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第五节组合反应器

工业生产上，由于化学反应的复杂性，为了满足不同反应的要求，有时采用相同或不相同的基本反应器组合起来，构成组合反应器。例如，由多个平推流反应器的串联、并联、并串联组合而成的反应器。由具有相同式不同容积的多个CSTR串联组合成的反应器；由PFR及CSTR串联组合的反应器等。从总体上看，组合反应器是偏离了理想流动的，如多个CSTR的串联操作可减少返混的影响。组合反应器可使反应在最佳的状态下进行，从而使反应器的有效容积尽量达到最大利用效率。

这些组合的反应器都是为了满足不同反应要求的，它不但适用于均相系统，在非均相系统中同样也得到应用。本课程仅介绍具有相同容积的N个CSTR的串联组合，这样串联组合的反应器又称为多釜串联反应器。

一、结构及操作

该反应器是若干个CSTR串联起来，上一釜的出口物料即为下釜的进料，物料从第一釜连续加入，顺次流过各釜，最终从最后一釜排出，如图5-20所示。

图5-20 多釜串联反应器示意图

二、性能和特点

在多釜串联反应器中，就每一个釜而言，都具有理想混合反应器的特征。釜与釜之间为管道连接，可认为不存在返混，相当于活塞流。但对多釜串联反应器整体来看却发生了显著变化。比如，虽然在任意一个釜内反应物浓度、温度、反应速度都一样，但由于反应不是在一个釜内一次完成，而是在多个串联的釜中逐步进行的，因而反应物浓度从第一个釜起依次到最后一个釜是阶梯式降低的。因此，如果把一个容积为V_R的理想混合反应釜用N个容积为V_R/N的理想混合反应釜串联来代替。若两者的起始和最终浓度及反应温度都相同时，后者只有在最后一个釜（第N个釜）内的反应物浓度C_AN与容积为V_R的单釜内的浓度C_Af相同，而其余各釜内的浓度均高于第N釜。如图5-21所示。由图可见，从整个反应过程来看，在单个CSTR中，反应物浓度由C_A0一次降至C_Af。在PFR中，反应物浓度从C_A0逐渐降低，直到出口等于C_Af。故在单个CSTR中，反应物浓度是最低的。多釜串联反应器中，反应物浓度处于两者之间。串联的釜数愈多，浓度的分布愈趋近于PFR，釜数愈少，愈近于CSTR。反应物浓度高，反应速度快，因而完成同样的反应，在相同条件下，所需多釜串联反应器的容积比单釜的小；反之，若容积相同，多釜串联反应器的处理量比单釜的大。因此，多釜串联反应器既可以克服单个CSTR的返混大、反应物浓度低的缺点，又可以避免PFR的温度差大，难于稳定控制的缺点。但是，随着串联釜数的增多，使设备投资和操作费用增加。因此，实际生产中常采用2～4釜串联。多釜串联反应器和单个釜式反应器一样，多用于液相反应。

通过反应器的容积

图5-21单个CSTR、多级CSTR及PFR中A的浓度分布
（体积相同，推动力不同，产量不同）

三、基础设计方程

对多釜串联反应器中的各釜均可按单个理想釜来列出物料衡算式。如对其中第i釜作物料衡算（所用符号见图5-20）得：
F_Ai-1=F_Ai+(-r_Ai)V_Ri
F_A0(1-x_Ai-1)=F_A0(1-x_Ai)+(-r_Ai)V_Ri
整理得：

四、多釜串联反应器的计算

计算多釜串联反应器的目的，主要是根据处理的物料量和要求达到的总转化率。求出所需的釜数，各釜的有效容积和转化率（或浓度）等。计算方法有解析法和图解法，这里只简单介绍解析法。

对恒容过程，由式（5-39）可得：C_Ai+(-r_Ai)τ_i=C_Ai-1
对于一级不可逆反应。(-r_Ai)=k_iC_Ai

若各釜的有效容积和温度相同，即：
V_R1=V_R2=…………=V_RN
k₁=k₂=…………=k_N=k
因而，
τ₁=τ₂=…………=τ_N=V_RN/V₀=τ
又∵C_Ai=C_A0(1-x_Ai)
∴x_Ai=1-C_Ai/C_A0 (5-41)
故对第一个釜为：

对第二个釜为：

式（5-42）、（5-43）只可用于一级不可逆反应时，均相、等温、恒容的条件下，对于N个有效容积相同的多釜串联反应器的釜数N及转化率x_AN的计算。

例5-4 某一级不可逆反应在均相、恒温、恒容的条件下于一个V_R=10L的PFR中进行，C_A0=1mol/l、V₀=1l/s、x_Af=80%。现将该反应在完全相同的条件下用一多釜串联反应器来完成，每个釜的V_R均为5l，达到同样的转化率需要多少个釜？

解：在PFR中进行反应时:

将V_R=10l,V₀=1l/s, x_Af=0.8代入得:

在多釜串联反应器中进行时,设釜数为N,则每一釜:
τ=V_R/V₀ = 5/1 =5S

将x_AN=0.8 ,τ=5S ,k= 0.16S^-1代入化简有:

(1+0.16*5)^N=5
N=2.75≈3(个)