(8.5.1)-8.5理想反应器的评比与选择

第八章均相反应过程2023/2/151

8.5理想反应器的评比与选择

本节的教学目标掌握反应器选择的一般标准掌握复杂反应反应器的选择本节的重点与难点

反应器选择的一般标准复杂反应反应器的选择2023/2/1528.6理想反应器的评比与选择

评价反应器的指标有两个，一是生产强度，二是收率。反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。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，除了反应器的投资外，更重要的是产品的收率。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，应该考虑目的产物的产率和选择性。2023/2/153①间歇搅拌釜式反应器与活塞流反应器

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（有效）体积计算式。间歇搅拌釜式反应器内浓度随时间改变，活塞流反应器内的浓度则随空间位置（管长）而改变，两者反应推动力呈现出相同的分布，反应器内反应速率相同。间歇操作反应器除了反应时间之外，还要有辅助时间。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。一．理想反应器的评比2023/2/154

②连续反应器的比较

全混流反应器的物料之间瞬间达到了完全混合，并物料浓度等于出口浓度；而活塞流反应器中物料浓度由入口到出口逐渐减少，在出口达到最小，于是活塞流反应器内的反应速率总是高于全混流反应器。因而，在相同生产条件和任务时，全混流反应器所需容积要大于活塞流反应器的容积。：

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容积效率，记作η:2023/2/155一级反应,(-rA)=kcA=kcA,0(1-xA)代入上式并化简,得二级反应,(-rA)=kcA2,代入上式并化简,得零级反应,(-rA)=k,即反应速率与浓度无关,有图6—8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：2023/2/156

①转化率的影响

零级反应，转化率对容积效率无影响。对其他正级数反应的容积效率都小于1，转化率越大，容积效率越小。②反应级数的影响

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N→∞，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。关于多釜串联反应器釜数N等对其总容积的影响，也可通过容积效率进行类似的比较。2023/2/157如图表示釜数与容积效率间的关系。釜数越多，容积效率越大，其总容积越接近活塞流反应器；当N→∞时，容积比等于1，其性能与活塞流反应器完全一样。实际生产中，一般常用的釜数不超过4个。

在相同反应条件、反应转化率及物料处理量相同的情况下，所需反应时间以活塞流最小，全混流最大，多釜串联居中。如果要求反应时间及反应转化率相同，活塞流反应器生产能力最大，多釜次之，全混流最小。2023/2/158

二．复杂反应理想反应器的选择对复杂反应，一般在工业上常用收率表示之，而在理论研究时，往往用选择性来表示。S=转化为目的产物的反应物的物质的量/转化为副产物的反应物的物质的量2023/2/159瞬时选择性s分别定义为

s=生成目的产物的反应速率/副反应的反应速率复杂反应的种类很多，平行反应和串联反应既是它们的代表，又是组成更复杂反应的基本反应。2023/2/1510（1）平行反应

设一平行反应为

S(目的产物)(主反应,速率常数k1,反应级数a1,b1)T(副产物)(副反应,速率常数k2,反应级数a2,b2)

主,副反应速率为2023/2/1511提高或降低反应物的浓度，既可以通过改变初始物料状况，也可通过选择合适的反应器和操作方法实现。保持较大浓度的方法有：大浓度进料；对气相反应，增大系统的压力；采用较小的单程转化率。

保持较小浓度的方法有：采用部分反应后的物料的循环，以减低进料中的反应物浓度；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。一定条件下的反应，当k1、k2、a1、a2、b1、b2已知，选择性只与cA、cB有关。2023/2/1512下图为各种形式反应器及加料操作方法。2023/2/1513对上述平行反应：

①当a1＞a2，b1＞b2时，同时提高cA和cB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。

②当a1＜a2，b1＜b2时，则同时降低cA和cB，可提高选择性，选用全混流反应器时,A和B一次加入；或选用间歇的搅拌釜式反应器,A和B慢慢滴入；

③当a1＞a2和b1＜b2时，应提高cA降低cB，可考虑以下选择：a．选择活塞流反应器，反应物A一次加入,B仅沿反应器不同位置分小股份别加入；2023/2/1514b．选择间歇搅拌釜式反应器，反应物A一次加入，B慢慢滴加；c.选择多釜串联反应器,A一次加入,B分小股在各个釜分别加入；d．可考虑将A组分过量，以保持其浓度，而在反应后再进行分离回收。④当a1＜a2和b1＞b2时，应提高cB降低cA，反应器的选择及操作与③相反。⑤当a=b时，选择性与CA无关，此时应通过其它途径来解决。对平行反应，在一定温度下，浓度是控制产物分布的关键。2023/2/1515（2）连串反应设所进行的连串反应为A→R→S(目的产物R，主、副反应速度常数分别为k1，k2)。若反应均为一级反应,其速率表达式分别为反应开始时cA=cA,0,cR=0,cS=0.将上式积分得所以代入解之得因为cA,0=cA+cR+cS2023/2/1516不同k1和k2值的连串反应的组分浓度随反应时间的变化关系曲线如图。k1和k2相对值不同，其图形略不一样，存在最大值：反应时间为2023/2/1517为了使目的产物获得最大的收率，要严格控制反应时间，因此应选用活塞流反应器和间歇反应器。

2023/2/1518（3）理想反应器选择的情况

a、理想混合流反应器活化能很大，反应速率对温度敏感，则反应需在等温条件下进行。当反应温度较高，反应十分剧烈，甚至有爆炸危险。当反应速率较慢，需要在反应器内有较长停留时间。对于平行反应，若主反应级数小于副反应级数。对于连串反应，若最终产物