反應(yīng)器型式和操作方式的選擇

反應(yīng)器型式和操作方式的選擇第1頁/共28頁1.3.1簡單反應(yīng)

1.3.1.1間歇反應(yīng)器(BR)與平推流反應(yīng)器（PFR）1.3.1.2間歇釜（VB）~CSTR（VC）

1.3.1.3CSTR和PFR1.3.1.4CSTR’s和PFR1.3.1.5反應(yīng)器型式選擇的幾條原則第2頁/共28頁1.3.1.1間歇反應(yīng)器(BR)與

平推流反應(yīng)器（PFR）

雖然達(dá)到要求的VR相同，但間歇釜存在輔助時(shí)間τ′和裝料系數(shù)φ，所以總反應(yīng)器體積VT較大。對于τ小、而τ′相對較長的反應(yīng)，以PFR為宜。

第3頁/共28頁1.3.1.2間歇釜（VB）~CSTR（VC）

對于一級反應(yīng)，有：

亦即，只有當(dāng)τ′足夠大時(shí)，采用CSTR較合適。（1-23）即：要使VC≤VB，則必須第4頁/共28頁例1-5：某一級反應(yīng)，k=1.0min-1，希望xA=0.90，在相同的產(chǎn)量要求下：

(1).忽略輔助時(shí)間；

(2).τ′=5min；

(3).τ′=10min時(shí)，

求各自的VB/VC？第5頁/共28頁

解：

（1）：τ′=0min時(shí)，即：當(dāng)τ′大時(shí)，采用CSTR較合適。當(dāng)τ′=6.67min時(shí)，VB=VC。（3）：τ′=10min時(shí)，（2）：τ′=5min時(shí)，第6頁/共28頁例1-6：

在例1-5中，如果k=10min-1，按同樣條件，計(jì)算VB/VC？解：(1)：τ′=0min時(shí)，Vb/Vc=ln10/9=0.256(2)：τ′=5.0min時(shí)，Vb/Vc=5.81(3)：τ′=10.0min時(shí)，Vb/Vc=11.36當(dāng)τ′=0.67min時(shí)，Vb=Vc即對于快速反應(yīng)，采用CSTR較為合適。

第7頁/共28頁1.3.1.3

CSTR和PFR---1

全混釜的容積效率

η：η=VP/VC

=PFR所需的容積/CSTR所需的容積0級反應(yīng)一級反應(yīng)二級反應(yīng)1.01.00XAηFig1-13全混釜的容積效率第8頁/共28頁1.3.1.3

CSTR和PFR

---2

從CSTR和PFR的計(jì)算式中，可得：

O級反應(yīng)：η0=1.0

一級反應(yīng)：二級反應(yīng)：η2=1-XA除O級反應(yīng)外，對于一級和二級反應(yīng)，有：

a.XA↑，η↓；

b.XA→1.0，η→0第9頁/共28頁1.3.1.4

CSTR’s和PFR

---1

由于O級反應(yīng)，η0=1.0；而二級反應(yīng)，則極度為復(fù)雜。對于一級反應(yīng)：而且在CSTR’s中，VRi、T=Const.則每一釜的停留時(shí)間：總停留時(shí)間：第10頁/共28頁則：從（1-24）式中：看到，η與N有關(guān)、與k無關(guān)。計(jì)算，并作圖，得Fig.1-14當(dāng)N↑時(shí)，η↑；當(dāng)N→∞

時(shí)，即為平推流反應(yīng)器。N=1實(shí)際生產(chǎn)中，一般

N≤4。

一級反應(yīng)1.01.00XAηFig1-14

等容積多釜串聯(lián)的容積效率23510∞20N=1（1-24）第11頁/共28頁1.3.1.5

反應(yīng)器型式選擇的幾條原則****1、O級反應(yīng)：任何型式反應(yīng)器均可以，但間歇釜存在τ′和φ；2、反應(yīng)級數(shù)n大、xA高時(shí)：如果熱效應(yīng)不大，PFR；如果熱效應(yīng)大，則CSTR’s或間歇反應(yīng)釜合適；3、液相反應(yīng)：k小、(-rA)小時(shí)，BR4、氣相或液相反應(yīng)：k大、(-rA)大時(shí)，PFR；5、液相反應(yīng)：n小、xA小時(shí)，CSTR；

自催化反應(yīng)：CSTR。第12頁/共28頁1.3.2復(fù)雜反應(yīng)

復(fù)雜反應(yīng)：1、要用幾個(gè)動(dòng)力學(xué)方程式來描述；2、反應(yīng)產(chǎn)物有幾種，之間存在一個(gè)分布問題。此時(shí)反應(yīng)器的型式和操作方式的選擇依據(jù)：目的產(chǎn)物的收率要高，亦即反應(yīng)的選擇性要好。

1.3.2.1平行反應(yīng)1.3.2.2連串反應(yīng)

1.3.2.3連串—平行反應(yīng)

第13頁/共28頁1.3.2.1平行反應(yīng)

---1****速度方程式，分別為：rR=k1CAa1，rS=k2CAa2則反應(yīng)選擇率：rR/rS=k1CAa1/k2CAa2=

k1/k2?CAa1-a2當(dāng)T一定時(shí)，k1、k2=Const.，為了使rR/rS大，則CAa1-a2大；→如果a1>a2

時(shí)，則：CA↑，rR/rS↑

→BR、PFR；xA↓；高CA。如果a1<a2

時(shí)，則：CA↓，rR/rS↑→CSTR、且xA大；部分物料循環(huán)或稀釋，使CA↓。如果

a1=a2

時(shí)，則

rR/rS=k1/k2=Const.

，反應(yīng)器型式不影響R的收率，此時(shí)要依靠改變反應(yīng)溫度或/和催化劑來提高R的收率。

R(目的產(chǎn)物)S（副產(chǎn)物）k1k2A第14頁/共28頁1.3.2.1平行反應(yīng)

---2***反應(yīng)速度方程式分別為：rR=k1CAa1CBb1，rS=k2CAa2CBb2則反應(yīng)選擇率：

rR/rS=k1CAa1CBb1/k2CAa2CBb2=

k1/k2?CAa1-a2CBb1-b2當(dāng)T一定時(shí)，k1、k2=Const.

，

為了獲得高的

rR/rS，則可按

表1-3

來選取合適的操作方式。

R(目的產(chǎn)物)S

（副產(chǎn)物）k1k2A+B第15頁/共28頁表1-3復(fù)雜（平行）反應(yīng)操作方式的選擇***反應(yīng)級數(shù)大小

對濃度的要求

合適的操作方式

a1>a2，b1>b2CA、CB均高

A、B同時(shí)加入到BR、PFR、CSTR’s中

a1>a2，b1<b2

CA高、CB低

1.將B分成多股加入到各串聯(lián)釜中；2.將B在PFR中多處加入；

3.將B分成多批加入到BR中。

a1<a2，b1>b2CA低、CB高

同上，但將A、B對換

a1<a2，b1<b2

CA、CB均低

1.采用CSTR；

2.將A、B分批加入BR中；

3.使用稀釋劑，使CA、CB均降低。

第16頁/共28頁1.3.2.2連串反應(yīng)***

R為目的產(chǎn)物時(shí)：則rR/rS大，→CA大、CR小，→

BR、PFR、或者CSTR’s

S為目的產(chǎn)物時(shí)，則rR/rS小，→CA小、CR大，→

CSTR另外，R為目的產(chǎn)物：1、若k2>>k1，則采用較低的單程轉(zhuǎn)化率（xA?。?，分離R后，循環(huán)使用A。2、若k2<<k1，則xA高，以減輕分離R的負(fù)擔(dān)。ARSk1k2如果速度為：rR=k1CA-k2CR,rS=k2CR如：則選擇率為：第17頁/共28頁*1.3.2.3連串—平行反應(yīng)聯(lián)--1工業(yè)上的實(shí)例不少，如苯+Cl2

→

多氯代苯甲苯硝化→多硝基甲苯苯+乙烯→多乙基苯其要點(diǎn)，是針對目的產(chǎn)物，進(jìn)行各物料濃度的分析，然后，確定合適的反應(yīng)器。我們可以關(guān)注一下P22(Fig1-15)，“各種操作方式的比較”。如：A+B→R；R+B→S；S+B→T

對A來說，是連串反應(yīng)，即：對B來說，是平行反應(yīng)，即：第18頁/共28頁*1.3.2.3連串—平行反應(yīng)--2P22(Fig1-15)，“各種操作方式的比較”。第19頁/共28頁*1.3.2.3連串—平行反應(yīng)--3P22(Fig1-15)，“各種操作方式的比較”。第20頁/共28頁1.3.3全混釜與管式反應(yīng)器的配合使用

當(dāng)反應(yīng)速度隨反應(yīng)物濃度變化出現(xiàn)最大值時(shí)，最好先用全混釜使反應(yīng)在反應(yīng)速度最大的濃度下進(jìn)行，然后再用管式反應(yīng)器使反應(yīng)達(dá)到最終轉(zhuǎn)化率，這樣可使反應(yīng)器需要的容積最小。第21頁/共28頁1.3.3---自催化反應(yīng)：A+R→R+R

產(chǎn)物R起到催化作用，因此反應(yīng)速度如圖所示。

從開始↗結(jié)束，(-rA)↗，→(-rA)max，→(-rA)↘在CA0~CAmax

采用

CSTR，

在

CAmax~CAf采用

PFR，則

Vt

最小。

第22頁/共28頁例1-7**

催化反應(yīng)：A+R→R+R

的反應(yīng)速度為：（-rA）=-dCA/dτ=k1CACR，k=1.512m3/(kmol?h)，進(jìn)料流量為1m3/h，進(jìn)料中反應(yīng)物的濃度為

CA0=0.99kmol/m3，CR0=0.01kmol/m3，要求A的最終濃度降為0.01kmol/m3，求：（1）、反應(yīng)速度最大時(shí)的濃度

CAmax；（2）、采用單個(gè)全混釜需要的容積；（3）、采用管式反應(yīng)器需要的容積；（4）、采用全混釜與管式反應(yīng)器串聯(lián)需要的容積。

第23頁/共28頁例1-7

解：（1）、求CAmax

∵（-rA）=k1CACR=kCA[CR0+(CA0-CA)]

在CAmax

處，有：d(-rA)/dCA=0，得：

CAmax=(CR0+CA0)/2=(0.99+0.01)/2=0.5kmol/m3(2)、求全混釜容積VR由式（1-14）得：第24頁/共28頁例1-7

(3)、求管式反應(yīng)器容積VR由式（1-13）得：

∵從CA0→CAmax

與從CAmax→CAf

是對稱的，所以：第25頁/共28頁例1-7

(4)、求