任务5管式反应器设计2

任务6

均相反应器设计与操作优化工作任务根据化工产品的生产条件和工艺要求进行间歇操作釜式反应器、连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器计算与操作优化。技术理论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。设计计算优化是根据给定的生产能力确定反应器型式、结构和适宜的尺寸及操作条件。操作优化是指反应器的操作必须根据各种因素的变化对操作条件做出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转，以达到优化的目标。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。对于简单反应过程，不存在选择性问题，唯一目标是反应速率。对于复杂反应过程，则选择性是优化目标。选择性的本质是反应生成目的产物的主反应速率与生成副产物的副反应速率的相对比值，取决于反应物浓度和反应温度。对于复杂反应，应根据选择性要求确定优化的温度和浓度条件。从工程角度看，优化就是如何进行反应器类型、操作方式和操作条件的选择并从工程角度予以实施，以实现浓度和温度的优化条件，提高反应过程的速率和选择性。6.1简单反应的反应器生产能力比较反应器的生产能力，即单位时间、单位体积反应器所能得到的产物量。换言之，生产能力的比较也是指得到同等产物量时，所需反应器体积大小的比较；或者说是在不同型式而体积相同的反应器中所能达到的转化率的大小。前面已讨论了三种基本反应器类型；间歇操作釜式反应器、连续操作釜式反应器和连续操作管式流动反应流动反应器。在三种不同类型反应器中进行简单反应时表现出不同的结果。6.1.1单个反应器对于同一恒容反应，若初始浓度和反应温度都相同，则达到相同的反应转化率时反应时间或反应体积的比较如下：6.1.1.1间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较对间歇操作反应器，其反应时间：对连续管式反应器，由上式可知，仅从反应时间而言，在间歇操作釜式反应器和连续管式反应器中进行时，所需时间是相同的。但由于间歇操作釜式反应器存在辅助时间，因此完成相同的生产任务所需要的体积比连续管式反应器要大，并且存在装料系数的问题。6.1.1.2连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较对连续操作釜式反应器：对连续操作管式反应器：则：

根据比较可知：当转化率很小时，反应器的性能受流动状态的影响较小。当转化率趋于0时，连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器体积比等于1。而随着转化率的增加，两者的体积比现场越来越显著。因此，对高转化率的反应，宜采用连续操作管式反应器。6.1.2多只串联连续操作釜式反应器完成相同的生产任务，采用单台连续操作釜式反应器时，所需反应器的有效体积大于连续管式反应器。

对于同一反应，达到相同的转化率采用多台串联连续操作釜式反应器时，所需反应器的有效体积比采用单台釜式反应器所需体积小得多，串联的釜数越多，需总反应器的体积越小，当串联釜数无限多时，则和连续操作管式反应器体积相同。6.1.3组合反应器的优化6.1.3.1多釜串联连续操作釜式反应器的优化先介绍只有两只反应釜串联的情况。可见，对于一级反应，各釜大小相同时是最优的。对于反应级数时较小的反应器在前面，而对于应先用较大的反应器。6.1.3.2自催化反应过程的优化自催化反应是指反应产物本身具有催化作用，能加速反应速率的反应过程。如生化反应的发酵、废水生化处理都具有自催化反应特征。自催化反应的特点：存在最大反应速率点。结论：①如果要求达到的转化率小于或等于xA1，此时达到相同的转化率，连续操作釜式反应器比连续操作管式反应器体积小，表明返混是有利因素。②当要求转化率较高时，为达到相同的转化率，连续操作釜式反应器比连续操作管式反应器体积大。③当反应处于中等转化率时，两类反应器差别不大。最优反应器组合：①先用一个连续操作釜式反应器，控制在最大速度点处操作，然后接一个连续操作管式反应器，达到高转化率，以充分利用原料。②一个连续操作釜式反应器后接一个分离装置，连续操作釜式反应器控制在最大速度点处操作。6.2复杂反应选择性的比较

对于复杂反应，在选择反应器型式和操作方法时必须考虑反应的选择性问题。（一）平行反应1.反应为一种反应物生成俩终产物动力学方程为：结论：

①当

时，提高反应温度则可使增大。故宜采用连续操作管式反应器，次采用间歇操作釜式反应器或多釜串联釜式反应器。

②当

时，降低反应物浓度，则可使增大。宜采用连续操作釜式反应器。

③当

时，则反应物浓度的改变对选择性无影响。6.2.1.2反应为两种反应物生成一种主产物和一种副产物动力学方程为：则反应的选择性为：6.2.2连串反应

动力学方程为：则反应的选择性为：结论：①对于连串反应，连续操作管式反应器的选择性高于连