14. 平行反应的反应器设计.doc

第1页：平行反应概述

本部分分析了平行反应的特性，介绍了平行反应反应器设计的方法。

学习要求

掌握反应物浓度及反应温度对于平行反应的影响，了解控制反应物浓度高或低的具体操作方法，掌握瞬时收率、总收率、瞬时选择性、总选择性的概念，区分反应工程课程中的收率、选择性与工业上收率、选择性的不同。

第2页：反应物浓度的控制方法

对于需要高浓和低浓度的情况，如何进行反应器的控制呢？

要使反应物浓度低，可以采用的方案

• 采用全混流反应器（MFR）；
• 维持高的转化率；
• 增加进料里惰性组分的含量；
• 对于气相反应体系，降低系统的压力。

要使反应物浓度高，可以采用的方案

• 使用间歇式反应器或者平推流反应器；
• 维持低的转化率；
• 减少进料中惰性组分的含量；
• 对于气相反应体系，提高系统的压力。

（参见图2 浓度控制方式）

第3页：收率与选择性的定义

本节仍考虑 ε_A = 0，首先定义几个新的概念：

瞬时收率 φ

φ = dC_R/(−dC_A) = r_R/(−r_A)

总收率 Φ

Φ = C_Rf/(C_A0 − C_Af)

瞬时选择性 s

s = dC_R/dC_S = r_R/r_S

总选择性 S

S = C_Rf/C_Sf

工业上的收率和选择性与本课程定义不同：工业上总收率 Y = C_Rf/C_A0，总选择性 S = C_Rf/(C_A0 − C_Af)，即以进料总量为基准，使用时需注意换算。

第4页：平推流反应器中的收率

在平推流反应器中，反应物和产物的浓度沿轴向是渐变的（图3）。根据瞬时收率的定义：

φ = r_R/(−r_A) = dC_R/(−dC_A)

分离变量得 dC_R = −φ·dC_A，积分：

C_Rf = −∫_CA0^C_Af φ dC_A = ∫_CAf^C_A0 φ dC_A

故总收率：

Φ = C_Rf/(C_A0 − C_Af) = [1/(C_A0 − C_Af)]·∫_CAf^C_A0 φ dC_A

即总收率等于瞬时收率在 C_Af ~ C_A0 区间上的平均值。

第5页：全混流反应器中的收率

对于全混流反应器，由设计方程 τ = C_Rf/r_Rf 及 τ = (C_A0 − C_Af)/(−r_Af) 两式相除得：

C_Rf/(C_A0 − C_Af) = r_Rf/(−r_Af)

故 Φ = C_Rf/(C_A0 − C_Af) = r_Rf/(−r_Af) = φ_f

即全混流反应器的总收率等于出口条件下的瞬时收率。进一步可得：

C_Rf = φ_f(C_A0 − C_Af) = Φ(C_A0 − C_Af)

上述关系同样可在 φ ~ C_A 图上表示：C_Rf 即图5 中高度为 φ_f、宽度为 C_A0 − C_Af 的矩形面积。由于全混流始终在最低浓度 C_Af 下操作，当 φ 随浓度升高而增大时，平推流反应器优于全混流反应器。

第6页：平行反应公式汇总

本知识点主要公式汇总：

1. 工业上的收率和选择性与本课程定义不同：工业上总收率 Y = C_Rf/C_A0，总选择性 S = C_Rf/(C_A0 − C_Af)。
2. 平推流反应器：C_Rf = ∫_CAf^C_A0 φ dC_A；Φ = [1/(C_A0 − C_Af)]·∫_CAf^C_A0 φ dC_A。
3. 全混流反应器：φ_f = Φ，即 C_Rf = φ_f(C_A0 − C_Af)。

源文件本页为公式片段的重复与混排，已按条目合并整理；总选择性 S = C_Rf/C_Sf，总收率 Φ = C_Rf/(C_A0 − C_Af)。