华东理工大学化学反应工程本.pptx

化学反应工程化学反应工程阶段辅导阶段辅导（2）连续流动釜式反应器的特点，可归结为：连续流动釜式反应器的特点，可归结为：(1)(1)反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。器出口物料的浓度和温度。(2)(2)物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。停留时间物料的混合，即返混程度最大。(3)(3)反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。间变化，从而不存在时间这个自变量。CSTR 特点特点连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器(CSTR)(CSTR)CSTR的基本运算的基本运算基本方程（等温等容）基本方程（等温等容）进入进入=流出流出+反应掉反应掉+积累积累空时空时PFR中中集中参数集中参数代数式代数式分布参数分布参数取微元积分取微元积分需记忆积分结果需记忆积分结果由基本方程导出由基本方程导出图解法图解法比较比较xA越大，相差越大越大，相差越大n=1n=2n越大，相差越大越大，相差越大管式循环反应器特征：管式循环反应器特征：循环反应器形式上是一个管式反应器，只是把反应器循环反应器形式上是一个管式反应器，只是把反应器出口流中一部分循环返回到反应器的进口。表征循环出口流中一部分循环返回到反应器的进口。表征循环反应器特性的一个重要参数是循环比反应器特性的一个重要参数是循环比R R，它是表示循，它是表示循环物料的流量与离开反应系统的流量之比：环物料的流量与离开反应系统的流量之比：循环比循环比循环反应器计算循环反应器计算对小系统，是对小系统，是PFR：对大系统：对大系统：所以：所以：返混的分析讨论返混的分析讨论返混是连续化过程的伴生结果返混是连续化过程的伴生结果Batch ReactorBatch ReactorCSTR CSTR 返混返混重要的工程因素重要的工程因素返混与反应器型式无关，与操作方式有关。返混与反应器型式无关，与操作方式有关。间歇反应釜间歇反应釜连续连续CSTRCSTR管式管式PFRPFR循环管式反应器循环管式反应器理想，无返混理想，无返混存在返混存在返混返混的起因返混的起因 a.a.空间上的反向流动空间上的反向流动（狭义）（狭义）如搅拌造成的主体流动、对流、分子扩散、涡流扩散等；如搅拌造成的主体流动、对流、分子扩散、涡流扩散等；b.b.不均匀的速度分布不均匀的速度分布（广义）（广义）如管内层流流动时的抛物线速度分布（湍流流动速度分如管内层流流动时的抛物线速度分布（湍流流动速度分布比层流均匀，但仍有不均匀性）、反应器中的死区、沟布比层流均匀，但仍有不均匀性）、反应器中的死区、沟流、短路都会造成严重的速度分布不均匀。流、短路都会造成严重的速度分布不均匀。狭义返混专指前者，广义返混则包括后者。狭义返混专指前者，广义返混则包括后者。两者的共同点是都会造成停留时间不同的物料之间的两者的共同点是都会造成停留时间不同的物料之间的混合。混合。返混的结果返混的结果a.a.反应物浓度降低，产物浓度升高反应物浓度降低，产物浓度升高浓度均匀化浓度均匀化b.b.造成反应器内停留时间分布（下一章）造成反应器内停留时间分布（下一章）若若 n=1n=1，x xA A=0.99=0.99，r/rr/r0 0=1/100=1/100 n=2 n=2，x xA A=0.99=0.99，r/rr/r0 0=1/10000=1/10000低浓度，低反应速率低浓度，低反应速率存在分布存在分布返混返混反应物浓度普遍下降反应物浓度普遍下降产物浓度普遍上升产物浓度普遍上升反应速率反应速率反应选择性反应选择性返混对反应结果的影响返混对反应结果的影响返混改变了理想反应器中的浓度分布返混改变了理想反应器中的浓度分布集中参数集中参数工程因素工程因素动力学因素动力学因素反应工程理论思维方法反应工程理论思维方法混合与返混混合与返混间歇间歇同样经历（相同性质、相同浓度）的物料之间的混合同样经历（相同性质、相同浓度）的物料之间的混合连续连续不同经历（不同性质、不同浓度）的物料之间的混合不同经历（不同性质、不同浓度）的物料之间的混合是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，称为返混是不同时刻进入反应器的物料之间的混合，称为返混返混返混反应物浓度反应物浓度C CA A产物浓度产物浓度 C CP P反反应应结结果果简单简单 -r-rA A 不利不利可逆可逆 -r-rA A 不利不利 低低x xA A -r-rA A 有利有利自催化自催化 中中x xA A -r-rA A 相当相当 高高x xA A -r-rA A 不利不利 n n1 1nn2 2 不利不利平行平行 n n1 1n1,上凹上凹，混合不利混合不利n=1,线性，线性，无影响无影响n1,下凹，下凹，混合有利混合有利C1C2停留时间分布的应用停留时间分布的应用判断返混程度的大小判断返混程度的大小固相、凝聚态计算固相、凝聚态计算对平推流反应器，对平推流反应器，对全混流反应器，对全混流反应器，对于一般流型反应器，对于一般流型反应器，当当 接接近近于于零零时，可作平推流处理；接近于时，可作平推流处理；接近于1 1时，可作全混流处理时，可作全混流处理流型判断流型判断存在死区存在死区拖尾拖尾A.死区死区反应器中流体流动极反应器中流体流动极慢以至于几乎不流动的区域，也慢以至于几乎不流动的区域，也称滞留区。称滞留区。多峰响应多峰响应循环流循环流B.管式反应器等的外循环和釜式管式反应器等的外循环和釜式反应器、流化床等的内循环反应器、流化床等的内循环双峰现象双峰现象沟流与短路沟流与短路C.在固定床反应器、填料塔在固定床反应器、填料塔和滴流床反应器中，由于催和滴流床反应器中，由于催化剂装填不均匀，化剂装填不均匀，D.不均匀的速度分布不均匀的速度分布 层流反应器内的速度分布呈层流反应器内的速度分布呈现抛物线分布，其停留时间分现抛物线分布，其停留时间分布密度函数为：布密度函数为：层流反应器层流反应器确定反应器的模型参数确定反应器的模型参数理想流动反应器模型：理想流动反应器模型：PFRPFR模型模型CSTRCSTR模型模型非理想流动反应器模型：非理想流动反应器模型：轴向扩散模型轴向扩散模型多釜串连模型多釜串连模型例例等体积等体积PFR与与CSTR串连，串连，画出反应器组合系统的画出反应器组合系统的RTD曲线曲线t如果如果t简单反应过程反应器型式的比较简单反应过程反应器型式的比较三种反应器基本类型三种反应器基本类型间歇反应器（间歇反应器（BSTR）平推流反应器（平推流反应器（PFR）连续搅拌釜式反应器（连续搅拌釜式反应器（CSTR）优化目标：反应速率优化目标：反应速率(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)编号连接方式总转化率A两个CSTR并联0.667B两个CSTR串联0.75CPFR串联CSTR0.816DCSTR串联PFR0.816E两个PFR并联0.865F两个PFR串联0.865G CSTR与PFR并联0.766CSTR比比PFR优优转化率较低时转化率较低时0自催化反应过程的优化自催化反应过程的优化 PFR 与与CSTR相当相当 PFR 比比CSTR优优转化率较高时转化率较高时0转化率中等时转化率中等时0自催化反应的操作优化：自催化反应的操作优化：可逆反应过程的浓度效应可逆反应过程的浓度效应特征：特征：平衡平衡一级可逆反应分析一级可逆反应分析 一级一级 可逆反应速率表达式可逆反应速率表达式热力学热力学动力学动力学浓度效应：浓度效应：T不变，不变，K不变，不变，表明：可逆反应速率的浓度效应和简单反应相同，随反应表明：可逆反应速率的浓度效应和简单反应相同，随反应物的浓度增加，反应速率单调增加。因此，在设计和操作物的浓度增加，反应速率单调增加。因此，在设计和操作中，任何使反应器中反应物浓度降低的工程因素都是不利中，任何使反应器中反应物浓度降低的工程因素都是不利的，应予避免。的，应予避免。为提高反应速率，可通过改变可逆反应的平衡状态为提高反应速率，可通过改变可逆反应的平衡状态得到，即从反应混合物中不断移去产物，有利于反应向生得到，即从反应混合物中不断移去产物，有利于反应向生成产物方向进行。如果产物是易挥发的，则可以从反应器成产物方向进行。如果产物是易挥发的，则可以从反应器中将产物蒸出，有利于反应的完全进行。中将产物蒸出，有利于反应的完全进行。对双组分可逆反应：对双组分可逆反应：如果如果A A是比是比B B更贵重的物料，鉴于可逆反应速率和反应转化更贵重的物料，鉴于可逆反应速率和反应转化率受平衡限制，为提高物料率受平衡限制，为提高物料A A的利用率和加快反应速率，的利用率和加快反应速率，可以采用物料可以采用物料B B过量的措施是极为有效的。若该反应的平过量的措施是极为有效的。若该反应的平衡常数为衡常数为1 1，在，在A A和和B B的初浓度均为的初浓度均为1mol/l1mol/l时，反应的平衡时，反应的平衡转化率为转化率为0.50.5，而同样反应条件下，仅把，而同样反应条件下，仅把B B的初浓度提高为的初浓度提高为2mol/l2mol/l，此时物料，此时物料A A的平衡转化率提高为的平衡转化率提高为0.670.67。平行反应的优化平行反应的优化平行反应的浓度效应平行反应的浓度效应浓度升高有利于级数高的反应浓度升高有利于级数高的反应优化目标：优化目标：CPf 或或Ca f CA 0 CACAf CA0CAf CA0CSTR比比PFR优优PFR比比CSTR优优平行反应的加料方式平行反应的加料方式间歇操作间歇操作:连续操作连续操作设各步反应均为一级设各步反应均为一级串联反应过程的优化串联反应过程的优化浓度效应：浓度效应：任何使串连反任何使串连反应的反应物浓度下降、产应的反应物浓度下降、产物浓度上升的因素，对串物浓度上升的因素，对串连反应总是不利的连反应总是不利的t1串连反应的最大收率串连反应的最大收率PFRCSTR串连反应的最大收率串连反应的最大收率 PFRCSTR最优反应时间最优反应时间解：解：最大收率最大收率最优转化率最优转化率自测题自测题选择题选择题