2.4.3　连串复杂反应

在连串复杂反应体系中,至少有两个反应:

主反应(1): A+BR,速度很快,目标产物R;

副反应(2): R+BQ,速度较慢,消耗原料B,生产价值低的副产物Q,这样的复杂竞争反应体系才有可能得到工业应用。

当含A和B的原料在反应器内混合进行反应时,若混合(特别指微观混合)好,则B和目标产物R能因混合而迅速分散,因此二级副反应的反应速率大大降低,生成很少的副产物Q;若微观混合很弱,则局部的R和B浓度很高,可产生很多的Q。因此可以用下式定义的指标:

XQ=(2.19)

表征反应器中微观混合的效能:XQ值越小,反应器微观混合越好。式中的系数2是因为一个Q分子消耗原料B的两个分子。改善反应器的宏观和微观混合才能满足化学工艺的要求,保证反应器生产效率高。

若混合很理想,A、B、R均在体系中均匀分布,则B生成R的选择性的理论值为

S=(2.20)

在间歇式反应过程中,随着反应进行A的浓度cA逐渐降低,而R的浓度cR逐渐增高,选择性S是个变化的数值。当A的转化率取某个中间值时,S达到极大值(毛在砂,2004)。

混合效果差的后果可用图2.7来直观地解释。由于主反应为瞬时反应,团块交界面上B的浓度为有限值,而A的浓度几乎为0。R在界面上生成,并向两个团块中扩散,形成图2.7中所示的分布,并在团块2中与B反应生成Q。微观混合不好,R的扩散不利,在界面上R积累,浓度升高,使副反应速率提高,即微观混合不利会降低B生成主产物R的选择性。定量的评估则要基于宏观混合和微观混合的数学模型做具体的CFD数值模拟。

图2.7　宏观混合不好时的连串竞争反应

因此,对化学工艺开发成功的简单和复杂化学反应体系,良好的宏观混合和微观混合都是有利的,化学工程师要努力实现良好的混合,确保达到化学工艺设计要求的指标。