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1、1.3 反应器型式和操作方式的选择 1.3.1 简单反应 1.3.2 复杂反应 1.3.3 全混釜与管式反应器的配合使用 1.3.1 简单反应 1.3.1.1 间歇反应器(BR)与平推流反应器（PFR）1.3.1.2 间歇釜（VB）CSTR（VC）1.3.1.3 CSTR 和 PFR 1.3.1.4 CSTRs 和 PFR 1.3.1.5 反应器型式选择的几条原则1.3.1.1 间歇反应器(BR)与 平推流反应器（PFR）虽然达到要求的VR相同，但间歇釜存在辅助时间和装料系数，所以总反应器体积VT较大。对于小、而相对较长的反应，以 PFR 为宜。1.3.1.2 间歇釜（VB）CSTR（VC）对
2、于一级反应，有：亦即，只有当 足够大时，采用CSTR 较合适。（1-23）即：要使 VCVB，则必须例1-5：某一级反应，k=1.0 min-1，希望 xA=0.90，在相同的产量要求下：(1).忽略辅助时间；(2).=5 min；(3).=10 min 时，求 各自的VB/VC？解：（1）：=0 min 时，即：当 大时，采用CSTR 较合适。当=6.67 min 时，VB=VC。（3）：=10 min时，（2）：=5 min时，例1-6：在例1-5中，如果 k=10 min-1，按同样条件，计算VB/VC？解：(1)：=0 min 时，Vb/Vc=ln10/9=0.256(2)：=5.0
3、min 时，Vb/Vc=5.81(3)：=10.0 min 时，Vb/Vc=11.36 当=0.67 min 时，Vb=Vc 即对于快速反应，采用CSTR较为合适。1.3.1.3 CSTR 和 PFR-1 全混釜的容积效率：=VP/VC=PFR所 需 的 容 积/CSTR所需的容积0级反应一级反应二级反应1.01.00XAFig 1-13 全混釜的容积效率1.3.1.3 CSTR 和 PFR-2 从 CSTR 和 PFR 的计算式中，可得：O 级反应：0=1.0 一级反应：二级反应：2=1-XA除O级反应外，对于一级和二级反应，有：a.XA，；b.XA1.0，01.3.1.4 CSTRs 和
4、PFR-1 由于O级反应，0=1.0；而二级反应，则极度为复杂。对于一级反应：而且在 CSTRs 中，VRi、T=Const.则每一釜的停留时间：总停留时间：则：从（1-24）式中：看到，与N有关、与k无关。计算，并作图，得 Fig.1-14 当 N时，；当 N 时，即为平推流反应器。N=1 实际生产中，一般 N 4。一级反应1.01.00XAFig 1-14 等容积多釜串联的容积效率2351020N=1（1-24）1.3.1.5 反应器型式选择的几条原则*1、O级反应：任何型式反应器均可以，但间歇釜存在和；2、反应级数n大、xA高时：如果 热 效 应 不 大，PFR；如果热效应大，则 CST
5、Rs 或 间歇反应釜合适；3、液相反应：k小、(-rA)小时，BR4、气相或液相反应：k大、(-rA)大时，PFR；5、液相反应：n小、xA小时，CSTR；自催化反应：CSTR。1.3.2 复杂反应 复杂反应：1、要用几个动力学方程式来描述；2、反应产物有几种，之间存在一个分布问题。此时反应器的型式和操作方式的选择依据：目的产物的收率要高，亦即反应的选择性要好。1.3.2.1 平行反应 1.3.2.2 连串反应 1.3.2.3 连串平行反应 1.3.2.1 平行反应-1*速度方程式，分别为：rR=k1CAa1，rS=k2CAa2 则反应选择率：rR/rS=k1CAa1/k2CAa2=k1/k2
6、CAa1-a2 当T一定时，k1、k2=Const.，为了使 rR/rS 大，则 CAa1-a2 大；如果 a1 a2 时，则：CA，rR/rS BR、PFR；xA；高CA。如果 a1 a2 时，则：CA，rR/rS CSTR、且xA大；部分物料循环或稀释，使CA。如果 a1=a2 时，则 rR/rS=k1/k2=Const.，反应器型式不影响R的收率，此时要依靠改变反应温度或/和催化剂来提高R的收率。R(目的产物)S（副产物）k1 k2A1.3.2.1 平行反应-2*反应速度方程式分别为：rR=k1CAa1CBb1，rS=k2CAa2 CBb2 则反应选择率：rR/rS=k1CAa1 CBb
7、1/k2CAa2 CBb2=k1/k2CAa1-a2 CBb1-b2 当 T 一定时，k1、k2=Const.，为了获得高的 rR/rS，则可按 表 1-3 来选取合适的操作方式。R(目的产物)S（副产物）k1 k2A+B表1-3 复杂（平行）反应操作方式的选择*反应级数大小 对浓度的要求 合适的操作方式 a1a2，b1b2 CA、CB均高 A、B同时加入到BR、PFR、CSTRs中 a1a2，b1b2 CA高、CB低 1.将B分成多股加入到各串联釜中；2.将B在PFR中多处加入；3.将B分成多批加入到BR中。a1b2 CA低、CB高 同上，但将A、B对换 a1a2，b1b2 CA、CB均低
8、1.采用CSTR；2.将A、B分批加入BR中；3.使用稀释剂，使CA、CB均降低。1.3.2.2 连串反应*R为目的产物时：则 rR/rS大，CA大、CR小，BR、PFR、或者 CSTRs S为目的产物时，则rR/rS 小，CA小、CR大，CSTR 另外，R为目的产物：1、若 k2 k1，则采用较低的单程转化率（xA小），分离R后，循环使用A。2、若 k2 k1，则xA高，以减轻分离R的负担。A R Sk1k2如果速度为：rR=k1CA-k2CR,rS=k2CR如：则选择率为：*1.3.2.3 连串平行反应联-1 工业上的实例不少，如 苯+Cl2 多氯代苯 甲苯硝化 多硝基甲苯 苯+乙烯 多乙
9、基苯 其要点，是针对目的产物，进行各物料浓度的分析，然后，确定合适的反应器。我们可以关注一下P22(Fig 1-15)，“各种操作方式的比较”。如：A+B R；R+B S；S+B T 对A来说，是连串反应，即：对B来说，是平行反应，即：*1.3.2.3 连串平行反应-2 P22(Fig 1-15)，“各种操作方式的比较”。*1.3.2.3 连串平行反应-3 P22(Fig 1-15)，“各种操作方式的比较”。1.3.3 全混釜与管式反应器的配合使用 当反应速度随反应物浓度变化出现最大值时，最好先用全混釜使反应在反应速度最大的浓度下进行，然后再用管式反应器使反应达到最终转化率，这样可使反应器需要
10、的容积最小。1.3.3-自催化反应：A+R R+R 产物 R 起到催化作用，因此反应速度如图所示。从开始 结束，(-rA)，(-rA)max，(-rA)在CA0 CA max 采用 CSTR，在 CA max CAf 采用 PFR，则 Vt 最小。例1-7*催化反应：A+R R+R 的反应速度为：（-rA）=-dCA/d=k1CACR，k=1.512 m3/(kmolh)，进料流量为 1m3/h，进料中反应物的浓度为 CA0=0.99 kmol/m3，CR0=0.01 kmol/m3，要求A的最终浓度降为 0.01 kmol/m3，求：（1）、反应速度最大时的浓度 CA max；（2）、采用单
11、个全混釜需要的容积；（3）、采用管式反应器需要的容积；（4）、采用全混釜与管式反应器串联需要的容积。例1-7 解：（1）、求CA max（-rA）=k1CACR=kCACR0+(CA0-CA)在 CA max 处，有：d(-rA)/dCA=0，得：CA max=(CR0+CA0)/2=(0.99+0.01)/2=0.5 kmol/m3(2)、求全混釜容积 VR 由式（1-14）得：例1-7(3)、求管式反应器容积 VR 由式（1-13）得：从 CA0 CA max 与从CA max CAf 是对称的，所以：例1-7(4)、求二种反应器串联需要的容积 VR 全混釜容积：总容积为：VR=VR1+VR2=1.30+3.04=4.34 m3 所以，全混釜与管式反应器串联需要的反应容积为最小。管式反应器容积：例1-7 所以，全混釜与管式反应器串联需要的反应容积为最小。在本题中，如果以 CA0=1.00 kmol/m3，xA0=0.01，xAf=0.99来计算，同样可行。