第四章 理想流动反应器
第一节 流动模型概述
反应器选型、 设计和优化
数学 模型
反应器中的 流动状况影 响反应结果
流动 模型
对实际过程 的简化
建立模型的 基本方法
理想 模型
非理想 模型
理想气体 状态方程
间歇反应器 连续流动反应器
(a)
平推流反应器 全混流反应器
完全没有返混
(b)
返混极大 (c)
•间歇搅拌反应器 Batch Stirred Tank Reactor (BSTR) 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；
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；
2. 径向速度均匀，径向也不存在浓度分 布；
3. 反应物料具有相同的停留时间。
• 全混流反应器 Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
连续搅拌槽式反应器 或理想混合反应器
假设：反应物料以稳定流量流入反应 器，在反应器中，刚进入的新鲜物料 与存留在反应器中的物料瞬间达到完 全混合。
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。
•年龄
反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间； 是对仍留在反应器中的物料质点而言的。
•寿命
反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间； 是对已经离开反应器的物料质点而言的。
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
物料衡算方程
某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积
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
平推流反应器
一. 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；
第二节 理想流动反应器
间歇反应器
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。
优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的
t
间歇反应器中的单反应
反应速率
t CA dCA
CA0
rA
rA=kCA
kt ln CA0 CA
rA=kCA2
11 kt
CA CA0
t CA0
xAf 0
dxA rA
kt ln 1 1 xA
C
A0k
t
1
x
A
xA
间歇反应器中的单反应
间歇反应器中的单反应
1. k的影响 k增大(温度升高）→t减少→反应体积减小
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。
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 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
• 平推流反应器 Piston Flow Reactor (PFR)
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
反应器特性分析
BSTR
PFR
1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口)
2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处)
3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口)
4返混 全无返混
全无返混
CSTR
连续加料(入口) 年龄不同 寿命不同(出口) 返混极大
量
反应单元
流入 反应消耗 流出
累积
反应器
反应单元 流入量 流出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应量
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √
反应器设计的基本方程
热量衡算方程
带入的热焓=带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量
反应单元
带入
反应热 带出
产品生产
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
间歇反应器的数学描述
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
rAV
dnA dt
nA0
dxA dt
( nA
nA0 (1 xA ))
t nA0
V
xAf 0
• 偏离全混流的情况
死角
短路
搅拌造成 的再循环
非理想流动模型
• 流动状况对化学反应的影响 ----- 由物料停留时间不同所造成
短路、沟流
停留时间减少
转化率降低
死区、 再循环
停留时 间过长
A+B→P：有效反应体积减少 A+B→P→S 产物P减少
→ 停留时间的不均
反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
t CA0
xAf dxA 0 rA
CA dCA
CA0
rA
等容过程，液相反应
间歇反应器的数学描述
• 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t’) 反应体积VR是指反应物料在反应器中所占的体积 VR=V(t+t’)
1/rA —xA
t/CA0
1/rA —CA
反应器特性分析
浓度分布 ------ 推动力
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
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
截面上流 速不均匀
沟流、短路：填 料或催化剂装填 不均匀
非理想流动模型
累积
传给环境
反应器
反应单元 带入量 带出量
间歇式 整个反应器 0
0
平推流(稳态) 微元长度
√
√
全混釜(稳态) 整个反应器 √
√
非稳态
√
√
反应热
√
√ √ √
累积量
√
0 0 √
反应器设计的基本方程
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大 时，需要考虑压降对反应 的影响，需进行动量衡算。 但有时为了简化计算，常 采用估算法。