第七章反应器选型与操作方式（课堂PPT）

反应工程基础ElementsofReactionEngineering,上海师范大学环境工程系DepartmentofEnvironmentalEngineering,ShanghaiNormalUniversity,1,例5-6用两只体积相等的全混流反应器串联进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为,原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35，反应液的密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应在100下等温操作，其反应速率方程为,已知100时，k=4.7610-4L/（molmin），平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%时，所需的反应总体积。要对串连反应器进行优化，两个反应器的体积大小应如何分配？,2,根据前面计算可知,其中：a=2.61b=5.15c=0.6575k=4.7610-4L/（molmin），,解：,3,设第一釜转化率为xA1，根据题设：12,可解得：xA1=0.2264（已经舍去了不合理值）代入1式中，得VR1=V016.036m3于是，总反应体积VR12.072m3,4,（2）优化的情况,令解得：xA1=0.2191(已舍去不合理值）代入，可求得VR15.390m3VR25.487m3故反应总体积为VR10.88m3,5,例题中五种反应器体积比较,BSTR：VR12.68m3PFR：VR8.227m3CSTR：VR14.68m3CSTR+CSTR（相等体积）:VR12.07m3CSTR+CSTR（最优体积）:VR10.88m3,6,4.多级CSTR的串连和并联,多级CSTR串连的情况前面已经详细讨论过了,7,1/2VR,1/2VR,VR,CA0,V0,CA0,V0,1/2Vo,1/2Vo,两个系统中哪个处理效果好？,8,两个相同的CSTR并联等效于一个大的CSTR（总体积相等）,1/2VR,1/2VR,VR,CA0,CA0,V0,V0,由上述诸式，无论何种动力学方程，结论均成立。等效的前提：因此不限于两并联釜体积相等。,9,5.理想流动反应器的组合,10,CA0,V0,CAf,CA1,任何动力学，两反应器体积任意的大小。,CA0,CA0,CAf,无论何种动力学方程，结论均成立。等效的前提：因此不限于两并联反应器的体积相等。,V0,体积相等的活塞流，无论长径比如何，都是等效的。,此种组合等效于一个大的PFR（总体积相等）,11,列管式催化反应器,12,两个处理系统是否等效？,13,此两种组合在一级不可逆反应且两反应器体积相等时是等效的。,CA0,CA1,CAf,CA0,CA1,CAf,零级反应，无论体积是否相等，也等效。,VR1,VR1,VR2,VR2,V0,V0,但是，一般情况下，两者不等效。,14,1/rA,FPR,1/rA,CSTR,CSTRCASCADE,1/rA,xA,xA,xA,6.理想流动反应器的体积比较,不同的动力学结论不同，甚至截然相反。,15,影响反应体积大小的若干重要因素：（a）转化率：转化率越高，体积差别越大（b）反应级数：级数越高，体积差别越大（c）串联级数：级数越多，体积差别越小（d）膨胀率（因子）：膨胀越大，则返混影响越大，体积差别也就越大。,16,例5-6某液相反应在两个串联的CSTR中进行，已知反应为二级，速率常数k=0.8，进液流量、料液浓度及限制反应物的转化率均标于图中，试分别求出两个反应器的体积VR1和VR2。（假定反应过程中物料的密度恒定）。,17,解：,因此，A为限制性反应物,18,同理，,19,5-1已知一级反应在PFR中进行时，出口转化率为0.9。现将该反应移到一个CSTR中进行，若两种反应器体积相同，且操作条件不变，问该反应在CSTR的出口转化率应为多少？,解：,对于一级反应：,PFR：,CSTR：,则:,PFR的出口转化率,则CSTR的出口转化率为：,20,5-2一液相反应,其反应速率为。在CSTR中进行反应时，在一定工艺条件下，所得转化率为0.5，今将此反应移到一个比它大6倍的CSTR中进行，其它条件不变，其能达到的转化率为多少？,解：,CSTR中二级反应：,则:,则:,（,）,21,5-3某液相反应为一级不可逆反应，反应活化能，在150oC等温管式反应器中进行，转化率为0.6。现改用等体积的CSTR反应器，处理量不变，要求达到转化率为0.7，问此时的CSTR应在什么温度下操作？,解：,对于一级反应：,PFR：,CSTR：,22,23,5-4某液相反应，实验测得浓度反应速率数据如下：,若反应在CSTR中进行，进口浓度，当出口浓度分别为0.6mol/L、0.8mol/L、1mol/L时，进料体积流量为120L/min，求所需反应器体积，并讨论计算结果。,24,解：,CSTR反应器中：,（5-2）,当时，,当时，,同理计算：,当时，,当时，,25,5-5在CSTR中进行液相反应,反应器体积,进口浓度,实验数据如下表：,试求反应动力学方程？,26,解：,13oC时，假设反应为一级，则：,则假设不成立。,27,假设反应为二级，则：,则假设成立。,13oC时，反应动力学方程为：,84oC时，,反应动力学方程为：,28,5-6在全混流反应器中用醋酸和丁醇生产醋酸丁酯，反应式为：,（A）,（B）,（P）,（S）,反应在100oC等温下操作，反应动力学方程,配料摩尔比,以少量硫酸为催化剂，反应物密度为0.75(kg/L)，每天生产2400kg醋酸丁酯，当醋酸转化率为时，求（1）用单个全混釜反应器的体积；（2）用解析法计算两个等体积串连全混釜反应器的体积。,29,解：,（A）60,（B）74,（P）116,（S）18,30,（1）,（2）,第一个CSTR：,（1）,第二个CSTR：,（2）,由式（2）得：,（3）,31,（3）式代入（1）式，得：,（每一个CSTR体积为）,32,5-7证明：对于一级反应，在二釜串连流程中反应，两釜体积大小相同，则其总体积为最小。,设两釜体积分别为V1和V2，总体积为V，反应动力学方程为，则：,当V1=V2时，,此时，反应器总体积,证明：,33,当时，反应器总体积,则,即V最小，得证。,34,第七章反应器选型与操作方式,35,本章主要学习内容,7.1概述7.2影响反应场所浓度的工程因素7.3简单反应过程反应器型式的比较7.4自催化过程的优化7.5可逆反应过程的浓度效应7.6平行反应过程的浓度效应7.7串连反应过程的优化,36,7.1概述,优化：在一定的范围内，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。,工业反应过程的优化涉及优化目标、约束条件和决策变量等内容，化学反应过程的优化包括设计优化和操作优化两种类型。,设计优化：根据给定的生产能力，确定反应器型式、结构和适宜的尺寸及操作条件。,操作优化：反应器的操作必须根据各种因素的变化对操作条件作出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转以达到优化目标。,37,技术目标：反应速率、选择率、能量消耗,工程角度：反应器型式、操作方式、操作条件。,化学反应工程优化的核心是化学因素和工程因素的最佳结合，化学因素包括反应类型及动力学特性。工程因素包括反应器类型、操作方式、操作条件。,38,7.2影响反应场所浓度的工程因素,反应结果优劣的技术指标主要是反应速率和选择率。由反应动力学分析可知，反应选择率取决于主、副反应速率的相对关系，因此，选择率的问题仍然是反应速率的问题。,39,7.3简单反应过程反应器型式的比较,简单反应：只有一个方向的反应过程。,与之相对应，可逆反应、串连反应、平行反应及其组合皆不属于简单反应，简单反应的优化目标只需考虑反应速率。,40,反应器的三种基本类型：间歇反应器（BR）、理想管式反应器（PFR）和连续流动釜式反应器（CSTR），前面已经作了较为详尽的介绍。BR和PFR都不存在返混，反应结果唯一由反应动力学所确定，PFR和CSTR虽然都属于连续操作，但具有完全不同的返混特征。CSTR返混最大，反应器中物料浓度与反应器出口相同，即整个反应过程始终处于出口状态的浓度（或转化率）条件下操作，此时的浓度（或转化率）是较低的，而PFR反应器中则经历了反应物浓度由进口的高浓度（或高转化率）到出口的低浓度（或低转化率）的全过程，其平均浓度（或转化率）要高于CSTR的浓度（转化率），因此，对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同的转化率，PFR所需体积最小，CSTR所需反应器体积最大。,41,下面引入生产率的概念对三种反应器的容积大小进行比较分析：,（1）BR与PFR的比较,令BR的进料及出料浓度分别为和，则转化率为：,令BR的容积为，其停留时间（反应时间）及辅助时间分别为和，生产率的定义为单位时间处理的物料的量，用P表示：,则,（2）,（1）,42,式中：,由(1)式得：,假定反应器内为一级反应，即,则,(3),43,(3)式代入(2)式，消去t，得：,(4),理想管式反应器与间歇反应器相比，除不需要辅助时间外（），其它与BR完全一样，即,(5),当两种反应器的、生产率P及转化率相等时，其体积比为：,即间歇反应器的容积大于理想管式反应器的容积。,44,(2),CSTR与PFR的比较,先讨论CSTR反应器中一级反应的情况,则,生产率,45,则,(6),当CSTR和PFR的和P相等时，由(5)、（6）式可以得到两者的容积之比：,说明，在一级反应条件下，CSTR的容积总是大于PFR的容积。,46,当反应级数为时，同样可推得：,当反应为零级时，由上式可得：,47,（3）阶式CSTR与PFR的比较,在一级反应条件下，当串连的n个CSTR与PFR的转化率相等时，n个CSTR的容积与之比为：,48,简单反应过程的优化,对于简单反应：,其动力学方程：,我们前面提到，反应工程优化的技术目标主要有反应速率和选择率。对于简单反应而言，不存在选择率，因此优化的目标主要是反应速率。反应速率的变化特征如下图所示：,49,也即除零级反应外，简单反应的反应速率随着反应物浓度的增加而上升，随着转化率的上升而下降。因此任何降低反应物浓度的因素都要尽量避免。从反应器的选择考虑，如果采用CSTR反应器，由于存在明显的返混，将肯定降低反应物的浓度，从而降低反应速率，进而加大了对反应容积的要求。,在PFR中，反应器体积基本计算公式：,在CSTR中，反应器体积基本计算公式：,50,可见，对于简单反应，要达到同样的处理效果，CSTR的容积总是大于等于PFR的容积，并且反应级数越高，大得越显著。因此只要条件许可，选择采用PFR反应器总是更为经济合理。,51,7.4自催化反应过程的优化,自催化反应是指反应产物本身具有催化作用，加速反应速度的反应过程。废水生物处理都具有自催化反应的特征。自催化反应表示为：,废水生化处理表示为：,有机污染物浓度+细菌新细胞+原有细菌+CO2+H2O,52,自催化反应的速率变化曲线：,反应初期，值大，值小，小；,中期，；,后期，。,可见，自催化反应的基本特征是存在一个最大反应速率，如图7-7所示（右图）。,53,理想间歇反应器中进行催化反应，由于A和P的总摩尔数保持不变，因而对于任一瞬间：,令,此时反应速率达到最大。,54,化工生产中，如果采用连续操作，则作为催化剂的产物和没有反应完全的反应物及其它副产物一起不断被排出，从而使得反应器中催化剂浓度维持恒定。如果是间歇操作，则催化剂浓度不断升高直到反应结束（如上所述）。废水处理中，由于进水是连续进行的，可以保证A的浓度不至于很低，而出水实行泥水分离，也即微生物可以通过沉淀保持在反应器中。根据自催化反应的原理，由于细菌的浓度不断提高，因此反应速率也不断提高。实际情况并非如此。在实际水处理过程中，要定期外排一部分细菌，以保证细菌中有活性部分的比例（去除老化的部分），此外，污泥量太多，会降低反应器的有效容积的利用率。因此在水处理过程中，当系统达到稳定状态后，新产生的生物量与排出的生物量大致相当，反应器内起作用的总的生物量保持恒定。因此废水生化处理多为一级反应或零级反应（营养也充分过量）。,55,自催化反应存在最大反应速率，即反应速率并非随反应物浓度单调递增（这与简单反应不同）。因此，在反应器选型时，应根据不同转化率的要求，选用不同的反应器及其组合型式，以减小反应器体积，根据上图的自催化反应速率曲线，绘出图：,(a)高(b)中等(c)低,56,当自催化反应要求转化率小于或等于xA1(图)，则达到相同转化率，全混流反应器显然比平推流反应器体积要小，表明返混是有利因素。因为返混将导致反应器产物和原料相混合，使低转化率时反应器内也有较高的产物浓度，得到较高的反应速率。相反，当要求最终转化率较高时(图(a)，返混则导致整个反应器处于低的原料浓度，反应速率很低，所以为达到相同的转化率，全混流反应器所需体积将大于平推流反应器。当反应处于中等转化率时(图(b)，则两类反应器无多大差别。总之，要根据反应转化率的要求选用合适的反应器。,57,为了使反应器总体积最小，可选用一个全混流反应器，使反应器保持在最高速率点处进行反应是有利的。为了使反应器原料得到充分利用，达到较高的转化率，可以在CSTR后串联一个PFR以达到高转化率的要求。如图所示：,根据自催化反应的动力学特征，在反应的初始阶段有一个速率从低到高的启动过程，产物的存在有利于这个启动过程，因此适当的返混是有利的。,58,在工程上可以采用循环反应器，为达到指定的转化率，必有一个最适宜的循环比，使反应器体积最小。这个最适宜循环比可由关系求得。,由可得：,对于一个给定的最终转化率，可以用试差法求得最适宜循环比。,59,例7-2不同类型反应器中进行自催化反应的比较自催化反应：是一个等密度反应过程，反应速率为：,进料流量为,转化率,(1)全混流反应器（CSTR）；(2)两个等体积全混流反应器串连的组合反应器；(3)平推流反应器；(4)循环比R=1的循环反应器；(5)具有最小体积的循环反应器。,60,解：,CSTR,(2)两个等体积CSTR串连,设第一个CSTR出口浓度为，,则,61,当时，代入上式，解得，所以两个全混流反应器总体积为：,（3）PFR,因为进口处CPo=0，即，无法引起反应，所以反应器体积为无穷大。,（4）R=1的循环反应器,根据循环反应器计算公式：,62,（5）具有最小体积的循环反应器,根据循环反应器体积计算公式，求，得,用试差法求得，当时，代入循环反应器计算式得,63,计算结果列表如下：,64,注意：若严格，各反应器中的反应都将无法进行，因此反应器内应存在极少量的产物P，这样对于PFR，由于没有返混，反应速率始终处于极低的水平，而其它反应器中的反应速率则不断加快。,课后思考：若用两个CSTR串连，如何设计可使得两个CSTR反应器的总体积最小，最小为多少？,65,例73生化工程中酶反应AR为自催化反应，反应速率(-rA)=kCACR，某温度下k=1.512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3,要求A的最终浓度降到0.01kmol/m3，当原料的进料量为10m3/h时，求：（1）反应速率最大时，A的浓度为多少？（2）采用CSTR，反应器体积是多大？（3）采用FPR，反应器体积是多大？（4）组合方式的最小反应器体积。,66,解：,(1)显然，CA=0.5kmol/m3时，速率达最大值。,67,CA,CA0,CAf,1/(-rA),CA,CA0,CAf,1/(-rA),CSTR,PFR,68,(2)CSTR,(3)PFR,69,1/rA,CA,CA0,CAf,(4)CSTR+PFR：最优组合,CAm,组合反应器的总体积=0.216m3+0.507m3=0.723m3,70,7.5.可逆反应过程的浓度效应,基本特征是反应受动力学因素和热力学因素的双重影响：,k1,K2,A,P,如果反应为一级，且进料中不存在产物P时，,表明：可逆反应速率的浓度效应和简单反应相同，随反应物的浓度增加，反应速率单调增加。因此在设计和操作中，任何使反应器中反应物浓度降低的工程因素都是不利的，应予以避免。,为提高反应速率，可通过改变可逆反应的平衡状态得到，从反应混合物中不断移去产物，有利于反应向生成产物的方向进行。,71,对双组分可逆反应：,k1,K2,A+B,P+S,如果A是比B更贵重的物料，鉴于可逆反应速率和反应转化率受平衡制约，为提高物料A的利用率和加快反应速率，可以采用物料B过量的措施是极为有效的。若该反应的平衡常数为1，在A和B的初始浓度为1(mol/L)时，反应的平衡转化率为0.5，而同样反应条件下，把B的初始浓度提高为2(mol/L)，此时物料A的转化率为0.67。,72,7.6.平行反应的浓度效应,单组分：,A,P,S,(主反应，生成产物P),(副反应，生成副产物S),k1,k2,双组分：,A+B,P,S,(主反应，生成产物P),(副反应，生成副产物S),k1,k2,平行反应优化目标不仅是反应的过程速率，还必须考虑反应的选择率。,73,7.6.1.平行反应的选择率和收率,以单组分物料为例：,则选择率：,式中，是选择率的浓度效应，是选择率的温度效应。,74,由于反应过程中各个时间或反应器中各处物料浓度不同，选择率也不一定相等，因此上式定义的为瞬时选择率或局部选择率。工业上通常用平均选择率对整个反应的结果作出评价：,根据定义，应该是反应过程瞬时选择率的平均值，因而有：,75,收率：,反应物不分离又不循环返回反应系统的流程，其单程收率为：,反应物经分离循环返回反应系统流程的总收率：,如果已知瞬时选择率与反应浓度的变化关系，就能确定该反应过程的平均选择率。如图7-10所示。,76,7.6.2.选择率的浓度效应,表示反应物浓度对平行反应选择率的影响。,提高反应物浓度有利于级数高的反应的选择率提高。工业上要求达到最大，当时，可通过提高整个反应器或反应过程的反应物浓度，使得增加。,77,要提高整个反应器或反应过程的反应物浓度，可以采用提高反应物初始浓度或降低转化率的办法。如图7-11(a)所示，如果把反应物初始浓度从提高到，则显然可使平均选择率从增大到。与此相似，在一定初始浓度下，降低转化率，即提高残余浓度，也能得到提高平均选择率的结果。,当时，情况正好相反，需要降低反应物初始浓度或提高转化率，才能使得增加。如图7-11(b)所示。,78,7.6.3.反应器选型,对PFR，,（阴影部分）,对CSTR，,（细点表示的矩形面积）,79,在反应器的选型判断中，时，显然采用BR或PFR是有利的。如果必须采用CSTR，除了增加串连釜数以提高选择率外，在串连CSTR个数一定时，可以采用各釜的体积从第一个起逐渐增大的措施：,CSTRCASCADE,xA,反应器越大，反应器内浓度越低。,80,当时，要求反应物浓度尽可能低。如果采用多个CSTR串连时，可以采用各釜的体积从第一个起逐渐减少的措施,反应过程中，对反应物不加分离回收循环时，过程的经济效益取决于收率的大小。在一定初始浓度下，的大小代表了反应过程的收率大小。,81,例7-3平行反应的最大收率,有一平行反应：,A,P,S,(主反应),(副),k1,k3,R,k2,已知：,P为目的产物，R、S为副产物。如果不考虑未反应物料回收，试在等温条件下求：（1）在全混流反应器中所能得到的最大产物收率；（2）在平推流反应器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？,82,解：,该反应为一组平行反应，根据选择率定义：,（1）在全混流反应器中所能得到的最大产物收率。,当时，可得为最大，解得：,83,（2）在平推流反应器中所能获得的最大产物收率。,根据题意标绘的曲线如图7-17所示，可以看到在时存在最大值，此时。对于平推流反应器，只有当反应物全部转化掉时，曲线下的面积才为最大，所以,0.5,0,0.5,2,1,CA,0.5,0,0.5,2,1,CA,84,（3）根据曲线关系，由求得时选择率为最大，所以可设想一个流程：选用一个全混流反应器，在处操作，将未反应的反应物经分离后再返回反应器，并保持，此时。可见，采用全混流反应器并将未反应物经分离后循环返回反应器的流程为最优。平推流反应器的最大收率为0.43，而全混流反应器的最大收率为0.33。,85,7.6.4.反应器的操作方式,根据前面的分析，平行反应主、副反应级数的相对大小，决定了反应物浓度的高低。工程上调节反应器中反应物浓度水平的方式主要有三种：改变物料初浓度、控制反应转化率和选择合适的加料方式。我们以双组分的平行反应为例，分析所应采取的调节手段：,86,表7.2间歇操作模型,B,表7-2和表7-3很好地归纳了各种情况下，在不同的反应器形式中，所应采取的操作方式。,87,表7-3连续操作模型,B,A,A,B,B,A,A,B,B,B,B,A,88,7-4操作方式的选择：,有如下平行反应：,其动力学方程为：,已知：,A和B的初浓度为,分别从反应器进口加入，反应转化率为0.9，计算它们在平推流反应器中的选择率和收率。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。,89,解：,根据瞬时选择率定义：,A和B两股物料初浓度均为20mol/L，分别从反应器入口加入后，当两股物料等体积流入时，其在反应器入口处浓度则为10mol/L，因为是等分子反应，所以反应器内各处的A和B浓度始终相同，即。上式可写成：,当转化率为0.9时，反应器出口浓度，其平均选择率为,90,反应收率为,根据选择率的浓度效应分析，为提高反应过程平均选择率，应将反应物料B采用分段加料，而物料A从进口加入的操作方式，并使反应器中物料B的浓度维持在1mol/L的水平。即将物料B分为20股分段加入反应器，如图7-18所示，则此时物料A的进口浓度为19mol/L，其瞬时选择率为,91,平均选择率为,收率为,92,7.7.串连反应过程的优化,串连反应是指反应产物进一步反应生成其它副产物的反应过程。,7.7.1串连反应的选择率,假设反应动力学为一级反应，则反应产物P的选择率为：,可见，越高，越低，越大，越小；反之，越低，越高，越小，越大。即串连反应的选择率随反应过程的进行不断下降。,93,显然，对串连反应过程，返混对选择率总是不利的。（因为返混会造成反应器内反应物浓度降低，产物浓度升高）对于串连反应，其优化的目标显然为选择率和收率。反应选择率的提高可以通过改变反应物初始浓度和转化率来实现。,以单组分等摩尔反应情况为例：,主反应：,副反应：,94,当主反应级数高时()，增加反应物初始浓度，如图(a)所示。当主反应级数低时()，增加反应物初始浓度，如图(b)所示。当主、副反应级数相等时()，反应物初始浓度对选择率没有影响，如图(c)所示。,95,多组分和非等摩尔的情况更加复杂。,为定量分析串连反应平均选择率，将平推反应器与全混流反应器中进行一级不可逆串连反应的浓度计算归纳如下：,PFR：,96,(1),97,CSTR：,达到平衡时，对产物P作物料衡算：,98,（2）,将几种不同的值代入(1)、（2）式，可以求得不同转化率与平均选择率的关系曲线，如图7-20所示。,CSTR,PFR,99,可以看出：(1)PFR的平均选择率高于CSTR；(2)串连反应的随的增大而下降；(3)串连反应的平均选择率与有关（由(1)、(2)式可以看出），越大，随增大而下降的趋势越明显。,100,7.7.2串连反应的收率,由于串联反应的平均选择率随的增大而下降，因此可采用低转化率操作，并将未反应原料回收循环使用，以提高原料利用率，降低单耗。但某些工艺中，反应物与产物的分离由于存在技术上的困难或经济上的不合理，此时必须以反应过程收率高低来评价这一过程的优劣。根据串连反应动力学分析，其收率存在极值，根据求极值原理，令，可分别求得PFR和CSTR的，。,PFR：,101,CSTR：,可以看出，一级串连反应的最大收率及其相应的最适宜停留时间都与反应物初始浓度无关，而是由决定。如下图所示，显然，PFR的最大收率高于CSTR的最大收率。,102,7.7.3.反应器的选型与操作方式,前面分析可知，返混对于串连反应过程的选择率不利，因而PFR或多级串连CSTR总是优于单级CSTR，尤其是较大的反应，应特别注意限制返混。在操作方式上，分段加料或分批加料将使反应器中原料浓度降低，也不利于选择率的提高。,103,7.7.4双组分串连反应中过量浓度的影响,只以下面一种情况为例分析：,对反应物A而言，当时，提高可以增大。但是对于串连反应，随着反应的进行，转化率，。如果使得物料A大大过量，则变化不大，可近似看作，这样就可以大大提高反应过程后期的瞬时选择率，也就提高了反应的平均选择率。,104,7-5串连反应过程的优化物料A初始浓度CAo=1mol/L，在全混流反应器中进行反应，生成P和S，所得实验数据如下：CPo=CSo=0,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？,105,解：,（1）根据实验数据分析，当物料A的转化率提高时，产物P反而降低了，即2/151/6，所以该反应为串连反应。先假设各反应均为一级，按全混流反应器计算关系：,将数据No1代入得：,，,所以,106,将数据No2代入得：,所以,所以假设一级串连反应正确，且,（2）因为是串联反应，应选用平推流反应器。,（3）按式（7-34）计算,107,按式（7-35）计算,按式（7-29）计算,所以相应时，物料A的转化率,108,作业,P172-173习题：7-6、7-7、7-8、7-9、7-10,109,110,7-1有一醋酐水溶液，在25oC条件下进行水解反应，在该温度下，速率方程为：,醋酐初浓度为，进料流量为500cm3/min，现有两个2.5L和一个5L的全混流反应器，试回答下列问题：,(1)用一个5L的全混流反应器与两个2.5L全混流反应器串连操作，哪一个转化率大？转化率各为多少？,(2)若用两个2.5L的全混流反应器并联操作，能否提高转化率？,(3)若用一个5L的平推流反应器所得转化率是多少？,(4)若用一个2.5L的全混流反应器串连一个2.5L的平推流反应器，转化率是多少？,111,解：,(1)用一个5L的CSTR：,则：,两个2.5LCSTR串连：,112,对第一个CSTR：,对第二个CSTR：,或者方法二：,113,或者方法三：,对第一个CSTR：,对第二个CSTR：,总转化率为：,或者方法四：应用多阶串连釜式反应器计算公式（n=2）,114,（2）若用两个2.5L的CSTR并联操作，其停留时间（空时）并未改变，故转化率仍为0.612，不能提高。,（3）若用一个5L的PFR：,（4）若用一个2.5L的CSTR串连一个2.5L的PFR：,115,对于CSTR：,对于PFR：,总转化率为：,或者,116,7-2已二酸和已二醇以等摩尔反应生成醇酸树脂，在70oC时以硫酸作催化剂进行缩聚反应，实验测得速率方程为：,若每天处理2400kg已二酸，每批操作的非生产时间为1h，设反应器装料系统数为0.75，求：,(1)间歇反应器中，已二酸转化率分别为0.8和0.9时，所需反应器体积？,(2)在平推流反应器中，已二酸转化率分别为0.8和0.9时，所需反应器体积？,(3)在全混流反应器中，已二酸转化率分别为0.8和0.9时，所需反应器体积？,(4)对计算结果进行讨论。,117,解：,（1）在BR反应器中：,时,同理：,时,118,（2）在PFR反应器中：,时,同理：,时,119,（4）转化率越大，所需反应器体积越大；相同转化率时，CSTR所需反应器体积最大，PFR所需体积最小。,（3）在CSTR中，,时,同理：,时,120,7-3自催化反应,其反应速率方程：,进料A的初浓度,要求达到最终转化率为0.99，为使反应器体积最小，拟用一个CSTR和PFR进行组合，若进料流量,速率常数,问：应如何组合两个反应器，哪个反应器在前？控制中间转化率为多少？反应器总体积为多大？,解：,反应器的最优组合方式是先采用一个CSTR，控制在自催化反应的最大速率点处操作，后面接一个PFR直到转化率达到0.99。,12