第三章理想反应器

第三章理想反应器 Ideal reactors

3-4 半连续操作的反应器 • 一种组分先加入，另一种组分慢慢加入（反应速度快且热效应大，T迅速增加）； • 连续出料（产物析出结晶或生成其它新相态）

3-5 均相反应器的最佳选择 1.概述： • 优化--在一定范围内，选择一组优惠的决策变量，使过程系统对于确定的目标达到最优状态（设计优化、操作优化）。 • 优化核心：化学因素—反应类型、动力学特性工程因素—反应器类型(管式、釜式、返混特性)；操作方式(间歇、连续、半连续、分批加料、分段加料)；操作条件(反应物系初浓度、转化率、反应温度) • 优化目标：简单反应—反应速率—最优温度和最优浓度复合反应—选择率—主反应速率与生成副产物的副反应速率相对比值

各种对反应场所浓度（或温度）产生相同影响的工程因素必定具有等效性。各种对反应场所浓度（或温度）产生相同影响的工程因素必定具有等效性。例如：若原料浓度对反应过程有利： • 形式—返混； • 加料方式—分批（间歇）、分段（连续） • 操作方式—降低进料浓度（以上各项等效）

2. 单一反应过程反应器形式比较 结论： 1）单一反应、相同操作条件、达到相同转化率时：PFR所需体积最小，CSTR所需体积最大； 2）反应器体积相同时：xPFR>xCSTR 由图知： • 转化率越高，差异越大； • 反应级数越大，差异越大； • 膨胀率越大，差异越大。

例1：反应器性能比较 ，当时，由下列计算式计算间歇反应器的转化率，已知40oC时，k=0.07，试计算： 1）BR中，CA0=2.2mol/L, M=0.25, T=40oC, t=50min时 xA=? 若使xA=0.98，则需多长反应时间？ 2）保持1）中工艺条件，使用CSTR，求达到1）的转化率和0.98的转换率时所需空时？ 3）用两个等体积CSTR串联操作，工艺条件同1），计算xA=0.98时所需空时？

3. 自催化反应过程反应器型式选择 1）结论： • 低转化率时（xAf较小）： VPFR大于VCSTR，全混流反应器优于活塞流反应器； • 中等转化率时： VPFR约等于VCSTR，两种反应器无多大区别； • 高转化率时（ xAf较大）： VPFR小于VCSTR，活塞流反应器优于全混流反应器。思考：为什么？

2）对于活塞流反应器，必须采用循环活塞流反应器，否则反应器入口附近效率会非常低—适当循环比—求导过程见书P62。2）对于活塞流反应器，必须采用循环活塞流反应器，否则反应器入口附近效率会非常低—适当循环比—求导过程见书P62。 3）反应器组—使反应大部分时间在最高速率点或接近最高速率组成下进行。（应如何组合？）

4. 并联反应 （1）并联反应器选型—提高平均选择率和产物浓度 • 确定转化率下 • 非确定转化率下结论：并联反应的反应器选型取决于并联反应选择率的浓度特征，即取决于 -- 曲线的特征

例2：并联反应最大收率 有一并联反应，已知k1=2 mol/(L.min), k2=1mol/(L.min), k3= 1mol/(L.min), CA0=2mol/L。若不考虑未反应物料回收，试在等温条件下求：（1）在CSTR中所能得到的最大产物收率；（2）在PFR中所能得到的最大产物收率；（3）假若未反应物料加以回收，采用何种反应器型式较为合理？

（2）并联反应反应器的操作方式选择 主、副反应级数相对大小—确定反应物浓度高低 —通过操作方式加以控制

例3：操作方式的选择 已知并联反应，rP=k1CACB0.3, k1=k2=1, CA0=CB0=20mol/L, 分别从反应器进口加入，反应转化率为0.9，计算它们在PFR中的选择率和收率，并请选择合理的操作方式以提高该反应过程的平均选择率和收率。

5. 串联反应 （1）串联反应器选型 —串联反应不能盲目追求高转化率，提高串联反应的工程措施与并联反应相仿，可以通过反应物初浓度和转化率的适当选择来实现，但串联反应中的情况要比并联反应复杂。

（2）反应器选型与操作方式 • 选型：返混对于串联反应过程选择率均是不利因素 —PFR（或多级串联的CSTR）优于CSTR • 操作：全部从反应器加入或一次投料

例4：串联反应过程的优化 ，CA0=1mol/L, Cp0=Cs0=0, 实验测得数据如下 NO.1：CA=1/2, CP=1/6, CS=1/3 NO.2：CA=1/3, CP=2/15, CS=8/15 试问（1）反应动力学特征；（2）应该选用什么反应器？（3）在所选用反应器中，产物P的最大浓度是多少？此时物料A的转化率为多大？

第三章 理想反应器