《化学反应工程》课程教学资源（随堂PPT课件）第5章 连续流动釜式反应器

Chemical Reaction Engineering 第五章 连续流动釜式反应器(CSTR) (Continuous Stirred Tank Reactor) 引言 间歇搅拌釜(BSTR) 理想化学反应器 平推流(PFR) 一由反应动力学决定反应结果 有何区别？ 间歇搅拌釜 (BSTR) 区别多大？ 连续流动搅拌釜 (CSTR) 影响因素 有何措施？ 引入宏观动力学因素 返混

Chemical Reaction Engineering 引言 间歇搅拌釜（BSTR） 平推流（PFR） 理想化学反应器 —由反应动力学决定反应结果 间歇搅拌釜（BSTR） 连续流动搅拌釜（CSTR） 有何区别？ 区别多大？ 影响因素？ 有何措施？ 引入 宏观动力学因素—— 返混 第五章 连续流动釜式反应器(CSTR) (Continuous Stirred Tank Reactor)

Chemical Reaction Engineering 养分 Cso 代谢产物 细胞膜 细胞质 细胞核 生物反应器， CP一产物浓度 细胞 养分（反应物）+细胞 细胞+代谢产物（目标产物） Cs—反应物浓度 Cc—细胞浓度 细胞代谢 (CA)opt CAn

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Chemical Reaction Engineering 5.1CSTR基本特征 进料 出料 一、CSTR特点 全混流一wel-mixed reactor CA=CA Cp=CH (-TA)=(-)T=T CSTR特点： (1)反应器内物料浓度、温度处处相等， 且等于反应器出口物料的浓度和温度。 (2)存在不同停留时间的物料混合一即返混。 (③)定态过程，与时间无关。（与PFR比较）

Chemical Reaction Engineering 5.1 CSTR基本特征 一、CSTR 特点 全混流—well-mixed reactor A A f f A Af P Pf r r T T C C C C − = − = = = ( ) ( ) CSTR 特点: ⑴反应器内物料浓度、温度处处相等， 且等于反应器出口物料的浓度和温度。 ⑵存在不同停留时间的物料混合—即返混。 ⑶定态过程，与时间无关。（与PFR比较）

Chemical Reaction Engineering 比较： C C C Cf 间歇釜 连续PFR 相差一个辅助时间 C C 0 Cp时 C对 C 连续釜 间歇釜 存在逆向混合一返混 相同停留时间的混合

Chemical Reaction Engineering CA CPf CAf CA0 连续釜 间歇釜 CA CPf CAf CA0 CA CPf CAf CA0 间歇釜 CA CPf CAf CA0 连续PFR 相差一个辅助时间 存在逆向混合—返混 相同停留时间的混合 比较：

Chemical Reaction Engineering 二、 CSTR的基本运算 640 基本方程（等温等容） 进=出+反应掉+积累 CAr VoCA0 YoCi+(-raV 空时tm= V_Cao-CM （-a)i C0XA 集中参数一代数式 （-rA)万 PFR中tp= 分布参数一取微元积分 Vo

Chemical Reaction Engineering 二、CSTR的基本运算 基本方程（等温等容） 进 = 出 + 反应掉 + 积累 v0 CA0 = v0 CAf + (−rA )V A f A Af A f A Af m r C x r C C v V ( ) ( ) 0 0 0 − = − − 空时  = = PFR中  − = = Af x A A A R P r dx C v V 0 0 0 ( )  集中参数—代数式 分布参数—取微元积分

Chemical Reaction Engineering 热量衡算 流入焓-流出焓三反应焓十积累热+传出热 pCpT。-T)=(△H)(-ra)V+0+UA(T-T) VopCp(T-To)=(-AH)(-r)V-UA(T-T) 绝热时： VopCp(T-T)=(-AH)vo(C4o-C) T-7-CAH(C-c)-AT

Chemical Reaction Engineering 热量衡算 流入焓 -流出焓 = 反应焓 ＋积累热 +传出热 绝热时：

Chemical Reaction Engineering 5.2CSTR中的均相反应 一、解析解 V C40-CN Vo (ra) 例如： A→P(-r)=kcA CA0一CAf= CAOXAf .T= (-rA) kcAo(1-x)” k= XAf 40 1-x)

Chemical Reaction Engineering 5.2 CSTR中的均相反应 一、解析解 n A f n A f n A A f A A f A A A f A A x x c k k c x c x r c c A P r k c A (1 ) ( ) (1 ) ( ) 1 n 0 0 0 n 0 −  = − = − − = → − = −   A f A Af m r C C v V ( ) 0 0 − −  = = 例如：

Chemical Reaction Engineering 反应器型式 PFR CSTR 反应级数 kt In- 变 kT=x -1-xA 或 一级 1-xA CA=e-k CL=-1 CA01+ c Cxokt= 下 (1-x42 二级 或 或 CA= 1 C4=+4Cok-】 C 2C0kt kt -=x4≤1 k -=x4≤1 零级 A=1- CA=1- C C40 C0

Chemical Reaction Engineering 反应器型式 反应级数 PFR CSTR 一级 A x k −  = 1 1 ln 或 −  = k A A e C C 0 A A x x k −  = 1 或 +  = C k C A A 1 1 0 二级 A A A x x C k −  = 1 0 或 +  = C C k C A A A 0 1 0 1 0 2 (1 x ) x C k A A A −  = 或  +  − = C k C k C C A A A A 0 0 0 2 1 4 1 零级 1 0 = A  A x C k 0 0 1 A A A C k C C  = − 1 0 = A  A x C k 0 0 1 A A A C k C C  = −

Chemical Reaction Engineering PFR和CSTR:不同反应级数不同转化率时的空时比较 CAOXA 100 个必 (ra) 3 Tp dx CAO-A X Af 小 n=2 10叶 (I-x4)” 心 dx 0,25 (1-x4)” 0.05 =f(x4,n) 0.01 0.1 (1-x)

Chemical Reaction Engineering PFR和CSTR:不同反应级数不同转化率时的空时比较 ( , ) (1 ) (1 ) ( ) ( ) 0 0 0 0 f x n x dx x x r dx c r c x A x n A A n A Af x A A A A f A Af P m Af Af = − − = − − =    

Chemical Reaction Engineering 二、图解法 1 1 -rA) (-rA) Tm>Tp CA 1 (-r4) (-rA） X A XA XA

Chemical Reaction Engineering 二、图解法 CAf CA0 CA ( ) 1 A −r P  CAf CA0 CA ( ) 1 A −r m  m P m P V V    A0 m C  ( ) 1 A −r Af A 0 x x Af A 0 x x ( ) 1 A −r A0 P C 