1、化 工 基 础 An Introduction to Chemical Industry and Engineering,教学目的：,重点难点：,参考文献：,6.3 理想反应器的评比与选择,使学生在对各种理想反应器评比的基础上，能够根据化学反应的特点和反应器的性能正确选择化学反应器的形式和操作方式。,1、理想反应器的评比 2、平行反应和连串反应反应器的形式、操作条件和操作方式的选择,王军等.反应工程.大连:大连理工出版社,2004.9 梁斌等.化学反应工程.北京:科学出版社,2003.11,一、理想反应器评比,间歇釜式反应器,活塞流反应器,全混流反应器,两釜串联反应器,t,反应推动力随反应时间
2、逐渐降低,反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低,反应推动力不变，等于出口处反应推动力,各釜反应推动力等于各釜出口处反应推动力,理想反应器中反应物浓度（反应推动力）的变化,反应推动力决定反应速率，推动力不同，达到同样的转化率所需的反应时间（空间时间）也不同。,1、返混（backmixing）,返混是指反应器中逗留了不同时间，因而具有不同性质的物料粒子之间的混合，即经历了不同反应时间的物料粒子之间的混合，又称为逆向混合。,混合：是指在不同空间位置的物料之间的相互混合，又称为空间混合。,间歇釜式反应器和平推流反应器中，返混为 ；全混流反应器中，返混 ；多釜串联反应器，釜数越多，返混程度 。实际反应器中
3、， 。,返混的结果降低了反应物的浓度。,零,极大,越小,一般都有一定程度的返混,表1 不同类型反应器的容积比,为完成一定的生产任务达到一定的转化率所需反应器的有效容积，以平推流反应器最小，全混流反应器最大，多釜串联反应器居中。对于多釜串联反应器，釜数越多，所需容积越小。,2、容积效率（volumetric effectiveness）,容积效率：同一反应，在相同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，。,零级反应：,一级反应：,容积效率,0,1.0,1.0,二级反应：,零级反应,一级反应,二级反应,n级反应：,容积效率与反应级数的关系,容积效率,0,1.0,1.0,零级反
4、应,一级反应,二级反应,容积效率与反应级数的关系,容积效率与转化率的关系,容积效率与反应级数的关系,?,?,0,1.0,1.0,一级反应,1,2,3,釜数对容积效率的影响,釜数越多,容积效率越大,其总容积越接近活塞流反应器。但并不是釜数越多越好。,容积效率,二 理想反应器的选择,评价反应器的指标：生产强度,反应器的生产强度是单位体积反应器所具有的生产能力。在相同的条件下，反应器所需的反应体积越小，则表明其生产能力越大。,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，因而，目的产物的收率(产率或得率)和选择性比反应所需反应器体积
5、的大小更重要。,和收率。,平均收率：也称产率或得率（yield）。,收率表示了原料的有效利用程度。,瞬时收率：,选择性：,选择性会随着反应的条件的改变而改变。,瞬时选择性：,1、平行反应 一个反应物,对比速率与选择性的关系为：,对比速率：主、副反应速率之比,若反应为,温度效应,（1）E1E2 , T升高， 增大，S 增大,（2）E1E2, T升高， 减小，S 降低,（3）E1 = E2 , T升高，对选择性无影响,结论：提高反应温度有利于活化能高的反应的选择性的提高。,浓度效应,（1）当 时，提高反应物浓度则可使 S 增大。,（2）当 时，提高反应物浓度则使 S 降低。,（3）当 时，反应物浓
6、度的改变对选择性无影响。,结论：升高反应物浓度cA有利于级数高的反应的选择性的提高。,反应物浓度的控制,改变初始物料的状况,选择不同的反应器型式,选择不同的加料方式,改变物料初始状况的方法,保持较大浓度的方法：,保持较小浓度的方法：,大浓度进料；,采用较小的单程转化率。,对气相反应，增大系统的压力；,采用部分反应后的物料循环，以减低进料中的反应物浓度；,加入惰性稀释剂；,对气相反应，减少系统的压力；,采用较大的单程转化率。,选择不同的反应器型式和加料方式（操作方式）,（1） 时：,（2） 时：,（3） 时： 选择性与反应物浓度无关。,因为PFR内反应物的浓度较CSTR为高，故适宜于采用PFR，
7、其次则采用BR或N-CSTR。,反应物A全部由反应器进口加入（PFR）或一次投料（BR）；,适宜于采用CSTR，,但在完成相同生产任务时，所需釜式反应器体积较大。故需全面分析，再作选择。,A+BS（目的产物）,A+BT（副产物）,对比速率：,讨论: 确定适宜的操作条件，选择适宜的反应器形式和操作方式,2、平行反应 两种反应物,间歇操作时物料加入的几种方法,不同的反应器型式和加料方式（操作方式）,连续操作时物料加入的几种方法,3、连串反应,A,R,S,k1,k2,（R为目的产物）,假设每一步都是一级反应：恒容,为使目的产物获得最大的收率，要严格控制反应时间，应选用PFR或BSTR，并在达到规定的
8、时间时，采取迅速终止反应的措施，如降温、调节PH等。,反应物A的浓度单调下降；中间产物R的浓度先升后降，有极大值；产物S的浓度单调上升。,连串反应的收率,收率与空间时间的关系:,收率与转化率的关系:,连串反应的收率与cA0无关，与k1、k2 和有关。,求得目的产物R出口浓度达到最大时所需要的反应时间（空间时间），此时反应时间为最佳反应时间：,令,越小,越大,也越大,越高,如何控制温度可获得较大的收率,a、若E1E2 ,T，k1 /k2，,。 应在较高温度下进行；,b、若E1E2 , 则在较低温度下进行；,c、若E1=E2 , 温度变化对选择性、收率无影响。,温度对连串反应的影响,习题：对平行-串联反应,选取最佳的操作方式。,自催化反应是反应产物对反应本身具有催化作用，能加速反应的进行。,自催化反应的优化目标是什么? 请您设计一理想的生产操作方案。,思考题,Take a rest,
