華東理工大學化學反應工程本

華東理工大學化學反應工程本第1頁/共69頁連續(xù)流動釜式反應器的特點，可歸結(jié)為：反應器中物料濃度和溫度處處相等，并且等于反應器出口物料的濃度和溫度。物料質(zhì)點在反應器內(nèi)停留時間有長有短，存在不同停留時間物料的混合，即返混程度最大。(3)反應器內(nèi)物料所有參數(shù)，如濃度、溫度等都不隨時間變化，從而不存在時間這個自變量。CSTR特點連續(xù)流動釜式反應器(CSTR)第2頁/共69頁CSTR的基本運算基本方程（等溫等容）進入=流出+反應掉+積累空時PFR中集中參數(shù)—代數(shù)式分布參數(shù)—取微元積分第3頁/共69頁需記憶積分結(jié)果

由基本方程導出第4頁/共69頁圖解法第5頁/共69頁第6頁/共69頁比較xA越大，相差越大n=1n=2n越大，相差越大第7頁/共69頁第8頁/共69頁第9頁/共69頁第10頁/共69頁管式循環(huán)反應器特征：循環(huán)反應器形式上是一個管式反應器，只是把反應器出口流中一部分循環(huán)返回到反應器的進口。表征循環(huán)反應器特性的一個重要參數(shù)是循環(huán)比R，它是表示循環(huán)物料的流量與離開反應系統(tǒng)的流量之比：循環(huán)比第11頁/共69頁循環(huán)反應器計算對小系統(tǒng)，是PFR：對大系統(tǒng)：所以：第12頁/共69頁返混的分析討論⑴返混是連續(xù)化過程的伴生結(jié)果BatchReactorCSTR返混—重要的工程因素⑵返混與反應器型式無關，與操作方式有關。間歇反應釜連續(xù)CSTR管式PFR循環(huán)管式反應器理想，無返混存在返混第13頁/共69頁⑶返混的起因

a.空間上的反向流動（狹義）如攪拌造成的主體流動、對流、分子擴散、渦流擴散等；

b.不均勻的速度分布（廣義）如管內(nèi)層流流動時的拋物線速度分布（湍流流動速度分布比層流均勻，但仍有不均勻性）、反應器中的死區(qū)、溝流、短路都會造成嚴重的速度分布不均勻。狹義返混專指前者，廣義返混則包括后者。兩者的共同點是都會造成停留時間不同的物料之間的混合。

第14頁/共69頁⑷返混的結(jié)果

a.反應物濃度降低，產(chǎn)物濃度升高—濃度均勻化

b.造成反應器內(nèi)停留時間分布（下一章）若n=1，xA=0.99，r/r0=1/100n=2，xA=0.99，r/r0=1/10000低濃度，低反應速率存在分布第15頁/共69頁返混反應物濃度普遍下降產(chǎn)物濃度普遍上升反應速率反應選擇性⑹返混對反應結(jié)果的影響返混改變了理想反應器中的濃度分布→集中參數(shù)工程因素動力學因素反應工程理論思維方法⑸混合與返混間歇—同樣經(jīng)歷（相同性質(zhì)、相同濃度）的物料之間的混合連續(xù)—不同經(jīng)歷（不同性質(zhì)、不同濃度）的物料之間的混合 是不同時刻進入反應器的物料之間的混合，稱為返混第16頁/共69頁返混反應物濃度CA↓產(chǎn)物濃度CP↑反應結(jié)果簡單 -rA↓不利可逆 -rA↓不利 低xA -rA↑

有利自催化中xA -rA~

相當 高xA -rA↓不利

n1>n2β↓

不利平行

n1<n2β↑

有利串聯(lián) β↓

不利第17頁/共69頁

對反應有影響生產(chǎn)能力下降定態(tài)操作，容易控制，穩(wěn)定間歇—非定態(tài)⑺連續(xù)≠強化⑻放大過程中的返混影響工程因素與尺寸有關小試PFR→中試（流動狀態(tài)和返混程度的變化）濃度效應→決定返混的利弊⑼返混程度由冷模試驗確定 方法：停留時間分布的測定 設備：大型冷模裝置—模擬物料，大設備第18頁/共69頁⑽改善措施有利—強化（攪拌、循環(huán)操作…）不利—限制（橫向分割、縱向分割）或填料多孔板空塔第19頁/共69頁⑾多釜串聯(lián)反應器…1 2 3 N第20頁/共69頁含義：同時進入反應器的物料，在出口流體中停留時間介于t→t+dt之間的物料所占總物料的百分率（分率）應為停留時間分布密度函數(shù)歸一性—停留時間分布密度函數(shù)響應示蹤第21頁/共69頁停留時間分布函數(shù)—停留時間分布函數(shù)含義：同時進入反應器的物料，在出口流體中停留時間小于t的物料所占總物料的百分率（分率）。第22頁/共69頁RTD的數(shù)字特征數(shù)學期望—物料的平均停留時間對PFR、CSTR，等容時，方差—意義：RTD對的偏離程度有偏離無偏離第23頁/共69頁若 表示以為時標時的方差，則根據(jù)定義：可以推知， 對平推流反應器，對全混流反應器， ，對于一般流型反應器， ，當接近于零時，可作平推流處理；接近于1時，可作全混流處理。對比時間（無因次時間）第24頁/共69頁PFR的停留時間分布：CSTR中的停留時間分布0.632第25頁/共69頁第26頁/共69頁連續(xù)流動反應器中的考察方法：均相-反應器固相-反應物料考察對象→考察方法CSTR連續(xù)均相微團之間完全混合CSTR

連續(xù)液液非均相微團之間部分混合只能判斷不能計算反應器操作方式相態(tài)混合狀態(tài)返混程度處理方法CSTR連續(xù)固相微團之間完全不混可以計算第27頁/共69頁固相加工反應的計算第28頁/共69頁滴際混合對反應的影響濃度參數(shù)的分布性對反應影響函數(shù)平均值參數(shù)平均值的函數(shù)值C1C2液滴n>1,上凹， 混合不利n=1,線性， 無影響n<1,下凹， 混合有利C1C2第29頁/共69頁停留時間分布的應用⑴判斷返混程度的大?、乒滔?、凝聚態(tài)計算對平推流反應器，對全混流反應器， ，對于一般流型反應器， ，當接近于零時，可作平推流處理；接近于1時，可作全混流處理第30頁/共69頁⑶流型判斷存在死區(qū)拖尾A.死區(qū)——反應器中流體流動極慢以至于幾乎不流動的區(qū)域，也稱滯留區(qū)。多峰響應循環(huán)流B.管式反應器等的外循環(huán)和釜式反應器、流化床等的內(nèi)循環(huán)第31頁/共69頁雙峰現(xiàn)象溝流與短路C.在固定床反應器、填料塔和滴流床反應器中，由于催化劑裝填不均勻，D.不均勻的速度分布層流反應器內(nèi)的速度分布呈現(xiàn)拋物線分布，其停留時間分布密度函數(shù)為：層流反應器第32頁/共69頁⑷確定反應器的模型參數(shù)理想流動反應器模型：PFR模型CSTR模型非理想流動反應器模型：軸向擴散模型多釜串連模型第33頁/共69頁[例] 等體積PFR與CSTR串連， 畫出反應器組合系統(tǒng)的RTD曲線t如果t第34頁/共69頁簡單反應過程反應器型式的比較三種反應器基本類型間歇反應器（BSTR）平推流反應器（PFR）連續(xù)攪拌釜式反應器（CSTR）優(yōu)化目標：反應速率第35頁/共69頁(a) (b) (c)(d) (e) (f)(g) 第36頁/共69頁第37頁/共69頁第38頁/共69頁第39頁/共69頁編號連接方式總轉(zhuǎn)化率A兩個CSTR并聯(lián)0.667B兩個CSTR串聯(lián)0.75CPFR串聯(lián)CSTR0.816DCSTR串聯(lián)PFR0.816E兩個PFR并聯(lián)0.865F兩個PFR串聯(lián)0.865GCSTR與PFR并聯(lián)0.766第40頁/共69頁∴CSTR比PFR優(yōu)轉(zhuǎn)化率較低時0自催化反應過程的優(yōu)化第41頁/共69頁∴PFR與CSTR相當∴PFR比CSTR優(yōu)轉(zhuǎn)化率較高時0轉(zhuǎn)化率中等時0第42頁/共69頁自催化反應的操作優(yōu)化：第43頁/共69頁可逆反應過程的濃度效應特征：平衡一級可逆反應分析一級可逆反應速率表達式熱力學動力學第44頁/共69頁濃度效應：T不變，K不變，表明：可逆反應速率的濃度效應和簡單反應相同，隨反應物的濃度增加，反應速率單調(diào)增加。因此，在設計和操作中，任何使反應器中反應物濃度降低的工程因素都是不利的，應予避免。 為提高反應速率，可通過改變可逆反應的平衡狀態(tài)得到，即從反應混合物中不斷移去產(chǎn)物，有利于反應向生成產(chǎn)物方向進行。如果產(chǎn)物是易揮發(fā)的，則可以從反應器中將產(chǎn)物蒸出，有利于反應的完全進行。第45頁/共69頁對雙組分可逆反應：

如果A是比B更貴重的物料，鑒于可逆反應速率和反應轉(zhuǎn)化率受平衡限制，為提高物料A的利用率和加快反應速率，可以采用物料B過量的措施是極為有效的。若該反應的平衡常數(shù)為1，在A和B的初濃度均為1mol/l時，反應的平衡轉(zhuǎn)化率為0.5，而同樣反應條件下，僅把B的初濃度提高為2mol/l，此時物料A的平衡轉(zhuǎn)化率提高為0.67。第46頁/共69頁第47頁/共69頁平行反應的優(yōu)化平行反應的濃度效應

濃度升高有利于級數(shù)高的反應優(yōu)化目標：CPf

或ΦCafCA0CA第48頁/共69頁βCAfCA0βCAfCA0CSTR比PFR優(yōu)PFR比CSTR優(yōu)第49頁/共69頁平行反應的加料方式間歇操作:第50頁/共69頁連續(xù)操作第51頁/共69頁設各步反應均為一級串聯(lián)反應過程的優(yōu)化濃度效應：任何使串連反應的反應物濃度下降、產(chǎn)物濃度上升的因素，對串連反應總是不利的βt1第52頁/共69頁串連反應的最大收率PFRCSTR第53頁/共69頁串連反應的最大收率 PFRCSTR第54頁/共69頁最優(yōu)反應時間解：最大收率最優(yōu)轉(zhuǎn)化率第55頁/