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连续搅拌釜式反应器的自催化反应


实验室k / 2019-02-15

       虽然在极大多数的情况下,连续搅拌釜式反应器确实比管式反应器具有较大的容积,但这也不是水恒不变的。用于零级反应连续搅拌釜和管式反应器具有相同的容积。除去这个多少有点纯理论的例子外,还有其它重要的反应类别,当这一类反应在连续搅拌釜式反应器中进行时,其所需容积能予减少甚至低于管式反应器所需的容积,从而显示其优越性。这类反应即是自催化反应,其中反应产物会加快反应速率。作为例子,可参考图14。该图表示含反应物A的液体在初始浓度为c(A0)时,反应速度随A的浓度下降而增加,这是由于反应产物浓度的增加,亦即反应的自催化所致。最终反应速率随c(A)的消失而下降到零。


       严格地讲,如果反应是自催化的,则当产物一点也不存在时,反应速率应为零,也就是代表开始时的反应速率P点应该在c(A)轴上。换句话说,反应水远不能开始。然而常常有某些其它非催化反应的途径在起作用,它将持续到形成足够的产物以致使它的进一步作用和自催化途径相比可以忽略不计为止。实际上,将前一批生产的少量产物留在反应器中,足以使反应再次进行,而在任何情况下,通常可以把反应产物加在进料中。

       连续搅拌釜的优点是未反应的进料和产物能连续地混合,这样就可能使釜内在所有时间内均处于最高速率点也就是在点Q操作,因而所需的容积要比间歇式或管式反应器为小,因为后者的反应速率处在最高速率以外任何一侧的范围内。但是这种方法中离开反应釜的出口浓度只能等于c(A1)。如果希望降低c(A)到一个较低值,最好的设计方案(意味着总体积最小)将是采用一个搅拌釜把c(A0)降到c(A1),再使搅拌釜流出物通过一管式反应器,把c(A)降低到最终产物所要求的下限。

例题1

       反应A→B在稀溶液中进行。此反应为自催化反应,反应速率为k[A][B]。溶液中含有1kg mol/m3的A,在反应器系统中99%A被分解,每小时处理10m3溶液,在反应温度下k=4.2×10(-4次方)m3(kgmol)(-1次方)s(-1次方)。计算最小的反应器容积。

       〔答案:43.6m3〕||

例题2

       同样地进行例题1中的反应,但是此处改用管式反应器,并将部分产物予以循环。当反应器容积为最小值时循环比(循环体积/进料体积)应为多少?所得的反应器容积最小值是多少?

       〔答案:0.19,49.3m3〕||

       在生物化学中有许多自催化作用的例子。其它化学反应,有时包括键反应机理,也表现出这种特性。反应的产物(一种中间化合物或最终产物)起着催化主反应或链增长反应的作用。添加其它催化剂,例如过渡金属离子,也许是有益的。生成像苯酚、乙醛、醋酐或苯乙烯等产物的有机化合物的氧化反应也可能涉及自催化作用,而且在这种情况下指定用搅拌釜。这些反应还能放出大量热量,而用搅拌釜时能最有效地控制温度。


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