第七章反应器选型与操作方式

xA
FPR
CSTR
xA
xA
CSTR CASCADE
影响反应体积大小的若干重要因素： （a）转化率：转化率越高，体积差别越大 （b）反应级数：级数越高，体积差别越大 （c）串联级数：级数越多，体积差别越小 （d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积
差别也就越大。
[例5-6] 某液相反应 A B P 在两个串联的CSTR中进行， 已知反应为二级，速率常数k=0.8 m3 /(kmol.S) ，进液流量、料液 浓度及限制反应物的转化率均标于图中，试分别求出两个反应 器的体积VR1和VR2。（假定反应过程中物料的密度恒定）。
CA0
e k 2
1 k1
零级反应，无论体积是否相等，也等效。
CAf CA1 k 2 CA0 k(1 2 ) CAf CA1 k1 CA0 k(1 2 )
但是，一般情况下，两者不等效。
6. 理想流动反应器的体积比较 不同的动力学结论不同，甚至截然相反。
1/rA
1/rA
1/rA
CA0 xA2 xA1
V0 k(a bxA1 cxA21)CA20 k (a bxA2 cxA22 )CA20
VR xA1
V0 kCA0
(a
bxA2 cxA22 ) xA1 b
(a bxA1 cxA21)2
2cxA1
a
1 b 0.35 c 0.352
令 VR 0
此种组合等效于一个大的PFR（总体积相等）
CA0
CA1
V0
CAf
任何动力学，两反应
器体积任意的大小。
CA0
体积相等的活塞流，无论长
径比如何，都是等效的。
V0
CAf
CA0
CAf 无论何种动力学方程，结论均
成立。等效的前提：
V0
1 2
因此不限于两并联反应器的体
积相等。
列管式催化反应器
30°C
100°C
Reactor feed
Coolant
25 000 tubes
25 mm
两个处理系统是否等效？
此两种组合在一级不可逆反应且两反应器体积相等 时是等效的。
CA0
CA1
CAf CA0
CA1
CAf
V0
VR1
VR2
CAf
CA1
1 k 2
ek1
CA0 1 k 2
V0
VR2 VR1
CAf
CA1ek2
V0
1/2VR
1 2
VR
CA0 CA1
1 2
V0
kf (CA1 )
1 2
VR
CA0 CA2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 2
V0
kf (CA2 )
VR
CA0
V0
VR CA0 CAf V0 kf (CAf ) 由上述诸式，无论何种动力学方程， 结论均成立。
等效的前提： 1 2
因此不限于两并联釜体积相等。
5. 理想流动反应器的组合
• CSTR+CSTR（最优体积）: VR＝10.88m3
4. 多级CSTR的串连和并联
多级CSTR串连的情况前面已经详细讨论过了
1/2Vo
CA0 V0
1/2Vo
CA0 V0
1/2VR
1/2VR
两个系统中哪个处理效果好？
VR
两个相同的CSTR并联等效于一个大的CSTR（总体积相等）
1/2VR
CA0
设第一釜转化率为xA1，根据题设：τ1＝ τ2
1
CA0 xA1 xA0 k(a bxA1 cxA21)CA20
2
CA0 xA2 xA1
k(a
bxA2
cxA2 2
)C
2 A0
CA0 xA1 xA0
k(a bxA1 cxA21)CA20
CA0 xA2 xA1
k(a
bxA2
xA1
解得：xA1=0.2191(已舍去不合理值）
代入，可求得VR1＝5.390m3 VR2＝5.487m3
故反应总体积为VR＝10.88m3
例题中五种反应器体积比较
• BSTR：
VR＝12.68m3
• PFR：
VR＝8.227m3
• CSTR：
VR＝14.68m3
• CSTR+CSTR（相等体积）: VR＝12.07m3
反应工程基础
Elements of Reaction Engineering
上海师范大学环境工程系
Department of Environmental Engineering, Shanghai Normal University
[例5-6] 用两只体积相等的全混流反应器串联进行乙酸和乙 醇的酯化反应，每天产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为
解：
根据前面计算可知
CA0 3.908mol / L
V0 4.155(m3 / h)
CB0 10.2(mol / L)
CS0 17.59(mol / L)
CR0 0
rA k(a bxA cxA2 )CA20
其中： a =2.61 b =－5.15 c =0.6575
k =4.76×10-4L/（mol·min），
CH3COOH(A)+C2H6OH(B)
CH3COOC2H5 (R)+H2O(S)
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度
为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100℃下等
温操作，其反应速率方程为
rA k(CACB CRCS / K )
已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常数 K=2.92。试计算乙酸转化35% 时，所需的反应总体积。 要对串连反应器进行优化，两个反应器的体积大小应如何 分配？
cxA2 2
)C
2 A0
xA1
0.35 xA1
(a bxA1 cxA21) (a b 0.35 c 0.352 )
可解得：xA1 =0.2264（已经舍去了不合理值）
代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3
于是，总反应体积VR＝12.072m3
（2）优化的情况
VR CA0 xA1 xA0
0.004m3 / S 0.02kmol / m3
0.001m3 / S 1.0kmol / m3
总转化率xA 0.92
xA1 0.8
解：
FAo AoC Ao 0.004 0.02 8 10 5 kmol / S
FBo BoCBo 0.001 1.0 110 3 kmol / S
因此，A为限制性反应物
C
Ao
8 10 5 0.004 0.001
0.016 kmol / m3
C
Bo
110 3 0.004 0.001
0.2kmol / m3
1
C
Ao
C A1
kC C A1 B1
x A1