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。

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？

RPBA MC

CC

A

AB

0

MktCxM

xMA

A

A0)1)(1(

1ln

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 。

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

pfC

AC

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？

SPA