反应器型式和操作方式的评选ppt

3.9反应器型式和操作方式的评选选择何种型式的反应器，工业上主要从下面两方面进行考察：◆达到给定的生产能力所需的反应器体积最小，所谓生产能力即单位反应时间、单元反应体积的反应器所能得到的产物量；◆用同样的原料所得的目的产物最多，即收率要大，选择性要好；◆对简单的单一反应，不存在副反应，故不存在产品分布的问题，所以在对反应器进行选型时，只需要考虑如何有利于反应速率的提高；◆对于复杂反应，由于在反应器内同时进行几个反应，影响过程经济性的往往是产物的收率，它直接影响到生产的操作费用和生产的成本，因此反应器的型式与操作方式的优化选择以产物的收率为主要目标。1、单一反应的评选分三种情况评论：（1）与xA呈单调上升（一切n0的不可逆等温反应）：Ar1（2）与xA呈单调下降（一切n0的不可逆等温反应）：Ar1（3）与xA的曲线上存在极小值（自催化反应或绝热操作的放热反应具有为一特性）Ar1设xAM为对应最小的转化率，则xAxAM时，具有上述（2）的特性，反之，则具有（1）的特性。试比较：若选择如下三种方式操作，请问哪一种为最佳组合？Ar1PFRCSTRxA0CA0xAfxAM①VR111AAAFxC2v000AAAFxC1Ax222AAAFxC②③最优顺序为：①②③例题16见陈甘棠教材P79例3-6-1最优操作温度自学。2、复合反应的评选反应器型式与操作方式的优化选择常以产物的收率为目标函数。对于恒容过程，总收率与瞬间收率一般用下式表示：总收率：瞬时收率：AAPpCCC0APAppdCdCrr不同反应器型式，总收率与瞬时收率的关系形式不同I）对于分批釜式或PFR反应器：II）对于CSTR反应器：为了区分CSTR和PFR，以表示CSTR的收率，则：AACCAppApPCCdCdCdCAA00ppAfACCmm和AAPmmCCC0对于多釜串联的CSTR反应器，第I釜：iAiPiAiAiPiPmimiCCCCCC,,,1,1,,下面针对串联反应和平行反应进行讨论几种不同反应器型式的收率问题：（1）串联反应（可参考《化学反应工程分析》相关章节）为一级不可逆反应对于PFR或分批釜式有：SPAkk21)2(ln)1(1212210max,121kkkktkkCCoptkkkAp对于CSTR有：)4(1)3(1212210max,kkkkCCoptAmp将（3）/（1），并以作图，得下图a，或以总收率Фp~xA作图（以为参数），得下图b：12max,max,lg~kkCCpmp12kk1.012lgkk1.012lgkk(a)-4-3-2-101234max,max,pmpCC对于n=1的串联反应，PFR总是优于CSTR（对产物P），k1=k2时，偏差最大，k1和k2相差愈大，两者的偏差愈小。1.01.0AAppCCC0(b)121kk1021kk1.021kk0xAPFRCSTR当很小时，xAf越大，付反应越厉害，Фp很小，为避免付产物S取代产物P，可以设计为通过反应器的反应物料A的转化率很小（此时Фp较大），然后分离产物P，将未转化的A循环到反应器进一步反应。假如工艺条件许可，可以改变操作温度使比值提高，以使xAf变大成为可能许可的操作条件，这是最有利的办法。21kk21kk（2）平行反应：对于单一组分的平行反应：其φp与CA可能有如下三种变化形状：（A）φp随CA单调增大：若有返混，则CA变小，不利于收率的提高，故采用无返混的反应器即PFR；（B）φp随CA单调下降：返混使收率提高，选择返混为无穷大的CSTR；（C）φp对CA曲线存在最大值的情况：在φp，max之前，即反应前期采用CSTR，在φp，max之后，即反应后期采用PFR，串联反应器。APSAPSR以等温进行的平行反应为例：（P为目的产物）其反应动力学方程式为：P的瞬间选择性：A+BPSk1k2111bBaApCCkr222bBaASCCkr212121bbBaaAsppCCkkrrS分下面三种情况讨论①当a1a2、b1b2，则SP随CA、CB单调上升，应选取无返混的反应器，选PFR为最优；②当a1a2、b1b2，则SP随CA、CB单调下降，要提高目的产物P的选择性，就必须使CA、CB浓度维持较低水平，选返混最大（即稀释效应最大的反应器）CSTR。③当a1a2、b1b2，则SP随CA单调上升，SP随CB单调下降，意味着较高的CA和较低的CB有利于提高产物P的选择性，则应选择合适的进料方式（如下图），来调节A、B的浓度。总结：高的反应物浓度有利于反应级数高的反应；低的反应物浓度有利于反应级数低的反应；主付反应级数相同的反应，浓度的高低不影响产物的分布。动力学特性控制浓度要求操作示意图浓度分布图a1a2、b1b2a1a2、b1b2a1a2、b1b2应使CA、CB都高应使CA高、CB低应使CA、CB都低ABABCA0CB0CACBABABBBCA0CB0CACBABCA0CB0CACB例题17一级不可逆串联反应：C6H5Cl为目的产物，反应恒温恒容，反应式如下：已知：k1=1.0h-1,k2=0.5h-1,V/v=τ=1h,CA0=1mol/L,Cp0=CS0=0反应速率式为：求：（1）PFR；（2）CSTR；（3）等体积CSTR串联时；产物P的选择性SP=？)()()(246256166SClHCPClHCAHCkkPAPAACkCkdtdCCkdtdC211解：（1）PFR：LmoleeCCtkAA/368.01110108.3155.0477.0/155.0147.0368.01/477.00.15.011015.0021112SPPAPAStktkAPCCSLmolCCCCLmoleeeeCkkkC（2）CSTR又：kCCVCkCvCvAAAAA1101000pApCkCkVCv210210121111kkCkkCkCpAA代入数据得：CA=0.5mol/L,Cp=0.333mol/LCS=CA0-CA-Cp=0.167mol/LSp=CP/CS=0.333/0.167=2.00（3）等体积的CSTR串联τ=τ1+τ2=1hrτ1=τ2=0.5h对于第二个反应器有：代入数据：CA2=0.444mol/L,CP2=0.391mol/L,CS2=1-(0.444+0.391)=0.165mol/L故：SP=CP2/CS2=2.37211011121122212010111kCkCkCCVCkCvCvAAAAAAA222110112221101122221210201111kkCkkkCkCCkCkVCvCvAAppApp例题18k1=1.0,k2/k1=1.5,CA0=5mol/L,CP0=CS0=0,v0=5m3/h,xA=0.90（或CA=0.5mol/L）其速率方程式：-rA=(k1+k2CA)CA,rP=k1CA,rS=k2CA2求：（1）单一CSTR等温下反应后的CP和VR；（2）PFR的CP和VR；（3）两个CSTR串联后的CP和VR；（条件：CP最大时每个反应器的体积）APSk1k2已知：解：（1）单个CSTR：代入数据得VR=25.7m3AAAAAAAAAAAPAAmAAmPCkkCCkCCkkCCCkCCrrCCCCC21012101000)22100000AAAAAAARCkCkCCvrCCvvV(2)单个PFR300000221161.35.115.11lnln5.11/054.15.115.11ln5.115.110000mCCCCvCCdCvVLmolCCCCdCdCCkCkCkdCCAAAACCAAARAAPCCAAACCAAACCApPAAAAAAAA(3)两个CSTR串联22111021210122112222121212112121111122115.115.11AAAAAAPAAAAAAAAAAAPmAAAAAPmAmAmPCCCCCCCCCCCCCCkkkCkCkCkrrCkkkCkCkCkrrCCC为使CP最大，令得，CA1=1.905mol/L所以,Cpmax=1.605mol/L。代入数据得：VR=10.13m3其中：VR1=2.107m3，VR2=8.023m301APdCdC2221210211211001AAAAAAAACCkkCCvVCCkkCCvV例题19有一分解反应：已知：k1=2min-1,k2=1mol.L-1.min-1,k3=1L.mol-1,min-1,CA0=2mol.L-1,P为目的产物，R，S为付产物。求：（I）CSTR；（II）PFR；（III）你所设想的最合适的反应器或流程中所能获得的最高的CP=？APSRk1k2k3rP=k1CArR=k2rS=k3CA2解：根据收率的定义，（I）CSTR所能获得的最大CP：2122AAAAPAPCCCrrdCdC44.094/32/5.0:021202122200LmolCLmolCCCCdCdCdCdCCCCCCCCCPfAAAAAPfAPfAAAAfAAfAPf得最大时当（II）PFR很明显，只有当A完全反应掉，曲线下的面积是最大，所以：积分代入数据得：CP，max=0.867mol/L。总收率：202max,120AAACCAPdCCCdCCAfA434.02867.00AAPPCCC（III）当CAf=1时，P的瞬间收率最大，故设想一流程，将未反应掉的A从产物中分离出来，循环并使CA0保持为2mol/L的浓度。选择一个CSTR，使其在CA=1mol/L的浓度下操作，这样转化1mol-A，生产0.5mol-P其总收率是最大的。CP的浓度：5.05.0LmoldCCCdCCAAACCAPAfA/5.0122120