，导致反应时间过长，大幅度增加操作费用。间过长，大幅度增加操作费用。（5 5）间歇反应器中等温等容液相单一）间歇反应器中等温等容液相单一可逆可逆反应反应的动力学表达式的动力学表达式n对于单一可逆反应，要考虑化学平衡，对于单一可逆反应，要考虑化学平衡，K KC C为液为液相反应的平衡常数。相反应的平衡常数。n为了便于讨论，课本表为了便于讨论，课本表3-23-2应该都假定了反应为应该都假定了反应为基元反应。基元反应。n假定产物初始浓度为零假定产物初始浓度为零n可逆反应的动力学速率方程可逆反应的动力学速率方程n对于通用液相可逆反应对于通用液相可逆反应n平衡时的浓度由热力学关系式进行关联平衡时的浓度由热力学关系式进行关联n平衡常数平衡常数n 的单位为的单位为一级反应一级反应n反应达到平衡时反应达到平衡时n化学平衡常数化学平衡常数n若有若有C CA A-t-t的实验数据，则可根据上式计算的实验数据，则可根据上式计算出速率常数出速率常数k k和和kk，由此得到平衡常数，由此得到平衡常数K KC C1 1级、级、2 2级反应级反应n反应达到平衡时反应达到平衡时n3 3、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化（1 1）工程放大）工程放大 由间歇反应器的设计方程可得一个重要的结由间歇反应器的设计方程可得一个重要的结论：反应物达到一定的转化率所需的论：反应物达到一定的转化率所需的反应时间，反应时间，只取决于过程的反应速率或动力学因素，只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反与反应器的大小无关应器的大小无关。反应器的大小是由反应物料。反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。的处理量决定的。由此可见，上述计算反应时间的表达式，既由此可见，上述计算反应时间的表达式，既适用于小型设备又可用于大型设备，只要保证适用于小型设备又可用于大型设备，只要保证相同的反应条件和装置的合理放大，即可达到相同的反应条件和装置的合理放大，即可达到同样的反应效果同样的反应效果n实验室用的小型反应器要做到等温操作比较实验室用的小型反应器要做到等温操作比较容易，而大型反应器就很难做到；同时大型容易，而大型反应器就很难做到；同时大型反应器要通过搅拌使容器内的物料混合均匀、反应器要通过搅拌使容器内的物料混合均匀、浓度均一也比较困难，所以生产规模的反应浓度均一也比较困难，所以生产规模的反应效果与实验室反应器相比，还是有差异的。效果与实验室反应器相比，还是有差异的。n间歇反应器的反应体积根据间歇反应器的反应体积根据单位时间单位时间的反应的反应物料处理体积物料处理体积Q Q0 0及及操作周期操作周期来确定来确定n间歇反应器的反应体积间歇反应器的反应体积n实际体积实际体积n而单位时间的产品产量而单位时间的产品产量molmol可以定义为可以定义为n例：在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应例：在间歇釜中一级不可逆反应，液相反应A 2RA 2R k=9.5210k=9.52109 9exp-7448.4/T hexp-7448.4/T h-1-1 R R的的摩尔质量摩尔质量为为6060，若转化率，若转化率X XA A=0.7=0.7，装，装置的生产能力为置的生产能力为50000 kg50000 kg产物产物R/R/天。求天。求5050等温操作所需反应器的有效容积？（用于非等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间生产性操作时间t t0 0=0.75 h=0.75 h）n（2 2）反应时间的优化）反应时间的优化 间歇反应器每批物料的操作时间包括反应间歇反应器每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时间，对于一定的化学反应和反应时间和辅助时间，对于一定的化学反应和反应器，辅助时间是一定值。反应物的浓度随时间器，辅助时间是一定值。反应物的浓度随时间的延长而降低，同时产物的生成速率随反应物的延长而降低，同时产物的生成速率随反应物浓度的降低而降低。所以，随着操作时间的延浓度的降低而降低。所以，随着操作时间的延长，产量增多，但按单位操作时间计算的产品长，产量增多，但按单位操作时间计算的产品产量并不一定增加。产量并不一定增加。以以单位操作时间单位操作时间的产品产量为目标函数，的产品产量为目标函数，存在一个最优反应时间的问题存在一个最优反应时间的问题nA RA R，要求产物，要求产物R R的浓度为的浓度为C CR R，则单位操作，则单位操作时间的产品产量时间的产品产量P PR R为为n对反应时间求导，得到对反应时间求导，得到n用解析法或图解法（以用解析法或图解法（以cRcR对对t t）作图可）作图可得最优反应时间得最优反应时间n（3 3）配料比）配料比 在工业上，为了使价格较高的或在后续工序在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分中较难分离的组分A A的残余浓度尽量低，也为的残余浓度尽量低，也为了缩短反应时间，对于类似如下的反应，常采了缩短反应时间，对于类似如下的反应，常采取一种反应物取一种反应物B B过量的操作方法过量的操作方法并定义配料比并定义配料比在等容液相过程中在等容液相过程中B B的浓度的浓度n（4 4）反应温度）反应温度 对于间歇釜式反应器，可以在反应不同时对于间歇釜式反应器，可以在反应不同时段，反应物系处于不同组成时，调整反应温段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度，一般说来，高转化率时，反应速率随之度，一般说来，高转化率时，反应速率随之减少，可以适当提高反应温度，以促使反应减少，可以适当提高反应温度，以促使反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。前提是液相组分的性质随温度变化影响较前提是液相组分的性质随温度变化影响较小。小。第二节、连续流动釜式反应器（第二节、连续流动釜式反应器（CSTRCSTR）(CSTR Continuously stirred tank reactor)(CSTR Continuously stirred tank reactor)在连续流动过程中，反应物连续不断地在连续流动过程中，反应物连续不断地加入反应器中同时产物连续不断地流出反应加入反应器中同时产物连续不断地流出反应器，连续、稳定流动，在定常态下操作。器，连续、稳定流动，在定常态下操作。不存在间歇操作中的辅助时间问题，在定态不存在间歇操作中的辅助时间问题，在定态操作中容易操作中容易实现自动控制，操作简单，节省实现自动控制，操作简单，节省人力，产品质量稳定，可用于产量大的产品人力，产品质量稳定，可用于产量大的产品生产过程生产过程 全混流模型全混流模型（理想混合模型、连续搅拌釜式反应器（理想混合模型、连续搅拌釜式反应器CSTRCSTR）全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反全混流模型认为物料进入反应器后，在一瞬间，进入反应器的新鲜物料和反应器内的物料达到应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合完全混合。模型特点：模型特点：a a：同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合；：同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合；b b：反应器内物料质点完全混合，：反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同，且物料参数处处相同，且等于出口处（即将流出）的参数；等于出口处（即将流出）的参数；c c：反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器：反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应器的物料中，质点的寿命也不相同。的物料中，质点的寿命也不相同。d d：返混：返混2 2）适用范围：）适用范围：搅拌反应器，强烈搅拌。搅拌反应器，强烈搅拌。n反应器特点总结：反应器中反应器特点总结：反应器中反应物料反应物料的浓的浓度处于出口状态的度处于出口状态的低浓度低浓度，而反应产物浓，而反应产物浓度则处于出口状态的度则处于出口状态的高浓度高浓度，全混流反应，全混流反应器的反应速率由釜内的温度和浓度所决定。器的反应速率由釜内的温度和浓度所决定。n与间歇反应器一样，反应釜内的温度和浓与间歇反应器一样，反应釜内的温度和浓度均一，且等于出口处的温度和浓度度均一，且等于出口处的温度和浓度 F Fi0 i0F Fi i体积体积V VG Gi i指定的边界指定的边界n1 1、CSTRCSTR的数学模型（设计方程）的数学模型（设计方程）n 在定态下，反应器内反应物料的积累量为零，在定态下，反应器内反应物料的积累量为零，对关键对关键反应反应组分组分A A作摩尔衡算可得。作摩尔衡算可得。n于是得到于是得到n若若A的转化率为的转化率为XA则设计方程又可表示为则设计方程又可表示为n若达到稳态时，进口物料中已经含有反应若达到稳态时，进口物料中已经含有反应产物，则产物，则n2 2、几个概念、几个概念n（1 1）空时空时 （接触时间）、（空间时间）（接触时间）、（空间时间）反应器有效体积反应器有效体积V VR R和反应流体和反应流体入口条件入口条件下下体积流率体积流率V V0 0之比。之比。n即，基于入口条件（各种参数）处理整个反即，基于入口条件（各种参数）处理整个反应器有效体积的流体所必需的时间应器有效体积的流体所必需的时间n（2 2）空速（空速（SVSV）:单位时间内投入到反应器单位时间内投入到反应器中的物料的中的物料的标准标准体积与反应器有效容积或催体积与反应器有效容积或催化剂体积之比。化剂体积之比。n与空时的使用条件不同，空时用的是在入口与空时的使用条件不同，空时用的是在入口条件下的体积流率，而空速常常用到条件下的体积流率，而空速常常用到其它条其它条件件下的体积流率。又分为下的体积流率。又分为液体小时体积空速液体小时体积空速（LHSVLHSV）液体在特定温度下的值和）液体在特定温度下的值和气体小时气体小时体积空速（体积空速（GHSVGHSV）气体在标准温度和压力条气体在标准温度和压力条件（件（STPSTP）下的值）下的值n（3 3）平均停留时间）平均停留时间等容过程中等容过程中，定态下的平均停留时间可用反，定态下的平均停留时间可用反应器有效体积应器有效体积 与体积流率与体积流率 之比来确之比来确定定n如果间歇反应器中的物料由于搅拌而如果间歇反应器中的物料由于搅拌而处于均匀状态，则反应物系的组成、处于均匀状态，则反应物系的组成、温度、压力等参数在每一瞬间都是一温度、压力等参数在每一瞬间都是一致的（理想），但随操作时间或反应致的（理想），但随操作时间或反应时间而变化，故独立变量为时间。时间而变化，故独立变量为时间。n而在连续流动反应器中，这个时间又而在连续流动反应器中，这个时间又随着反应器体积的增大而延长随着反应器体积的增大而延长n3 3、CSTRCSTR反应器设计模型的其他形式反应器设计模型的其他形式n设计方程设计方程n恒恒容容n类似间歇类似间歇反应器的反应器的t tn如果已知反应速率如果已知反应速率r rA A与反应物浓度（或转化率）与反应物浓度（或转化率）的动力学关系式，可以标绘出的动力学关系式，可以标绘出n恒容恒容n图示转化率图示转化率n4 4、CSTRCSTR反应器中的单反应反应器中的单反应设有单一反应设有单一反应 ARARn动力学方程为动力学方程为反应级数反应级数反应速率反应速率残余浓度式残余浓度式转化率式转化率式n=0n=0n=1n=1n=2n=2表表3 CSTR3 CSTR反应器中整级数恒容单反应结果表达式反应器中整级数恒容单反应结果表达式n例例2 2：在：在全混流反应器中进行一级不可逆反全混流反应器中进行一级不可逆反应，液相反应应，液相反应A 2RA 2R k=9.5210k=9.52109 9exp-7448.4/T hexp-7448.4/T h-1-1 R R的的摩尔质量摩尔质量为为6060，若转化率，若转化率X XA A=0.7=0.7，装，装置的生产能力为置的生产能力为50000 kg50000 kg产物产物R/R/天。求天。求5050等温操作所需反应器的有效容积？（用于非等温操作所需反应器的有效容积？（用于非生产性操作时间生产性操作时间t t0 0=0.75 h=0.75 h）解：（解：（1 1）体积流率）体积流率V V0 0 （2 2）反应器有效容积）反应器有效容积V VR Rn例例3 3：在一个体积为：在一个体积为300L300L的反应器中于的反应器中于86C86C等等温下将浓度为温下将浓度为 的过氧化氢异丙苯的过氧化氢异丙苯溶液溶液分解分解,生产丙酮和苯酚生产丙酮和苯酚该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数为该反应为一级反应，反应温度下反应速率常数为0.08 0.08 ，最终转化率为，最终转化率为98.9%98.9%，试按以下条件计，试按以下条件计算苯酚的算苯酚的产量。产量。（1 1）如果反应器为间歇反应器，）如果反应器为间歇反应器，t0=15mint0=15min（2 2）如果是全混流反应器）如果是全混流反应器（3 3）试比较上两问的计算结果）试比较上两问的计算结果（4 4）若过氧化氢异丙苯的浓度增加一倍，其他条）若过氧化氢异丙苯的浓度增加一倍，其他条件不变，结果如何件不变，结果如何n解：（解：（1 1）液相反应，视为恒容）液相反应，视为恒容间歇反应器设计方程间歇反应器设计方程n（2）全混流设计方程n（3 3）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，）说明全混釜的产量小于间歇釜的产量，这是由于全混釜中的反应物的浓度低，反这是由于全混釜中的反应物的浓度低，反应速度慢的原因应速度慢的原因n（4 4）由计算可知，反应为一级，无论间歇）由计算可知，反应为一级，无论间歇反应器还是反应器还是CSTRCSTR，原料处理量不变，体积，原料处理量不变，体积不变。但由于浓度增大一倍，故不变。但由于浓度增大一倍，故C C苯酚苯酚增加增加一倍，产量也增加一倍一倍，产量也增加一倍n二、全混流反应器的热稳定性二、全混流反应器的热稳定性 化学反应的反应热是影响反应器操作状态化学反应的反应热是影响反应器操作状态的另一个因素。当反应器放热强度较大时，往的另一个因素。当反应器放热强度较大时，往往成为影响化学反应过程的关键因素往成为影响化学反应过程的关键因素 对放热反应，当某些外界因素使得反应温对放热反应，当某些外界因素使得反应温度升高时，一般反应速率随之加快。然而反应度升高时，一般反应速率随之加快。然而反应速率增加越大，反应放热速率也越大，使温度速率增加越大，反应放热速率也越大，使温度进一步上升，就可能出现恶性循环。进一步上升，就可能出现恶性循环。n1 1、热稳定性和热平衡、热稳定性和热平衡反应器定态：反应的反应器定态：反应的放热速率放热速率=移热速率移热速率 如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生如果某个短暂的扰动使反应器内的温度产生微小的变化则出现两种情况微小的变化则出现两种情况一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称一是反应温度会自动返回原来的平衡状态，此时称该反应器是热稳定的，或有自衡能力该反应器是热稳定的，或有自衡能力另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为另一种是该温度将继续上升直到另一个平衡状态为止，则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力止，则称此反应器是不稳定的，或无自衡能力 所以平衡和稳定是两个不同的概念：平衡有所以平衡和稳定是两个不同的概念：平衡有2 2种：种：稳定的平衡稳定的平衡和和不稳定不稳定的平衡的平衡n一般来说，热稳定性条件要比热平衡条件苛一般来说，热稳定性条件要比热平衡条件苛刻的多，热平衡只要求移热速率等于放热速刻的多，热平衡只要求移热速率等于放热速率，因此可采用很大的传热温差，减少必徐率，因此可采用很大的传热温差，减少必徐的换热面，从而简化了反应器的结构。而热的换热面，从而简化了反应器的结构。而热稳定性条件则给传热温差以限制，要求传热稳定性条件则给传热温差以限制，要求传热温差小于某个规定值，因而增加了所需的传温差小于某个规定值，因而增加了所需的传热面积，使反应器结构复杂化。热面积，使反应器结构复杂化。n2 2、全混流反应器的多态、全混流反应器的多态全混流反应器，一级不可逆液相单一放热反应全混流反应器，一级不可逆液相单一放热反应 设体积为设体积为V VR R,进料体积流率为进料体积流率为V V0 0,反应混合物温反应混合物温度为度为T,T,反应物浓度为反应物浓度为C CA A，进料浓度，进料浓度C CA0A0，进料温，进料温度为度为T T0 0，冷却介质的温度为，冷却介质的温度为T TC C。由前述，。由前述，反应器中单位时间的放热量，即反应器中单位时间的放热量，即放热速率放热速率为为n反应器的移热速率为通过器壁传走的热量和反应器的移热速率为通过器壁传走的热量和进料物料升温所需热量之和。即：进料物料升温所需热量之和。即：nK K为反应器与冷却介质间传热总系数；为反应器与冷却介质间传热总系数；F F为器为器壁传热面积，壁传热面积，为反应物料密度，为反应物料密度，c cp p为单位质为单位质量反应物料等压热容。量反应物料等压热容。平衡时，稳定时平衡时，稳定时，有，有n放热速率与反应温度放热速率与反应温度T T呈指数型变化关系（忽略反应焓随温呈指数型变化关系（忽略反应焓随温度的变化）。在度的变化）。在低温下低温下操作时，反应速率很操作时，反应速率很慢慢，反应物浓度，反应物浓度变化很小，放热速率很低，当温度变化很小，放热速率很低，当温度升高到某一数值升高到某一数值时，反应时，反应速率开始随温度升高速率开始随温度升高指数上升指数上升；高温下操作时反应速率常数；高温下操作时反应速率常数k k虽然很大，但出口反应转化率已经接近虽然很大，但出口反应转化率已经接近1 1，此时放热速率几，此时放热速率几乎乎不再随温度升高而增大不再随温度升高而增大，曲线在，曲线在高温时趋于平坦高温时趋于平坦nTnQn如果略去反应过程中反应物料的密度、如果略去反应过程中反应物料的密度、黏度、热容等物性参数随温度的变化，黏度、热容等物性参数随温度的变化，则则Q QC C与与T T成线性关系成线性关系。nQnTn0n在在Q QR R曲线与曲线与Q QC C直线的交点处，直线的交点处，Q QR R=Q=QC C，此，此时反应器的放热速率与移热速率相等，达时反应器的放热速率与移热速率相等，达到了热平衡，因此交点就是系统的操作状到了热平衡，因此交点就是系统的操作状态点。根据不同的操作参数，两曲线的交态点。根据不同的操作参数，两曲线的交点可能有三个、两个或一个，这种有多点可能有三个、两个或一个，这种有多个个交点的现象交点的现象称为反应器的称为反应器的多态多态，多态操作，多态操作点具有不同的特征。点具有不同的特征。nT TnQ QnTaTanTbTb b Tc Tdb Tc TdnTeTen1 2 3 41 2 3 4n5 5n6 6n7 8 97 8 9n A B C D E A B C D EnQ QR Rn1919称为定常态操作点称为定常态操作点n3 3、物料进口温度（、物料进口温度（T T0 0）和进料流量（）和进料流量（V V0 0）对全）对全混釜热稳定性的影响和混釜热稳定性的影响和“起燃与熄火起燃与熄火”（1 1）改变物料进口温度（）改变物料进口温度（T T0 0）其他参数保持不变而逐渐改变进料温度，则放热其他参数保持不变而逐渐改变进料温度，则放热曲线曲线Q QR R 不变不变，而移热曲线而移热曲线Q QC C 平行位移。平行位移。不同温度下的进料导致移热曲线不同温度下的进料导致移热曲线Q QC C 与放热曲线与放热曲线Q QR R有不同的交点，这些操作点具有不同的特征有不同的交点，这些操作点具有不同的特征。nT TnQ QnTaTanTbTb b Tc Tdb Tc TdnTeTen1 2 3 41 2 3 4n5 5n6 6n7 8 97 8 9n A B C D E A B C D EnQ QR Rn1919称为定常态操作点称为定常态操作点nTnQn7 7nQ QR RnQcQcn无论温度在无论温度在7 7点附近有所升高或点附近有所升高或降低，系统都能自动回复到降低，系统都能自动回复到7 7点，点，这时系统具有热自衡能力，这时系统具有热自衡能力，7 7点点称为热稳定的状态点称为热稳定的状态点n3n3 3点也具有同样的性质点也具有同样的性质n5 5n5 5点是非热点是非热稳定稳定n1 1点，点，2 2点和点和3 3点一样，也是热稳定的状态点，点一样，也是热稳定的状态点，但因为转化率太低，都是不期望的状态点，但因为转化率太低，都是不期望的状态点，8 8点和点和9 9点与点与7 7点一样也都是热稳定的状态点，点一样也都是热稳定的状态点，但但9 9点的反应温度太高，是否涉及其它的制点的反应温度太高，是否涉及其它的制约条件，如不利于热性物料，待考虑约条件，如不利于热性物料，待考虑nTnQn4n8nQ QR RnQcQcnTdTdn到到4 4点时进料温度点时进料温度稍有增加，反应器稍有增加，反应器内温度将迅速增至内温度将迅速增至热稳定操作点热稳定操作点8 8。点点4 4是不稳定的状是不稳定的状态点，把这种反应态点，把这种反应器内器内不连续温度突不连续温度突变现象变现象称为起称为起燃燃n4 4点称为点称为起燃点起燃点或或着火点着火点n点点6 6，存在与刚才起燃点相类似的情况，温，存在与刚才起燃点相类似的情况，温度骤降至点度骤降至点2 2的稳定状态点突变现象称为的稳定状态点突变现象称为“熄火熄火”，点，点6 6称为熄火点称为熄火点n（2 2）改变进料流量）改变进料流量V V0 0nTnQnQ QR RnQcQcn例：某一级不可逆液相放热反应在例：某一级不可逆液相放热反应在绝热绝热全混釜全混釜中进行，反应混合物体积流量中进行，反应混合物体积流量其中反应物其中反应物A A的浓度的浓度 进料及反应器进料及反应器中反应混合物密度中反应混合物密度 在反应过程中保持不变，反应器容积在反应过程中保持不变，反应器容积V VR R=18L=18L，反应热反应热 反应速率反应速率 若进料温度为若进料温度为25C25C，反应过程中上升至，反应过程中上升至185C185C，试求操作状态点温度和相应的转化率，试求操作状态点温度和相应的转化率n解解：n移热速率：由于是绝热操作，只是物料升温移热速率：由于是绝热操作，只是物料升温需要的热量，无传走的热量需要的热量，无传走的热量n要求要求Q QR R=Q=QC C将将T T由由25C25C，反应过程中上升至，反应过程中上升至185C185C每间每间隔隔20C20C计算的结果列表计算的结果列表T/KT/K 298298318318338338358358378378398398418418438438458458Q QR RJ/sJ/s481.6481.62248224876727672176481764826704267043192431924342363423635200352003562035620Q QC CJ/sJ/s0 04800480096009600144001440019200192002400024000288002880033600336003840038400nQR-TQR-T曲线为曲线为S S型曲线，型曲线，QC-TQC-T曲线为直线，两曲线为直线，两线相交于三点。由试差法可得线相交于三点。由试差法可得n低转化率、热稳定操作点低转化率、热稳定操作点 T=300.4KT=300.4K 中转化率、非热稳定操作点中转化率、非热稳定操作点 T=346KT=346K 高转化率、热稳定操作点高转化率、热稳定操作点 T=444KT=444Kn相应各点的转化率相应各点的转化率由由T=300.4KT=300.4KX XA A=0.0161=0.0161T=346KT=346KX XA A=0.365=0.365T=444KT=444KX XA A=0.982=0.982n4 4、单一可逆放热反应、单一可逆放热反应若反应为可逆，则由于化学平衡的限制，高温若反应为可逆，则由于化学平衡的限制，高温下反应速率下降，全混釜反应器的下反应速率下降，全混釜反应器的Q QR R曲线也曲线也随之下降，有一极大值。随之下降，有一极大值。nQRnanbn此时最好选择在此时最好选择在Q QR R曲线最高点附近的热稳定的状态点为操作点曲线最高点附近的热稳定的状态点为操作点b b，c c点平衡转化率低于点平衡转化率低于b bnQCnCn习题习题3-53-5在在CSTRCSTR中进行液相反应，中进行液相反应，在在120C120C时，反应速率时，反应速率反应器体积反应器体积100ml100ml，两股进料流，两股进料流同时等流量同时等流量进进入反应器，一股含入反应器，一股含A3.0mol/LA3.0mol/L，另一股含，另一股含B2.0mol/LB2.0mol/L，当，当B B的的转化率为转化率为80%80%时，每股料时，每股料液流量多少？液流量多少？n解：可逆反应解：可逆反应n第三节、连续流动均相管式反应器第三节、连续流动均相管式反应器（PFRPFR）Plug Flow Reactor or Piston Flow Plug Flow Reactor or Piston Flow Reactor Reactor 一、平推流反应器特点一、平推流反应器特点平推流反应器是指物料的流动状况符合平推平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该反应器称为平推流反应器，常用流模型，该反应器称为平推流反应器，常用PFRPFR表示。表示。平推流模型是一种理想流动模型，所以平推平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是一种理想反应器。流反应器是一种理想反应器。n 实际反应器中物料的流动，只能以不同实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。平推流模型（平推流模型（PFRPFR）模型特点模型特点 a a：物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方：物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；向连续变化；b b：垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相：垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化；同，反应速率只随轴向变化；c c：沿流动方向的截面间不相混合；：沿流动方向的截面间不相混合；D D：任一截面上的质点的年龄相同；质点的寿命任一截面上的质点的年龄相同；质点的寿命相同；相同；E E：返混返混0,0,不同年龄的质点不相混合。不同年龄的质点不相混合。适用范围适用范围管式反应器：管式反应器：L/DL/D较大，流速比较大。较大，流速比较大。产物产物n 在工业中也经常普遍使用这种管式反应器，在工业中也经常普遍使用这种管式反应器，在管式反应器（在管式反应器（PFRPFR）中，当反应物料沿反）中，当反应物料沿反应器长度流动时被连续地消耗，浓度沿轴向应器长度流动时被连续地消耗，浓度沿轴向变化，反应速率（零级除外）也在轴向连续变化，反应速率（零级除外）也在轴向连续变化。在定常态下操作，参数不随时间而变。变化。在定常态下操作，参数不随时间而变。n二、微元法推导二、微元法推导PFRPFR的数学模型的数学模型1 1、摩尔衡算法、摩尔衡算法n为了推导为了推导PFRPFR的设计方程，概念性的把反应器分的设计方程，概念性的把反应器分成一些子体系，在每个体积为成一些子体系，在每个体积为 的子体系中，的子体系中，反应速率可被认为是空间均一的（足够小）。任反应速率可被认为是空间均一的（足够小）。任选距反应器入口为选距反应器入口为y y处的子系统上处的子系统上。n在空间均一的子系统在空间均一的子系统 内有，内有，n稳态操作