常州工程职院化学反应过程与设备课件09反应器计算与操作的优化

è反应器计算与操作的优化　化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。　化学反应过程的技术目标有：　反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。不同类型反应的优化目标：对简单反应：只需考虑反应速率；对复杂反应：优先考虑选择性。反应器计算与操作的优化¢反应器生产能力的比较优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。化学因素包括反应类型及动力学特性工程因素包括反应器型式：管式、釜式及返混特性操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或分段加料等操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温度分布n反应器生产能力的比较——简单反应简单反应的优化目标只需考虑反应速率。即：对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同转化率，要求反应器有效体积最小。换句话说，若反应器体积相同，反应器所达到的转化率更高。n常见反应器生产能力的比较Ø对于n＞0的反应，各反应器的有效体积大小为：PFR最小，N-CSTR次之，1-CSTR最大。PFR是高浓度的反应器，1—CSTR是低浓度的反应器。Ø反应级数n越高，出口转化率要求越高，各反应器之间的差异越明显。n组合反应器的优化ØnCSTR的优化任务：不同大小的多只连续操作釜式反应器串联操作时，若最终转化率已经给定，如何确定其最优组合？规律：两釜串联时，对于一级反应，各釜大小相同时是最优的。对于反应级数n≠1，n0，较小的反应器在前面，而对于n0应先用较大的反应器。求解方法（1）解析法：按多只串联连续操作釜式反应器计算公式直接求取。（2）图解法当B点正处于曲线上斜率等于矩形对角线AC的斜率时，对应的是最优中间转化率。Ø自催化反应过程的优化（1）定义：反应产物本身具有催化作用，能加速反应速率的反应过程。工业生产上的发酵过程是一类典型的自催化反应过程。自催化反应可表示为，其反应速率方程为：（2）自催化反应速率规律自催化反应过程的基本特征是存在一个最大反应速率。APPPAAPrkCC解释：在反应初期，虽然反应物A的浓度很高，但此时作为催化剂的反应产物P的浓度很低，所以反应速率较低。到了反应后期，虽然产物P的浓度很高，但因反应物A的消耗，其浓度大大降低，此时反应速率也不高。故自催化反应在反应过程中会有一个最大反应速率出现。自催化反应与一般不可逆反应的根本区别在于反应的初始阶段有一个速率从低到高的起动过程。根据这种反应特性，采用适当的措施可以改善它的性能。Ø自催化过程反应器组合的最优化要求高转化率时①先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，在其后串接一个PFR，达到所需的最终浓度水平。②先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，然后在CSTR出口接一个分离装置，将未反应物与产物分离后循环使用。例：对于具有如图所示反应特征的反应，浓度从1mol/l到0.1mol/l,如何选择合适的反应器组合,使总体积最小?(在图中注明阴影)1/-rA0.11CA(mol/l)解题思路：1、上图所示反应特征的反应为自催化反应2、由图可知：反应物A的初始浓度为1mol/l，反应物A的浓度大约为0.4mol/l时反应速率最大，过了0.4mol/l反应速率降低。3、组合方式：（1）先将初始浓度为1mol/l的反应物A加入一CSTR中反应，控制出口处CA为0.4mol/l，使反应在最大速率下进行。（2）再将0.4mol/l的反应物A加入一PFR中反应，使CA转化到0.1为止。反应器计算与操作的优化¢复杂反应选择性的比较è复杂反应的选择性比较n平行反应Ø若反应为定义选择性1212RPASrkScrkAk1k2R主产物S副产物1212//111/222ERTEERTERTkAeAekAeAØ温度效应（1）E1＞E2T升高，增大，增大（2）E1＜E2T升高，减小，降低（3）E1=E2T升高，对选择性无影响结论：提高反应温度有利于活化能高的反应的选择性的提高。12kkPS12kkPSØ浓度效应（1）当时，提高反应物浓度则可使增大。（2）当时，提高反应物浓度则使降低。（3）当时，，则反应物浓度的改变对选择性无影响。结论：升高反应物浓度cA有利于级数高的反应的选择性的提高。浓度的控制可以通过反应器型式和加料方式进行调整。21PS1221常数21kkrrSSRPPSØ反应器型式选择（1）因为PFR内反应物的浓度较CSTR为高，故适宜于采用PFR，次则采用BR或N-CSTR。（2）适宜于采用CSTR。但在完成相同生产任务时，所需釜式反应器体积较大。故需全面分析，再作选择。(3)PFRØ加料方式的选择（1）反应物全部由反应器进口加入（PFR）或一次投料（BR）（2）分段加料（PFR）或分批加料（BR）Ø若反应为：则反应的选择性为：1、温度效应：同前2、浓度效应：同前3、反应器型式及操作方式选择为了使选择性亦即rR/rS比值为最大，对各种所希望的反应物浓度的高、低或高-低结合，完全取决于竞争反应的动力学。这些浓度的控制，同样可以按进料方式和反应器类型而调整，如表所示。A+BA+Bk1k2R主产物S副产物212121bASRPcckkrrSn连串反应情况更为复杂，在此只讨论一级反应。对于连串反应：反应的选择性为：Ø如R为目的产物，当k1，k2一定时，为使选择性Sp提高，即为使rR/rS比值增大，应使CA高CR低，适宜于采用PFR、BR和N-CSTR。ASk1k2RRRASRPckckckrrS221Ø若S为目的产物，则应CA低CR高，适宜于采用1-CSTR。但应注意，连串反应R生成的增加，有利于S的生成（特别是k1≤k2时）的特点，故以R为目的产物时，应保持较低的单程转化率。当k1≥k2时，可保持较高的反应转化率，这样可使选择性降低较少，但反应后的分离负荷却可以大为减轻。