反应器型式和操作方式的评选

k2 使xAf变大成为可能许可的操作条件，这是最有利的办法。
（2）平行反应：
对于单一组分的平行反应：
P
P
A
A
R
S S
其φp与CA可能有如下三种变化形状：
（A）φp随CA单调增大：若有返混，则CA变小，不利于收率
的提高，故采用无返混的反应器即PFR；
（B） φp随CA单调下降：返混使收率提高，选择返混为无穷 大的CSTR；
(b) 1.0
p
Cp CA0 CA
k1 1 k2
k1 10 k2
PFR CSTR
k1 0.1 k2
0
xA
当 k1 k2
很小时，xAf越大，付反应越厉害，Фp很小，为避免付
产物S取代产物P，可以设计为通过反应器的反应物料A的转化
率很小（此时Фp较大），然后分离产物P，将未转化的A循环
到反应器进一步反应。 假如工艺条件许可，可以改变操作温度使 k1 比值提高，以
对于PFR或分批釜式有：
C p,max
C A0
k1 k2
k
k1 2
k1
(1)
t opt
ln
k2 k1
k2 k1
(2)
对于CSTR有：
C p,max m
C A0
(3)
2
k1 k2
1
opt
1 (4) k1 k 2
C6 H 6 ( A) k1 C6 H 5Cl(P) k 2 C6 H 4Cl2 (S )
已知：k1=1.0h-1, k2=0.5h-1, V/v=τ=1h, CA0=1mol/L, Cp0=CS0=0 反应速率式为：
dC A dt
k1C A
dCP dt
k1C A k2CP
求：（1）PFR；（2）CSTR；（3）等体积CSTR串联时；产
总收率：
p
CP C A0 CA
瞬时收率： p
rp rA
dCP dCA
不同反应器型式，总收率与瞬时收率的关系形式不同
I）对于分批釜式或PFR反应器：
dCP p dCA
p
dC CA0
CA
p
A
CA0 CA
II）对于CSTR反应器： C A C Af
p p
为了区分CSTR和PFR，以 则：
3.9 反应器型式和操作方式的评选
选择何种型式的反应器，工业上主要从下面两方面进行考察： ◆达到给定的生产能力所需的反应器体积最小，所谓生 产能力即单位反应时间、单元反应体积的反应器所能得 到的产物量； ◆用同样的原料所得的目的产物最多，即收率要大，选 择性要好；
◆对简单的单一反应，不存在副反应，故不存在产品分布的问 题，所以在对反应器进行选型时，只需要考虑如何有利于 反应速率的提高；
k
2C
a2 A
C b2 B
P的瞬间选择性：
Sp
rp rs
k1 k2
C C a1a2 b1b2
A
B
分下面三种情况讨论
①当a1>a2、b1>b2，则SP随CA、CB单调上升，应选取无返混的 反应器，选PFR为最优；
②当a1<a2、b1 <b2，则SP随CA、CB单调下降，要提高目的产物 P的选择性，就必须使CA、CB浓度维持较低水平，选返混最 大（即稀释效应最大的反应器）CSTR。
将（3）/（1），并以
C p,max m
C p,max
~ lg kk12作 图，得下图a，或以总收率
Фp~xA作图（以
k为2 参数），得下图b： k1
(a)
1.0
C p,max m
C p,max
来自百度文库
-4
-3
-2
-1
0
1
lg
k2 k1
2
3
4
对于n=1的串联反应，PFR总是优于CSTR（对产物P），k1=k2时，偏差最 大，k1和k2相差愈大，两者的偏差愈小。
◆对于复杂反应，由于在反应器内同时进行几个反应，影响过 程经济性的往往是产物的收率，它直接影响到生产的操作 费用和生产的成本，因此反应器的型式与操作方式的优化 选择以产物的收率为主要目标。
1、单一反应的评选
分三种情况评论：
（1）
1 rA
与xA呈单调上升（一切n>0的不可逆等温反应）：
（2）
1 rA
①
xA0
CA0
xAM
PFR
xAf
CSTR
②
C A1
C A0
x A1
x A0
FA1
VR
FA0
v2
x A1
C A2
xA2
FA2
③
最优顺序为：①②③
例题16 见陈甘棠教材P79例3-6-1 最优操作温度自学。
2、复合反应的评选
反应器型式与操作方式的优化选择常以产物的收率为目标 函数。
对于恒容过程，总收率与瞬间收率一般用下式表示：
动力学特性 控制浓度要求
a1>a2、b1>b2 应使CA、CB都高
A B
操作示意图
A B
a1>a2、b1<b2 应使CA高、CB低
A
B
AB
B
B
a1<a2、b1<b2 应使CA、CB都低
AB
CA0 CB0
浓度分布图
CA0
CA
CB0
CB
CA0 CB0
CA
CA
CB
CB
例题17
一级不可逆串联反应：C6H5Cl为目的产物，反应恒温恒容， 反应式如下：
③当a1>a2、b1 <b2，则SP随CA单调上升，SP随CB单调下降，意 味着较高的CA和较低的CB有利于提高产物P的选择性，则应 选择合适的进料方式（如下图），来调节A、B的浓度。
总结： 高的反应物浓度有利于反应级数高的反应； 低的反应物浓度有利于反应级数低的反应； 主付反应级数相同的反应，浓度的高低不影响产物的分布。
m和m 表示CSTR的收率，
m
m
CP CA0 CA
对于多釜串联的CSTR反应器，第I釜：
mi
mi
CP,i CP,i1 C A,i1 C A,i
CP,i C A,i
下面针对串联反应和平行反应进行讨论几种不同反应器型式的收
率问题：
（1）串联反应（可参考《化学反应工程分析》相关章节）
A k1 P k2 S 为一级不可逆反应
（C） φp对CA曲线存在最大值的情况：在φp，max之前，即反 应 前 期 采 用 CSTR ， 在 φp ， max 之 后 ， 即 反 应 后 期 采 用 PFR，串联反应器。
以等温进行的平行反应为例：
k1 A+B
k2
P
（P为目的产物）
S
其反应动力学方程式为：
rp
k1C
a1 A
C b1 B
rS
与xA呈单调下降（一切n<0的不可逆等温反应）：
1
（3） rA 与xA的曲线上存在极小值（自催化反应或绝热操作 的放热反应具有为一特性）
设
xAM
为对应
1 rA
最小的转化率，则xA<xAM时，具有上
述（2）的特性，反之，则具有（1）的特性。
试比较：若选择如下三种方式操作，请问哪一种为最 佳组合？