第6章工业化学反应过程及反应器w

1、6.1 6.1 概概 述述6.2 6.2 理想反应器及其计算理想反应器及其计算 6.3 6.3 理想反应器的评比与选择理想反应器的评比与选择 6.4 6.4 非理想流动及实际反应器的计算非理想流动及实际反应器的计算 6.5 6.5 气固相催化反应器气固相催化反应器6.1 6.1 概概 述述1 1工业化学反应过程的特征工业化学反应过程的特征 实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近实验室中所遇到的化学反应基本上都属于或近似可看作理想条件下的反应过程，似可看作理想条件下的反应过程，然而工业规模下然而工业规模下的反应过程却并非如此。的反应过程却并非如此。 在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高在实

2、验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，究其原因，有以下几方面：结果，究其原因，有以下几方面： 生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反反应器的构型应器的构型以及以及器内流动状况器内流动状况、流动条件流动条件对反应过程对反应过程有极大的影响。有极大的影响。 工业反应器中实际进行的过程包括工业反应器中实际进行的过程包括化学反应化学反应，伴随有，伴随有各种物理过程，如各种物理过

3、程，如热量的传递热量的传递、物质物质的的流动流动、混合混合和和传传递递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果。等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果。 大规模生产条件下，反应大规模生产条件下，反应物系的混合物系的混合不可能像实验不可能像实验室那么均匀。室那么均匀。生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内控制，体系内温度和浓度温度和浓度并非均匀。并非均匀。2化学反应工程学的任务和研究方法化学反应工程学的任务和研究方法 化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，用备内的

4、传递规律，用化学热力学化学热力学和和动力学动力学知识，结合知识，结合流体流体流动流动、传热、传质传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反最佳的反应操作条件应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。，以实现反应过程的优化操作和控制。 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采用的方化学反应工程学有着自身特有的研究方法。采用的方法是经验关联法，是一种实验法是经验关联法，是一种实验- -综合的方法。综合的方法。 工业反应器的反应结果既与工业反应器的反应结果既与反应本身

5、的特性反应本身的特性有关，也有关，也与与反应器内传递过程反应器内传递过程有关，要研究有关，要研究化学反应化学反应和和传递过程传递过程自自身的规律。身的规律。 数学模拟法数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。动力学综合在一起，用数学公式表达出来。 数学模型是流动模

6、型、传递模型、动力学模型的数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和。总和。 建立数学模型的过程采用了分解建立数学模型的过程采用了分解- -综合的方法，将综合的方法，将复杂的反应工程问题分解为较为简单的复杂的反应工程问题分解为较为简单的本征化学动本征化学动力学力学和单纯的和单纯的传递过程传递过程，然后把两者结合，通过综，然后把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法描述。合分析的方法提出模型并用数学方法描述。 在实际研究中，往往是先抽提出在实际研究中，往往是先抽提出理想反应器模型理想反应器模型，然后讨论然后讨论实际反应器和理想反应器的偏离实际反应器和理想反应器的偏离，再通过，再通过

7、校正和修改，最后建立实际反应器的模型。校正和修改，最后建立实际反应器的模型。3 3工业反应器简介工业反应器简介 (1)(1)工业反应器分类工业反应器分类 间歇反应器：间歇反应器：反应物料一次加入，在搅拌下，经反应物料一次加入，在搅拌下，经过一定时间达到反应要求，反应产物一次卸出，生产过一定时间达到反应要求，反应产物一次卸出，生产为间歇地分批进行。为间歇地分批进行。按操作状况按操作状况 分为分为间歇反应器、半间歇间歇反应器、半间歇或或半连续半连续反应器反应器和和连续反应器连续反应器。 特征是反应过程中反应体系的各种参数特征是反应过程中反应体系的各种参数( (浓度等浓度等) )随随着反应时间逐步变

8、化，但不随器内空间位置而变化，着反应时间逐步变化，但不随器内空间位置而变化，物料经历的反应时间都相同物料经历的反应时间都相同。 连续反应器连续反应器：反应物和产物连续：反应物和产物连续稳定地流入和引出反应器，反应器稳定地流入和引出反应器，反应器内的物料参数不随时间发生变化，内的物料参数不随时间发生变化，但随位置而变。但随位置而变。反应物料在反应器反应物料在反应器内停留时间可能不同。内停留时间可能不同。半连续反应器半连续反应器/ /半间歇反应器半间歇反应器：一：一种或几种反应物先一次加入反应种或几种反应物先一次加入反应器，而另一种反应物或催化剂连器，而另一种反应物或催化剂连续注入反应器，操作方式

9、介于连续注入反应器，操作方式介于连续和间歇之间，续和间歇之间，反应器内物料参反应器内物料参数随时间发生变化。数随时间发生变化。非均相反应器分为非均相反应器分为气一液气一液、气一固气一固、液一液液一液、液一液一固固、气一液一固气一液一固等反应器。等反应器。管式管式长长( (高高) )径比大，物料混合作用小，连续操作。径比大，物料混合作用小，连续操作。槽槽( (釜釜) )式式高径比较小高径比较小, ,接近于接近于1 1. .连续操作也可间歇操连续操作也可间歇操作。作。塔式塔式高径比介于两者之间，连续操作。高径比介于两者之间，连续操作。 按反应器的形状按反应器的形状按反应混合物的相态按反应混合物的相

10、态分为分为均相反应器均相反应器和和非均相反应器非均相反应器。均相反应器又分为均相反应器又分为气相气相和和液相反应器。液相反应器。（2）常见工业反应器常见工业反应器 间歇操作搅拌釜间歇操作搅拌釜 带有搅拌器的槽式反应器。用带有搅拌器的槽式反应器。用于小批量、多品种的液相反应系统。于小批量、多品种的液相反应系统。 连续操作管式反应器连续操作管式反应器 连续操作的管式反应器。如连续操作的管式反应器。如石脑油裂解、高压聚乙烯等。石脑油裂解、高压聚乙烯等。连续操作搅拌釜连续操作搅拌釜 物料连续流动的搅拌釜式反应物料连续流动的搅拌釜式反应器。用于均相、非均相的液相系统，如合成橡胶器。用于均相、非均相的液相

11、系统，如合成橡胶等聚合反应过程。可以等聚合反应过程。可以单釜操作单釜操作，也可，也可多釜串联多釜串联操作。操作。固定床反应器固定床反应器 反应器内填放固体催化剂颗粒，在反应器内填放固体催化剂颗粒，在流体通过时静止不动。主要用于气固相催化反应，流体通过时静止不动。主要用于气固相催化反应，如合成氨生产等。如合成氨生产等。流化床反应器流化床反应器 催化剂颗粒较小，在流体通过时，催化剂颗粒较小，在流体通过时，催化剂形成悬浮状态，犹如沸腾的流体，故称流化催化剂形成悬浮状态，犹如沸腾的流体，故称流化床。主要用于要求有较好的传热和传质效率的气床。主要用于要求有较好的传热和传质效率的气- -固固相催化反应，如

12、石油催化裂化等。相催化反应，如石油催化裂化等。鼓泡床反应器鼓泡床反应器 是一种塔式结构气是一种塔式结构气- -液反应器，在液反应器，在充满液体的床层中，气体鼓泡通过，气充满液体的床层中，气体鼓泡通过，气- -液两相进行液两相进行反应。反应。回转炉回转炉鼓泡床反应器鼓泡床反应器液体液体4 4反应器的基本计算方程反应器的基本计算方程 反应器的设计计算主要是反应器的设计计算主要是确定反应器的生产能力确定反应器的生产能力，即完成一定生产任务所需反应器的体积。即完成一定生产任务所需反应器的体积。对于任一反应器，其物料衡算表达式为：对于任一反应器，其物料衡算表达式为：引入反应物的速率引入反应物的速率 =

13、= 引出反应物的速率引出反应物的速率 + + 反应反应消耗的反应物的速率消耗的反应物的速率 + + 反应物积累速率反应物积累速率间歇操作间歇操作反应消耗反应物的速率反应消耗反应物的速率 + + 反应物积累速率反应物积累速率 = 0= 0连续稳定操作连续稳定操作引入反应物的速率引入反应物的速率 = = 引出反应物的速率引出反应物的速率 + + 反应反应物消耗的速率物消耗的速率化学反应的速度及其表示化学反应的速度及其表示 在在单位空间单位空间( (体积体积) )、单位时间单位时间内物料内物料( (反应物或反应物或产物产物) )数量的变化。数量的变化。间）（单位体积）（单位时的摩尔数由于反应而消耗的

14、AdtdnVrAA1)(AACVn/式中式中(- (-r rA A) )中的负号表示反应物消失的速率。中的负号表示反应物消失的速率。 若反应过程中物料体积变化很小若反应过程中物料体积变化很小，则，则V V可视为恒可视为恒定，称为定，称为恒容过程恒容过程，则有：，则有：dtdCrAA)(故故 6.2 理想反应器及其计算理想反应器及其计算 1间歇搅拌釜式反应器间歇搅拌釜式反应器( (BSTR) (1)(1)结构与操作特点结构与操作特点 反应物料一次加入，充分搅拌，反应物料一次加入，充分搅拌，整个反应器内整个反应器内物料的浓度和温度物料的浓度和温度保持均匀保持均匀。常配有夹套或蛇管，常配有夹套或蛇管

15、，以控制反应温度。以控制反应温度。 间歇反应器操作的一个间歇反应器操作的一个生产周生产周期包括加料、反应、出料、清洗期包括加料、反应、出料、清洗。（2）间歇搅拌釜式反应器的计算间歇搅拌釜式反应器的计算 以反应物以反应物A A为基准对反应器进行物料衡算，为基准对反应器进行物料衡算， 反应物反应物A A消耗速率消耗速率 = (-= (-r rA A) )V VAdndt物料衡算式可变为物料衡算式可变为dtdnVrAA)(反应物反应物A A积累速率积累速率 = =dtdnVrAA1)(或式中：式中：rA 组分组分A的反应速度，的反应速度，kmolm-3s-1 V反应混合物的体积，反应混合物的体积，m

16、3 t反应时间，反应时间，s nA反应混合物的物质的量，反应混合物的物质的量，kmol(6-4)dtdcrAA)(AAAxAAAccAArdxcrdct00 ,)()(0,如果反应过程中如果反应过程中,反应混合物的体积不发生变化反应混合物的体积不发生变化,即即为为恒容过程恒容过程,有有nA=VcA或或dnA=VdcA,则则反应时间为反应时间为cA,0为为A的初始浓度的初始浓度; ;xA为为A的转化率。的转化率。 间歇反应器中达到一定转化率需要的反应时间仅间歇反应器中达到一定转化率需要的反应时间仅与反应速率有关，而与反应器的容积无关。与反应速率有关，而与反应器的容积无关。 间歇反应器的一个操作周

17、期除反应时间间歇反应器的一个操作周期除反应时间t t 外，还外，还有加料、出料、清洗等非生产时间，称辅助时间有加料、出料、清洗等非生产时间，称辅助时间tt。(6-5)(6-6) 如果已知如果已知单位时间平均处理物料的体积单位时间平均处理物料的体积v v，那么反，那么反应器体积应器体积V VR R计算公式为：计算公式为： ()RVv tt实际反应器的体积实际反应器的体积V VT T要比有效容积大，则要比有效容积大，则/TRVV 装料系数装料系数 ，一般为，一般为0.40.40.80.8。对不发生泡沫不。对不发生泡沫不沸腾的液体，取上限。沸腾的液体，取上限。 式中式中V VR R为反应器的有效容积

18、。为反应器的有效容积。(6-7)(6-8) 例例6 61 1 在间歇搅拌釜式反应器中进行如下分解反应：在间歇搅拌釜式反应器中进行如下分解反应：ABABC C, 已知在已知在328 K328 K时时 k k = 0.00231s = 0.00231s-1-1，反应，反应物物A A的初始浓度为的初始浓度为l.24kmolml.24kmolm-3-3，要求，要求A A的转化率的转化率达到达到 9090。又每批操作的辅助时间。又每批操作的辅助时间30 min, A30 min, A的日的日处理量为处理量为14 m14 m3 3，装料系数为，装料系数为 0.750.75，试求反应器的，试求反应器的体积。

19、体积。 假设：反应级数为一级；日工作时间为假设：反应级数为一级；日工作时间为1212小时。小时。解解 (1) (1) 确定达到要求的转化率所需反应时间确定达到要求的转化率所需反应时间 反应速率表达式为反应速率表达式为 ,0(1)AAAArkckcx,00011ln()(1)1AAxxAAAAAAdxdxtcrkxkx 代入数据得代入数据得 t t1000 s1000 s(2) (2) 计算反应器体积计算反应器体积 假定日工作时间为假定日工作时间为1212小时小时。根据。根据(6-7)(6-7)和和(6-8)(6-8)有有 3314100030()()0.9012360060RmVv tthmh

20、3/0.90/0.751.2TRVVm2活塞流反应器活塞流反应器（PFR） （1 1）活塞流）活塞流 连续稳定流入反应器的流体，在垂直于流动方连续稳定流入反应器的流体，在垂直于流动方向的任一载面上，各质点的流速完全相同，平行向向的任一载面上，各质点的流速完全相同，平行向前流动，称为前流动，称为活塞流或平推流活塞流或平推流。 特点是特点是先后进入反应器的物料之间完全无混合，先后进入反应器的物料之间完全无混合，而在垂直于流动方向的任一载面上，物料的参数都而在垂直于流动方向的任一载面上，物料的参数都是均匀的。是均匀的。沿反应器轴向上物料之间没有混合，而沿反应器轴向上物料之间没有混合，而径向上物料之间

21、混合均匀。径向上物料之间混合均匀。 物料质点在反应器内停留的时间都相同。物料质点在反应器内停留的时间都相同。（2 2）活塞流反应器的计算）活塞流反应器的计算 设一反应器体积为设一反应器体积为V VR R，进、出反应器的物料参数，进、出反应器的物料参数如图示，其中如图示，其中q qv v、q qn n，分别为反应物，分别为反应物A A的体积和摩尔的体积和摩尔流量。流量。 定态操作时定态操作时，反应器内物料的参数不随时间发生变，反应器内物料的参数不随时间发生变化，而沿着长度方向发生变化。化，而沿着长度方向发生变化。 取体积为取体积为dVdVR R的一微元作为恒算范围，对组分的一微元作为恒算范围，对

22、组分A A进行物料衡算进行物料衡算: :进入微元体积的反应物进入微元体积的反应物A A的速率的速率流出微元体积反应物流出微元体积反应物A A的速率的速率A A反应消耗的速率反应消耗的速率 (- (-r rA A) )dVdVR R)1 ()1 (0 ,0 ,0 ,AAvAAnAnxcqxqq)1 (0 ,0 ,AAAvAnAndxxcqdqqRAAnAnAndVrdqqq)(,根据物料衡算式可得根据物料衡算式可得RAAAAVAAVdVrdxxcqxcq)()1 ()1 (0 ,0 ,0 ,0 ,RAAAVdVrdxcq)(0 ,0 ,或或简化上式得简化上式得(6-9)对整个反应器积分得对整个反

23、应器积分得fARxAAAVVRRrdxcqdVV,00 ,0 ,0)(fAxAAAVRrdxcqV,00 ,0 ,)(0,)(0 ,AfAccAAVRrdcqV对对恒容过程恒容过程cA = cA,0 (1-xA), 则则 dxA = -dcA/cA,0代入上式代入上式或或(6-10)(6-11)(6-12) 其中其中 为空间时间，定义为反应物料以为空间时间，定义为反应物料以入口状态体入口状态体积流量积流量通过反应器所需的时间。通过反应器所需的时间。 对恒容过程，又称为对恒容过程，又称为停留时间停留时间，指物料粒子从进，指物料粒子从进入到流出反应器所需要的时间。入到流出反应器所需要的时间。3 3

24、全混流反应器（全混流反应器（CSTR） （1 1）全混流）全混流 特点是反应器内物料的特点是反应器内物料的参数处处均匀，且都等于参数处处均匀，且都等于流出物料的参数，但流出物料的参数，但物料物料质点在反应器中停留的时质点在反应器中停留的时间各不相同间各不相同，即形成停留，即形成停留时间分布。时间分布。 全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的全混流是指连续稳定流入反应器的物料在强烈的搅拌下与反应器中的物料搅拌下与反应器中的物料瞬间达到完全混合瞬间达到完全混合，又称，又称理想混合流理想混合流。全混流反应器全混流反应器（2 2）全混流反应器的计算）全混流反应器的计算 在充分搅拌下进入反应器的物料

25、粒子与反应器中已有在充分搅拌下进入反应器的物料粒子与反应器中已有的粒子之间瞬间混合均匀，的粒子之间瞬间混合均匀，反应器内组成处处相同反应器内组成处处相同。 根据连续流动物料衡算式，可得根据连续流动物料衡算式，可得 RfAfAVAVVrcqcq)(,0,0,恒容过程中，恒容过程中，,0VVqq,0,0()AA fRVAfccVqr 全混流反应器的基本计算方程全混流反应器的基本计算方程。 由于由于物料粒子在全混流反应器中停留时间各不物料粒子在全混流反应器中停留时间各不相同，所以式中相同，所以式中 为平均停留时间为平均停留时间。,0,0,0()()AA fARVAfcxxVqr如果进料中已含反应物，

26、如果进料中已含反应物，x xA,00A,00，则，则 例例6 -2 某液相反应某液相反应 A+BR+S，其反应动力学表达式，其反应动力学表达式为为(-rA)kcAcB。T373K时，时，k = 0.24 m3kmol-1 min-1。今要完成生产任务今要完成生产任务,A的处理量为的处理量为80 kmolh-1，入口物料，入口物料浓度为浓度为cA,0=2.5 kmolm-3，cB,0= 5.0 kmolm-3，要求，要求A的的转化率达到转化率达到80，问：问：若采用活塞流反应器，反应器容积应为多少若采用活塞流反应器，反应器容积应为多少m3？采用全混流反应器，反应器的容积应为多少采用全混流反应器，

27、反应器的容积应为多少m3？又因反应物又因反应物B稍过量，稍过量，cB,02cA,0，当，当A的转化率为的转化率为xA时，时， cA = cA,0(1-xA)， cB= cB,0 - cA,0 xA = cA,0(2-xA), (-rA) = kcAcB = kc2A,0(1-xA)(2-xA) 所以所以 qV ,0qn,A,0cA,032 m3h-1解解：已知：已知 qn,A,080 kmolh-1，cA,02.5 kmolm-3，cB,0= 5.0kmolm-3，活塞流反应器：活塞流反应器： ,0,0200,0()(1)(2)A fA fxxAAAAAAAAdxdxccrkcxx,00,0,

28、021111()ln121A fA fxxAAAAAAAxdxkcxxkcx代入数据代入数据 1ln6ln21.83min0.24 2.53,976. 060/83. 132mqVoVR所以所以 全混流反应器：全混流反应器： 22,0,()(1)(2)0.24 2.5(1 0.8)(2 0.8)AAA fA frkcxx 30.36/minkmol m,0,2.5 0.85.56min()0.36AA fAfcxr332 5.56/602.96RVm 在相同的生产条件、物料处理量和最终转化率下在相同的生产条件、物料处理量和最终转化率下，全混流反应器所需的容积要比活塞流反应器的容积全混流反应器所

29、需的容积要比活塞流反应器的容积大得多。大得多。 4 4多釜串联反应器多釜串联反应器（MMFR） 每一级反应器都是全混流反应器；每一级反应器都是全混流反应器； 反应器之间，流体不相互混合。前一级反应器出口的反应器之间，流体不相互混合。前一级反应器出口的物料浓度为后一级反应器入口的浓度。物料浓度为后一级反应器入口的浓度。串联级数越多，串联级数越多，各级之间反应物浓度差别越小，整个多釜串联反应器越各级之间反应物浓度差别越小，整个多釜串联反应器越接近平推流反应器接近平推流反应器。 如果生产过程中所需的全混流反应器体积比较大，如果生产过程中所需的全混流反应器体积比较大，会采用几个较小的全混流反应器串联。

30、会采用几个较小的全混流反应器串联。多釜串联反应器如下图所示。其特点为：多釜串联反应器如下图所示。其特点为：iAiAiAViRirccqV)(,1,0 ,iAiAiAAirxxc)()(1,0 ,或或对第对第i i个反应器进行物料衡算得：个反应器进行物料衡算得： ,1,1,()A iV iA iV iA iR icqc qrV 定容过程，定容过程， ,0,1,.VVV iV Nqqqq 则有则有(6-16)(6-17)(6-18) 在多釜串联反应器中，涉及在多釜串联反应器中，涉及每级反应器的有效容每级反应器的有效容积积V VR,iR,i、串联、串联反应器的级数反应器的级数N N、最终转化率最终转

31、化率x xA,NA,N、反反应物最终浓度应物最终浓度c cA,NA,N等四个参数，可用代数法和图解等四个参数，可用代数法和图解法求解。法求解。 （1 1）代数法）代数法 对一级反应对一级反应AR ,A iiA irk c,1,A iA iiiA icck c,1,1A iiA ickc 即有即有,01 1,11AAckc ,122,21AAckc ,23 3,31AAckc . 或或,1,1A NNNA Nckc 所有上式连乘，有所有上式连乘，有 ,01,(1)NAiiiA Nckc(6-19)NiiNAkx1,111NiiANAkcc10,11生产中往往各级反应器的体积相等生产中往往各级反应

32、器的体积相等, ,反应条件相同反应条件相同, ,有有有有由此得由此得N21kkkkN21NNAkx111,11111,NNAxk)1ln()1ln(,kxNNA(6-22)（2 2）图解法）图解法 对定容反应过程对定容反应过程，将第，将第i i 级釜的基本计算式级釜的基本计算式(6-17)(6-17)改写为改写为 ,1,()A iA iA iiiccr 当第当第i i 级釜进口浓度级釜进口浓度c cA,A,i i-1-1已知已知, ,其出口浓度其出口浓度c cA,A,i i和和r rA,A,i i为直线关系，为直线关系，斜率为斜率为 1/i截距为截距为c cA,A,i i-1-1/ / i i

33、 如图所示。如图所示。 两条线的交点所对应的横坐标上两条线的交点所对应的横坐标上C CA A即为釜出口的浓度。即为釜出口的浓度。， 如果已知釜数如果已知釜数N N，按上法作图，第，按上法作图，第N N根操作线与动力根操作线与动力学关系线的交点的横坐标即为最终出口的浓度。学关系线的交点的横坐标即为最终出口的浓度。 如果已知釜数和最终出口的浓度，需要确定总体积或如果已知釜数和最终出口的浓度，需要确定总体积或体积流量时，则要采用试差法。体积流量时，则要采用试差法。 第第i i 级釜的反应满足动力学关系式级釜的反应满足动力学关系式)()(AiAckfr(6-26) 反应动力学关系可利用已知的关系式或实

34、验数据，绘反应动力学关系可利用已知的关系式或实验数据，绘制在制在c cA A- -r rA,A,i i图上。两条线的交点所对应的横坐标上图上。两条线的交点所对应的横坐标上c cA A即即为出口的转化率。为出口的转化率。 注意：注意：只有当反应速率能用单组分的浓度表示时，只有当反应速率能用单组分的浓度表示时，才能才能绘制在绘制在C CA A-r-rA,iA,i图上。对平行、串联等复杂反应不适用。图上。对平行、串联等复杂反应不适用。 例例6 -3 某液相反应某液相反应 A+BR+S，其反应动力学表达，其反应动力学表达式为式为(-rA)kcAcB。 T373K时，时，k = 0.24 m3kmol-

35、1 min-1。今要完成生产任务。今要完成生产任务,A的处理量为的处理量为80 kmolh-1，入口物料浓度为入口物料浓度为cB,0= cA,0=2.5 kmolm-3，要求，要求A的转的转化率达到化率达到80，问：问：若采用全混流反应器若采用全混流反应器 ，反应器容积应为多少，反应器容积应为多少m3？如果采用体积相同的三个全混流反应器串联，如果采用体积相同的三个全混流反应器串联，反应器的容积应为多少反应器的容积应为多少m3？qV ,0qn,A,0cA,032 m3h-1解解：因为：因为 22,0,()(1)A iA iB iA iAA irkc ckckcx根据多釜串联反应器公式根据多釜串联

36、反应器公式(6-18):(6-18): ,0,122,0,()(1)AA iA iiAA icxxkcx当当3 3个反应釜时：个反应釜时： 第三级第三级 ,2,22,0(0.8)0.8(1 0.8)0.024AAAxxkc整理，得整理，得 2,8 . 0024. 0Ax第二级第二级 ,2,1,122,0,2()0.80.024(1)0.6(1 0.80.024 )AAAAAxxxkcx第一级第一级 ,12,10.6(1)AAxx利用试差法解联立方程组，得利用试差法解联立方程组，得 ,10.520Ax3.76min每个反应釜的体积为：每个反应釜的体积为：V VR,1R,1V VR,2R,2V V

37、R,3R,3 332 3.76/602.00m总体积为总体积为: : 36.00RVm采用单个全混流反应器，根据式采用单个全混流反应器，根据式(6-13)(6-13) ,0,()AA fAfccr222,0,()(1)A fA fB fA fAA frkc ckckcx,0,222,0,0.833.3min(1)0.24 2.5(1 0.8)AA fAA fcxkcx3,032 33.3/60 17.78RVVqm 相同的生产条件和生产任务，相同的生产条件和生产任务，采用多个反应釜串采用多个反应釜串联时，反应器的总体积比采用单个反应器的体积明联时，反应器的总体积比采用单个反应器的体积明显减少。

38、显减少。 6.3 6.3 理想反应器的评比与选择理想反应器的评比与选择 评价反应器的指标有两个，一是评价反应器的指标有两个，一是生产强度生产强度，二是，二是收率收率。反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。在相同条件下，反应器所需反应体积越小，则表明其生在相同条件下，反应器所需反应体积越小，则表明其生产能力越大。在影响实际生产过程费用的诸因素中，除产能力越大。在影响实际生产过程费用的诸因素中，除了反应器的投资外，更重要的是了反应器的投资外，更重要的是产品的收率产品的收率。 对简单反应，不存在产品分布问题，只需从生产能力上对简单反应，不

39、存在产品分布问题，只需从生产能力上优化。复杂反应则存在产品分布，且产品分布随反应过程优化。复杂反应则存在产品分布，且产品分布随反应过程条件的不同而变化，涉及这类反应时，应该考虑目的产物条件的不同而变化，涉及这类反应时，应该考虑目的产物的的产率和选择性产率和选择性。1 1理想反应器的评比理想反应器的评比 返混有别于一般的搅拌混合，它是一种返混有别于一般的搅拌混合，它是一种时间概念时间概念上的混合上的混合，因而称为，因而称为逆向混合逆向混合。 而搅拌混合仅是指物料粒子在空间位置上的变动，而搅拌混合仅是指物料粒子在空间位置上的变动，所以又叫所以又叫空间混合空间混合。 返混同时也包含空间位置上的混合返

40、混同时也包含空间位置上的混合. .（1 1）返混）返混 返混返混是指反应器中逗留了不同时间，具有不同是指反应器中逗留了不同时间，具有不同性质的物料粒子之间的混合，性质的物料粒子之间的混合，即经历了不同反应时即经历了不同反应时间的物料粒子之间的混合间的物料粒子之间的混合。 对对理想的间歇操作反应器理想的间歇操作反应器，所有物料粒子同时加入，所有物料粒子同时加入，在任一时刻具有的反应时间都相同，不存在逗留时间不在任一时刻具有的反应时间都相同，不存在逗留时间不同的物料粒子的混合。同的物料粒子的混合。返混只对连续反应器有意义返混只对连续反应器有意义。 对于对于活塞流反应器活塞流反应器，并不发生返混，即

41、返混为零；，并不发生返混，即返混为零； 全混流反应器全混流反应器中，是最大限度的返混；中，是最大限度的返混； 对于对于多釜串联反应器多釜串联反应器，每一个釜是全返混每一个釜是全返混，而釜与釜而釜与釜之间又完全无返混；之间又完全无返混； 釜数越多，多釜串联反应器的返混程度越小，越接近釜数越多，多釜串联反应器的返混程度越小，越接近平推流。平推流。 设一反应体系，设一反应体系，c cA,0A,0、c cA,fA,f分别为反应物分别为反应物A A在反应器在反应器进、出口的浓度进、出口的浓度， c cA A* *为反应物为反应物A A的平衡浓度的平衡浓度。则反。则反应器中任一位置处的浓度推动力为：应器中

42、任一位置处的浓度推动力为：整个反应器中反应推动力即为任一位置处推动力的整个反应器中反应推动力即为任一位置处推动力的积分，即积分，即 （2 2）连续理想反应器的推动力比较）连续理想反应器的推动力比较AAAdccc*(6-27)1 ,0 ,AAccAdc 各反应器的浓度推动力即为阴影部分的面积。各反应器的浓度推动力即为阴影部分的面积。 在相同的生产任务下，活塞流反应器的浓度推动力大在相同的生产任务下，活塞流反应器的浓度推动力大于全混流反应器的推动力，而多釜串联反应器的推动力介于全混流反应器的推动力，而多釜串联反应器的推动力介于二者之间于二者之间。 下图是各种连续反应器浓度的变化曲线。下图是各种连续

43、反应器浓度的变化曲线。 间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器 在构造上和物在构造上和物料流况上都不相同，但它们却具有相同的反应时间或（有料流况上都不相同，但它们却具有相同的反应时间或（有效）体积计算式。效）体积计算式。因此，在相同的生产条件下，完成一定因此，在相同的生产条件下，完成一定的生产任务，所需反应时间相同。的生产任务，所需反应时间相同。（3 3）反应器体积的比较）反应器体积的比较 间歇操作反应器除了反应时间之外，还要有辅助时间，间歇操作反应器除了反应时间之外，还要有辅助时间，因此，它所需要的实际体积要大于活塞流反应器。因此，它所需要的实际体积要大于活塞流反应

44、器。 连续的活塞流反应器比间歇的搅拌釜式反应器的生产能连续的活塞流反应器比间歇的搅拌釜式反应器的生产能力要大，完成一定任务所需实际反应体积要小。力要大，完成一定任务所需实际反应体积要小。 连续反应器的比较连续反应器的比较 由于存在返混，由于存在返混，全混流反应器全混流反应器的物料之间瞬间达的物料之间瞬间达到了完全混合，并等于出口浓度，即器内到了完全混合，并等于出口浓度，即器内反应推动反应推动力或反应速率一直处于最小力或反应速率一直处于最小； 而而活塞流反应器活塞流反应器中由入口到出口逐渐减少，在出中由入口到出口逐渐减少，在出口达到最小，于是口达到最小，于是活塞流反应器内的反应速率总是活塞流反应

45、器内的反应速率总是高于全混流反应器高于全混流反应器。因而，。因而，在相同生产条件和任务在相同生产条件和任务时，时，全混流反应器所需容积要大于活塞流反应器的全混流反应器所需容积要大于活塞流反应器的容积容积。 在相同反应条件、反应转化率及物料处理量的在相同反应条件、反应转化率及物料处理量的情况下，所情况下，所需反应时间以活塞流最小，全混流最需反应时间以活塞流最小，全混流最大，多釜串联居中。大，多釜串联居中。 如果要求如果要求反应时间及反应转化率相同反应时间及反应转化率相同，活塞流活塞流反应器生产能力最大，多釜次之，全混流最小。反应器生产能力最大，多釜次之，全混流最小。 采用多个全混流反应器串联时，

46、反应器中反应采用多个全混流反应器串联时，反应器中反应物的浓度梯度除最后一级外，每一级都比只采用物的浓度梯度除最后一级外，每一级都比只采用单个反应釜的大，因而反应推动力大、反应速率单个反应釜的大，因而反应推动力大、反应速率高，达到一定转化率所需反应器体积小高，达到一定转化率所需反应器体积小。 反应器串联釜数越多，各级反应器中反应物浓反应器串联釜数越多，各级反应器中反应物浓度之间的差别越小，当度之间的差别越小，当N N，多釜串联反应器，多釜串联反应器的反应物浓度的变迁接近于活塞流反应器。其体的反应物浓度的变迁接近于活塞流反应器。其体积也接近活塞流反应器。积也接近活塞流反应器。 为更好比较，在相同反

47、应条件和完成同样任务的为更好比较，在相同反应条件和完成同样任务的活塞流反应器与全混流反应器的有效容积之比为活塞流反应器与全混流反应器的有效容积之比为容积容积效率效率，记作，记作 : :fAfAxAAfAfAfAfAAxAAACPCRPRrdxxrrxcrdxcVV,0,0,00,)()()()()()(零级反应零级反应, (-rA)=k, 即即反应速率与浓度无关反应速率与浓度无关, ,有有1)()(CRPRVV(6-28)(6-29)fAfAfACRPRxxxVV,11ln1)()(1)1 (11)()(1,nxxxVVnfAfAfACRPR一级反应一级反应, (-rA)=kcA=kcA,0(

48、1-xA), 代入上式并化简代入上式并化简, ,得得n级反应级反应(n1), (-rA)=kcAn, ,代入上式并化简代入上式并化简, ,得得 图图6868显示了容积效率与转化率、反应级数之间显示了容积效率与转化率、反应级数之间的关系。从图中得出如下结论：的关系。从图中得出如下结论：(6-30)(6-31) 转化率的影响转化率的影响 零级反应，转化率对容积效率无影响。零级反应，转化率对容积效率无影响。对其它正级数反应的容积效率都小于对其它正级数反应的容积效率都小于1 1，转化率越大，容转化率越大，容积效率越小积效率越小。即全混流。即全混流反应级数的影响反应级数的影响 转化率一转化率一定时，反应

49、级数越大，容积效定时，反应级数越大，容积效率越小，即两种反应器的容积率越小，即两种反应器的容积差别越大，换言之，差别越大，换言之，对于级数对于级数大的反应，如用全混流反应器，大的反应，如用全混流反应器，则需要更大的有效容积则需要更大的有效容积。反应器所需容积远大于活塞流反应器所需容积远大于活塞流反应器的容积。反应器的容积。 关于关于多釜串联反应器釜数多釜串联反应器釜数N N等对其总容积的影响等对其总容积的影响，也可，也可通过容积效率进行类似的比较。下图表示釜数与容积效率通过容积效率进行类似的比较。下图表示釜数与容积效率间的关系。间的关系。釜数越多，容积效率越大，其釜数越多，容积效率越大，其总容

50、积越接近活塞流反应器；总容积越接近活塞流反应器；当当N N时，容积比等于时，容积比等于1 1，其性能与活塞流反应器完全一其性能与活塞流反应器完全一样。样。釜数增加大一定程度后，釜数增加大一定程度后，再增加，其反应器总体积的减再增加，其反应器总体积的减小已不明显。小已不明显。实际生产中，一般常用的釜数不超过实际生产中，一般常用的釜数不超过4 4个。个。 复杂反应的平均收率复杂反应的平均收率( (或称或称总收率总收率) ) 和平均选择性和平均选择性( (或称或称总选择性总选择性) ) ，分别是反应器在任一时刻或任一，分别是反应器在任一时刻或任一点的瞬时值的积分值，它们的定义为点的瞬时值的积分值，它

51、们的定义为 2 2理想反应器的选择理想反应器的选择 对复杂反应，一般在工业上常用对复杂反应，一般在工业上常用收率收率表示之，而表示之，而在理论研究时，往往用在理论研究时，往往用选择性选择性来表示。来表示。物质的量进入反应器的反应物的物的物质的量转化为目的产物的反应物的反应物的物质的量转化为目的产物和副产物的物质的量转化为目的产物的反应(6-32)(6-33)瞬时收率瞬时收率和瞬时选择性和瞬时选择性分别定义为分别定义为 平均收率和平均选择率与它们的瞬时值间的关系平均收率和平均选择率与它们的瞬时值间的关系为为fAAccAccdcAfA,0,0,0,AfAccd收率、选择性和转化率之间的关系为收率、

52、选择性和转化率之间的关系为 x率进入反应器反应物的速生成目的产物的速率d反应的反应速率之和主反应的反应速率和副生成目的产物的速率(6-34)(6-35)(6-38) 复杂反应的种类很多，复杂反应的种类很多，平行反应平行反应和和串联反应串联反应既既是它们的代表，又是组成更复杂反应的基本反应。是它们的代表，又是组成更复杂反应的基本反应。（1 1）平行反应）平行反应 设一平行反应为设一平行反应为 A+BST111bBaASScckdtdcr S(目的产物目的产物)(主反应主反应, 速率常数速率常数k1, 反应级数反应级数a1, b1) T(副产物副产物) (副反应副反应, 速率常数速率常数k2, 反

53、应级数反应级数a2, b2) 主主,副反应速率为副反应速率为222bBaATTcckdtdcrS S 与瞬时选择性与瞬时选择性 的关系为的关系为SSrrrTSS1212121bbBaaAcckkS定义定义对比速率对比速率S S 为主、副反应速率之比为主、副反应速率之比可见，可以通过对比速率可见，可以通过对比速率S S来分析平行反应的选择来分析平行反应的选择性优化。性优化。 一定条件下的反应，当一定条件下的反应，当k1、k2、a1、a2、b1、b2已已知，对比速率或选择性只与知，对比速率或选择性只与cA、cB有关。有关。如何提高主产物的收率？如何提高主产物的收率？ 要提高主产物的收率要提高主产物

54、的收率，就要使对比速率比值增大，就要使对比速率比值增大，即要提高即要提高cA(a1-a2)和和cB(b1-b2)的值，的值，指数为正，则应提指数为正，则应提高浓度高浓度；指数为负，则应降低浓度。指数为负，则应降低浓度。212121bbBaaAcckkS 提高或降低反应物的浓度，既可以提高或降低反应物的浓度，既可以改变初始物料状况改变初始物料状况，也可通过也可通过选择合适的反应器选择合适的反应器和和操作方法操作方法实现。实现。保持较大浓度的方法有：保持较大浓度的方法有： 大浓度进料；大浓度进料； 对气相反应，增大系统的压力；对气相反应，增大系统的压力； 采用较小的单程转化率。采用较小的单程转化率

55、。保持较小浓度的方法有：保持较小浓度的方法有： 采用部分反应后的物料的循环，以减低进料中的反采用部分反应后的物料的循环，以减低进料中的反应物浓度；应物浓度； 加入惰性稀释剂；对气相反应，减小系统的压力；加入惰性稀释剂；对气相反应，减小系统的压力； 采用较大的单程转化率。采用较大的单程转化率。下图为各种形式反应器及加料操作方法。下图为各种形式反应器及加料操作方法。对上述平行反应：对上述平行反应： 当当a a1 1a a2 2，b b1 1b b2 2时，同时提高时，同时提高c cA A和和c cB B可提高选可提高选择性，选用活塞流反应器或间歇搅拌釜式反应器为宜。择性，选用活塞流反应器或间歇搅拌

56、釜式反应器为宜。 如由于其它原因必须采用全混流反应器时，也应选如由于其它原因必须采用全混流反应器时，也应选用多釜串联反应器。在操作方法上，应将用多釜串联反应器。在操作方法上，应将A A与与B B同时加同时加入。入。 当当a a1 1a a2 2，b b1 1b b2 2时，则同时降低时，则同时降低c cA A和和c cB B，可提，可提高选择性，高选择性，选用全混流反应器时选用全混流反应器时,A,A和和B B一次加入；或选一次加入；或选用间歇的搅拌釜式反应器用间歇的搅拌釜式反应器,A,A和和B B慢慢滴入；慢慢滴入； 212121bbBaaAcckkS当当a a1 1a a2 2和和b b1

57、1b b2 2时，应提高时，应提高c cA A降低降低c cB B，可考虑，可考虑以下选择：以下选择： a a选择活塞流反应器选择活塞流反应器，反应物，反应物A A一次加入；一次加入；B B沿反沿反应器不同位置分小股分别加入；应器不同位置分小股分别加入； b b选择间歇搅拌釜式反应器选择间歇搅拌釜式反应器，反应物，反应物A A一次加入，一次加入，B B分小股慢慢滴加；分小股慢慢滴加； c c. . 选择多釜串联反应器选择多釜串联反应器,A,A一次加入一次加入,B,B分小股在各分小股在各个釜分别加入；个釜分别加入； d d可考虑将可考虑将A A组分过量，以保持其浓度，而在反组分过量，以保持其浓度

58、，而在反应后再进行分离回收。应后再进行分离回收。当当a a1 1a a2 2和和b b1 1b b2 2时，应提高时，应提高c cA A降低降低c cB B，反应，反应器的选择及操作与器的选择及操作与相反。相反。当当a a= =b b时，选择性与时，选择性与c cA A无关，此时应通过其它无关，此时应通过其它途径来解决。途径来解决。 对平行反应，在一定温度下，浓度是控制产物分对平行反应，在一定温度下，浓度是控制产物分布的关键。布的关键。高反应物浓度有利于其反应级数差为正值高反应物浓度有利于其反应级数差为正值的反应；低反应物浓度有利于其反应级数差为负值的的反应；低反应物浓度有利于其反应级数差为负

59、值的反应。反应。 例例6 -36 -3 有一液相平行反应有一液相平行反应 A+BR ( A+BR (主产物主产物), ), A+BS (A+BS (副产物副产物), ), 已知混合前两股物料已知混合前两股物料A A和和B B的体积流量相同，初始浓的体积流量相同，初始浓度均为度均为10 kmol.m10 kmol.m-3-3。若。若采用全混流反应器；采用全混流反应器； 采用活塞流反应器；采用活塞流反应器；A A由入口一次注入，由入口一次注入，B B沿反应沿反应器的不同位置分批加入。试求器的不同位置分批加入。试求A A和和B B的转化率为的转化率为90%90%时，产物中杂质的时，产物中杂质的选择性

60、选择性？3 . 00 . 1BARccdtdc8 . 15 . 00 . 1BASccdtdc解解：R R的瞬时选择性为的瞬时选择性为 5 . 15 . 08 . 15 . 03 . 03 . 0110 . 10 . 10 . 1BABABABAccccccccAc11已知已知c cA,0A,0= =c cB,0B,0=10 kmol.m=10 kmol.m-3-3，则有，则有c cA A= =c cB B，即瞬时，即瞬时选择性为选择性为5 . 0%)901 (101111,fAc 全混流反应器全混流反应器 整个反应器浓度是均匀的，整个反应器浓度是均匀的，= 故产物中杂质含量为故产物中杂质含量