第二章理想流动反应器

c A0 c A0 = ； VR 1 + 2kτ 1+ k V0 2
（b）两全混流反应器串联： c Af .b =
c A0 c A1 = ； VR (1 + kτ )2 1+ k V0
−k
VR V0
（c）平推流反应器与全混流反应器串联或（d）全混流反应器与平推流反应器串联：
c Af .c =
c e c e c A1 或 c Af .d = c A1e = A0 = A0 VR ( 1 + kτ ) 1 + kτ 1+ k V0
s=
rL rL α 1 = = = rA rL + rM α + 1 1 + 1
=
α
dc L − dc A c Lf
对平推流反应器，总选择率
S=
c A0 − c Af
∫ =
c Af
c A0
− sdc A
c A0 − c Af
c Lf c A0 − c Af
对全混流反应器，其出口组成与反应器内的组成一致，总选择率： S = s =
11. 等温自催化反应 A→R，反应速率 rA = kc A c R ，则平推流反应器所需体积小于全混流反应器，全混流 串联平推流反应器总体积最小。 采用多级串联全混流反应器可提高反应过程的推动力。 0 级等温不可逆单反应，全混流反应器、平推流反应器、间歇反应器的停留时间相同。 即： （1）tMFR>tPFR （2）tMFR=tPFR （3）tMFR<tPFR 多级串联连全混流反应器，当级数趋于无穷时反应器的总体积等于平推流反应器的总体积。 对于一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联后，为保证总反应体积最小各釜反应体积应相等。 等温恒容一级不可逆反应，相同体积的 PFR 与 MFR，各种组合的转化率：
3
性有利。
1 2 ⎯→ L⎯ ⎯→ M 27. 平推流反应器中发生恒容一级不可逆连串反应， A ⎯
k
k
rA = − rL =
dc A = k1c A dt
dc L = k1c A − k 2 c L dt dc rM = M = k 2 c L dt
组分A浓度单调下降，副产物M浓度单调上升，主产物L浓度先升后降，存在最大值。随k2/k1减小，则 cL增大，cM减小。已知有四条曲线分别对应k2/k1 =0，0.1，1，10，在图（1）中标出cA/cA0及相应cL/cA0曲线； 在图（2）中标出x=0.6 时与k2/k1 =1 相对应的各相对浓度cA/cA0、cL/cA0、cM/cA0。
s=
k c rL = 1− 2 L rA k1c A
随着转化率的增大，反应物浓度越来越低，cL/cA的
k
k
主反应速率为：
rL=k1cAn1，副反应速率为：
rM=k2cAn2。定义相对选择系数或对比速率为：
E2 − E1 Rg T n1 − n2 cA
r k c n1 k1 n1 −n2 k10 α= L = 1 A = cA = e n2 k 20 rM k 2 c A k2
1） 当n1>n2时，浓度增大可得到高的对比速率，因此采用具有高浓度推动力的间歇反应器或平推流反 应器可以提高目的产物L的选择性，采用高浓度原料或较低转化率等措施； 2） 当n1<n2时，α随浓度增大而降低，采用浓度推动力小的全混流反应器或循环流平推流反应器有利 于提高目的产物L的选择性。采用低浓度原料或较高转化率等措施。 3） 当n1=n2时选择率与浓度无关。 24. 瞬时选择率 s 的定义：关键组分反应物的总反应速率中向主产物转化的分率，即：
28. 间歇反应器或平推流反应器中进行一级不可逆反应连串反应，其最大收率 Ymax
⎛ k1 ⎞ =⎜ ⎜k ⎟ ⎟ ⎝ 2⎠
k2
( k 2 − k1 )
与初浓
度无关，只取决于k2/k1之比。当k1=k2时，目的产物出口浓度最大所需要的反应时间： t opt =
1 1 = ，最 k1 k 2
大收率为： Ymax =
⎡ ⎤ ⎡ VRM 1 1 ⎥ / ⎢ln = m⎢ − 1 1 1 − x Af VRP ⎢ (1 − x Af ) m ⎥ ⎢ ⎣ ⎦ ⎣
⎤ （1）m一定，xAf越大，VRM/VPM之比越大； （2）xAf一定，m ⎥。 ⎥ ⎦
越大，VRM/VPM之比越小，越接近平推流反应器； （3）虚线表明kt一定时，反应器级数不同，所得最 终转化率也不同。m增大，xAf增大。 19. PFR 循环操作，则循环比 r 增加，返混程度增加。 20. 对于n<0 的等温不可逆反应，反应速率随反应物浓度下降反而增加，1/rA随xA增加而单调下降。此时 降低反应器内的浓度推动力反而对反应有利，因此返混最大的全混流模型所需要的体积最小，而没有 返混的平推流模型所需要的体积最大，多釜串联模型所需体积介于两者之间，且随釜数增多所需反应 体积迅速增大。 21. 自催化反应中，随产物量增多反应速率加快，当反应达到一定程度后，由于反应物浓度下降影响更显 著，反应速率达到极大后又下降，反应动力学曲线存在极值。在转化率xA<xAm阶段，全混流反应器或 循环比很大的循环操作平推流反应器所需体积最小，而xA>xAm时平推流反应器所需体积最小，因此最 好采用一个全混流反应器将反应进行到xAm，再接一个平推流反应器将反应进行到出口转化率可以使 反应器总体积最小。
（g）全混流反应器与平推流反应器并联：
c Af ,g = 0.5( c A0 e −2kτ +
c A0 ) 1 + 2kτ
n
17. 等温、等容、不可逆反应： rA = kc A 。对反应级数n>0 的不可逆反应，反应速率随反应物浓度增加而 增大，1/rA随xA增加而单调上升。随着反应的不断进行，反应物浓度降低，转化率增大，反应速率下 降。实现同一化学反应过程平推流反应器所需反应体积最小，全混流反应器所需反应体积最大，返混 成都介于两者之间的多釜串联全混流反应器所需体积介于两者之间。返混降低了反应器的浓度推动 力，使反应体积增大。反应级数越高，反应对浓度推动力的依赖越强，返混对反应影响越严重。 18. 一级不可逆反应，等体积多级全混流反应器串联的总反应体积与单个平推流反应器体积之比为：
2
22. 单一反应，根据反应的动力学行为不同，反应器内的返混状况对反应器体积有不同影响。多重反应由 于主、副反应动力学行为不同，反应器内的流动状况不仅影响反应器体积，还影响复合反应的选择性 和最终产物分布。
1 2 23. 对于等温平行反应 A ⎯ ⎯→ L(主反应，目的产物 )"" A ⎯ ⎯→ M (副发反应，副产物 )
1
12. 13. 14. 15. 16.
（1）两 MFR 串联转化率高于两 MFR 并联； （2）PFR 串联 MFR>MFR 串联 MFR； （3）PFR 串联 MFR＝MFR 串联 PFR； （4）PFR 并联 PFR＝PFR 串联 PFR； （5）PFR 串联 PFR>MFR 串联 PFR。 即： （a）两全混流反应器并联： c Af ,a =
−k
VR V0 / 2
−k
VR V0
− kτ
−k
VR V0
=Байду номын сангаас
c A0 e c e −kτ = A0 ； (1 + kτ ) 1 + kτ
（e）两平推流反应器并联或（f）两平推流反应器串联：
c Af .e = c A0 e
= c A0 e
− 2kτ
或 c Af . f = c A1e
−k
VR V0
= c A0 e −2kτ ；
第二章
理想流动反应器
1. 反应器选型、设计和优化的基础是反应器中的： （1）流体流动模型； （2）化学动力学模型； （3）传递模型； （4）宏观动力学模型。 2. 稳定操作条件下，平推流反应器（plug-flow reactor，PFR）或连续流动管式反应器（continuous flow tubular reactor， ）中各点浓度、温度等参数不随时间变化，但沿轴向位置变化，所有的物料具有相同 的停留时间。 3. 稳定操作条件下， 全混流反应器 （mixed flow reactor， MFR） 或连续流动搅拌槽反应器 （continuous-flow stirred tank reactor，CSTR）中反应参数不随时间和空间变化，流出物料与反应器内浓度、温度相同 。 4. 间歇反应器（batch reactor）中物料具有相同的停留时间，物料浓度随时间而变，不随空间而变。 5. 在相同进出口浓度和相同温度条件下， BR与PFR反应推动力相同， 全混流反应器的推动力最小且不变， MFR中物料返混降低了反应推动力。 6. 适用于等温、变温、等容情况的 BR 积分形式方程：
1 。 e 1
⎛ k2 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜1 + k1 ⎟ ⎝ ⎠
2
29. 全混流反应器中进行一级不可逆反应连串反应，主产物最大收率 Ymax =
与反应物初浓
度无关，只取决于k2/k1之比。当k1=k2时，
( τ m )opt =
1 1 = k1 k 2 1 4
Ymax =
30. 一级连串反应在同样的k2/k1比值下平推流反应器的最大收率高于全混流反应器。
t = n A0 ∫
7. 不可逆单反应A→P，其动力学方程为
dx A 或 x A0 Vr A
x Af
t=∫
dc A c A0 - r A
c Af
n rA = kc A 。达到相同转化率时0 级反应时间t与初浓度cA0成正
比，1 级反应与初浓度无关，2 级反应与初浓度成反比。这一结论可用来定性判别反应级数。 8. 平推流反应器积分形式的设计方程： τ =
x Af dx c A dc VR A A = c A0 ∫ = −∫ 0 c A0 V0 rA rA