2.4.2　平行复杂反应

在并联复杂反应体系中,至少有两个反应。如果副反应速率低,对工艺过程的经济性不致有太大的影响,因而还可以用于生产:

主反应(1): A+BR,速度快,二级反应速率常数k₁,目标产物R;

副反应(2): C+BQ,速度较慢,消耗原料B,二级反应速率常数k₂,生产价值低的副产物Q。

当含B的溶液,与含A和C的溶液在反应器内混合时,若混合(特别指微观混合)好时,主、副反应均按本征动力学进行,生成的副产物Q很少,B生成R的选择性为:

S=(2.15)

S接近于1,生产可以满意。

当微观混合很弱时,则产生很多的Q。因此可以用下式定义的指标(离集指数):

XQ=(2.16)

半定量地指示反应器中微观混合的好坏,XQ值越小,反应器微观混合效能越好。微观混合很差,或称为体系完全离集(分隔)时,R和Q的生成量近似正比于反应物浓度cA和cC,式(2.16)的数值较大;而微观混合很好时,则反应体系浓度均匀,R和Q的生成量与反应动力学常数有关,XQ=k₂/(k₁+k₂)→0,为很小的数值。因此,微观混合与进行并联复杂反应的反应器效能密切相关。

混合效果的一个直观解释见图2.6。若加料流束仅含B,另一流束含A+C。宏观混合不好,使微观混合无法发挥作用。若B加料浓度高于A的浓度,则混合不好时团块2中B的浓度高于团块1中A的浓度,则通常在两团块的交界面上,由于主反应很快,B的浓度仍为有限值,而A的浓度几乎为0。而C的反应比较慢,故在界面上C还没有因反应而耗尽,C的浓度大于0。这种情况是有利于副反应在界面和团块2内部进行。此时界面区域反应的选择性为

S=(2.17)

由于界面浓度cBi是共同的,接近于0,所以

S≈(2.18)

但k₁很大,cAi很小,而k₂很小,但cCi很大,虽然此时的选择性不能确定,但肯定比式(2.15)小得多。而且C在团块2内部的反应应该计入式(2.18)的分母中。

在介于微观混合状况良好和宏观混合不好之间的情况,产物R的选择性和原料B的转化率的定量评估,则要基于宏观混合和微观混合的数学模型进行数值模拟了。

图2.6　宏观混合不好时的平行竞争反应