第三章釜式及均相管式反應器本章內容第一節間歇釜式反應器第二節連續流動均相管式反應器第三節連續流動釜式反應器第四節理想流動反應器的組合和比較第五節多重反應的選擇性第六節半間歇釜式反應器第七節釜式反應器中進行的多相反應第四節理想流動反應器的組合和比較討論等溫下兩個體積相同的理想反應器組合，進行一級不可逆等容單一反應的幾種情況。一、理想流動反應器的組合a.兩個全混釜并聯b.兩個全混釜串聯c.平推流＋全混流(串聯)d.全混流＋平推流(串聯)e.平推流反應器并聯f.平推流反應器串聯g.平推流＋全混流(并聯)當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。a.兩個全混釜并聯反應器所能達到的出口濃度為混合后的出口濃度。當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。b.兩個全混釜串聯當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。c.平推流＋全混流(串聯)當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。

d.全混流＋平推流(串聯)當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。

e.平推流反應器并聯當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。

f.平推流反應器串聯當反應溫度、流量、初始濃度0及各反應器體積相同時，進行一級不可逆反應。考察各種組合反應器所能達到的出口濃度。

g.平推流＋全混流(并聯)a.兩個全混釜并聯b.兩個全混釜串聯c.平推流＋全混流(串聯)d.全混流＋平推流(串聯)e.平推流反應器并聯f.平推流反應器串聯g.平推流＋全混流(并聯)以上幾種組合方式中，(c)與(d)等效，(e)與(f)等效。各種組合反應器的最終濃度的大小依次為:各種組合反應器的最終轉化率的大小依次為:解：2，間歇反應器中(1)在單個中即【例題】的操作特點。某二級液相反應，已知00，在間歇反應器中達到0.99，需反應時間10。問：(1)在全混流反應器中進行時，應為多少？(2)在兩個串聯全混流反應器中進行時，又為多少？解：(2)兩個串聯第一級【例題】的操作特點。某二級液相反應，已知00，在間歇反應器中達到0.99，需反應時間10。問：(1)在全混流反應器中進行時，應為多少？(2)在兩個串聯全混流反應器中進行時，又為多少？第二級將1代入第一級的等式，得解：2，在中在中若在前，在后【例題】與的串聯。反應物A按二級反應機理進行分解，依次經過體積相等的和，出口物料中反應物A的濃度為原料液中A濃度的0.01，若將二反應器改換次序，問出口流體中反應物A的濃度將是原料液濃度的多少？忽略物料的溫度和濃度的變化。若在前，在后當在前，在后時要求已知2=0.010，以為整體，解方程得，所以在前，在后時：二、理想流動反應器的體積比較基本條件：等溫、等容過程，且V0、0、相同。表示間歇反應器體積；表示平推流反應器體積；表示全混流反應器體積；表示多級全混流反應器體積。

間歇反應器

平推流反應器全混流反應器間歇反應器1對作圖，即曲線。OABDC11矩形的面積曲線下邊的面積＝所以兩者的差距為圖形的面積，因此轉化率越大，兩者的差距越大，可采用低轉化率操作減少返混的影響，但原料不能充分利用。可采用循環操作將未反應的物料從反應產物中分離出來，返回到反應系統中。xAxAfOABDC1/xA1/xAf即V0、0、相同時，全混流反應器所需的體積大于平推流反應器的體積。這是由于前者存在返混造成的。對反應級數越高以及反應過程中增加越多的反應，返混的影響越嚴重，兩者的體積差別越大。例如對于一級不可逆單一等容反應，全混釜串聯的總體積與單個平推流體積之比為。多級全混釜串聯操作可以減少返混，提高反應推動力，使全混流反應器所需的體積與平推流反應器所需的體積的差別減小。以為縱坐標，(1)為橫坐標，將上式作圖如下。例如對于一級不可逆單一等容反應，全混釜串聯的總體積與單個平推流體積之比為111.0以為縱坐標，(1)為橫坐標，m為參變量，將上式作圖如下。0.11246k=5020105210.01結論如下：(1)當m一定時，越大，則越大，遠離平推流。111.00.11246k=5020105210.01(2)當一定時，m越大，則越小，接近平推流。(3)當k一定時，m越大，則1越小。一、平行反應AL(主反應)M(副反應)或L(主反應)M(副反應)令為主反應速率，為副反應速率，兩者之比為對比速率瞬時選擇率為關鍵組分A在總反應速率中生成主產物的反應速率，即總選擇率定義為第五節多重反應的選擇率如果知道瞬時選擇率與濃度的變化關系，就可以確定它的總選擇率。總選擇率是反應過程中或反應器中瞬時選擇率的積分值，對于平推流反應器總選擇率定義為對于全混流反應器AL(主反應，n1級，活化能為E1)M(副反應，n2級，活化能為E2)由選擇率定義，可得溫度對選擇率的影響由k21所確定，由阿羅尼烏斯方程可知(1)選擇率的溫度效應E1>E2，溫度增高有利于選擇率的增大。E12，選擇率與溫度無關。E1<E2，溫度降低有利于選擇率的增大。提高溫度對活化能高的反應有利，降低溫度對活化能低的反應有利。(2)選擇率的濃度效應n1>n2，濃度升高，選擇率的增大。n12，選擇率與濃度無關。n1<n2，濃度升高，選擇率的減小。所以，對平行反應，當主反應級數大于副反應級數，即需要高時，可以采用平推流反應器或間歇反應器；或使用濃度高的原料，或采用較低的單程轉化率等。對平行反應，當主反應級數小于副反應級數，即需要低時，可以采用全混流反應器；或使用濃度低的原料，或采用較高的轉化率等。L(主反應，n1級，活化能為E1)M(副反應，n2級，活化能為E2)若相應的速率方程為則瞬時選擇率為(3)平行反應加料方式的選擇只要知道主副反應級數的相對大小，就可確定在反應過程中該組分濃度高低的要求，并決定采用何種反應器或加料方式。表3-6平行反應的適宜操作方式動力學特點對濃度的要求適宜的操作方式n1>n2m1>m2、都高A、B同時加入的間歇反應器；A、B同時加入的平推流反應器；多段全混釜，A、B同時加入第一級n1<n2m1<m2、都低A、B同時緩慢滴加的間歇反應器；A、B同時加入單個全混流反應器；一次加入A，多股陸續加入B的平推流反應器n1>n2m1<m2高、低一次加入A，緩慢滴加B的間歇反應器；平推流反應器，入口一次加入A，沿著管長分段加入B；多級全混釜，由第一級一次加入A，B分段加入；單個全混釜，A、B同時加入，而后A從出口物料中分離返回反應器ART求R產量最大時的溫度。【例題】平行反應主產物產量最大的溫度。在中進行下述反應SAPS0=2，P為目的產物，求：(1)在中能得到的最大反應收率；(2)假設反應物加以回收，采用何種反應器型式合理。【例題】平行反應主產物的最大收率R二、連串反應(1)間歇及平推流反應器中連串反應的選擇率代入式(3-62)可得各組分的反應速率為A的初始濃度為cA0，而cL0=cM0=0，積分可得此式的解為(3-62)A的濃度單調下降，副產物M的濃度單調上升，主產物L的濃度先升后降，有最大值，如下圖所示。ctk12k1>k2k1<k2ctct瞬時選擇率為溫度對選擇率的影響由k21所確定，由阿羅尼烏斯方程可知(2)連串反應的溫度、濃度效應E1>E2，溫度增高有利于選擇率的增大。E12，選擇率與溫度無關。E1<E2，溫度降低有利于選擇率的增大。提高溫度對活化能高的反應有利，降低溫度對活化能低的反應有利。濃度效應n1>n2，增加初濃度有利于選擇率的增大。n1<n2，降低初濃度有利于選擇率的增大。轉化率的影響：隨著轉化率的增大，瞬時選擇率下降。所以，對連串反應，不能過渡追求高的轉化率。可以通過適當選擇反應物的初濃度和轉化率來提高選擇率。(3)連串反應的最佳反應時間與最大收率平推流或間歇反應器k21將此式對t求導，令其為0，得主產物濃度最大的反應時間得主產物最大的出口濃度最大收率為最大收率與初濃度無關全混流反應器，一級不可逆反應，且進料只含有組分A的等容液相反應，根據物料衡算對產物L做物料衡算可得(3)連串反應的最佳反應時間與最大收率最大收率為求導最大收率與初濃度無關k21平推流全混流k12=10以與作圖如下k12=1k12=0.11-(0)當、k12相同，間歇操作或平推流操作時，主產物的選擇率比全混流操作高；平推流全混流若k12遠小于1，要使主產物的選擇率高，必須在低的轉化率下操作；若k12遠大于1，即使轉化率較高，也可以得到較高的選擇率。110一、半間歇釜式反應器的特征a：反應物B一次加入，A連續加入，反應結束后一次出料。AABRabBRRABcb：反應物A、B同時連續加入，反應結束后一次出料。c：反應物A、B一次按比例加入，R連續出料。第六節半間歇釜式反應器a：反應物B一次加入，A連續加入，反應結束后一次出料。ABRa要求嚴格控制A的濃度，防止因為A過量而使副反應增加的情況；低溫下進行的放熱反應；A濃度低，B濃度高對反應有利的情況。b：反應物A、B連續加入，反應結束后一次出料。可嚴格控制A、B的加料比例，保持A和B在較低的濃度下進行；A、B濃度低對反應有利的情況。AbBR能滿足A、B的比例要求；保持反應過程中A和B的高濃度；對可逆反應尤其合適。RABcc：反應物A、B一次按比例加入，R連續出料。二、半間歇釜式反應器的數學模型反應物B加入的體積為0，然后連續加入濃度為0的物料A，體積流量恒定為0。過程中不導出物料，如果B大量過剩，可以按一級反應處理ABR代入物料衡算式，可得初始條件為0時，0，解得上式即為反應物A的濃度與反應時間的關系。ABR由上述兩個式子可以計算不同反應時間反應物A和產物R的濃度。產物R的濃度與反應時間的關系為反應物A的濃度與反應時間的關系為01234560.70.50.30.20.1相對濃度時間反應物A、產物R的濃度與反應時間的關系為如0.21，00=0.5h，計算結果如下圖所示0.60.400【例3-7】解：反應物B一次加入，A連續加入，反應結束后一次出料。ABRa0=1/3m3，0=1m3。任意反應時間t下的反應體積為【例3-7】解：反應物B一次加入，A連續加入，反應結束后一次出料。0=1/3m3，0=1m3。任意反應時間t下的反應體積為0=43。將、0及0代入上式得求解上式，當A加料完畢時，0.28863。【例3-7】解：產物R的濃度，對R做物料衡算可得當A加料完畢時，1.463。一、釜式反應器中進行的液-液相反應考慮以下工程問題第七節釜式反應器中進行的多相反應液-液兩相的分散與混合分散相：被分散的一相，液滴越小，兩相接觸面積越大。液滴不斷地凝并和分裂，影響兩相的接觸面積；分散與混合過程攪拌漿的形式和轉速有關。連續相：除分散相外的另外一相連續相和分散相中的有關反應組分在另一液相中的溶解度。連續相和分散相之間的傳質過程。有關反應組分在另一液相中的傳質和反應耦合過程。二、釜式反應器中進行的液-固非均相反應所涉及的工程問題有固相顆粒是否懸浮在反應器中液-固兩相之間的傳質速率，釜式反應器處于間歇、連續或半連續的操作方式。三、釜式反應器中進行的氣-液相絡合催化反應有些分子或離子與金屬絡合使某一特征反應更容易進行，稱為絡合催化反應。絡合催化劑以分子狀態存在，有效濃度高，具有高活性、高選擇性和反應條件溫和等優點。缺點是催化劑不易分離導致回收困難。第三章小結一、基本概念返混；平推流模型；全混流模型；間歇反應器、平推流反應器、全混流反應器的特點。二、核心內容1．間歇反應器計算；2．平推流反應器計算；3．全混流反應器計算；反應時間t－的關系在反應器中，物料濃度和溫度是均勻的，只隨反應時間變化，可以通過物料衡算求出反應時間t和的關系式。衡算對象：關鍵組分A衡算基準：整個反應器（）在時間內對A作物料衡算：[A流入量]=[A流出量]+[A反應量]+[A累積量]第一節間歇釜式反應器性能的數學描述積分等容過程上式適用于等容、等溫和變溫的各種反應系統。已知反應動力學方程和組分A的濃度變化，就能按此式計算反應時間。反應級數反應速率殘余濃度式轉化率式012n級n≠1表3－1間歇反應器中等溫等容液相單一不可逆反應的動力學計算結果p79穩定狀態，在單位時間內對A作物料衡算：等溫平推流反應器