化学反应过程的优化课件

可逆反应过程的优化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对于可逆反应反应速率可用下式表示：其中，k1、k2分别为正反应和逆反应的速率常数。(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（5.13）（2）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。对可逆吸热反应，k1、k2和xAe均随温度升高而增大。由式（5.14）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的最高温度。对可逆放热反应，k1、k2随温度升高而增大，而平衡转化率（

xAe）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反应温度。

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（5.12）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：（5.15）（5.16）由式（5.17）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xA增加而降低。即对可逆放热反应，其最优温度序列总是先高后低的。当达到化学平衡时，-rA=0，由式（5.16）可求得化学平衡的反应温度：(5.18)将上式标绘在xA-T图上，即为图5.2中的平衡温度曲线。最优温度序列的实现为使达到预定转化率的反应器体积最小，反应温度应随着转化率增加沿最优温度曲线逐步下降。在工业反应器中，只能采取接近最优条件的实施方案。多段绝热反应器可通过段间换热使反应温度的变化接近最优温度曲线。段间换热有两种方式：一为间接换热，即在间壁式换热器中用冷却介质对反应物流进行冷却；另一为直接换热，即直接引入冷反应物料或惰性组分，与反应物料混合降低其温度，这种方式也称为冷激。如何确定图中的a、b、c、d诸点？最优化问题，即在反应器段数确定后，对一定的进料和最终转化率，选定各段反应器的进出口温度和转化率使反应器的总容量或催化剂用量为最小。求解步骤：1）假定Ta。2）沿绝热线搜索，直至如下反应器容积最小判据被满足为第一段反应器的容积。利用中值定理，可整理为此式表示XA1与XA0之间，必有一点，也就是说各段反应器进口状态在最优温度曲线下，而出口状态在最优温度曲线之上。因此，各段反应器出口状态比在最优温度曲线和平衡温度曲线之间，通常经过二，三次试差即可十分接近最优解的b点位置。3）作冷却线搜索，冷却到c点，c点具有与b点相同的反应速率：4）自c点出发，沿绝热线搜索，直至满足（5.20）条件，确定d点的位置。5）如果d点为要求的最终转化率，假设的Ta正确，计算结束。此反应器，采用反应物料冷激换热时，其操作状况如图5.5，与图5.4相比，主要是冷却线不再与T轴平行，即转化率在冷却过程中会下降。采用冷激换热需要满足的条件：冷激物料与热物料之间的混合也是一种返混，所以采用冷激换热时，达到相同最终转化率所需反应器容积（或催化剂量）将大于采用间接换热，被冷激的物料转化率越高，由冷激所引起的返混影响也越大。多级串联的全混流反应器，其操作状况如图5.6所示，此时各反应器的操作点均应在最优温度曲线上，各级反应器容积的配置则应使反应器总容积最小。对二级全混釜串联的情况，即确定M点的位置，使二阴影矩形面积的和最小。在实际生产中，采用活塞流还是全混流反应器，取决于绝热操作线的斜率，当操作线斜率较小，即反