3.4.1 平行反应特性与反应器选型
甲苯硝化生成邻位\对位\间位硝基苯,如何获得 最大限度获得目的产品?
• 1 目的产物的选择性 • 在复合反应中,反应器中的流动状况影响反应器体积的确定,
同时对反应产品分布造成影响.
平行反应: a1A b1B k1 pP(目的产物）
rA!
a1
k1C
n1 A
C m1 B
N个平推流反应器串联,总体积VR与一个具有体积VR的 单个平推流反应器所能获得的转化率相同
3.3.5理想反应器的混合组合
下图 全混流反应器+平推流反应器+全混流反应器
理想流动反应器的组合
工业生产中的应用 某个真实反应器的模型
反应器体积相同，一级不可逆反应
a．两个全混流并联 b. 两个全混流串联
平均停留时间 t ：所有微元体从反应器入口到出口所经历时 间的平均时间。
5 空间时间τ：定义为反应器有效体积 VR与流体特征体积 流率v0 之比值 VR
V0
V0为特征体积流率，是反应器入口温度及入口压力下的 体积流率。人为规定的。
3.1.2非理想流动模型
偏离平推流的情况
漩涡运动：涡流、 湍动、碰撞填料
第三章
理想流动反应器
武汉工业学院 化学与环境工程院
胡廷平
内容概要
3.1 流动模型概述 3.2等温理想流动反应器的设计与分析 3学时
间歇反应器 全混流反应器 平推流反应器 3.3理想反应器的组合设计 1学时 3.4反应器型式及操作评选 2学时
3.1 流动模型概述
3.1.1理想流动模型
间歇过程反应器
▲平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)
活塞流模型或理想置换模型
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反 应器中平行地像气缸活塞一样向前移动。
特点：着物料的流动方向，物料的温度、 浓度不断变化;
垂直于物料流动方向的任一截面上物料的 所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相 同;
3.2等温理想流动反应器的设计
3.2.1 间歇反应器(BR)
特点: 1 由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺 度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排 除了物质传递对反应的影响；
2 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考 虑器内的热量传递问题；
3 物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相 同的反应时间。
i
VR,i V0
CA0 ( xA,i xA,i1) (rA )i
CA,i1 CA,i (rA )i
i
CA,i1 CA,i k CA,i
CA,i 1
CA,i1 1 k i
CA,N CA,1 CA,2 ... CA,N
N
(
1
)
CA0 CA0 CA,1 CA,N 1 i1 1 k i
由于
xA,N
)
g. 平推流并联全混流
CA1 CA0e2k
CA2
CA0
1 2k
CAf
1 2 [CA1
CA2 ]
1 2
[C
e2k
A0
CA0 ]
1 2k
各种组合反应器最终转化率的大小依次为
(e)=(f) > (c) = (d) > (g) > (b) > (a)
3.4 反应器型式与操作方法评选
3.4.1平行反应特性与反应器选型 3.4.2连串反应特性与反应器选型 3.4.3全混流与平推流反应器的比较
1 CA,N CA0
故
xA,N
1
N i 1
1
(
)
1 k i
3.3.2多级平推流反应器的并联
• 若干个相同或不同体积的平推流反应器并联,如 何使最终转化率最大或反应器体积最小?
VR VR1 VR 2 VRN
V0 V01 V02 V0 N
VRi
V C 0i A0 (
xA 0
dxA (rA
反应器流出物料的浓度和温度。
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
V0C A0 V0C A0 (1 xAf ) (rA ) f VR
VR CA0 CA CA0xAf
V0 (rA) f
(rA) f
VR
V0CA0 xAf (rA ) f
进口中已有A
VR
V0CA0 ( xAf xA0 ) (rA ) f
特点：反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，而 且等于反应器出口处的物料性质，物料质点在反应 器中的停留时间参差不齐，有的很长，有的很短， 形成一个停留时间分布。
时间概念：
返混:又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合。
1 年龄和寿命
年龄： 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器内
nA nA0
(SP
)dnA
SP
nA nA0
(SP )dnA
Vcons
nA0 nA
CA CA0
1/rA —xA
t/CA0
1/rA —CA
t
反应速率 rA=kCA rA=kCA2
t CA dCA
CA0
rA
kt ln CA0 CA
11 kt
CA CA0
t CA0
xAf 0
dxA rA
kt ln 1 1 xA
C
A0k
t
1
x
A
xA
1.k的影响
k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
2.反应浓度的 影响
零级反应：t与初浓度CA0正比 一级反应：t与初浓度CA0无关 二级反应：t与初浓度CA0反比
3.残余浓度
零级反应：残余浓度随t直线下降 一级反应：残余浓度随t逐渐下降 二级反应：残余浓度随t慢慢下降
反应后期的速度很小；反应机理的变化
3.2.2 平推流反应器
特点：
1. 连续定态下，各个截面上的各种参数只是 位置的函数，不随时间而变化；
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长 的产品生产 ,适合精细化工产品的生产
缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
对整个反应器进行物料衡算：
0
0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
单位时间内反应量 = 单位时间内消失量
(rA )V
dnA dt
nA0
dxA dt
(
nA
nA0 (1
全混流反应器τ的图解积分
平推流反应器与全混流反应器的比较
3.3 理想反应器的组合设计
• (1)多级全混流反应器的串联与并联 • (2)平推流反应器的并联与串联 • (3)混合组合
3.3.1多级全混流反应器的串联
各级反应体积不同时的串联
对于N个全混流反应器串联时
稳态，恒容
一级反应， m级反应器串联
c.平推流串联全混流
C Af
CA0
1 k VR
CA0 1 2k
V0 / 2
平推流 k VR
CA,i CA,i1e V0
C Af
C A1
1 k VR
V0
C A1
CA0
1 k VR
V0
C Af
CA0
(1 k VR )2
V0
全混流
C A,i
C A,i1
1 k i
CAf
CA1 1 k VR
CA0exp(k
选择合适的反应器型式
反应动力学特性+反应器的流动特征+传递特性
确定最佳的工艺条件
最大反应效果+反应器的操作稳定性 进口物料的配比、流量、反应温度、压力和最终转化率
计算所需反应器体积
规定任务+反应器结构和尺寸的优化
反应器设计的基本方程
化学动力学方程 物料衡算方程 能量衡算方程 动量衡算方程
第二章中讲过 计算反应体积 计算温度变化 计算压力变化
VR V0
)
C
ek
A0
1 k VR
1 k
V0
V0
d.全混流串联平推流
CAf
CA1ek
CA0
e 1
k
k
e. 两个平推流并联
C Af
CA0exp(k
VR V0 /
2
)
CA0exp(2k
)
f. 两个平推流串联
CAf
C
A1exp(k
VR V0
)
C
A0
exp(k
VR V0
)exp(k
VR V0
)
C
A0exp(2k
3.3.4多级平推流反应器的串联
N个平推流反应器的串联操作
VRi
i xi dxA
V0iC A0
C A0
xi1 (rA )
V01 V02 V0i V0 N V0
V R
V0C A0
N
VRi
i1 V 0iC A0
1
V0C A0
N
VRi
i 1
VR VR1 VR 2 VRN
VR V0
C A0
xA dxA 0 (rA )
C A C A0 (1 x A ) dC A C A0 dxA
C A dC A C A0 (rA )
1 (rA )
cA0 (rA )
c A2
c A1
cA
x A1
x A2
xA
平推流反应器图解计算示意图
3.2.3 全混流反应器
特点:反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于
间歇反应器
返混最大
(a)
平推流反应器 完全没有返混 (b)