連續攪拌槽反應器

連續攪拌槽反應器英語:,簡稱CSTR),也可以稱作vat-reactor或是backmix reactor,是化學工程中一個常見的化學反應器模型。CSTR通常是指在使用continuous agitated-tank reactor要達到指定出料條件時用來估計關鍵操作變數的模型[notes 1] 。該數學模型適用於所有流体:液體、氣體和漿體。

CSTR符號

CSTR的行為通常會以連續理想攪拌槽反應器(Continuous Ideally Stirred-Tank Reactor,CISTR)建模,所有由CISTR進行的計算皆已假設其為完美攪拌。在一個完美攪拌的反應器中,出料的組成會與反應器內的組成一致,而組成與滯留時間及反應速率有關。以工程方面來說,一般會假設滯留時間是攪拌時間的5-10倍。CISTR模型通常用於簡化工程計算並可用於描述及研究反應器。然而實際上,反應只能接近而無法達到完美狀態,特別是在具工業規模的反應器中。

反應模型

模型截面圖

假設反應為理想情況(完美攪拌),則在體積為的反應器內物料(莫耳數為)的總質量平衡可表示成:

(累積量=進料-出料+生成)

  • [1]
    其中,是物料的進料莫爾流率,是出料莫爾流率,化学计量数。反應速率,通常與反應物濃度以及速率常数)有關。速率常數一般可以由阿伦尼乌斯方程求得。一般來說,溫度升高時,反應速率也會隨之提升。滯留時間是指試劑在槽內所耗費的平均時間。
    假設:
    • 固定密度(適用於大部分液體、莫耳數不會產生淨變化或是沒有劇烈溫度變化的氣體)
    • 等温过程為常數)
    • 穩態
    • 基元反應、不可逆化学反应
    • 速率方程)
    為物料的濃度,為反應器體積,為物料的莫爾數)
  • [1]
    上式中的變數、出口濃度和停留時間的值是主要的設計準則。

如果要建立一個非等溫或是單一反應的系統時,則必須要考慮額外的控制變數。如果系統被認為處於不穩定狀態,那麼就必須求解微分方程或是耦合微分方程組。

CSTR是一類具有多重穩態極限循環混沌等複雜行為的系統。

應用

CSTR通常應用於廢水處理過程中。CSTR可以促進稀釋速率,使它們能抵抗鹼性或酸性的揮發性脂肪酸廢棄物。與其他類型的反應器相比,CSTR的效率較低,因為它們需要更大的反應器體積以達到與其他反應器模型(如塞流反應器)相同的反應速率。

參見

  • 層流反應器
  • 微反應器
  • 連續振動阻隔反應器
  • 塞流反應器

備註

  1. Chemical reactors often have significant heat effects, so it is important to be able to add or remove heat from them. In a CSTR (continuous stirred tank reactor) the heat is added or removed by virtue of the temperature difference between a jacket fluid and the reactor fluid. Often, the heat transfer fluid is pumped through agitation nozzle that circulates the fluid through the jacket at a high velocity. The reactant conversion in a chemical reactor is a function of a residence time or its inverse, the space velocity. For a CSTR, the product concentration can be controlled by manipulating the feed flow rate, which changes the residence time for a constant chemical reactor. Occasionally the term "continuous" is misinterpreted as a modifier for "stirred", as in 'continuously stirred'. This misinterpretation is especially prevalent in the civil engineering literature. As explained in the article,"continuous" means 'continuous-flow' — and hence these devices are sometimes called, in full, continuous-flow stirred-tank reactors (CFSTR's).

參考資料

  1. Schmidt, Lanny D. . New York: Oxford University Press. 1998. ISBN 0-19-510588-5.
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