理想流動(dòng)反應(yīng)器組合比較

第二章理想流動(dòng)反應(yīng)器———2009年3月化學(xué)反應(yīng)工程太原理工大學(xué)化工學(xué)院TaiyuanUniversityofTechnology郝曉剛

Prof.Ph.D4/23/202314/23/202322.5理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合與反應(yīng)器體積比較2.5.1理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中為了滿足一定的需要經(jīng)常將平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器按一定方式進(jìn)行組合。下面討論等溫、恒容過(guò)程兩個(gè)體積相同的理想反應(yīng)器并聯(lián)或串聯(lián)組合進(jìn)行一級(jí)不可逆反應(yīng)的幾種情況。

各種組合方式如圖所示。4/23/20233afedcbg4/23/20234設(shè)進(jìn)料流量為V0，反應(yīng)物初始濃度為cA0，各反應(yīng)器體積均為VR?？疾旄鞣N組合反應(yīng)器所能達(dá)到的出口濃度。反應(yīng)速率：rA=kcA(一級(jí)不可逆單反應(yīng)）停留時(shí)間：τ=VR/V0MFR：PFR：4/23/20235（a）兩全混流反應(yīng)器并聯(lián)流入每個(gè)反應(yīng)器的流量為V0/2，每個(gè)反應(yīng)器的出口濃度相等且等于混合出口濃度。（b）兩全混流反應(yīng)器串聯(lián)τ(1+kτ)2=1+2kτ+(kτ)2>1+2kτcAf,a>cAf,b4/23/20236（c）平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器串聯(lián)（d）全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器串聯(lián)ekτ>1+kτcAf,c<cAf,bcAf,d=cAf,c4/23/20237（e）兩平推流反應(yīng)器并聯(lián)（f）兩平推流反應(yīng)器串聯(lián)ekτ>1+kτe-kτ<1/(1+kτ)cAf,f=cAf,ecAf,e<cAf,d4/23/20238（g）全混流反應(yīng)器與平推流反應(yīng)器并聯(lián)由上可知，（c）、（d）等效，（e）、（f）等效。由于ekτ>(1+kτ)，xA=1-cAf/cA0，cAf,f=cAf,e<cAf,d=cAf,c<cAf,b<cAf,a，因此（a）的轉(zhuǎn)化率最低，（b）的轉(zhuǎn)化率次之，（c）、（d）相等高于（b），（e）、（f）轉(zhuǎn)化率最高。4/23/20239xA=1-cAf/cA04/23/2023104/23/2023112.5.2理想流動(dòng)反應(yīng)器體積比較間歇反應(yīng)器體積；平推流反應(yīng)器體積；全混流反應(yīng)器體積；多級(jí)全混流反應(yīng)器體積。分別表示：基本條件

等溫、等容過(guò)程，且相同。4/23/202312間歇反應(yīng)器

平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器4/23/202313（1）對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的不可逆反應(yīng)反應(yīng)速率隨反應(yīng)物濃度增加而增大，1/rA隨xA增加而單調(diào)上升。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，反應(yīng)物濃度降低，轉(zhuǎn)化率增大，反應(yīng)速率下降。采用平推流、全混流或多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器時(shí)，反應(yīng)器體積可分別由它們的體積設(shè)計(jì)方程計(jì)算求得。反應(yīng)速率：rA=kcAncA↑，rA↑，（1/rA）↓；cA↓，xA↑，rA↓，（1/rA）↑4/23/202314根據(jù)設(shè)計(jì)方程，如果以轉(zhuǎn)化率xA為橫坐標(biāo)，反應(yīng)速率的倒數(shù)1/rA為縱坐標(biāo)作圖，如圖所示三種反應(yīng)器的填充區(qū)域面積均乘以V0cA0便是這三種反應(yīng)器的體積。PFRMMFRMFRxAxAfxAfxAfxAxA4/23/2023151）2）作曲線AB

轉(zhuǎn)化率越大，兩者的差距較大，可采用低轉(zhuǎn)化率操作。xAxAfOABDC4/23/202316可以清楚看到，實(shí)現(xiàn)同一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程平推流反應(yīng)器所需反應(yīng)體積最小，全混流反應(yīng)器所需反應(yīng)體積最大，返混程度介于兩者之間的多釜串聯(lián)全混流反應(yīng)器所需體積介于兩者之間。因此對(duì)于反應(yīng)級(jí)數(shù)大于0的不可逆化學(xué)反應(yīng)，返混降低了反應(yīng)器的濃度推動(dòng)力，使反應(yīng)體積增大。反應(yīng)級(jí)數(shù)越高，反應(yīng)對(duì)濃度推動(dòng)力的依賴越強(qiáng)，返混對(duì)反應(yīng)影響越嚴(yán)重，在反應(yīng)器工程放大設(shè)計(jì)和形式選擇時(shí)，必須引起高度重視。4/23/2023173）

當(dāng)為一級(jí)不可逆反應(yīng)，各級(jí)體積相同時(shí)，有等體積多級(jí)全混流反應(yīng)器串聯(lián)的總反應(yīng)體積與單個(gè)平推流反應(yīng)器體積之比為4/23/202318以為縱坐標(biāo)，m為參變數(shù)作圖。越大，（2）當(dāng)一定時(shí):越小，接近于平推流。對(duì)于二級(jí)不可逆反應(yīng)的關(guān)系見(jiàn)圖。為橫坐標(biāo)，越大,遠(yuǎn)離平推流。m越大，（3）當(dāng)kτ一定時(shí):m越大，則如圖3－19所示，結(jié)論如下：（1）當(dāng)m一定時(shí):虛線表明kτ一定時(shí)，反應(yīng)器級(jí)數(shù)不同，所得最終轉(zhuǎn)化率也不同。4/23/2023194/23/2023204/23/2023214/23/2023224/23/2023234/23/202324（2）對(duì)于n<0的等溫不可逆反應(yīng)反應(yīng)速率隨反應(yīng)物濃度下降反而增加，1/rA隨xA增加而單調(diào)下降。此時(shí)降低反應(yīng)器內(nèi)的濃度推動(dòng)力反而對(duì)反應(yīng)有利，因此返混最大的全混流模型所需要的體積最小，而沒(méi)有返混的平推流模型所需要的體積最大，多釜串聯(lián)模型所需體積介于兩者之間，且隨釜數(shù)增多所需反應(yīng)體積迅速增大。反應(yīng)速率：rA=kcAncA↓，xA↑，rA↑

，（1/rA）↓4/23/202325如圖所示填充區(qū)域面積可比較各種流型的反應(yīng)器體積。MFRMMFRPFRxAxAfxAxAxAfxAf4/23/202326（3）1/rA對(duì)xA的曲線上存在著極小值即有些反應(yīng)的反應(yīng)速率隨反應(yīng)進(jìn)行存在極大值的現(xiàn)象。如自催化反應(yīng)中，隨產(chǎn)物量增多反應(yīng)速率加快，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定程度后，由于反應(yīng)物濃度下降影響更顯著，反應(yīng)速率達(dá)到極大后又下降，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線存在極值，很多生化反應(yīng)以及絕熱操作的可逆放熱反應(yīng)具有這一特征。4/23/202327如圖所示，這種情況下存在極小值，在反應(yīng)初始階段未達(dá)到極值點(diǎn)前，返混大的全混流反應(yīng)器所需體積最小，而在反應(yīng)后期，使用無(wú)返混的平推流反應(yīng)器更為有利。因此應(yīng)根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，弄清楚返混的影響規(guī)律，合理設(shè)計(jì)、配置反應(yīng)器。MFR+PFRPFRMFRxA0xAfxAfxAfxA0xA0xAm4/23/202328如圖所示，這種情況下存在極小值，在反應(yīng)初始階段未達(dá)到極值點(diǎn)前，返混大的全混流反應(yīng)器所需體積最小，而在反應(yīng)后期，使用無(wú)返混的平推流反應(yīng)器更為有利。因此應(yīng)根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，弄清楚返混的影響規(guī)律，合理設(shè)計(jì)、配置反應(yīng)器。4/23/202329由于自催化反應(yīng)在沒(méi)有產(chǎn)物的情況下便不能進(jìn)行，圖中反應(yīng)速率曲線沒(méi)有與縱坐標(biāo)相交。由圖可知，在轉(zhuǎn)化率xA<xAm階段，全混流反應(yīng)器或循環(huán)比很大的循環(huán)操作平推流反應(yīng)器所需體積最小，而xA>xAm時(shí)平