1.3 反应器型式和操作方式的选择

• 当 T 一定时，k1、k2 = Const. ， 为了获得高的 rR/rS ，则可按 一定时
表1-3 复杂（平行）反应操作方式的选择 ***
反应级数大小 a1>a2，b1>b2 a1>a2，b1<b2 对浓度的要求 CA、CB均高 CA高、CB低 合适的操作方式 A、B同时加入到 、PFR、CSTR’s中 、 同时加入到 同时加入到BR、 、 中 1.将 分成多股加入到各串联釜中 分成多股加入到各串联釜中； 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； 中多处加入； 在 中多处加入 3. 将B分成多批加入到 中。 分成多批加入到BR中 分成多批加入到 同上，但将 、 对换 同上，但将A、B对换 1.采用 1.采用CSTR； 采用 ； 2. 将A、B分批加入 中； 分批加入BR中 、 分批加入 3. 使用稀释剂，使CA、CB均降低。 使用稀释剂， 均降低。
1 1 N N ( ) −1 1− xAN 1.0
η
N=1
2
3
一级反应 0 XA 1.0
Fig 1-14 等容积多釜串联的容积效率
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τ′和φ； 级反应：任何型式反应器均可以，但间歇釜存在τ 2、反应级数n大、xA高时： 、反应级数 大 如果热效应不大， ， 如果 PFR； ； 如果热效应大，则 CSTR’s 或 间歇反应釜合适； ， 合适； 如果 合适 3、液相反应 k小 3、液相反应：k小、(-rA)小时， 反应： )小 4、气相或液相反应：k大、(-rA)大时， 、气相或液相反应： 大 大 5、液相反应：n小、xA小时， 、液相反应： 小 自催化反应： 自催化反应： CSTR。 。 BR PFR； ；
• 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 连串—平行反应
1.3.2.1
平行反应
k1
---1 ****
R ( 目的产物 ) S （ 副产物 ）
A
k2
• 速度方程式，分别为：rR = k1CAa1，rS = k2CAa2 速度方程式，分别为： • 则反应选择率：rR/rS = k1CAa1/ k2CAa2 = k1/k2•CAa1-a2 反应选择率： • 当T一定时，k1、k2 = Const. ， 为了使 rR/rS 大，则 CAa1-a2 大； → 一定时， 一定时 • • • 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， 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 来提高R的收率 R的收率，此时要依靠 的收率， 的收率 此时要依靠改变反应温度或/和催化剂来提高 的收率。 或和 来提高 的收率。
1.3.1.4 CSTR’s 和 PFR ---1
而二级反应，则极度为复杂。 由于O级反应， 由于 级反应，η0 = 1.0 ； 而二级反应，则极度为复杂。 级反应 对于一级反应：而且在 CSTR’s 中，VRi、T = Const. ： 对于 则每一釜的停留时间： 则每一釜的停留时间：
τi
总停留时间： 总停留时间：
（3）：τ′=10 min时， ） 时
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Vb 2.3 + 10.0 = = 1.367 Vc 9
当τ′= 6.67 min 时，VB = VC。 即：当τ′大时，采用CSTR较合适。
例1-6： ： 在例1-5中 按同样条件， 在例 中，如果 k = 10 min-1，按同样条件，计算 VB/VC？
解： • • • (1)：τ′= 0 min 时， Vb/Vc = ln10/9 = 0.256 ： (2)：τ′= 5.0 min 时，Vb/Vc = 5.81 ： (3)：τ′= 10.0 min 时，Vb/Vc = 11.36 ：
0
XA
1.0
Fig 1-13 全混釜的容积效率
1.3.1.3 CSTR 和 PFR ---2
的计算式中，可得： 从 CSTR 和 PFR 的计算式中，可得： O 级反应：η0 = 1.0 反应： 一级反应： 一级反应： 反应
1 − xA 1 η1 = ln xA 1 − xA
二级反应： 二级反应：η2 = 1- XA 反应 级反应外， 一级和二级反应， 除O级反应外，对于一级和二级反应，有： 级反应外 对于一级和二级反应 a. XA↑，η↓； ， ； b. XA→1.0， η→0 ，
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 当反应速度随反应物浓度变化出现 最大值时 ， 最好 最大值 先用全混釜使反应在反应速度最大的浓度下进行， 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， 后再用管式反应器使反应达到最终转化率 ， 这样可使 反应器需要的容积最小。 反应器需要的容积最小。
• 从（1-24）式中：看到， ）式中：看到， • η与N有关、与k无关。 有关、 无关。 有关 无关 • 计算，并作图，得 Fig. 1-14 计算，并作图， • 当 N↑时，η↑； η↑； ↑ • 当 N→∞ 时，即为平推流反 即为平推流反 →∞ 应器。 应器。N = 1 • 实际生产中，一般 N ≤ 4。 实际生产中， 。
• R为目的产物时：则 rR/rS大，→ CA大、CR小，→ BR、PFR、 为目的产物时 为目的产物 、 、 或者 CSTR’s • • • • S为目的产物时， 则rR/rS 小，→ CA小、CR大，→ CSTR 为目的产物时 为目的产物 另外， 为目的产物 为目的产物： 另外，R为目的产物： 则采用较低的单程转化率（ 分离R 1、若 k2 >> k1，则采用较低的单程转化率（ xA小），分离 、 循环使用A。 后，循环使用 。 2、若 k2 << k1，则xA高，以减轻分离R的负担。 、 的负担。 以减轻分离 的负担
• 当 τ′= 0.67 min 时，Vb=Vc • 即对于快速反应，采用CSTR较为合适。 较为合适。 对于快速反应，采用 较为合适
1.3.1.3 CSTR 和 PFR ---1
1.0 • 全混釜的容积效率 η： ： η = VP/VC = PFR 所 需 的 容 积 / CSTR所需的容积 所需的容积 η 二级反应 0级反应 一级反应
• 解： （1）：τ′=0 min 时， ）
Vb 1 ln10 x ) /( A ) = = ln( = 0.256 Vc 1 − xA 1 − xA 9
（2）：τ′=5 min时， ） 时
Vb − ln(1 − x A ) xA − ln(1 − 0.9) 0.9 =( + τ ') / =( + 5.0) / = 0.811 Vc k k (1 − x A ) 1.0 1.0(1 − 0.9)
*1.3.2.3 连串 平行反应联 --1 连串—平行反应联 --1
•如： A + B → R ； R + B → S ； S + B → T 如 • 对A来说，是连串反应，即 ： 来说， 来说 是连串反应，
来说， 对B来说，是平行反应，即： 来说 是平行反应， • 工业上的实例不少，如 苯 + Cl2 → 工业上的实例不少， • • • • 苯 + 乙烯 → 多乙基苯 要点，是针对目的产物，进行各物料浓度的分析，然后， 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。 确定合适的反应器。 我们可以关注一下P 各种操作方式的比较” 我们可以关注一下 22 (Fig 1-15)，“各种操作方式的比较”。 ， 各种操作方式的比较 多氯代苯
1.3.1.2 间歇釜（VB）~ CSTR（VC） 间歇釜（ （
对于一级反应，有： ， 对于 要使 VC≤VB， 则必须
即：
Vb xA 1 1 = ( ln + τ ') / Vc k 1 − xA k (1 − x A )
1 1 xA ln +τ ' > k 1 − xA k (1 − x A )
CSTR； ；
1.3.2 复杂反应
• • 复杂反应： 、要用几个动力学方程式来描述； 、 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。 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： 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 亦即反应的选择性要好 反应的选择性要好。 高，亦即反应的选择性要好。
1.3.3
---自催化反应：A + R → R + R 自催化反应： 自催化反应
a1<a2，b1>b2 a1<a2，b1<b2
CA低、CB高 CA、CB均低
1.3.2.2
如： A
连串反应
k1 R k2
***
S rS = k2CR
•如果速度为： rR = k1CA - k2CR , 如果速度为： 如果速度为 则选择率为： 则选择率为
rR k1CA − k2CR k1CA = = −1 rS k2CR k2CR
1 ( )N −1 1 − xAN = k
1
τ
t
= N •τ
i
1 N ( ) 1 − xAN = k
1 N
− 1
则： η = τ =
τt
1 1 ln( ) k 1− xA 1 N ( ) −1 / k 1− xAN
1 N
ln =
1 1− xA
（ 1-24 ） ∞ 20 10 5
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 间歇反应器(BR)与平推流反应器（PFR） 与平推流反应器（ 与平推流反应器 ） • 1.3.1.2 间歇釜（VB）~ CSTR（VC） 间歇釜（ （ • 1.3.1.3 CSTR 和 PFR • 1.3.1.4 CSTR’s 和 PFR • 1.3.1.5 反应器型式选择的几条原则
甲苯硝化 → 多硝基甲苯
*1.3.2.3 连串 平行反应 连串—平行反应
--2 --2
• P22 (Fig 1-15)，“各种操作方式的比较”。 各种操作方式的比较” ， 各种操作方式的比较
*1.3.2.3 连串 平行反应 连串—平行反应
--3 --3
• P22 (Fig 1-15)，“各种操作方式的比较”。 各种操作方式的比较” ， 各种操作方式的比较
1.3.2.1 平行反应
k1 A + B k2 • 则反应选择率： ： •
---2
***
R ( 目的产物 ) S （ 副产物 ）
• 反应速度方程式分别为：rR = k1CAa1CBb1，rS = k2CAa2 CBb2 反应速度方程式分别为： rR/rS = k1CAa1 CBb1/ k2CAa2 CBb2 = k1/k2•CAa1-a2 CBb1-b2 来选取合适的操作方式。 表 1-3 来选取合适的操作方式。
1.3.1.1 间歇反应器 间歇反应器(BR)与 与 平推流反应器（ 平推流反应器（PFR） ）
• 虽然达到要求的V 相同， 间歇釜存在 辅助时间τ′ 存在辅助时间 虽然达到要求的 R 相同 ， 但 间歇釜 存在 辅助时间 和装料系数φ，所以总反应器体积 T较大。 装料系数 ，所以总反应器体积V 较大。 • 对于τ小、而τ′相对较长的反应，以 PFR 为宜。 相对较长的反应， 为宜。 对于 小 相对较长的反应
（1-23） ）
1 xA 1 τ '> ( − ln ) k 1 − xA 1 − xA
亦即， 亦即，只有当τ′足够大时，采用CSTR较合适。
例1-5： ：
• 某一级反应，k = 1.0 min-1 ，希望 xA = 0.90 ，在相同 某一级反应， 的产量要求下： 的产量要求下： 要求下 (1). 忽略辅助时间； 忽略辅助时间； (2).τ′= 5 min； ； (3).τ′=10 min 时， 各自的V 求 各自的 B/VC？