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)

在工業上化學反應必然要在某種設備內進行，這種設備就是反應器。根據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。存在返混現象時，反應器內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的反應情況。把物料在反應器內的返混情況作為反應器分類的依據將能更好地反映出其本質上的差異[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∞。

大規模工業生產的反應器絕大部分都是采用連續操作，因為它具有產品質量穩定，勞動生產率高，便于實現機械化和自動化等優點[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，直接影響反應結果，研究反應器的流動模型是反應器選型、設計和優化的基礎。實際生產中的多數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，對于單一正級數反應，達到相同的轉化率，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。

在工業生產中絕大多數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放熱反應，反應過程中溫度升高，速率常數增大，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增大的影響大。對于絕熱操作的單一正級數吸熱反應，反應過程中溫度下降，反應速率常數下降，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

工業生產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。反應級數不同以及反應器組合方式不同對反應結果有不同的影響。以PFR與CSTR的組合操作為例，對三種組合方式的反應結果進行比較，分別為PFR+CSTR串聯，CSTR+PFR串聯和PFR+CSTR并聯,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串聯與CSTR+PFR串聯的反應結果完全相同，對于一級反應，兩種串聯方式的反應結果也完全相同。對于其它的反應級數，通過分析求解有以下結論[5]：當反應級數小于零時，PFR+CSTR并聯的效率最高，CSTR+PFR串聯的效率最低；當反應級數大于零時，兩種反應器串聯的效率高于并聯的效率；當反應級數大于零小于一時，CSTR+PFR串聯的效率最高；當反應級數大于一時，PFR+CSTR串聯的效率最高。

3 結語

理想反應模型是一切工業反應器設計的基礎。理想反應器的設計計算是化學反應工程學科的重要內容。本文通過歸納總結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。