VR 4 0.537 2.15m3
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，
图2-3 平推流反应器串联操作
对串联的N个反应器而言
反应器体积可按下式计算：
V F xA2
R
A1 xA1
dxA rA
为方便起见，设循环物料体积流量与离
开反应系统物料的体积流量之比为循环
比β，即
V3 FA3
V2 FA2
18
对图中M点作物料衡算：
cA1FA1 V1来自FA0 V0FA3 V3
FA0 FA2 V0 V2
对整个体系而言，有：
自催化反应是复合反应中的一类。
主要特点：
反应产物能对该反应过程起催化作用，加
速该反应过程的进行。这类反应频繁出现 在生化反应过程中。
反应1
A k1 P
反应2 A P k2 P P
22
通常k2值远大于k1。在反应初期尽管反应 物的浓度较高，但产物浓度很低，所以 总反应速率不大。随着反应的进行，产 物浓度不断增加，反应物浓度虽然降低， 但其值仍然较高。因此，反应速率将是 增加的。当反应进行到某一时刻时，反 应物浓度的降低对反应速率的影响超过 了产物浓度增加对反应速率的影响，反 应速率开始下降。
14
要求第四釜出口转化率为80%，即
cA4 cA0 1 xAf 4 1 0.8 0.8kmol m3
以试差法确定每釜出口浓度
设τi=3h代入
1 cAi
1 4k icAi1 2k i
由cA0求出cA1，然后依次求出cA2、 cA3、 cA4，看是否满足cA4=0.8的要求。将以上 数据代入，求得：
FA2 FA0 1 xA2 V2 V0 1 A xA2
可以推导出：
xA1
1
xA2
19
平推流反应器设计方程中，转化率的基
准应当与反应器入口处体积流量及这一
体积流量下转化率为0时的A组分的摩尔
流率对应： VR
FA0
dx xA 2
A
r xA1
A
式中，FA0′是一个虚拟的值，它由两部分 组成，新鲜进料FA0和循环回来的物流V3 中当转化率为0时应当具有的A的摩尔流
cA4=0.824 kmol﹒m-3
15
结果稍大，重新假设τi=3.14h，求得： cA1=2.202kmol﹒m-3 cA2=1.437kmol﹒m-3 cA3=1.037kmol﹒m-3 cA4=0.798kmol﹒m-3 基本满足精度要求。
VRi V0 i 0.171 3.14 0.537m3
对恒容、定常态流动系统，V0不变，
VRi V0
i，故有：
i
cA0
xAi xAi1 rA i
cAi1 cAi rA i
对于N釜串联操作的系统，总空间时间：
1 2 N
τ小于单个全混釜达到相同转化率xAN操作 时的空间时间。
10
由于釜与釜之间不 存在返混，故总的 返混程度小于单个 全混釜的返混。
VR
FA0
VRi FA0
xAi
dxA
dx xAn
A
r xAi1
A
0 rA
8
(2)全混流反应器的串联操作 N个全混流反应器串联操作在工业生产 上经常遇到。其中各釜均能满足全混流 假设，且认为釜与釜之间符合平推流假 定，没有返混，也不发生反应。
图2-4 多釜串联操作示意图
9
对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。
率。即： FA0 V1cA0 V0 V3 cA0
20
由此得到循环反应器体积：
VR
1
FA0
dx xA 2
A
r
1
xA 2
A
当循环比β为0时，还原为普通平推流反 应器设计方程。
当循环比β→∞时，变为全混流反应器设 计方程。
当0<β<∞时，反应器属于非理想流动反 应器。
21
2.2 自催化反应特性与反应器选型
cA0
1 ki
N
xAN
1
1
1
k i
N
对二级反应，以上面方法，可以推出：
1 cAi
1 4k icAi1 2k i
13
例2-1条件同例1-3的醇酸树脂生产，若采
用四釜串联的全混釜，求己二酸转化率 为80%时，各釜出口己二酸的浓度和所需 反应器的体积。
解：
已知
rA 1.97 103 cAcB V0 0.171m3h1 cA0 cB0 4kmol m3 xAf 0.8
V0=V01+V02 由平推流反应器的设计方程
VR V0
cA0
xA 0
dxA rA
5
尽可能减少返混是保持高转化率的前提 条件，而只有当并联各支路之间的转化 率相同时没有返混。如果各支路之间的 转化率不同，就会出现不同转化率的物 流相互混合，即不同停留时间的物流的 混合，就是返混。因此，
1 2
k
cn 1 A0
1
1
A xA xA
n
二式相除，当初始条件和反应温度相同
时：
n
m
p
VR m VR p
xA
1
1
A xA xA
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
3
图2-2 n级反映在简单反应器中性能比较
4
2.1.2 理想流动反应器的组合
(1)平推流反应器的并联操作
VR=VRl+VR2 因为是并联操作，总物料体积流量等于 各反应器体积流量之和：