第三章釜式及均相管式反应器PPT

第三章釜式及均相管式反应器PPT第1页，课件共124页，创作于2023年2月本章授课内容第一节间歇釜式反应器第二节连续流动均相管式反应器第三节连续流动釜式反应器第四节理想流动反应器的组合和比较第五节多重反应的选择率第六节半间歇釜式反应器第七节釜式反应器中进行的多相反应第2页，课件共124页，创作于2023年2月第一节间歇釜式反应器釜式或槽式反应器都设置搅拌装置。釜式反应器大都用于完全互溶的液相或呈两相的液-液相及液-固相反应物系在间歇状态下操作，与化学实验室内装有电动搅拌器的玻璃三口烧瓶极为类似。一、釜式反应器的特征第3页，课件共124页，创作于2023年2月

间歇操作时，反应物料按一定配料比一次加入反应器中，容器的顶部有一可拆卸的顶盖，以供清洗和维修用。在容器内部设置搅拌装置，经过一定的时间，反应达到规定的转化率后，停止反应并将物料排出反应器，完成一个生产周期。反应器内液相均相和气-液相反应的物料浓度处处相等。反应器内具有足够强的传热条件，无需考虑反应物料内的热量传递问题。反应器内物料同时开始和停止反应，所有物料具有相同的反应时间。第4页，课件共124页，创作于2023年2月

间歇反应器的优点是操作灵活，适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇反应器缺点是，装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间。第5页，课件共124页，创作于2023年2月Flowdirection：(1)搅拌器的旋转(2)桨叶形状的不同切向圆周运动轴向流动径向流动间歇釜式反应器第6页，课件共124页，创作于2023年2月径向流轴向流第7页，课件共124页，创作于2023年2月EffectsofAgitator：(1)循环流动(2)高度湍动将流体输送到搅拌釜内各处大尺度宏观混合产生旋涡，旋涡分裂使流体分散小尺度微观混合第8页，课件共124页，创作于2023年2月小直经高转速搅拌器(1)推进式搅拌器(2)涡轮式搅拌器大直经低转速搅拌器(1)桨式(2)锚式和框式(3)螺带式1.2.第9页，课件共124页，创作于2023年2月(1)PropellerAgitator叶轮直径一般为釜径的0.2~0.5倍,常用转速为100～500rpm，叶端圆周速度可达5～15m

s-1。1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators第10页，课件共124页，创作于2023年2月

(a)直叶圆盘叶轮

(2)Turbineagitator(b)弯叶圆盘叶轮1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators第11页，课件共124页，创作于2023年2月

1.MinorDiameterandHighSpeedAgitators直叶涡轮叶轮直径为釜径的0.2～0.5倍,转速10～500rpm,叶端圆周速度可达4～10m

s-1。弯叶涡轮

折叶涡轮第12页，课件共124页，创作于2023年2月

流速↑

粘度↑

流动阻力↑

机械能被消耗湍动程度下降总体流动范围大大缩小

大直径低转速搅拌器2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators第13页，课件共124页，创作于2023年2月2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators桨式搅拌器锚式和框式搅拌器螺带式搅拌器第14页，课件共124页，创作于2023年2月2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators(1)桨式搅拌器旋转直径为釜径的0.35~0.8倍，甚至达0.9倍以上。常用转速为1~100rpm，叶端圆周速度为1~5m

s-1。(b)斜桨式

(a)平桨式第15页，课件共124页，创作于2023年2月2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators

(a)平桨(b)斜桨

桨叶可分成24°、45°或60°倾角轴向和径向运动切向和径向运动可用于简单的固液悬浮FeaturesandApplications:单层桨式的缺点：轴向流动范围小第16页，课件共124页，创作于2023年2月2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators桨式搅拌器的径向搅拌范围大，可用于较高粘度液体的搅拌。釜内液位较高时(c)MajorityInclined

多斜桨式第17页，课件共124页，创作于2023年2月(2)锚式和框式搅拌器

(a)锚式(b)框式根据釜底的形状制造旋转直径可达釜径的0.9~0.98倍2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators第18页，课件共124页，创作于2023年2月

一般在层流状态下操作缺点：主要使液体产生水平环向流动基本不产生轴向流动优点：搅动范围大，在桨上增加横梁和竖梁，防止死区的形成锚式和框式搅拌器常用于中、高粘度液体的搅拌难以保证轴向混合均匀FeaturesandApplications:2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators第19页，课件共124页，创作于2023年2月2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators框式搅拌器第20页，课件共124页，创作于2023年2月(3)螺带式搅拌器目的：提高轴向混合效果一般具有1~2条螺带，旋转直径为釜径的0.9~0.98倍。2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators第21页，课件共124页，创作于2023年2月

一般在层流状态下操作液体将沿着螺旋面上升或下降形成轴向循环流动，螺带式搅拌器常用于高粘度液体的混合FeaturesandApplications:2.MajorDiameterandLowSpeedAgitators第22页，课件共124页，创作于2023年2月6.5.2Measuresofimprovingeffects

1.打旋现象及其消除危害:各层液体之间几乎不发生轴向混合，当物料为多相体系时，还会发生分层或分离现象。搅拌效率下降打旋现象第23页，课件共124页，创作于2023年2月6.5.2Measuresofimprovingeffects(1)装设挡板

目的：破坏釜内的圆周运动釜内液面的下凹现象基本消失对轴向和径向流动无影响提高了混合效果作用：第24页，课件共124页，创作于2023年2月6.5.2Measuresofimprovingeffects低粘度高等粘度中等粘度挡板的常见安装方式第25页，课件共124页，创作于2023年2月

(2)偏心安装

目的：破坏循环回路的对称性6.5.2Measuresofimprovingeffects第26页，课件共124页，创作于2023年2月

2.导流筒

既提高了循环流量和混合效果，又有助于消除短路与流动死区。6.5.2Measuresofimprovingeffects第27页，课件共124页，创作于2023年2月二、间歇釜式反应器的数学模型间歇釜式反应器中物系温度和各组分的浓度均达到均一，可以对整个反应器进行物料衡算。若VR为反应物料在整个反应器中占有的体积，间歇操作则物料的流入量及流出量均为零，此时单一反应关键反应组分A的物料衡算式可写成

整理积分，可得

该式是液相单一反应达到一定转化率所需反应时间的数学模型。第28页，课件共124页，创作于2023年2月

若反应过程中等温液相物料的密度变化可以不计，即等容过程，则

cA0及cAf为关键反应组分A初始和所要求的摩尔浓度，kmol/m3。只要已知反应动力学方程或反应速率与组分A浓度cA之间的变化规律，就能计算达到cAf所需反应时间。最基本、最直接的方法是数值积分或图解法。

第29页，课件共124页，创作于2023年2月图3-2等温间液相歇反应过程

反应时间的图解积分图3-1等温间歇液相反应过程的参数积分已知动力学数据1/(rA)V~xA的曲线，然后求取xA0到xAf之间曲线下的面积即为t/cA0。同时也可作出曲线1/(rA)V～cA，然后求取cA0到cAf之间曲线下的面积为反应时间。第30页，课件共124页，创作于2023年2月1.等温等容液相单一反应在间歇反应器中，若进行等容液相单一不可逆反应，反应物系的体积VR不变，以零级、一级和二级不可逆反应的本征速率方程代入

由于等容过程中，在计算中采用转化率和残余浓度两种形式表示反应要求。若要求达到规定转化率，即着眼于反应物料的利用率，或着眼于减轻反应后的分离任务。另一种要求是达到规定的残余浓度，这完全是为了适应后续工序的要求，如有害杂质的除去即属此类。第31页，课件共124页，创作于2023年2月间歇反应器中等温等容液相单一不可逆反应的动力学及积分结果

第32页，课件共124页，创作于2023年2月

比较不同反应级数的残余浓度和反应时间，可以发现：零级反应残余浓度随反应时间增加呈直线下降，一直到反应物完全转化为止。而一级反应和二级反应的残余浓度随反应时间的增加而慢慢地下降。特别是二级反应，反应后期的残余浓度变化速率非常小，这意味着反应的大部分时间花费在反应的末期。若提高转化率和降低残余浓度，会使所需的反应时间大幅度增加。为了保证反应后期动力学的准确、可靠，为了要密切注意反应后期的反应机理是否发生变化，要重视反应过程后期动力学的研究。第33页，课件共124页，创作于2023年2月

例3-1（课本79页）课后习题3-1（课本111页）

对于单一可逆反应，要考虑化学平衡，动力学方程及积分式，其中kc及kc’分别为正反应及逆反应速率常数，Kc为平衡常数，kc/kc’=KC。第34页，课件共124页，创作于2023年2月三、间歇釜式反应器的工程放大及操作优化由间歇反应器的设计方程可得一个极为重要的结论：反应物达到一定的转化率所需的反应时间，只取决于过程的反应速率或动力学因素，与反应器的大小无关；反应器的大小是由反应物料的处理量决定的。1.工程放大第35页，课件共124页，创作于2023年2月

实验室用的小型反应器要做到等温操作比较容易，而大型反应器就很难做到；又如实验室反应器通过搅拌可使反应物料混合均匀，浓度均一，而大型反应器要做到这一点就比较困难。生产规模的间歇反应器的反应效果与实验室反应器相比，总是有些差异。第36页，课件共124页，创作于2023年2月

间歇反应器的反应体积根据单位时间的反应物料处理体积Q0及操作周期来决定。Q0由生产任务确定，而操作周期由两部分组成：一是反应时间t，由式（3-4）求得；另一是辅助时间t0，其值只能根据实际经验来决定。由此可得间歇反应器的反应体积。第37页，课件共124页，创作于2023年2月

无论间歇釜式反应器中进行液相，液-液相或液-固相反应，反应体积VR要比反应器的实际体积Vt要小，以保证反应物料上面存有一定的空间，VR与Vt之比为填充系数f，其值根据反应物料的性质而定，一般为0.4~0.85。间歇釜式反应器中未装填液体物料的空间为液体物料的蒸汽所占据，即液体混合物中各有关组分的蒸汽之和所确定，物料的反应温度越高，则蒸汽压越大，反应器应承受的总压越高，所采用的耐压等级也越高。釜式反应器必须在密闭条件下操作。第38页，课件共124页，创作于2023年2月2.反应时间的优化

间歇反应器每批物料的操作时间包括反应时间和辅助时间，对于一定的化学反应和反应器，辅助时间是一定值。随着反应操作时间延长，无疑会使产品的产量增多，但按单位操作时间计算的产品产量并不增加。因此，以单位操作时间的产品产量为目标函数，就必然存在一个最优反应时间，此时该函数值最大。第39页，课件共124页，创作于2023年2月

对于反应，若要求产物R的浓度为cR，则单位操作时间的产品产量PR为

对反应时间求导，

并可由，得第40页，课件共124页，创作于2023年2月3.配料比对反应，如动力学方程为在工业上，为了使价格较高的或在后续工序中较难分离的组分A的残余浓度尽可能低，也为了缩短反应时间，常采用反应物B过量的操作方法。定义配料比，于是，等容液相反应过程中组分的浓度代入动力学方程第41页，课件共124页，创作于2023年2月

积分可得

或写成

当要求A的转化率较高时，配料比的影响更加明显，提高配料比可缩短反应时间，而需付出的代价是：（1）降低反应器的容积利用率；（2）增加组分B的回收费用，所以这也是一个需优化的参数。第42页，课件共124页，创作于2023年2月

当配料比大到在反应中的消耗可以忽略时，上述动力学方程可写为。此时，该二级反应可视同一级反应。即使不是很大，在反应末期也可能发生这种反应级数的转变。例如：当cA0=1，cB0=1.3时，在反应初期，A和B浓度接近，表现出二级反应的特征；而当的转化率为0.9时，cA0=0.1，cB0=0.4此时配料比为4，组分B过量甚多，其动力学特征接近一级反应。第43页，课件共124页，创作于2023年2月4.反应温度对于间歇釜式反应器，可以在反应时间的不同阶段，反应物系处于不同组成时，调整反应温度。一般说来，高转化率时，反应物浓度减少，反应速率随之减少，可以适当调高反应温度，以促使反应速率常数增大而增加反应速率。但应注意，对于液相反应，液相组分的性质随温度而变，例如：第44页，课件共124页，创作于2023年2月

反应温度提高，液相组分的蒸汽压很快上升，甚至某一组分会达到沸点；反应温度增大，可能使某些反应组分的腐蚀性加强；对于多重反应，反应温度增高，会使某些副反应加剧。第45页，课件共124页，创作于2023年2月第二节连续流动均相管式反应器在连续管式反应器中，在流速较大的湍流状态时，虽然径向速度分布较均匀，但在边界层中速度仍然因壁面的阻滞而减慢，使径向和轴向都还存在一定程度的混合，人们设想了一种理想流动，即认为物料在反应器内具有严格均匀的径向速度分布，物料像活塞一样向前流动，反应器内没有返混。这种流动称为平推流，亦称活塞流，当管式反应器的管长远大于管径且物系处于湍流状态时接近于平推流流动，习惯用PFR，即PlugFlowReactor来表示。一、均相管式反应器的特征第46页，课件共124页，创作于2023年2月平推流反应器具有以下特点：在连续定态条件下操作时，反应器的径向截面上物料的各种参数，如浓度、温度等只随物料流动方向变化，不随时间而变化；由于径向具有均匀的流速，也就是在径向不存在浓度分布，反应速率随空间位置的变化只限于轴向；由于径向速度均匀，反应物料在反应器内具有相同的停留时间。第47页，课件共124页，创作于2023年2月

如果反应物系是液相，在等温反应过程中，无论摩尔流量有无变化，物系的密度均可视为不变，即等容过程，定态下平均停留时间tm可用反应器体积VR与液相物系进口体积流量V0之比来确定，即tm=VR/V0。如果反应物系是气相，例如低碳烃热裂解反应，由于变温和摩尔流量不断增加，即变容过程，物系的体积流量沿反应器轴向长度而变，定态下平均平均停留时间不能用VR/V0来计算。第48页，课件共124页，创作于2023年2月二、平推流均相管式反应器的数学模型根据平推流反应器的特点，应取反应器内一微元体积dVR进行物料衡算。在微元体积内反应物料的浓度、温度均匀一致。微元中单一反应物料衡算如下

当VR=0时，xA=0，则达到一定转化率xAf所需的反应体积为1.等温平推流均相反应器第49页，课件共124页，创作于2023年2月进行积分时，需知道(rA)V与xA的函数关系。为此，要注意两点：

反应是等温还是变温，等温时反应速率常数为常数，变温反应时要结合热量衡算式建立k与xA的关系；如化学计量式中，对于气相反应，过程中气体混合物的摩尔流量和体积流量不断地变化，需建立反应物系体积流量xA的关系。第50页，课件共124页，创作于2023年2月

如平推流反应器内进行等温等容过程，其平均停留时间tm为

将上式与间歇反应器中反应时间的积分式相比，表明两者结果完全相同，也即间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。对于等容液相过程，以反应物浓度cA与转化率xf的关系代入上式，可得第51页，课件共124页，创作于2023年2月

本书第一章将空间速度的倒数定义为标准接触时间τ0，τ0即反应体积VR与STP状况下初态反应混合物体积流量VS0之比。当反应器中有填充物，如气-固相固定床催化反应器，以含有填充物间的空隙在内的反应床层体积计算VR。VR与进口状态下初态反应混合物流量V0之比，称为接触时间τ。教材中表3-4中tm与τ0或τ是有区别的。tm只适用于等温等容反应，而τ0或τ通用于变温变容反应，因为τ0或τ按初态流量VS0或V计算，VS0或V0在反应器中是一个不变值。第52页，课件共124页，创作于2023年2月第三节连续流动釜式反应器连续流动釜式反应器在强烈搅拌情况下可视为全混流反应器，反应物料连续地加入和流出反应器，不存在间歇操作中的辅助时间问题。在定态操作中，容易实现自动控制，操作简单，节省人力，产品质量稳定，可用于产量大的产品生产过程。一、连续流动釜式反应器的特征及数学模型第53页，课件共124页，创作于2023年2月

由于强烈搅拌，反应器内物料达到全釜均匀的浓度和温度。这种连续流动反应器的流动状况称为全混流反应器，常用CSTR表示。这种全混流也是一种理想化的假设，实际工业生产中广泛使用连续搅拌釜式反应器进行液相反应，只要达到足够的搅拌强度，其流型很接近于全混流。第54页，课件共124页，创作于2023年2月

根据全混流的定义，进入反应器的反应物料与存留于反应器中的物料达到瞬间混合，而且在反应器出口处即将要流出的物料也与釜内物料浓度相等。

全混流反应器的特点是反应器中反应物料的浓度处于出口状态的低浓度，而反应产物浓度则处于出口状态的高浓度。全混流反应器的反应速率由釜内的浓度和温度所决定。第55页，课件共124页，创作于2023年2月

根据全混流反应器的特征，可对整个反应器作物料衡算。定态下，反应器内反应物料的累积量为零，V0和cA0分别为液相物料进口流量和反应组分A的浓度，反应物料充满整个反应器，其体积为VR。对关键反应组分A作物料衡算化简得

式中(rA)f表示按出口浓度计算的反应速率。当反应器进口物料中已含反应产物，即第56页，课件共124页，创作于2023年2月

如果已知反应速率rA与反应物浓度cA（或转化率xA）的动力学关系，可以标绘成1/rA~cA的曲线；全混流反应器中进行反应的接触时间为图中的矩形面积，而相同条件等温平推流反应器所需接触时间为1/rA~cA曲线下面的面积，明显低于全混流反应器。第57页，课件共124页，创作于2023年2月

图3-3全混流反应器τ的图解法全混流平推流第58页，课件共124页，创作于2023年2月

例3-4生化工程中酶反应A→R为自催化液相反应，反应速率式rA=kcAcB，产物R是过程的催化剂，因此进口原料种含有产物R，某温度下k=1.512m3/(kmol•min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3，原料的进料量为10m3/h，要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，求:(l)反应速率达到最大时，A的浓度为多少?(2)采用全混流反应器时，反应器体积是多大?(3)采用平推流反应器时，反应器体积是多大?(4)为使反应器体积为最小，将全混流和平推流反应器组合使用，组合方式如何？其最小体积为多少?第59页，课件共124页，创作于2023年2月

解：(l)要使反应速率最大，则即 化简得(2)在全混流反应器中

第60页，课件共124页，创作于2023年2月

(3)在平推流反应器中由cA0到cAm和由cAm到cAf是对称的，因此第61页，课件共124页，创作于2023年2月

(4)反应器的组合形式及最小体积。要使反应器体积最小，从cA0到cAm应该用全混流反应器，而后从cAm到cAf串联一个平推流反应器。全混流反应器体积为

平推流反应器体积为

所以最小总体积第62页，课件共124页，创作于2023年2月二、多级全混釜的串联及优化图3-4多级串联全混流反应器的推动力1.多级全混釜的浓度特征第63页，课件共124页，创作于2023年2月

平推流反应器是无返混的反应器，全混流反应器是返混最大的反应器。从反应过程的推动力来比较，平推流反应器的反应推动力比全混流反应器的反应推动力大得多，平推流反应器的反应速率沿物料流动方向有一个由高到低的变化过程，全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物料低浓度的低速率状态。为此，为了降低返混影响的程度，提高全混流反应过程的推动力，常采用多级全混流反应器串联的措施。第64页，课件共124页，创作于2023年2月

一个体积为VR的全混流反应器改用m个体积为VR/m的全混流反应器串联来代替，若两者的初始浓度和最终浓度相等，则后者的平均推动力大于前者。当只用一个全混流反应器时，整个反应器中反应物浓度均为cAf，反应过程的平均推动力比例于浓度cAf与平衡浓度之间的矩形面积；第65页，课件共124页，创作于2023年2月

若采用多级串联，各级全混流反应器中的浓度分别是cA1、cA2、cA3、cAf，除最后一级外，其余各级都在高于单级操作时的浓度下进行，因此平均推动力提高。级数越多，过程就越接近平推流反应器。从图还可看出，对多级全混釜，每一级内浓度是均匀的，等于该级的出口浓度，而各级之间浓度是不同的。第66页，课件共124页，创作于2023年2月2.多级全混釜串联的计算解析计算多级全混釜的串联操作如图3-5所示。设各釜都在定态的同一等温条件下操作，反应过程中物料的体积不发生变化，以VR1、VR2、……VRm；cA1、cA2、……cAm及xA1、xA2、……xAm分别表示各釜的反应体积、反应物A的浓度及转化率

图3-4多级串联全混流反应器示意图xA1xA2xAi-1xAixAm第67页，课件共124页，创作于2023年2月

式中(rA)i表示按第i级出口组分A的浓度计算的反应速率。只要反应的动力学关系已知，利用上式可以计算各釜的反应体积。对于一定的原料、给定各釜的反应体积和规定的最终转化率，可确定各釜的出口转化率和反应器的个数。任一釜i中的关键组分A的反应速率可表示为或第68页，课件共124页，创作于2023年2月

对于一级不可逆等容单一反应，由物料衡算可以直接建立级数和最终转化率的关系式，而不必逐釜计算，就可求出反应器的串联个数和反应体积。根据接触时间的定义，而，则：

即 第69页，课件共124页，创作于2023年2月

设τ1、τ2、……、τm分别为第l、2、……m级的接触时间，对各釜可分别写出，…………, 将以上各式相乘，得

由于最终转化率，故第70页，课件共124页，创作于2023年2月

当串联级数（m）及各级反应体积（）已定时，由上式可直接求出所能达到的最终转化率。当各级反应体积已定时，也可求出达到最终反应率所需的级数。工业生产上，多级全混釜串联时，常采用相等的各级体积，以便设备制造。此时τ1=τ2=……=τm=τ，上式便成为

或

反应釜级数越多，最终转化率越高；处理量一定时，反应釜体积越大，最终转化率也越高。第71页，课件共124页，创作于2023年2月

反应系统的总体积

第72页，课件共124页，创作于2023年2月

图解计算对于非一级反应，采用解析法计算各级浓度是比较麻烦的，当已知反应速率和初浓度时，可用图解法。

在rA~cA图上为一直线，其斜率为两线交点的横坐标就是所求的cAi值第73页，课件共124页，创作于2023年2月

由于各级全混釜τi相等，从cA1作cA0A1的平行线cA1A2，与OM曲线交于A2点，A2点的横坐标cA2为第二级的出口浓度。如此下去，当最终浓度等于或略超过规定出口浓度时，所作平行线的根数就是反应器的级数。若各级全混釜的温度相等，体积也相同，作图法求解的步骤如下。在rA～cA图上标出动力学曲线，如图中的OM曲线以初始浓度cA0为起点，从cA0作斜率为的直线与OM线交于Al，其横座标cA1就是第一级出口浓度。第74页，课件共124页，创作于2023年2月

如果各级的反应温度不相同，需作出不同温度下的动力学曲线，按上法求出物料衡算线与动力学曲线的交点，即各级的出口浓度。如果各级体积不相同，各条直线的斜率就不相等，各组物料衡算线不平行，用上述方法仍可求出各釜的出口浓度。第75页，课件共124页，创作于2023年2月3.多级全混釜串联的优化

一般说来，物料处理量、进料组成及最终转化率是设计反应器前根据工业生产的工艺而规定的，当级数也确定后，希望合理分配各级转化率，使所需反应总体积最小。这就是各级转化率的最佳分配问题。

第76页，课件共124页，创作于2023年2月

现讨论一级不可逆等容单一反应的情况，m个全混釜，各级温度相同，由式(3-32)可计算所需的反应总体积

为使VR最小，可将上式分别对xA1、xA2……、xAm-1求偏导数，则

(i=1，2……，m-1)第77页，课件共124页，创作于2023年2月

使VR最小必须满足，即

(i=1，2，……，m-1)

化简得

第78页，课件共124页，创作于2023年2月

对一级不可逆等容单一反应，各级反应釜的温度均相同，采用多级全混釜串联时，要保证总的反应体积最小，必需的条件是各釜的反应体积相等。对于其他级数的反应，可仿照上述办法求得最佳转化率的分配。上面的讨论建立在各级温度相等的前提下来考虑的，若为可逆放热反应，还存在着各级反应器最佳温度分配的问题。第79页，课件共124页，创作于2023年2月第四节理想流动反应器的组合和比较工业生产常将平推流与全混流反应器按一定方式加以组合。以下讨论等温下两个体积相同的理想反应器组合进行一级不可逆等容单一反应的几种情况。其中各反应器中反应温度，进料流量V0、反应物浓度cA0都相同、且各个反应器体积VR均相同。一、理想流动反应器的组合第80页，课件共124页，创作于2023年2月

(a)为两个全混流反应器并联，每只全混流反应器出口浓度即为混合后的出口浓度

(b)为两个全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为

式中cA1为第一反应器组分A出口的浓度。第81页，课件共124页，创作于2023年2月

(c)为平推流反应器与全混流反应器串联，第二反应器出口浓度为

(d)为全混流反应器与平推流反应器串联，第二反应器出口浓度为第82页，课件共124页，创作于2023年2月

(e)为两个平推流反应器并联，每只平推流反应器的出口浓度即为混合后的出口浓度

(f)为两只平推流反应器串联，第二平推流反应器出口浓度为

由以上讨论可见，(c)与(d)等效，(e)与(f)等效，(a)的转化率最低，(b)的转化率次低，(c)、(d)的转化率相等，且高于(a)、(b)，而(e)、(f)的转化率最高。第83页，课件共124页，创作于2023年2月

(g)为平推流与全混流反应器并联，此时，平推流反应器出口浓度为，全混流反应器出口浓度为，两股出口物料混合后的浓度为。以上7种组合形成不同的转化率，是由于不同的返混状况组合造成的。第84页，课件共124页，创作于2023年2月二、理想流动反应器的体积比较如果在这些反应器中进行相同的反应，采用相同的进料流量与进料浓度，反应温度与最终转化率也相同。比较这几种反应器所需的体积，对于间歇反应器与平推流反应器，当上述条件一定时，两者的体积是相同的(未考虑间歇反应器的辅助时间)，这是因为它们均不存在返混。全混流反应器，由于返混程度极大，反应体积要大许多。分析第85页，课件共124页，创作于2023年2月

设VRM与VRP分别表示全混流与平推流反应器的反应体积，两者之比

以1/rA对xA作图，全混流反应器所需体积大于平推流反应器的体积，这是由于前者存在返混造成的。图3-18第86页，课件共124页，创作于2023年2月

当转化率较小时，两者体积的差别较小，因此，采用低转化率操作，可以减少返混带来的影响。但这样做会使原料得不到充分利用，解决的办法是将未反应物料从反应产物中分离出来，返回到反应系统中再循环使用，当然这要增加分离、输送费用，需进行综合经济比较，以确定最佳方案。反应级数越高，以及反应过程中增加愈多的反应，则返混对反应的影响越严重，VRm与VRP的差别越大，所以对这类反应特别要注意减少返混。第87页，课件共124页，创作于2023年2月第五节多重反应的选择率反应物同时独立地进行两个或两个以上的反应称为平行反应。化工生产中许多取代、加成及分解反应过程存在着平行反应。若各反应组分的化学计量数均相等，典型的平行不可逆液相反应可表示为L(主反应)L(主反应)M(副反应)M(副反应)一、平行反应A或A+B第88页，课件共124页，创作于2023年2月

令rL为主反应速率，rM为副反应速率，两者之比为对比速率

瞬时选择率定义为关键反应组分A在总反应速率中生成主产物的反应速率，即为了对整个反应器的反应总结果作出评价，还常用总选择率的概念，对于等温等容反应，总选择率定义为第89页，课件共124页，创作于2023年2月

如果知道瞬时选择率与浓度的变化关系，就可确定它的总选择率。总选择率是反应过程中或反应器中瞬时选择率的积分值，因而对于平推流反应器在平推流反应器中可用上式计算总选择率，在全混流反应器中总选择率用下式计算第90页，课件共124页，创作于2023年2月设XA，XAf分别为A的瞬时转化率和最终转化率，YL，YLf为L的瞬时收率和总收率，s为反应的瞬时选择率。选择率的定义（1）（2）将（2）代入（1）得平推流全混流dx总转化率第91页，课件共124页，创作于2023年2月

（1）选择率的温度效应设反应物A在两个平行竞争的反应中，生成主产物L和副产物M，主、副反应的级数分别为n1、n2，主、副反应的活化能分别为E1、E2，由选择率定义

温度对选择率的影响由比值k2/k1所确定，由动力学可知第92页，课件共124页，创作于2023年2月

如果E1＞E2，即主反应活化能大于副反应活化能，温度增高有利于选择率的增大；当E1＜E2，即主反应活化能小于副反应活化能，温度降低有利于选择率的增大；若E1=E2，选择率与温度无关。平行反应选择率的温度效应也可表示为，提高温度对活化能高的反应有利；反之，降低温度对活化能低的反应有利。第93页，课件共124页，创作于2023年2月

（2）选择率的浓度效应

当n1＞n2，即主反应级数大于副反应级数，s随cA的升高而增大；当n1＜n2，即主反应级数小于副反应级数，s随cA的升高而减小；当n1=n2时，s与cA无关。第94页，课件共124页，创作于2023年2月

由此可知，对于平行反应，当主反应级数大于副反应级数，即需要cA高时，可以采用平推流反应器(或间歇反应器)；或使用浓度高的原料，或采用较低的单程转化率等。

当主反应级数小于副反应级数，即需要cA低时，可以采用全混流反应器；或使用浓度低的原料(也可加入惰性稀释剂，也可用部分反应后的物料循环以降低进料中反应物的浓度)；或采用较高的转化率等。第95页，课件共124页，创作于2023年2月

（3）平行反应加料方式的选择对于平行不可逆反应L(主反应)M(副反应)若相应的反应速率方程则瞬时选择率 只要知道主、副反应级数的相对大小，就可确定在反应过程中该组分浓度高低的要求，并决定采用何种反应器或如何加料。A＋B第96页，课件共124页，创作于2023年2月动力学特点对浓度要求适宜的反应器型式和操作方式n1>n2m1>m2CA高CB高①A、B同时加入的间歇式操作；②A、B同时加入的平推流反应器；③多段全混流反应器，A、B同时加入第一级n1<n2m1<m2CA低CB低①A、B同时缓慢加入的间歇式操作；②A、B同时加入单个全混流反应器；③多股陆续加入A、B的平推流反应器n1>n2m1<m2CA高CB低①一次加入A；缓慢加入B的间歇式操作；②平推流反应器，由进口一次加入A，沿管长分段加入B；③多段全混流反应器，由第一段一次加入A，B分段加入；④单个全混流反应器，A、B同时加入，维持A在较低的转化率下进行，而后A从出口物料中分离返回反应器平行反应的适宜操作方式第97页，课件共124页，创作于2023年2月二、连串反应连串反应是指反应主产物能进一步反应生成其他副产物的过程，许多卤化、水解反应都属连串反应。

（1）间歇及平推流反应器中连串反应的选择率对于等温间歇反应器中进行连串一级不可逆液相反应，进料中只有组分A，并且各反应组分的化学计量数均相等第98页，课件共124页，创作于2023年2月相应各组分的反应速率为反应开始时A的浓度为cA0，而cL0=cM0=0，积分（1）式得代入式（2）可得此式为一阶线性常微分方程，其解为则 又 （1）（2）（3）第99页，课件共124页，创作于2023年2月

组分A的浓度单调下降，副产物M的浓度单调上升，而主产物L的浓度先升后降，其间存在最大值。连串反应的瞬时选择率s可表示为图3-20连串反应的浓度一时间关系第100页，课件共124页，创作于2023年2月

（2）连串反应的温度、浓度效应连串反应的温度效应决定于比值k2／k1的大小，选择温度的高低决定于主、副反应活化能的相对大小。若E1＞E2，提高温度可增大选择率；若E1＜E2，降低温度可增大选择率。这个结论与平行反应的温度效应相同，但连串反应的浓度效应较平行反应复杂。第101页，课件共124页，创作于2023年2月

提高连串反应选择率可以通过适当选择反应物的初浓度和转化率来实现。初浓度对连串反应选择率的影响，取决于主、副反应级数的相对大小。主反应级数高时，增加初浓度有利于提高选择率；反之，主反应级数低时，降低初浓度才能提高选择率。

第102页，课件共124页，创作于2023年2月

转化率对连串反应的影响如下：随着转化率的增大，反应物浓度cA越来越低，cL/cA的比值总是随xA的增大而增大，瞬时选择率下降。因此，对连串反应，不能盲目追求过高的转化率，因转化率过高时选择率降低。在工业生产中进行连串反应时，常使反应在较低的单程转化率下操作，而把未反应原料经分离回收之后再循环使用。第103页，课件共124页，创作于2023年2月

（3）连串反应的最佳反应时间与最大收率

多重反应中主产物的收率定义为

在连串反应中，由于总选择率总是随转化率的增大而减低，而收率又是这两个因子的乘积，因此连串反应的收率必有极值。第104页，课件共124页，创作于2023年2月

等温等容反应在间歇或平推流反应器中进行时，同类反应的动力学积分式相同，只不过间歇反应器用反应时间t，而平推流反应器用接触时间τ。对间歇反应器或平推流反应器，对cL表达式求导，使其为0可求得主产物L浓度最大的反应时间并可得到主产物L的最大出口浓度

最大收率第105页，课件共124页，创作于2023年2月

由此可见，在间歇反应器或平推流反应器中进行一级连串不可逆液相反应，其最大收率与初浓度无关，只决定于k2／k1之比；

对应于此最大收率，间歇反应器必然有最优反应时间，而平推流反应器是最优接触时间与最优转化率。若全混流反应器中进行一级不可逆、并且进料中只含有组分A的等容液相反应，根据物料衡算式可得式中τm为全混流反应器的接触时间。第106页，课件共124页，创作于2023年2月

对L作物料衡算可得

由