李 偉

(安徽師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

在工業(yè)上化學(xué)反應(yīng)必然要在某種設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，這種設(shè)備就是反應(yīng)器。根據(jù)各種化學(xué)反應(yīng)的不同特性，反應(yīng)器的形式和操作方式有很大差異。存在返混現(xiàn)象時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)物料的組成將受到返混的影響。盡管反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性沒(méi)有發(fā)生變化，但返混引起的物料組成變化影響了反應(yīng)速率，進(jìn)而影響了整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)情況。把物料在反應(yīng)器內(nèi)的返混情況作為反應(yīng)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(yīng)器可分為：間歇操作的充分?jǐn)嚢璨凼椒磻?yīng)器(BR)，平推流反應(yīng)器(PFR)和全混流反應(yīng)器(CSTR)三種類型。間歇反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器中物料的返混程度為0，全混流反應(yīng)器中物料的返混程度為∞。

大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的反應(yīng)器絕大部分都是采用連續(xù)操作，因?yàn)樗哂挟a(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[3]。流體在反應(yīng)器中的流動(dòng)情況影響著反應(yīng)速率、反應(yīng)選擇性，直接影響反應(yīng)結(jié)果，研究反應(yīng)器的流動(dòng)模型是反應(yīng)器選型、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基礎(chǔ)。實(shí)際生產(chǎn)中的多數(shù)管式反應(yīng)器及固定床催化反應(yīng)器等可作活塞流反應(yīng)器處理，多數(shù)槽式反應(yīng)器可作全混流反應(yīng)器處理。本文對(duì)理想反應(yīng)器的反應(yīng)效率進(jìn)行比較，為化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)提供幫助和借鑒。

1 傳熱條件對(duì)兩種理想流動(dòng)反應(yīng)器反應(yīng)效率的影響

在等溫條件下，對(duì)于單一正級(jí)數(shù)反應(yīng)，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，PFR所需反應(yīng)器體積小于CSTR，即PFR的效率高于CSTR。對(duì)于等溫操作的單一正級(jí)數(shù)反應(yīng)，兩種理想流動(dòng)反應(yīng)器反應(yīng)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(yīng)物濃度下降，導(dǎo)致反應(yīng)器效率下降。

在工業(yè)生產(chǎn)中絕大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是在變溫條件下進(jìn)行的。這一方面由于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都伴隨著熱效應(yīng)，即使采用各種換熱方式移走熱量或者輸入熱量，對(duì)于工業(yè)反應(yīng)器都難以維持等溫。另一方面許多反應(yīng)過(guò)程等溫操作的效率不如變溫操作好。對(duì)于絕熱操作的PFR和CSTR，反應(yīng)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(yīng)熱效應(yīng)。對(duì)于絕熱操作的單一正級(jí)數(shù)放熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中溫度升高，速率常數(shù)增大，這時(shí)比較PFR和CSTR的反應(yīng)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(dǎo)致的速率常數(shù)增大的影響大。對(duì)于絕熱操作的單一正級(jí)數(shù)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中溫度下降，反應(yīng)速率常數(shù)下降，CSTR中物料濃度低于PFR，因此CSTR的反應(yīng)效率低于PFR。

2 理想反應(yīng)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(shí)常將相同或不同型式的簡(jiǎn)單反應(yīng)器組合在一起。反應(yīng)器的組合操作可以解決反應(yīng)器管長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)或體積過(guò)大等問(wèn)題，或者可以提高過(guò)程推動(dòng)力，減小反應(yīng)器體積。反應(yīng)級(jí)數(shù)不同以及反應(yīng)器組合方式不同對(duì)反應(yīng)結(jié)果有不同的影響。以PFR與CSTR的組合操作為例，對(duì)三種組合方式的反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比較，分別為PFR+CSTR串聯(lián)，CSTR+PFR串聯(lián)和PFR+CSTR并聯(lián),見(jiàn)圖1。等溫操作，進(jìn)料流率為V0，反應(yīng)物濃度為cA0，反應(yīng)器體積均為VR。

圖1 PFR與CSTR的三種組合操作方式

2.1 零級(jí)反應(yīng)

2.2 一級(jí)反應(yīng)

由此可見(jiàn)，對(duì)于零級(jí)反應(yīng)，PFR+CSTR串聯(lián)與CSTR+PFR串聯(lián)的反應(yīng)結(jié)果完全相同，對(duì)于一級(jí)反應(yīng)，兩種串聯(lián)方式的反應(yīng)結(jié)果也完全相同。對(duì)于其它的反應(yīng)級(jí)數(shù)，通過(guò)分析求解有以下結(jié)論[5]：當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)小于零時(shí)，PFR+CSTR并聯(lián)的效率最高，CSTR+PFR串聯(lián)的效率最低；當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)大于零時(shí)，兩種反應(yīng)器串聯(lián)的效率高于并聯(lián)的效率；當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)大于零小于一時(shí)，CSTR+PFR串聯(lián)的效率最高；當(dāng)反應(yīng)級(jí)數(shù)大于一時(shí)，PFR+CSTR串聯(lián)的效率最高。

3 結(jié)語(yǔ)

理想反應(yīng)模型是一切工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算是化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的重要內(nèi)容。本文通過(guò)歸納總結(jié)傳熱條件對(duì)理想流動(dòng)反應(yīng)器反應(yīng)效率的影響，以及反應(yīng)級(jí)數(shù)對(duì)理想流動(dòng)反應(yīng)器組合操作效率的影響，以期對(duì)化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)提供有益的借鑒。