理想反應器反應效率的比較

李 偉

(安徽師范大學 化學與材料科學學院，安徽 蕪湖 241002)

在工業(yè)上化學反應必然要在某種設備內(nèi)進行，這種設備就是反應器。根據(jù)各種化學反應的不同特性，反應器的形式和操作方式有很大差異。存在返混現(xiàn)象時，反應器內(nèi)物料的組成將受到返混的影響。盡管反應的動力學特性沒有發(fā)生變化，但返混引起的物料組成變化影響了反應速率，進而影響了整個反應器內(nèi)的反應情況。把物料在反應器內(nèi)的返混情況作為反應器分類的依據(jù)將能更好地反映出其本質(zhì)上的差異[1]。按返混情況及操作方式不同，理想反應器可分為：間歇操作的充分攪拌槽式反應器(BR)，平推流反應器(PFR)和全混流反應器(CSTR)三種類型。間歇反應器和平推流反應器中物料的返混程度為0，全混流反應器中物料的返混程度為∞。

大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應器絕大部分都是采用連續(xù)操作，因為它具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動生產(chǎn)率高，便于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點[3]。流體在反應器中的流動情況影響著反應速率、反應選擇性，直接影響反應結(jié)果，研究反應器的流動模型是反應器選型、設計和優(yōu)化的基礎。實際生產(chǎn)中的多數(shù)管式反應器及固定床催化反應器等可作活塞流反應器處理，多數(shù)槽式反應器可作全混流反應器處理。本文對理想反應器的反應效率進行比較，為化學反應工程的教學提供幫助和借鑒。

1 傳熱條件對兩種理想流動反應器反應效率的影響

在等溫條件下，對于單一正級數(shù)反應，達到相同的轉(zhuǎn)化率，PFR所需反應器體積小于CSTR，即PFR的效率高于CSTR。對于等溫操作的單一正級數(shù)反應，兩種理想流動反應器反應效率的比較，只需要考慮濃度的影響。由于CSTR中存在返混，使得反應物濃度下降，導致反應器效率下降。

在工業(yè)生產(chǎn)中絕大多數(shù)的化學反應過程是在變溫條件下進行的。這一方面由于化學反應過程都伴隨著熱效應，即使采用各種換熱方式移走熱量或者輸入熱量，對于工業(yè)反應器都難以維持等溫。另一方面許多反應過程等溫操作的效率不如變溫操作好。對于絕熱操作的PFR和CSTR，反應效率的比較除了考慮濃度的影響之外，還要考慮溫度特性與反應熱效應。對于絕熱操作的單一正級數(shù)放熱反應，反應過程中溫度升高，速率常數(shù)增大，這時比較PFR和CSTR的反應效率，要綜合考慮在CSTR中由于返混造成的濃度下降的影響大，還是溫度升高導致的速率常數(shù)增大的影響大。對于絕熱操作的單一正級數(shù)吸熱反應，反應過程中溫度下降，反應速率常數(shù)下降，CSTR中物料濃度低于PFR，因此CSTR的反應效率低于PFR。

2 理想反應器組合操作效率的比較

工業(yè)生產(chǎn)上為了滿足不同要求，有時常將相同或不同型式的簡單反應器組合在一起。反應器的組合操作可以解決反應器管長過長或體積過大等問題，或者可以提高過程推動力，減小反應器體積。反應級數(shù)不同以及反應器組合方式不同對反應結(jié)果有不同的影響。以PFR與CSTR的組合操作為例，對三種組合方式的反應結(jié)果進行比較，分別為PFR+CSTR串聯(lián)，CSTR+PFR串聯(lián)和PFR+CSTR并聯(lián),見圖1。等溫操作，進料流率為V0，反應物濃度為cA0，反應器體積均為VR。

圖1 PFR與CSTR的三種組合操作方式

2.1 零級反應

2.2 一級反應

由此可見，對于零級反應，PFR+CSTR串聯(lián)與CSTR+PFR串聯(lián)的反應結(jié)果完全相同，對于一級反應，兩種串聯(lián)方式的反應結(jié)果也完全相同。對于其它的反應級數(shù)，通過分析求解有以下結(jié)論[5]：當反應級數(shù)小于零時，PFR+CSTR并聯(lián)的效率最高，CSTR+PFR串聯(lián)的效率最低；當反應級數(shù)大于零時，兩種反應器串聯(lián)的效率高于并聯(lián)的效率；當反應級數(shù)大于零小于一時，CSTR+PFR串聯(lián)的效率最高；當反應級數(shù)大于一時，PFR+CSTR串聯(lián)的效率最高。

3 結(jié)語

理想反應模型是一切工業(yè)反應器設計的基礎。理想反應器的設計計算是化學反應工程學科的重要內(nèi)容。本文通過歸納總結(jié)傳熱條件對理想流動反應器反應效率的影響，以及反應級數(shù)對理想流動反應器組合操作效率的影響，以期對化學反應工程的教學提供有益的借鑒。