2.4.3　連串復雜反應

在連串復雜反應體系中,至少有兩個反應:

主反應(1):?A+BR,速度很快,目標產物R;

副反應(2):?R+BQ,速度較慢,消耗原料B,生產價值低的副產物Q,這樣的復雜競爭反應體系才有可能得到工業應用。

當含A和B的原料在反應器內混合進行反應時,若混合(特別指微觀混合)好,則B和目標產物R能因混合而迅速分散,因此二級副反應的反應速率大大降低,生成很少的副產物Q;若微觀混合很弱,則局部的R和B濃度很高,可產生很多的Q。因此可以用下式定義的指標:

XQ=(2.19)

表征反應器中微觀混合的效能:XQ值越小,反應器微觀混合越好。式中的系數2是因為一個Q分子消耗原料B的兩個分子。改善反應器的宏觀和微觀混合才能滿足化學工藝的要求,保證反應器生產效率高。

若混合很理想,A、B、R均在體系中均勻分布,則B生成R的選擇性的理論值為

S=(2.20)

在間歇式反應過程中,隨著反應進行A的濃度cA逐漸降低,而R的濃度cR逐漸增高,選擇性S是個變化的數值。當A的轉化率取某個中間值時,S達到極大值(毛在砂,2004)。

混合效果差的后果可用圖2.7來直觀地解釋。由于主反應為瞬時反應,團塊交界面上B的濃度為有限值,而A的濃度幾乎為0。R在界面上生成,并向兩個團塊中擴散,形成圖2.7中所示的分布,并在團塊2中與B反應生成Q。微觀混合不好,R的擴散不利,在界面上R積累,濃度升高,使副反應速率提高,即微觀混合不利會降低B生成主產物R的選擇性。定量的評估則要基于宏觀混合和微觀混合的數學模型做具體的CFD數值模擬。

因此,對化學工藝開發成功的簡單和復雜化學反應體系,良好的宏觀混合和微觀混合都是有利的,化學工程師要努力實現良好的混合,確保達到化學工藝設計要求的指標。