(8.5.1)-8.5理想反應器的評比與選擇

第八章均相反應過程2023/2/151

8.5理想反應器的評比與選擇

本節(jié)的教學目標掌握反應器選擇的一般標準掌握復雜反應反應器的選擇本節(jié)的重點與難點

反應器選擇的一般標準復雜反應反應器的選擇2023/2/1528.6理想反應器的評比與選擇

評價反應器的指標有兩個，一是生產強度，二是收率。反應器的生產強度是單位體積反應器所具有的生產能力。在相同條件下，反應器所需反應體積越小，則表明其生產能力越大。在影響實際生產過程費用的諸因素中，除了反應器的投資外，更重要的是產品的收率。對簡單反應，不存在產品分布問題，只需從生產能力上優(yōu)化。復雜反應則存在產品分布，且產品分布隨反應過程條件的不同而變化，涉及這類反應時，應該考慮目的產物的產率和選擇性。2023/2/153①間歇攪拌釜式反應器與活塞流反應器

在構造上和物料流況上都不相同，但它們卻具有相同的反應時間或（有效）體積計算式。間歇攪拌釜式反應器內濃度隨時間改變，活塞流反應器內的濃度則隨空間位置（管長）而改變，兩者反應推動力呈現(xiàn)出相同的分布，反應器內反應速率相同。間歇操作反應器除了反應時間之外，還要有輔助時間。連續(xù)的活塞流反應器比間歇的攪拌釜式反應器的生產能力要大，完成一定任務所需實際反應體積要小。一．理想反應器的評比2023/2/154

②連續(xù)反應器的比較

全混流反應器的物料之間瞬間達到了完全混合，并物料濃度等于出口濃度；而活塞流反應器中物料濃度由入口到出口逐漸減少，在出口達到最小，于是活塞流反應器內的反應速率總是高于全混流反應器。因而，在相同生產條件和任務時，全混流反應器所需容積要大于活塞流反應器的容積。：

為更好比較，在相同反應條件和完成同樣任務的活塞流反應器與全混流反應器的有效容積之比為容積效率，記作η:2023/2/155一級反應,(-rA)=kcA=kcA,0(1-xA)代入上式并化簡,得二級反應,(-rA)=kcA2,代入上式并化簡,得零級反應,(-rA)=k,即反應速率與濃度無關,有圖6—8顯示了容積效率與轉化率、反應級數(shù)之間的關系。從圖中得出如下結論：2023/2/156

①轉化率的影響

零級反應，轉化率對容積效率無影響。對其他正級數(shù)反應的容積效率都小于1，轉化率越大，容積效率越小。②反應級數(shù)的影響

反應器串聯(lián)釜數(shù)越多，各級反應器中反應物濃度之間的差別越小，當N→∞，多釜串聯(lián)反應器的反應物濃度的變遷接近于活塞流反應器。關于多釜串聯(lián)反應器釜數(shù)N等對其總容積的影響，也可通過容積效率進行類似的比較。2023/2/157如圖表示釜數(shù)與容積效率間的關系。釜數(shù)越多，容積效率越大，其總容積越接近活塞流反應器；當N→∞時，容積比等于1，其性能與活塞流反應器完全一樣。實際生產中，一般常用的釜數(shù)不超過4個。

在相同反應條件、反應轉化率及物料處理量相同的情況下，所需反應時間以活塞流最小，全混流最大，多釜串聯(lián)居中。如果要求反應時間及反應轉化率相同，活塞流反應器生產能力最大，多釜次之，全混流最小。2023/2/158

二．復雜反應理想反應器的選擇對復雜反應，一般在工業(yè)上常用收率表示之，而在理論研究時，往往用選擇性來表示。S=轉化為目的產物的反應物的物質的量/轉化為副產物的反應物的物質的量2023/2/159瞬時選擇性s分別定義為

s=生成目的產物的反應速率/副反應的反應速率復雜反應的種類很多，平行反應和串聯(lián)反應既是它們的代表，又是組成更復雜反應的基本反應。2023/2/1510（1）平行反應

設一平行反應為

S(目的產物)(主反應,速率常數(shù)k1,反應級數(shù)a1,b1)T(副產物)(副反應,速率常數(shù)k2,反應級數(shù)a2,b2)

主,副反應速率為2023/2/1511提高或降低反應物的濃度，既可以通過改變初始物料狀況，也可通過選擇合適的反應器和操作方法實現(xiàn)。保持較大濃度的方法有：大濃度進料；對氣相反應，增大系統(tǒng)的壓力；采用較小的單程轉化率。

保持較小濃度的方法有：采用部分反應后的物料的循環(huán)，以減低進料中的反應物濃度；加入惰性稀釋劑；對氣相反應，減小系統(tǒng)的壓力；采用較大的單程轉化率。一定條件下的反應，當k1、k2、a1、a2、b1、b2已知，選擇性只與cA、cB有關。2023/2/1512下圖為各種形式反應器及加料操作方法。2023/2/1513對上述平行反應：

①當a1＞a2，b1＞b2時，同時提高cA和cB可提高選擇性，選用活塞流反應器或間歇攪拌釜式反應器為宜。

②當a1＜a2，b1＜b2時，則同時降低cA和cB，可提高選擇性，選用全混流反應器時,A和B一次加入；或選用間歇的攪拌釜式反應器,A和B慢慢滴入；

③當a1＞a2和b1＜b2時，應提高cA降低cB，可考慮以下選擇：a．選擇活塞流反應器，反應物A一次加入,B僅沿反應器不同位置分小股份別加入；2023/2/1514b．選擇間歇攪拌釜式反應器，反應物A一次加入，B慢慢滴加；c.選擇多釜串聯(lián)反應器,A一次加入,B分小股在各個釜分別加入；d．可考慮將A組分過量，以保持其濃度，而在反應后再進行分離回收。④當a1＜a2和b1＞b2時，應提高cB降低cA，反應器的選擇及操作與③相反。⑤當a=b時，選擇性與CA無關，此時應通過其它途徑來解決。對平行反應，在一定溫度下，濃度是控制產物分布的關鍵。2023/2/1515（2）連串反應設所進行的連串反應為A→R→S(目的產物R，主、副反應速度常數(shù)分別為k1，k2)。若反應均為一級反應,其速率表達式分別為反應開始時cA=cA,0,cR=0,cS=0.將上式積分得所以代入解之得因為cA,0=cA+cR+cS2023/2/1516不同k1和k2值的連串反應的組分濃度隨反應時間的變化關系曲線如圖。k1和k2相對值不同，其圖形略不一樣，存在最大值：反應時間為2023/2/1517為了使目的產物獲得最大的收率，要嚴格控制反應時間，因此應選用活塞流反應器和間歇反應器。

2023/2/1518（3）理想反應器選擇的情況

a、理想混合流反應器活化能很大，反應速率對溫度敏感，則反應需在等溫條件下進行。當反應溫度較高，反應十分劇烈，甚至有爆炸危險。當反應速率較慢，需要在反應器內有較長停留時間。對于平行反應，若主反應級數(shù)小于副反應級數(shù)。對于連串反應，若最終產物