第七章反应器选型与操作方式

代入，可求得VR1＝5.390m3 VR2＝5.487m3 故反应总体积为VR＝10.88m3
例题中五种反应器体积比较
• BSTR：
• PFR：
VR＝12.68m3
VR＝8.227m3
• CSTR：
VR＝14.68m3
• CSTR+CSTR（相等体积）: VR＝12.07m3 • CSTR+CSTR（最优体积）: VR＝10.88m3
0.8 min 0.8 min
VR 96 L VR 96 L
[5-5]在CSTR中进行液相反应
A 2R ,反应器体积 V 5L
,
进口浓度 C Ao 1mol l , C Bo 0 ,实验数据如下表：
No 1 2 3
vo /( cm3 s 1 )
2 15 15
T，(oC) 13 13 84
因此，A为限制性反应物
8 10 5 C Ao 0.016 kmol / m 3 0.004 0.001 C Bo 1 10 3 0.2k mol / m 3 0.004 0.001
C Ao C A1 x A1 1 26.67 s kCA1C B1 k (1 x A1 )(C Bo C Ao x A1 )
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。
1/rA
1/rA
1/rA
FPR
xA
CSTR
xA
CSTR CASCADE
xA
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。
T2 440 K 167 o C
[5-4]某液相反应 A P ，实验测得浓度～反应速率数据如下：
C A /( mol l 1 )
0.1
0.2 1
0.4 2
0.6 2.5
0.8 1.5
1.0 1.25
1.2 0.8
1.4 0.7
1.6 0.65
(rA ) /( mol l 1 min 1 ) 0.625
[例5-6] 某液相反应 A B P 在两个串联的CSTR中进行， 已知反应为二级，速率常数k=0.8
m 3 /(kmol.S )
，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）。
0.004m3 / S
0.02kmol / m 3
VR1 1 o 0.134 m 3

同理，
C A1 C A 2 x A x A1 2 10.12s kCA 2CB 2 k (1 x )(C C x ) A Bo Ao A
VR 2 2 o 0.051m 3
[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：
xA k 1 xA
5 0.9 k1 k1 3.6 10 3 s 1 3 2 10 1 0.9 5 0.75 k2 k 2 9.0 10 3 s 1 3 15 10 1 0.75
k1 k 2 , 则假设不成立。
xA 假设反应为二级，则：CAok (1 xA )2
2 A1
k (a bxA1 cx )C
2 A1 2 A0
2 A0
2
C A0 xA2 xA1
2 2 k (a bxA2 cxA2 )C A0
C A0 xA1 xA0 k (a bxA1 cx )C

C A0 xA2 xA1
2 2 k (a bx A2 cx A2 )C A0
已知100℃时，k=4.76×10-4L/（mol·min），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？
解：
根据前面计算可知
V0 4.155(m / h)
3
CA0 3.908mol / L
CB 0 10.2(mol / L)
（ 6VR1 VR 2
[5-3]某液相反应
A P 为一级不可逆反应，反应活化能
E 83.6 KJ mol ，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：
1 K P P ln PFR： 1 xA
5 0 .9 1 k1 k1 0.036 L (mol s ) 3 2 2 10 (1 0.9) 5 0.75 1 k 2 k 2 0.036 L ( mol s ) 3 2 15 10 (1 0.75)
k1 k 2 , 则假设成立。
x CSTR： K M M A 1 x A
VP VM
P M
1 1 E ln ln RT KP 1 xA 1 0.6 0.397 ko e E x 0.7 KM A RT ko e 1 x 1 0.7 A
1
2
E 83.6kJ / mol, T1 (150 273) K 423K
k1
C Af C A1e k 2
e k 2 C A0 1 k 1
零级反应，无论体积是否相等，也等效。
C Af C A1 k 2 C A0 k (1 2 )
C Af C A1 k1 C A0 k (1 2 )
但是，一般情况下，两者不等效。
CS 0 17.59(mol / L)
CR 0 0
2 A 2 A0
rA k (a bxA cx )C
其中： a =2.61
b =－5.15
c =0.6575
k =4.76×10-4L/（mol·min），
设第一釜转化率为xA1，根据题设：τ1＝ τ2
1
C A0 xA1 xA0
C Rf /( mol l 1 )
1.8 1.5 1.8
试求反应动力学方程？
解： No
vo /( cm3 s 1 )
T，(oC)
C Rf /( mol l 1 )
xA
1 2 3
2 15 15
13 13 84
1.8 1.5 1.8
0.9 0.75 0.9
13 oC时，假设反应为一级，则：
0.35 xA1 xA1 2 (a bxA1 cxA1 ) (a b 0.35 c 0.352 )
可解得：xA1 =0.2264（已经舍去了不合理值） 代入τ1式中，得VR1=V0τ1＝6.036m3 于是，总反应体积VR＝12.072m3
（2）优化的情况
C A0 xA1 xA0 C A0 xA2 xA1 VR 2 2 2 2 V0 k (a bxA1 cxA1 )C A0 k (a bx A2 cx A2 )C A0
CH3COOH(A)+C2 H6OH(B) CH3COOC2 H5 (R)+H 2O(S)
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
rA k (C ACB CRCS / K )
2
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？
xA 解： CSTR中二级反应： CAok (1 xA )2
7VR1 VR 2
xA x A x 0.77 则: 7 A 2 2 (1 xA ) (1 x ) A xA x A x 0.75） 则: 6 A 2 2 (1 xA ) (1 x ) A
列管式催化反应器
Reactor feed 30°C
Coolant
00°C
25 000 tubes
25 mm
两个处理系统是否等效？
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
V0
C Af
CA1
VR1 VR2
CAf
CA0
V0
CA1 VR2 VR1
CAf
C A1 e C A0 1 k 2 1 k 2
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
1/2Vo
1/2VR
CA0 V0
1/2Vo
1/2VR
两个系统中哪个处理效果好？
CA0 V0
VR
两个相同的CSTR并联等效于一个大的CSTR（总体积相等）
1/2VR
CA0
V0
1/2VR
1 2 1 2 1 2 1 2
VR
CA0
VR C A 0 C A1 V0 kf (C A1 ) VR C A0 C A 2 V0 kf (C A 2 )
C A 0 C Af VR V0 kf (C Af )
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：
1 2
因此不限于两并联釜体积相等。
5.
理想流动反应器的组合
此种组合等效于一个大的PFR（总体积相等）
CA0
CA1
CAf
V0
CA0
任何动力学，两反应 器体积任意的大小。
V0 CA0
V0
CAf
CAf
体积相等的活塞流，无论长 径比如何，都是等效的。
无论何种动力学方程，结论均 成立。等效的前提：
1 2
因此不限于两并联反应器的体 积相等。
0.001m 3 / S 1.0kmol / m3
总转化率x A 0.92
x A 0 .8
1
解：
FAo Ao C Ao 0.004 0.02 8 10 5 kmol / S
FBo Bo C Bo 0.001 1.0 1 10 3 kmol / S
1 PFR： K ln 1 xA
x A CSTR： K 1 x A
VP VM
则:
P M
1 x ln A 1 x A 1 x A
PFR的出口转化率 xA 0.9 ,则CSTR的出口转化率为：x 0.697 A
[5-2]一液相反应 A P ,其反应速率为 ( rA ) kCA 。在CSTR中
2 V0 (a bxA2 cxA2 ) xA1 b 2cxA1 VR 1 2 2 2 xA1 kC A0 (a bxA1 cxA1 ) a b 0.35 c 0.35
VR 令 0 x A1
解得：xA1=0.2191(已舍去不合理值）
反应工程基础
Elements of Reaction Engineering
上海师范大学环境工程系
Department of Environmental Engineering, Shanghai Normal University
[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
若反应在CSTR中进行，进口浓度 C Ao 2 mol l ，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。
C Ao C A 解： CSTR反应器中： ( rA )
（5-2）
当 C A 0.6 mol L 时， (rA ) 2.5 mol ( L min) 当 C A 0.6 mol L 时，VR vo 120 0.56 67.2 L 同理计算： 当 C A 0.8 mol L 时， 当 C A 1.0 mol L 时，