《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 第三章 理想反应器 3.6 反应器型式与操作方法的评选(2) 教学目标 1． 了解影响反应器经济性的因素，过程的经济性主要受两个因素影响：反应器的大小， 体积越小越好；产物的分布：选择性越高越好。 2． 了解操作条件选择的依据：温度影响、浓度影响、加料方式。 3． 撑握单一反应的反应器选型的依据、方法；最优温度的选定。 4． 撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据（以目标产物收率为主要目标）、 方法；影响选择性的因素。 教学重点 1． 单一反应的反应器选型的依据、方法；最优温度的选定。 2． 撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据（以目标产物收率为主要目标）、 方法；影响选择性的因素。 教学难点 1. 单一反应的反应器选型的依据、方法；最优温度的选定。 2. 撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据（以目标产物收率为主要目标）、 方法；影响选择性的因素。 教学方法 讲授法 学时分配 2学时 授课时间 200 年 月 日 教学过程 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第1页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［复习旧课］ ［引入新课］ ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［板 书］ ［讲 解］ １．简反应反应器的选型及其依据； ２．最优操作温度的确定。 由复合反应的特点引入新课。 3.6-2 复合反应 此时在反应器内同时进行几个反应，影响反应过程的经济性的主要因 素往往是主产物的收率，它直接影响到生产的操作费用和生产的成本。因 此反应器型式与操作方式的优化选择常以产物的收率为主要目标。 １．不同反应器收率的表达式 ① 根据总收率 P φ的定义（式(2-3-5)），有： AA PP P nn nn ? ? = 0 0 φ 对于恒容过程（当0 0 = P C时）有： AA P P CC C ? = 0 φ（当0 0 = P C） (3-6-11) ② 由产物P的瞬间收率 P ?的定义可知： A P A P P dC dC r r ?= ? =? (3-6-12) 对上式积分有： A C C PP dCC A A ∫ ?= 0 ? 上式代入式(3-6-11)可得： A C C P AA A C C P AA P dC CC dC CC A A A A ∫∫ ? = ? ? = 0 0 00 11 ??φ (3-6-12) 1) 对于分批式操作的完全混合反应器或平推流反应器应用(3-6-12) 式： A C C P AA P dC CC A A ∫ ? ? = 00 1 ?φ (3-6-12) 2) 全混流反应器 A、单釜全混流反应器 对于全混流反应器，因为其出口组成与反应器内的组成是一致的，所 以其瞬间收率与总收率是一致的。为与平推流反应器相区别，分别以 m ?和 m φ来表示全混流反应器中产物户的瞬间收率和总收率。此时应有： AA P mm CC C ? == 0 ?φ（当0 0 = P C） (3-6-13) B、多釜串联的全混流反应器 对于多釜串联的全混流反应器系统，对于其中的任意的第i釜有： 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第2页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［讲 解］ ［板 书］ ［讲 解］ Ai Pi AiAi PiPi mimi C C CC CC ? ? ?= ? ? == ? ? 1 1 ?φ (3-6-14) 所以，整个串联全混流反应器系统的总收率(以 N φ记之) 有： ∑∑∑ = ? ? == ? ? = ? ?? == N i AiAi PiPi N i Ai Pi N i miN CC CC C C 1 1 1 11 ?φ (3-6-15) 由上述讨论可知，复合反应的产物分布不仅与反应的型式(平行、串联 或平行与串联的组合)、反应的动力学特性有关，而且还与反应器的型式有 关，下面分别就串联反应和平行反应进行讨论。 2. 串联反应 对于这种简单的一级不可逆串联反应。 SPA kk ?→??→? 21 １）完全混合的间歇反应器 在第二章曾导出产物P为最大C p ， max 的表达式(实际上是间歇反应器)： ( )[ ] 12 kkk k k CC 2 2 1 A0maxP, ? ? ? ? ? ? ? ? ? = (2-3-69) 相应的最优反应时间为： ( ) 12 12 ln kk kk t opt ? = (2-3-68) 因为在恒容条件下，平推流反应器和分批式完全混全反应器的设计方 程是完全一致的。因此，(2-3-69)和 (2-3-68)两式对于平推流反应器和分 批式完全混全反应器都是适用的。 ２）连续操作的全混流反应器 当在全混流反应器中来进行此一级不可逆串联反应时，以[ ] m P C max, 和 optm, τ分别表示产物浓度最大和相应于最大浓度下的空间时间，则有下式成 立： [ ] 2 2/1 1 2 0 max, 1 ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? ? ? = k k C C A m P (3-3-7) 21 , 1 kk optm =τ (3-3-6) ３）平推流反应器与连续操作的全混流反应器的比较 以式（3-3-7）与（2-3-69）相除有： [ ] ()[] 12 kkk k k 1 1 2 2 1 2 2/1 1 2 max, max, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ? ? ? ? ? ? ? = k k C C P m P 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第3页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［结 论］ ［板 书］ ［讲 解］ 以上式用 [ ] max, max, P m P C C 对 1 2 lg k k 作图（见图3-6-7 (a)）或以总收率对作图（并 以 A x 21 kk为参数）可得图（3-6-7(b)）。如下： [C P,max ] m C P,max lg (k 2 /k 1 ) -4 -3 -2 -1 1234 0.7 0.8 0.9 1.0 0 A PS k 1 k 2 (a)产物最大浓度的比较 图3-6-7 平推流反应器与全混流反应器的比较 由图可知，对于一级不可逆串联反应，平推流反应器对产物Ｐ来说总 是优于全混流反应器。k 21 k=时两者偏差最大，而和相差越大，两者偏 差将减小。 1 k 2 k 上述结论对于其它反应级数的串联反应同样是适用的。 3. 平行反应 1） 单一反应组份的平行反应，如： A P S 或 A P S R ① 平推流反应器和间歇反应器 A C C P AA A C C P AA P dC CC dC CC A A A A ∫∫ ? = ? ? = 0 0 00 11 ??φ (3-6-12) 而： A C C PP dCC A A ∫ ?= 0 ? 即：() PAAP CCC φ?= 0 ② 全混流反应器 A、单釜全混流反应器 AA P AA PP mm CC C CC CC ? = ? ? == 00 0 ?φ（当0 0 = P C） (3-6-13) B、多釜串联的全混流反应器 ∑∑∑ = ? ? == ? ? = ? ?? == N i AiAi PiPi N i Ai Pi N i miN CC CC C C 1 1 1 11 ?φ (3-6-15) 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第4页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［板书讲解］ 其瞬间收率 P ?与C A 之间可能有如图3-6-8所示的三种变化形状。根据 上述关于总收率的表达式（式（3-6-12）～（3-6-15）），可在图上表示出 各种反应器的收率。 （1） P ?随C A 的增大而增大，如图3-6-8（a）所示 Φ P C A C A1 C A2 C P C A0 Φ P C A C A C A0 Φ P C A C A C P C P 全混流 式(3-6-13) 平推流 多釜串联全混流 (a)平推流最优多釜串联次之全混流反应器最差, , C A3CA C A0 图3-6-8 平行反应反应器比较的图解示意（a） 从上图可以看出，反应器内的返混作用将是不利的，故应选用无返混 的平推流反应器。 （2） P ?随C A 的增大而单调地下降，如图3-6-8（b）所示 Φ P C A C A1 C P C A C A0 C P 多釜串联全混流 式(3-6-15) 平推流反应器 式(3-6-12) 全混流(3-6-13式) (b)全混流最优,多釜串联次之,平推流反应器最差 Φ P C A C A Φ P C A C A C P C A2 C A3 C A0 C A0 图3-6-8 平行反应反应器比较的图解示意（b） 从上图可以看出，反混将有利于收率的提高，故以全混流反应器为最 优。 （3） P ?对C A 曲线存在极大值的场合，如图3-6-8（c）所示 此时反应前期（即 P ?最大值出现之前）返混是不利的，而后期是有利 的，因此应采用全混流反应器后串接平推流反应器为最优。如下图： Φ P C A C A1 C P C A C A0 平推流(3-6-12)式 平推流 (c) 全混流串接平推最优,平推流次之,全混流反应器最差 Φ P C P C A C A C A0 Φ P C A C A C A0 全混流(3-6-13式) 全混流 C P,总 全混流串接平推流 图3-6-8 平行反应反应器比较的图解示意（c） 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第5页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［讲 解］ ［分析讲解］ 2）有两个反应组份参加的平行反应，如 A + B P S k 1 k 2 其速率式分别为： 11 1 b B a AP CCkr = 22 1 b B a AS CCkr = 产物P的瞬间选择性应为： ()( 2121 2 1 bb B aa A S P P CC k k r r S ?? ?== ) （3-6-16） （Ⅰ）若、，应选择无返混的反应器，即平推流反应器最 优。 21 aa > 21 bb > 因为选择性随、C的增大而增大，而返混的结果将导致反应物 浓度的降低。 P S A C B （Ⅱ）若、b 21 aa < 21 b<，应使A和B物质的浓度维持在低的水平，故 以采用返混最大的全混流反应器。 （Ⅲ）若、 21 aa > 21 bb <，则在较高和低的下进行反应有利于生 成P的主反应速率占主要地位，此时须采用如图3-6-9（a）所示的进料方 式来进行调节A和B的浓度。 A C B C A B 操作方式操作方式 图3-6-9 ， 21 aa > 21 bb <时的操作方式与反应器内反应物浓度分布图(a) 如果产物P和反应物B易于与A分离，则在反应器后串接一个分离器 的操作将更为有利提高P的收率，如图3-6-9（b）所示。 分 离 器 A B P, B, S C A0 C B0 C A C B 操作方式器内浓度分布 (b)串联分离器的操作 图3-6-9 ，b 21 aa > 21 b<时的操作方式与反应器内反应物浓度分布图(b) （Ⅳ）若主反应的活化能E 1 >E 2 （E 2 为反应的活化能），则应采承尽可 能高的操作温度下进行反应。反之，若E 1 <E 2 则采用低温操作。 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第6页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［举 例］ ［本节小结］ ［作业布置］ ［解 答］ 例3-6-3 已知（参见书87页） 串联反应、平行反应的反应器选型。 1．有一气相分解反应，其化学反应式为SRA +→，反应速率方程 式为?。反应温度为500，这时测得的反应速率常数为 2 AA kcr = C o sk ?= kmolm 3 25.0 %20 。反应在内径为2、长度为100的管式反应 器中进行，器内压强维持在1，进料中仅含组分A，要求A的出中转化 率为。试计算空时 cm5. cm atm τ和停留时间。 解：（1）求空间时间 由题意知：0.1 0 = A y，1111 =?+= A δ， RT p c A = 0 3422 1091.40.1025.014.3 4 1 4 1 mLDV ? ×=×××=?= π Q A A A AAA A AA x x c xy x cc + ? = + ? = 1 1 1 1 0 0 0 δ ∴ 2 0 2 2 1 1 A A A AA c x x kkcr ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ==? 将上式代入平推流反应设计方程中有： A x A A x AA A A dx x x kcr dx c AA 2 00 0 0 1 11 ∫∫ ? ? ? ? ? ? ? ? ? + = ? =τ 将上式积分有： A x AA A A xx x kc 0 0 1 4 1 1 ln4 1 ? ? ? ? ? ? ? + ? ?=τ 所以有： ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ?= 4 1 4 1 1 ln4 AA A xx x kp RT τ 代入具体数据有： S9.77 307.076.253 4 2.01 4 2.01 1 ln42.0 10132525.0 15.7738314 = ×= ? ? ? ? ? ? ? ? + ? ? × × =τ (2) 计算停留时间 t 因为： 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第7页 共 8 页 《化学反应工程》 教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ()()PRTxFPRTxyF P FRT v AAAAA +=+== 11 000 δ RTFPv A00 = 所以： () () ∫∫∫ + = + == V A V AA V x dV vxRTF PdV v dV t 0 0 0 0 0 1 1 1 把： ( ) () 22 0 2 0 2 0 2 00 1 1 1 1 AA AA A A A A A A xkc xF c x x k F r F dV ? + = ? ? ? ? ? ? ? ? + ? = ? =代入上式有： () ( ) () () () s xxkP RT x x kc x x ckv F x dV v t AA x A A A x A A A A V A A A 71 1 1 ln 1 2 1 11 1 1 1 1 20.0 0 0 2 0 0 22 00 0 0 0 = ? ? ? ? ? ? ? ? ? = ? + = ? + = + = ∫ ∫∫ 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第8页 共 8 页