连续流动釜式反应器.pdf

第五章连续流动釜式反应器

在第四章中讨论了理想管式反应器的基本设计方程及各类化学反应的反应结果。与间歇反
应器相比,虽然二者的反应器型式不同,操作方式也不同,但对同一反应,在相同的操作条
件和反应器的时间或空间条件下,可得到完全相同的反应结果。
本章将讨论另一类基本反应器型式——连续流动釜式反应器(简称 CSTR)。这种反应器
虽然也是连续流动反应器的一种,但由于其混合状况与上述二种反应器完全不同,从而引起
反应器性能的很大变化。本章主要阐述连续流动釜式反应器的特征和设计计算等问题。

连续流动釜式反应器的基本设计方程
Copyrighted
全混流假定
East China第三章所讨论的间歇反University应器中,由于釜式容器里设置了一of 定桨叶的机械搅拌装置,并进
行强烈搅拌,使釜内物料的温度和浓度达到均一,这个全釜均一的浓度是随着反应的进行而
不断变化的,其温度也可改变。本章要讨论的是连续流动釜式反应器,其结构和间歇釜式反
Science应器相同, and但进出物料 Technology的操作是连续的,即一边连续恒定地向反应器内加入反应物,同时连
续不断地把反应产物引出反应器,这样的流动状况称之谓全混流。当然,这种全混流也是一
Shanghai种理想化的假定,它与 200237第四章阐述的平推流相对应,是两种理想的流动模型。实际工业生产
中广泛应用的连续釜式搅拌反应器,只要达到足够的搅拌强度,其流型很接近于全混流。
这里要讨论的都限于定态操作范围,即假定反应器在稳定操作条件下,任何空间位置处
Peoples物料浓度、温度和加料速度都不随时间而发生变化的定常状态。 Republic of China
连续流动釜式反应器中的反应速率
前已证明,对间歇搅拌釜式反应器和理想管式反应器,当各项操作条件相同时,能够得
到完全相同的反应结果。唯一的差别是理想管式反应器的空时与间歇反应器的反应时间相当。
这就表明,如果不计间歇反应过程中加料、出料、清洗和升降温度等辅助生产时间,则在一
定反应时间Copyrighted内达到规定产量和转化率所需间歇反应器的体积和同一反应时间内流过理想管式
反应器的物料体积相同。也就是说,在理想管式反应器中实现反应过程的连续化时,本身并
未得到强化。连续化只是节省了辅助生产时间,并提供了操作和控制的方便。
现在考察分析连续流动釜式反应器的特点。East China将间歇搅拌釜改为图 University5-1 所示的连续进料和连 of
续出料的连续操作。在连续釜式反应器中,反应原料以稳定的流速进入反应器,反应器中的
反应物料以同样稳定流速流出反应器。由于强烈搅拌的作用,刚进入反应器的新鲜物料与已
存留在反应器内的物料Science在瞬间达到完全混合, and使釜内物料 Technology的浓度和温度处处相等。这种停留
时间不同的物料之间的混合,称为逆向混合或返混。这是反应器连续化后出现的一个新的宏
观动力学因素。这里所说的逆向,Shanghai是时间概念上的逆向, 200237不同于一般的搅拌混合。在间歇反
应器中,由于反应器中的物料的停留时间都是相同的,反应器内各物料组分的搅拌混合,只
是反应器内各空间位置上不同浓度物料之间的混合。不存在时间概念上的逆向混合。至于在
平推流反应器中,根本不存在轴向混合现象,Peoples也就不存在逆向混合。Republic而在连续流动釜式 of反应China
85
器中,逆向混合程度最大。实际生产中的多数连续流动搅拌釜式反应器,由于搅拌充分,可
认为属于全混流反应器。
根据全混流的定义,既然釜内物料浓度处处相等,则在反应
器出口处即将流出反应器的物料浓度也应该与釜内物料浓度一
致。因此,流出反应器的物料浓度应该与反应器内的物料浓度相
等。连续流动釜式反应器中的反应速率即由釜内物料的浓度和温
度所决定。
连续流动釜式反应器的特点,可归结为:
(1) 反应器中物料浓度和温度处处相等,并且等于反应器出口
Copyrighted物料的浓度和温度。图 5-1 连续釜式反应器示意图
(2) 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
East China最大。 University of
(3) 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
Science量。 and Technology
连续流动釜式反应器的基本方程
图 5-1 为一连续流动釜式反应器。