化学反应过程的优化

1、可逆反应过程的优化最优反应温度和最优温度序列最优反应温度和最优温度序列（1）反应物浓度的优化对反应速率的影响反应物浓度的优化对反应速率的影响对于可逆反应对于可逆反应反应速率可用下式表示：反应速率可用下式表示：其中，其中，k1、k2分别为正反应和逆反应的速率常数。分别为正反应和逆反应的速率常数。12kkAR 121020(1)AARAAAArk Ck Ck Cxk Cx(5.12)当达到化学平衡时，（-rA）=0，转化率为 xAe ,于是有-由上式可得将（5.13）代入式（5.12），整理后得1020(1)0AAAeAAerkCxk C x112()Aekkk x（5.13）-对可逆反应过程，因

2、为没有副产物生成，故优化的对可逆反应过程，因为没有副产物生成，故优化的目标为反应速率最大，即达到规定转化率时所需的目标为反应速率最大，即达到规定转化率时所需的反应器体积最小。反应器体积最小。在反应温度恒定下，提高反应物初始浓度（在反应温度恒定下，提高反应物初始浓度（CA0），），降低转化率，有利于反应速率的提高。降低转化率，有利于反应速率的提高。因此，从浓度效应考虑，最优初浓度和最优转化率因此，从浓度效应考虑，最优初浓度和最优转化率不是由反应过程本身决定的，而是取决于反应前后不是由反应过程本身决定的，而是取决于反应前后工序的能耗、设备投资与反应器设备投资之间的均工序的能耗、设备投资与反应器设备

3、投资之间的均衡。衡。120()()AAAeArkk Cxx（5.14）（2）最优反应温度和最优温度序列）最优反应温度和最优温度序列对可逆反应过程，温度的影响较之浓度效应复杂。对可逆反应过程，温度的影响较之浓度效应复杂。对可逆吸热反应对可逆吸热反应，k1、k2和和xAe均随温度升高而增均随温度升高而增大。由式大。由式（5.14）可见，反应速率也随温度升高而可见，反应速率也随温度升高而增大。所以最优反应温度也就是反应体系能承受增大。所以最优反应温度也就是反应体系能承受的最高温度。的最高温度。对可逆放热反应对可逆放热反应，k1、k2随温度升高而增大，而平随温度升高而增大，而平衡转化率衡转化率（ xA

4、e ）则随温度升高而减少，因此对每则随温度升高而减少，因此对每一个转化率应存在一个使反应速率为最大的最优一个转化率应存在一个使反应速率为最大的最优反应温度。反应温度。 21图5.1为不同转化率下，二氧化硫催化氧化反应 SO2 + O2=SO3的反应速率与温度的关系。由图5.1可见，每条等转化率曲线均有一极大值，这是因为温度较低时，平衡转化率xAe较大，xAe与xA的差值也较大，随温度升高，xAe与xA的差值减小的幅度较小，而反应速率常数（k1+k2）增加的幅度较大，所以反应速率随温度升高而增加。 而当温度较高时，平衡转化率xAe较小，xAe与xA的差值也较小，随温度升高，xAe与xA的差值减小

5、的幅度较大，而反应速率常数（k1+k2）增加的幅度随温度升高而减小，所以随温度升高反应速率反而减小。将式将式（5.12）改写为：改写为：将转化率曲线中所有的极值点标绘在XA-T相平面上即得最优温度曲线，如图5.2所示。显然，最优反应温度应满足如下条件：()0ArT （5.15）12(/)(/)100200(1)E RTE RTAAAAArk eCxk eC x（5.16）由（由（5.15）和（）和（5.16）可求得最优反应温度为：）可求得最优反应温度为：321101202121BBlnBxxkEkElnREETAAopt(5.17)式中：式中：REEB1211102202EkEkB AAxxB

6、13由式由式（5.17）可见，最优反应温度不仅与反应特可见，最优反应温度不仅与反应特性有关，而且随转化率的变化而变化，并随性有关，而且随转化率的变化而变化，并随xA增增加而降低。加而降低。即对可逆放热反应，其最优温度序列总是先高后即对可逆放热反应，其最优温度序列总是先高后低的。低的。当达到化学平衡时，当达到化学平衡时，-rA=0，由式，由式（5.16）可求得可求得化学平衡的反应温度：化学平衡的反应温度：212010ln()1eqAAEETkxRkx(5.18)将上式标绘在将上式标绘在xA- -T T 图上，即为图图上，即为图5.25.2中的平衡温度曲线。中的平衡温度曲线。式式（5.17）除以式除以式（5.18）得得AAAAeqoptxxkEkElnx