第三章理想流动反应器详解.ppt

第i个CSTR用转化率表示： xA1 xA2 xA3 xA4 xA 0 或 总容积 m个CSTR串联，m越大，返混程度越小，总容积VR越小， m→∞时，即为PFR。 但m越大，反应器效率越低，m一般为3～5为宜。 根据工艺要求确定m值（串联个数）方法有两个： （1）解析计算法 设一级不可逆等容反应，rA= kCA；第i釜内( rA)i = kiCAi , 接触时间为τi = VRi / V0。于是 整理得 根据转化率关系 如果各釜内反应温度相同， 各釜内反应速率常数相同， 再者，如果各釜的反应容积相同： 因为 此时， 或 如果给出工艺要求的最终残存浓度CAm或转化率xAm，就可以求出所需串联CSTR的个数m。 或 以上解析计算方法用于一级不可逆反应比较方便，对于非一级反应，计算相当繁琐，使用图解法较为方便。 （2）图解法 从理论上讲，图解法可适用于任何动力学表达式的反应。其原理是将本征动力学表示式rA = f（T, CA）与多级CSTR的操作线方程联立求解来确定m 值。 由方程 此式表达了第i釜内反应速率与进料浓度CAi-1、出料浓度CAi、反应接触时间τi 之间的关系。可视为操作线方程。 为直线斜率； 其中 为直线截距。 （本征动力学方程） （操作线方程） 1 2 3 4 确定了斜率 从CA0开始作与f (CA) 相交的直线，交点在CA轴上的垂足为CA1；再以 注意：当各CSTR容积相同时，操作线的斜率相同，各操作线平行；若容积不同时，分别计算操作线斜率。 根据浓度与转化率的关系，还可以将本征动力学方程和操作线方程变成转化率的表示形式。 为斜率，以 CA1为 始点，画第2条操作线交于 f (CA) 线，并确定CA2；如此等等，当CAm ≤ CAf 时即可。 作图方法与前面相同。 如果各CSTR中的反应温度不同，则速率常数不同，对应有不同的f (CA)曲线（如下图所示），所绘操作线要与相应反应温度本征动力学方程的曲线相交。 下图为不同反应温度、不同 CSTR容积的图解示例,其中 1 2 3 4 4 3 2 1 举例： 实验得到磷灰石分解率（转化率）xA与时间t 的关系数据为 在实验室间歇反应器中研究磷灰石与硫酸反应动力学。 99.50 94.62 90.07 77.23 61.24 42.41 25.22 xA 270 210 150 90 60 30 15 t / min 以此数据为依据，设计工业上5个容积相同的CSTR串联反应器。体积流率V0 = 0.667 m3 / min,其它反应条件与实验室反应条件相同，要求分解率达到98%，求各CSTR的容积。 解：首先绘制xA ～ t 图。 经指数拟合得函数为 整理，得 259.5 215.9 172.2 128.6 85.04 41.43 19.62 2.18 dxA/dt (×103 ) 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.99 xA 与 数值 根据数据和公式绘制右图。 因 所以 斜率1/τi = 0.2539，于是 总容积为： 3.多级全混流串联的优化 多级全混流串联后，各CSTR中的转化率增值ΔxA均不相同，当m 确定后，科学地分配各CSTR中的转化率，使得总反应器容积最小，必然涉及到优化问题。对于一级不可逆反应， 总容积为： 单个CSTR的容积为： 为使总容积最小，对上式关于第i级xAi 求导，并令其为零。 对于一级不可逆反应，要想总反应容积VR最小，各CSTR容积应相同。 等式两端同时减1： 通分整理后为 两端同乘以 ， 因为 所以 （ 优化结论 ） 对于非一级不可逆反应，以上结论不适用。 三、全混流反应器的热稳定性 全混流反应器是在定态下操作，反应器内必须达到热平衡。 1.热稳定性和参数灵敏性概念 反应器处于热平衡时，其放热速率等于反应器移热速率。但实际操作中某些参数（如流量、进料温度、冷却介质温度等）很难保持恒定，这些参数的波动会影响或破坏热平衡，使反应体系离开热平衡状态而造成事故。 如果反应器受到某些参数的影响而偏离热平衡状态，反应器自动恢复到原热平衡状态，我们称该反应器是热稳定的，或者说该反应器具有热稳定性。若反应器不具有自动恢复原热平衡的能力，称该反应器是热不稳定的，或说没有热稳定性。 反应器的热稳定性是设计反应器和确定工艺条件必须考虑的重要因素之一。以下以CSTR为例进行讨论。 2.全混流反应器的多态 以CSTR中进行一级不可逆液相放热反应为例。设CSTR的容积为VR，体积流率为V0，反应温度为T，进料浓度为CA0，进料温度