第三章理想流動反應器化學反應器中流體流動狀況影響反應速率和反應選擇率，直接影響反應結(jié)果。研究反應器中的流體流動模型是反應器選型、設計和優(yōu)化的基礎。流動模型是反應器中流體流動與返混的描述，盡管工業(yè)反應器多種多樣，反應器中流體流動復雜，但就其返混情況而言可以用不同的流動模型來描述。流動模型可分為兩大類：理想流動模型和非理想流動模型。理想流動模型的兩種極限情況：即完全沒有返混的平推流反應器和返混為極大值的全混流反應器。非理想流動模型是對實際工業(yè)反應器中流體流動狀況對理想流動偏離的描述。對實際工業(yè)反應器，在測定停留時間分布基礎上，可以確定非理想流動模型參數(shù)，表達對理想流動的偏離程度。反應器選型、設計和優(yōu)化反應器中的流動狀況影響反應結(jié)果數(shù)學模型流動模型對實際過程的簡化理想模型非理想模型第一節(jié)流動模型概述

按照操作方式，可以分為間歇過程和連續(xù)過程，相應的反應器為間歇反應器和流動反應器。對于間歇反應器，物料一次性加入，反應一定時間后把產(chǎn)物一次性取出，反應是分批進行的。物料在反應器內(nèi)的流動狀況是相同的，經(jīng)歷的反應時間也是相同的。對于流動反應器，物料不斷地加入反應器，又不斷地離開反應器。

反應器中流體流動模型是相對連續(xù)過程而言的。年齡反應物料質(zhì)點從進入反應器算起已經(jīng)停留的時間；是對仍留在反應器中的物料質(zhì)點而言的。壽命反應物料質(zhì)點從進入反應器到離開反應器的時間；是對已經(jīng)離開反應器的物料質(zhì)點而言的。與流動模型相關的重要概念返混：又稱逆向返混，指不同年齡的質(zhì)點之間的混合。是時間概念上的混合返混指流動反應器內(nèi)不同年齡質(zhì)點間的混合。

在間歇反應器中，物料同時進入反應器，質(zhì)點的年齡都相同，所以沒有返混。

在流動反應器中，存在死角、短路和回流等工程因素，不同年齡的質(zhì)點混合在一起，所以有返混。返混的原因:（1）機械攪拌引起物料質(zhì)點的運動方向和主體流動方向相反，不同年齡的質(zhì)點混合在一起；

（2）反應器結(jié)構(gòu)造成物料流速不均勻，例如死角、分布器等。

造成返混的各種因素統(tǒng)稱為工程因素。在流動反應器中，不可避免的存在工程因素，而且?guī)в须S機性，所以都存在著返混，只是返混程度有所不同而已。平推流反應器全混流反應器連續(xù)流動反應器間歇反應器完全沒有返混返混極大返混理想流動模型PistonFlowReactor(PFR)特點：

沿著物料的流動方向，物料的溫度、濃度不斷變化，而垂直于物料流動方向的任一截面（又稱徑向平面）上物料的所有參數(shù)，如濃度、溫度、壓力、流速都相同，因此，所有物料質(zhì)點在反應器中具有相同的停留時間，不同年齡的質(zhì)點不相混合,反應器中不存在返混。長徑比很大，流速較高的管式反應器中的流體流動可視為平推流。一、反應器中流體的流動模型1、理想流動模型

※平推流模型

亦稱活塞流模型或理想置換模型。是一種返混為零的理想流動模型，它假設反應物料以穩(wěn)定流量流人反應器，在反應器中平行地像氣缸活塞一樣向前移動,彼此不相混合。特點：反應器中所有空間位置的物料參數(shù)都是均勻的，而且等于反應器出口處的物料性質(zhì)，物料質(zhì)點在反應器中的停留時間參差不齊，有的很長，有的很短，形成一個停留時間分布。同一時刻進入反應器的新鮮物料在瞬間分散混合，反應器內(nèi)物料質(zhì)點的年齡不同。同一時刻離開反應器的物料中，質(zhì)點的壽命也不相同。ContinuedStirredTankReactor(CSTR)※全混流模型

亦稱理想混合模型或連續(xù)攪拌糟式反應器模型。是一種返混程度為無窮大的理想化流動模型。它假定反應物料以穩(wěn)定流量流人反應器，反應器中，剛進人反應器的新鮮物料與存留在反應器中的物料在瞬間達到完全混合。

BSTRPFRCSTR投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)年齡年齡相同(某時)年齡相同(某處)年齡不同壽命壽命相同(中止)壽命相同(出口)壽命不同(出口)返混全無返混全無返混返混極大小結(jié)濃度分布------推動力反應器特性分析流體流動推動力：壓力差傳熱推動力：溫差傳質(zhì)推動力：濃度差（化學位差）化學反應推動力：體系組成與平衡組成的差。過程的速率：與推動力成正比，與阻力成反比。反應器推動力

反應器的推動力是由反應器內(nèi)反應物濃度差產(chǎn)生的反應推動力隨反應時間逐漸降低反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低反應推動力不變，等于出口處反應推動力（a）間歇反應器（b）平推流反應器（c）全混流反應器2、非理想流動模型渦流、湍動或流體碰撞反應器中的填料或催化劑引起旋渦運動垂直于流體流動方向截面上的流速不均勻

填料或催化劑裝填不均勻引起的溝流或短路偏離平推流的情況SS(a).死角(b).短路偏離全混流的情況短路、溝流停留時間減少轉(zhuǎn)化率降低死區(qū)、再循環(huán)停留時間過長A+B→P：有效反應體積減少A+B→P→S產(chǎn)物P減少流體在反應器中的流動狀態(tài)對化學反應影響很大，這種影響主要是由于物料質(zhì)點的停留時間不同所造成的。在平推流反應器中所有物料質(zhì)點具有相同的停留時間，沒有返混，反應推動力最大。對全混流反應器，返混最大，反應推動力降低。流動狀態(tài)對化學反應影響

二、反應器設計的基本方程（一）、反應器設計的基本內(nèi)容(1)選擇合適的反應器型式

(2)確定最佳的工藝條件

(3)計算所需反應器體積

反應系統(tǒng)的動力學特性

反應器的流動特征和傳遞特性

最大反應效果反應器的操作穩(wěn)定性反應器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化目標（二）反應器設計的基本方程thekineticequationthemassbalanceequationtheenergybalanceequationthemomentumbalanceequation第二章中討論過計算反應體積計算溫度變化計算壓力變化動力學方程式物料衡算方程式熱量衡算方程式動量衡算方程式(1)物料衡算方程式

物料衡算以質(zhì)量守恒定律為基礎，是計算反應器體積的基本方程。對間歇反應器與全混流反應器，由于反應器中濃度均勻，可對整個反應器作物料衡算。對于反應器中物料濃度沿長度具有分布的反應器，應選取反應器微元體積，假定在這些微元體積中濃度和溫度均勻，對該微元作物料衡算，將這些微元加和起來，成為整個反應器。對反應器或?qū)Ψ磻魑⒃w積進行某反應組分的物料衡算。某組分流入量某組分流出量某組分反應消耗量某組分累積量＝﹢﹢反應器反應單元流入量流出量反應量累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√(2)熱量衡算方程式

熱量衡算以能量守恒與轉(zhuǎn)化定律為基礎。在計算反應速率時必須考慮反應體系的溫度，通過熱量衡算可以計算反應器中溫度的變化。

反應器反應單元帶入量帶出量反應熱累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√帶入的熱焓流出的熱焓反應熱熱量的累積傳向環(huán)境的熱量＝﹢﹢﹢（3）動量衡算方程（流體力學方程）氣相流動反應器的壓降大時，需要考慮壓降對反應的影響，需進行動量衡算。反應消耗累積流入流出反應單元反應熱累積帶入帶出反應單元傳給環(huán)境物料衡算示意圖熱量衡算示意圖一、間歇反應器的特征

工業(yè)上充分攪拌的間歇槽式反應器的性能和行為相當接近于理想間歇反應器。反應物料按一定配料比一次加入反應器內(nèi)，容器的頂部有一可拆卸的頂蓋，以供清洗和維修用。在容器內(nèi)部設置攪拌裝置，使器內(nèi)物料均勻混合。頂蓋上都開有各種工藝接管用以測量溫度、壓力和添加各種物料。筒體外部一般都裝有夾套用來加熱或冷卻物料。器內(nèi)還可以根據(jù)需要設置盤管或排管以增大傳熱面積。

特征描述：第二節(jié)間歇反應器（釜式反應器）

間歇反應器特點：①.由于劇烈的攪拌，反應器內(nèi)物料濃度達到分子尺度上的均勻，且反應器內(nèi)濃度處處相等，因而排除了物質(zhì)傳遞對反應的影響；②.由于反應器內(nèi)具有足夠強的傳熱條件，反應器內(nèi)各處溫度始終相等，因而無需考慮反應器內(nèi)的熱量傳遞問題；③.反應器物料同時加入并同時停止反應，所有物料具有相同的反應時間。優(yōu)點：操作靈活，易于適應不同操作條件與不同產(chǎn)品品種，適用于小批量、多品種、反應時間較長的產(chǎn)品生產(chǎn)，特別是精細化工與生物化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。缺點：裝料、卸料等輔助操作要耗費一定的時間，產(chǎn)品質(zhì)量不易穩(wěn)定。間歇反應器優(yōu)缺點Standardisedstirredtankreactorsizes反應釜規(guī)格4006301000250040006300總?cè)莘eL5338471447346053748230夾套容積L120152216368499677換熱面積m22.53.14.68.311.715.6主要尺寸

(mm)d180010001200160018002000h1100010001200160020002500d290011001300170019002100h2125013001550206025003050標準尺寸(accordingtoDIN)二、間歇反應器性能的數(shù)學描述

在間歇反應器中，由于劇烈攪拌，槽內(nèi)物料的濃度和溫度達到均一，因而可以對整個反應器進行物料衡算。

流入量流出量反應量累積量=++0間歇操作中流人量和流出量都等于零。

若V為液相反應混合物的體積，因而對反應組分A的物料衡算式可寫成積分達到一定反應率所需反應時間的計算式。

若反應過程中不發(fā)生體積變化，即等容過程。根據(jù)等容時轉(zhuǎn)化率與濃度關系

間歇反應器所需的實際操作時間包括反應時間t與輔助時間t‘,

t'包括加料、調(diào)溫、卸料、清洗等時間。

間歇反應器的反應體積VR是指反應物料在反應器中所占的體積．它取決于單位生產(chǎn)時間所處理的物料量和每批生產(chǎn)所需的操作時間。單位生產(chǎn)時間所處理的物料量由生產(chǎn)任務決定，因此反應體積可按下式計算圖解積分示意圖t/cA0[rA]-1xxAfxA0t[rA]-1CACAfCA0只要已知反應動力學方程式或反應速率與組分A濃度cA之間的變化規(guī)律，就能計算反應時間。最基本、最直接的方法是數(shù)值積分或圖解法。

三、間歇反應器中的單反應

單反應通常用一個化學計量式和一個反應速率方程式描述。反應速率為溫度和某一組分濃度的函數(shù)

A→P反應動力學方程式以冪函數(shù)型表示

反應速率rA=kCArA=kCA2反應級數(shù)反應速率殘余濃度式轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n≠1表3－1間歇反應器中整級數(shù)單反應的反應結(jié)果表達式2.反應濃度1.K值3.殘余濃度影響因素k增大(溫度升高）→t減少→反應體積減小零級反應：t與初濃度CA0正比一級反應：t與初濃度CA0無關二級反應：t與初濃度CA0反比零級反應：殘余濃度隨t直線下降一級反應：殘余濃度隨t逐漸下降二級反應：殘余濃度隨t慢慢下降為使反應時間計算正確，重要的是保證反應后期動力學的準確、可靠，因此要密切注意反應后期的反應機理是否發(fā)生變化，即要重視反應過程末期動力學的研究。討論：間歇反應器中的單反應反應后期的速度很??；反應機理的變化UniversityDortmundChemicalEngineeringDepartmentChairofTechnicalChemistryBC0tdcdtCn=1n=2n=0Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordern

tangentC0tCn=1n=2n=0Reactionrater:reactionprogressasafunctionofthereactionordern

例3－1以醋酸（A）和正丁醇（B）為原料在間歇反應器中生產(chǎn)醋酸丁酯（C），操作溫度為100℃，每批進料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反應速率試求醋酸轉(zhuǎn)化率xA分別為0.5、0.9、0.99時所需反應時間。已知醋酸（A）和正丁醇（B）的密度分別為960kg/m3和740kg/m3解：CH3COOH（A）+C4H9OH（B）→CH3COOC4H9（C）+H2O（D）A的初始濃度計算：可求出，投料總體積V＝0.559m3醋酸A1kmol60kg0.063m3正丁醇B4.96kmol368kg0.496m3例3－2：用間歇反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質(zhì)量比為A：B：S=1：2：1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。每批裝料、卸料及清洗等輔助操作時間為1h。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為:

100℃時，k=4.76×10-4

L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應體積。根據(jù)反應物料的特性，若反應器填充系數(shù)取0.75，則反應器的實際體積是多少？通過乙酸的起始濃度和原料中各組分的質(zhì)量比，可求出乙醇和水的起始濃度為由于原料液中乙酸:乙醇:水=1:2:1.35，當乙酸為1kg時，加入的總原料為1+2+1.35=4.35kg由此可求單位時間需加入反應器的原料液量為解：首先計算原料處理量V0

根據(jù)題給的乙酸乙酯產(chǎn)量，可算出每小時乙酸需用量為

其次計算原料液的起始組成。

然后，將題給的速率方程變換成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)。

代入速率方程，整理后得

式中

代入到基本公式中得：t=118.8min實際反應器體積：12.38m3/0.75＝16.51m3第三節(jié)平推流反應器

①在連續(xù)定態(tài)條件下操作，反應器的各個截面上物料的各種參數(shù)，如濃度、溫度等只隨物料流動方向位置變化，不隨時間而變化；②由于徑向具有嚴格均勻的速度，也就是在徑向不存在濃度分布，所以反應速率隨空間位置的變化只限于軸向；③由于徑向速度均勻，反應物料在反應器內(nèi)具有相同的停留時間。一、平推流反應器的特點

工業(yè)生產(chǎn)中的平推流反應器Tubereactor裂解爐用于乙烯生產(chǎn)的管式裂解爐反應器的軸向長度二、平推流反應器計算的基本公式

平推流反應器示意圖V0CA0CAfxAfxA0=0v0cA0(1-xA)v0cA0(1-xA-dxA)rAdVR（反應量）dVRxAxA+dxA流入量=流出量+反應量+累積量0微元體取反應器內(nèi)一微元體積進行物料衡算：則達到一定轉(zhuǎn)化率xAf所需的反應體積為:對于平推流反應器進行某種等容過程，其停留時間τ為:注意：第一，反應是等溫還是變溫，等溫反應時k為常數(shù)，變溫反應時要結(jié)合熱量衡算式建立k與xA的關系；第二，反應過程中有無分子數(shù)變化，如為變分子反應，需建立反應物體積流量V0與xA的關系。三、等溫平推流反應器的計算

對等溫變?nèi)葸^程（化學計量學，膨脹因子）：若反應過程無體積變化（恒容過程）：反應級數(shù)反應速率反應器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2n級n≠1表3－2等溫等容平推流反應器計算式例3－3用平推流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為：原料中反應組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為已知100℃時，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應體積。解答：由于乙酸與乙醇的反應為液相反應，故可認為是等容過程。等容下活塞流反應器的空時與條件相同的間歇反應器反應時間相等，例3－2已求出達到題給要求所需的反應時間為t=118.8min。改用活塞流反應器連續(xù)操作，如要達到同轉(zhuǎn)化率，要求應使空時τ=t=118.8min。原料處理量為V0=4.155m3/h因此，反應體積

VR=4.155(118.8/60)=8.227m3

四、變溫平推流反應器＊＊工業(yè)實際中，沒有一個反應器是絕對等溫的熱量衡算式聯(lián)立求解濃度分布溫度分布物料衡算式物料溫度變化傳給環(huán)境反應熱等溫情況下絕熱情況下聯(lián)立求解變溫平推流反應器------絕熱溫升絕熱下由于令式(3-19)化為，則(3-19)(3-20)(3-21)代入（3-20）若絕熱溫升重要的工程概念第四節(jié)全混流反應器

概述：

全混流反應器是另一類在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的連續(xù)流動反應器，化工生產(chǎn)中常用的連續(xù)流動攪拌釜式反應器可視為全混流反應器。反應物料連續(xù)加人反應器，釜內(nèi)物料連續(xù)排出反應器。由于是連續(xù)操作，不存在間歇操作中的輔助時間問題。在定態(tài)操作中，容易實現(xiàn)自動控制，操作簡單，節(jié)省人力，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可用于產(chǎn)量大的產(chǎn)品生產(chǎn)過程。Balancingofacontinuousstirredtankreactor全混流反應器示意圖反應器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應器流出物料的濃度和溫度。V0CA0V0CAfCAf一、全混流反應器的特點

①反應器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等，且等于反應器流出物料的濃度和溫度。②全混流反應器的反應速率即由釜內(nèi)的濃度和溫度所決定。二、全混流反應器計算的基本公式流入量=流出量+反應量+累積量0取整個反應器為衡算對象化簡，得：按出口濃度計算的反應速率。當反應器進口物料中已含反應產(chǎn)物則有全混流反應器τ的圖解積分(對比右圖的PFR圖解積分)CA0CACAfCACA0CAf平推流反應器與全混流反應器的比較例3－4用全混流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天生產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為：原料中反應組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為已知100℃時，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時所需的反應體積。解：例3－2已得出：

式中

例題中三種反應器體積比較BSTR：VR＝12.68m3(實際體積為16.51m3）PFR：VR＝8.227m3CSTR：VR＝14.68m3返混：不同年齡粒子之間的混合返混的基本效應：反應物濃度的下降和生成物濃度的上升。上述效應相應地會在反應速率的大小上體現(xiàn)出來。對于其速率隨著反應物濃度增加而增加的反應過程，返混的效果是降低了反應速率例3－5生化工程中酶反應A→R為自催化反應，反應速率式rA=kcAcR，某溫度下k=1.1512m3/(kmol.min)，采用的原料中含A0.99kmol/m3，含R0.01kmol/m3,要求A的最終濃度降到0.01kmol/m3，當原料的進料量為10m3/h時，求：（1）反應速率最大時，A的濃度為多少？（2）采用CSTR，反應器體積是多大？（3）采用PFR，反應器體積是多大？解：CArA00.51.0CA0CAf(1)顯然，CA=0.5kmol/m3時，速率達最大值。(2)CSTR(3)PFR1/rACACA0CAf1/rACACA0CAf平推流反應器的物料參數(shù)如濃度等沿流動方向變化。對于等溫反應，很難控制整個反應器內(nèi)物料溫度均勻。對于全混流反應器，物料溫度的控制比較容易。在有機反應中，特別是多重反應，要求反應過程中物料濃度、溫度等參數(shù)保持均勻，否則極易發(fā)生副反應，所以一般選擇全混流反應器。為了滿足工藝要求，又要提高反應推動力，人們把一個反應器分割成m個全混流反應器，然后串聯(lián)起來，稱為“多級串聯(lián)全混流反應器”。三、

多級全混流反應器的串聯(lián)及優(yōu)化

1、多級全混流反應器的濃度特征

平推流反應器的反應推動力比全混流反應器的反應推動力大得多，平推流反應器的反應速率沿物料流動方向由一個由高到低的變化過程，全混流反應器的反應速率始終處于出口反應物料濃度的低速率狀態(tài)。為此，為了降低返混影響的程度，提高全混流反應過程的推動力，常采用多級全混流反應器串聯(lián)措施。StirredTankCascadeCA0CAfCAxposition321450CA*CA1CA2CA3CA4(ⅰ)級數(shù)越多，過程就越接近平推流反應器。

(ⅱ)對多級全混流反應器．每一級內(nèi)濃度是均勻的。等于該級的出口濃度，而各級之間濃度是不同的。結(jié)論一、多級混流反應器的濃度特征實際生產(chǎn)中的多級全混流反應器串聯(lián)2、多級全混流反應器串聯(lián)的計算（1）解析計算VR1CA1CAmCAiCAi-1CA2VRmVR2VRiVRi-1CA0CAmV0V0V0V0V0V0CAiCAi-1CA2CA1CAi-1CAiVRiCAi對第i級反應器進行物料衡算如下：對一級不可逆反應：對m級全混流反應器,則有：因為小結(jié)工業(yè)上，多級CSTR串聯(lián)（層疊）時，往往將各級CSTR的體積做成相等，以便于制造。即：這時，就有：可求得反應系統(tǒng)的總體積：

可見：級數(shù)越多，最終轉(zhuǎn)化率越高；在處理量一定時，各級反應體積越大，最終轉(zhuǎn)化率也越高。（2）圖解計算對非一級反應，必須逐釜計算。計算比較麻煩：這時，可采用圖解法：-1/CA1CA0CArAf(CA)圖解法原理CA1GraphicalConstructionforaCSTR-Cascade等溫、等體積情況的圖解計算-1/cA1cA0cArAf(CA)cA3cA2cA3f(CA)3、多級CSTR串聯(lián)的優(yōu)化設計CSTR的串聯(lián)時會遇到如何分配各級轉(zhuǎn)化率的問題。當串聯(lián)的級數(shù)確定后，可以合理分配各級的轉(zhuǎn)化率，使所需的總反應體積最小。上式中，x1，x2……xm-1共m-1個變量是設計時可以變動的。優(yōu)化問題是：當這m-1個變量取何值時，VR達到其最小值。解這個最優(yōu)化問題的數(shù)學方法在理論上是熟知的：從以上共m-1個方程，可解出m-1個待定量(x1

，x2……xm-1)解一級不可逆反應的優(yōu)化例子兩邊同時乘以V0/k例3－6用兩只串聯(lián)的全混流反應器進行乙酸和乙醇的酯化反應，每天產(chǎn)乙酸乙酯12000kg，其化學反應式為原料中反應組分的質(zhì)量比為A:B:S=1:2:1.35，反應液的密度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應在100℃下等溫操作，其反應速率方程為已知100℃時，k=4.76×10-4L/（mol·min），平衡常數(shù)K=2.92。試計算乙酸轉(zhuǎn)化35%時，所需的反應總體積。（1）兩只CSTR體積相等，（2）優(yōu)化的情況。解：前已求得其中：a=2.61

b=－5.15

c=0.6575

k=4.76×10-4L/（mol·min），

（1）設第一釜轉(zhuǎn)化率為xA1，根據(jù)題設：τ1＝τ2可解得：xA1=0.2264（已經(jīng)舍去了不合理值）代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3于是，總反應體積VR＝12.072m3（2）優(yōu)化的情況令解得：xA1=0.2191(已舍去不合理值）代入，可求得VR1＝5.390m3

VR2＝5.487m3故反應總體積為VR＝10.88m3例題中五種反應器體積比較BSTR：VR＝12.68m3PFR：VR＝8.227m3CSTR：VR＝14.68m3CSTR+CSTR（相等體積）:VR＝12.07m3CSTR+CSTR（最優(yōu)體積）:VR＝10.88m3第五節(jié)理想流動反應器的組合與比較一、理想流動反應器的組合（a）(b)(c)(d)(e)(f)(g)(a)為兩個等體積全混流反應器并聯(lián)，每只全混流反應器出口濃度即為混合后的出口濃度：

(b)為兩個等體積全混流反應器串聯(lián)，第二反應器出口濃度為：(c)為等體積平推流反應器與全混流反應器串聯(lián)，第二反應器出口濃度為：

(d)為等體積全混流反應器與平推流反應器串聯(lián)，第二反應器出口濃度為：

(e)為兩個等體積平推流反應器并聯(lián)。每只平推流反應器的出口濃度即為混合后的出口濃度

(g)為平推流與全混流反應器并聯(lián)(f)為兩只平推流反應器串聯(lián)，第二平推流反應器出口濃度為：

二、理想流動反應器的體積比較如果在這些理想反應器中進行相同的反應，采用相同的進料流量與進料濃度，反應溫度與最終反應率也相同。這幾種反應器所需的體積是否相同呢?

對間歇反應器與平推流反應器，當上述條件一定時，兩者的體積是相同的(未考慮間歇反應器的輔助時間)，這是因為它們均不存在返混。至于全混流反應器，由于存在返混。所以反應體積要大一些。

設VRP與VRM分別表示平推流與全混流反應器的反應體積，兩者之比

當V0、

cA0

、xAf

相同時，全混流反應器所需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。

1/rA

FPR

1/rA

CSTR

CSTRCASCADE

1/rAxAxAxA在相同的進料流量與進料濃度，三種理想反應器所需的反應器體積如下圖此組合等效于一個大的CSTR（總體積相等）1/2VR1/2VRVRCA0CA0V0V0由上述諸式，無論何種動力學方程，結(jié)論均成立。等效的前提：因此不限于兩并聯(lián)釜體積相等。結(jié)論此種組合等效于一個大的PFR（總體積相等）CA0V0CAfCA1任何動力學，兩反應器體積任意的大小。CA0CA0CAfV0CAf無論何種動力學方程，結(jié)論均成立。等效的前提：

因此不限于兩并聯(lián)反應器的體積相等。V0體積相等的活塞流，無論長徑比如何，都是等效的。結(jié)論此兩種組合在一級不可逆反應且兩反應器體積相等時是等效的。CA0CA1CAfCA0CA1CAfVR1VR1VR2VR2V0V0但是，一般情況下，兩者不等效。結(jié)論影響反應器體積的若干重要因素：（a）轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率越高，體積差別越大（b）反應級數(shù)：級數(shù)越高，體積差別越大（c）串聯(lián)級數(shù)：級數(shù)越多，體積差別越?。╠）膨脹率（因子）：膨脹越大，則返混影響越大，體積差別也就越大。結(jié)論第六節(jié)

理想流動反應器中多重反應的選擇率對于多重反應，反應器中的流動情況不僅影響反應器的大小，還要影響反應的選擇率。對工業(yè)反應過程，選擇性的要求比反應器大小更重要。目的產(chǎn)物的收率和選擇性是非常重要的，反映了原料的有效利用程度一、平行反應（又稱為競爭反應

）

反應物同時獨立地進行兩個或兩個以上的反應稱為平行反應?；どa(chǎn)中許多取代、加成及分解反應過程存在著平行反應。典型的平行反應可表示為AL(主反應)M(副反應)12A+BL(主反應)M(副反應)12OR選擇率AL（主產(chǎn)品）M（副產(chǎn)品）對比速率瞬時選擇率總選擇率S又叫積分選擇率全混流通式瞬時選擇率又稱為點選擇率或微分選擇率之所以用瞬時選擇率這個詞，是因為其值隨空間位置而變。選擇率的影響因素⑴選擇率的溫度效應

⑵選擇率的濃度效應

⑶平行反應加料方式的選擇

一個反應物AL(主反應)M(副反應)12二個反應物A+BL(主反應)M(副反應)121、溫度效應討論：一個反應物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若E1>E2,則在較高溫度下進行若E1<E2,則在較低溫度下進行若E1=E2,溫度變化對選擇性無影響AL(主反應)M(副反應)12若M為主產(chǎn)物，結(jié)論正好相反結(jié)論2.濃度效應若n1=n2,反應物濃度對選擇性無影響若n1>n2,較高反應物濃度對主反應有利平推流反應器，低的單程轉(zhuǎn)化率若n1<n2,較低反應物濃度對主反應有利全混流反應器，加入稀釋劑；反應后物料循環(huán)一個反應物結(jié)論提高反應物濃度對反應級數(shù)高的反應有利降低反應物濃度對反應級數(shù)低的反應有利A+BL(主反應)M(副反應)12間歇操作n1>n2,m1>m2CA,CB

都高n1>n2,m1<m2CA高,CB低n1<n2,m1<m2CA,CB

都低平行反應兩個反應物A+BL(主反應)M(副反應)12連續(xù)流動操作n1>n2,m1>m2CA,CB

都高n1<n2,m1<m2CA,CB

都低n1>n2,m1<m2CA高,CB低對于一級連串反應

連串反應的瞬時選率s可表示為

1．連串反應的選擇率二、連串反應連串反應是指反應主產(chǎn)物能進一步反應成其他副產(chǎn)物的過程，許多鹵化、水解反應都是連串反應。

CL0=CM0=0對于一級連串反應：

見下頁圖組分A:

單調(diào)下降；產(chǎn)物L:

先升后降，有極大值；產(chǎn)物M:

單調(diào)上升1.溫度效應2.濃度效應若E1>E2,則在較高溫度下進行若E1<E2,則在較低溫度下進行若E1=E2,溫度變化對選擇性無影響若n1>n2,增加初濃度CA0若n1<n2,降低初濃度CA0若n1=n2,初濃度的變化對選擇性無影響3.轉(zhuǎn)化率CL/CA隨xA的增大而增大L的瞬時選擇性下降轉(zhuǎn)化率過高，選擇性降低工業(yè)上分離再循環(huán)L為主產(chǎn)物時2．連串反應的溫度、濃度效應3、連串反應的最佳反應時間與最大收率

對于間歇和平推流反應器最佳反應時間最大出口濃度最大收率對于全混流反應器最佳反應時間最大出口濃度最大收率

一級不可逆連串反應，不論采用哪一種反應器，主產(chǎn)物最大收率與反應物初濃度無關，只與k2/k1的比值有關。平推流(b)全混流xA,k2/k1相同時，PFR比CSTR好k1/k2<<1,只有在低轉(zhuǎn)化率下操作，才可得到較高的選擇率k1/k2>>1,即使在高轉(zhuǎn)化率下操作，也可得到較高的選擇率任何化學反應都有一定的熱效應，因此有必要討論反應器的傳熱問題，尤其當反應器放熱強度較大時，傳熱過程對化學反應過程的影響，往往成為過程的關鍵因素。第七節(jié)

全混流反應器的熱穩(wěn)定性

對放熱反應過程，當某些外界因素使得反應溫度升高時，根據(jù)阿累尼烏斯公式可知反應速率隨之加快。然而反應速率的劇增，反