均相反应器的优化

任务0204均相反应器的优化项目二

管式反应器操作与控制

任务引入：在一连续操作管式反应器中生产乙酸丁酯，其反应式为：反应在恒温条件下进行，温度为373K，进料比为乙酸：丁醇＝1：4.97(mol)，以少量H2S04作催化剂。当使用过量丁醇时，该反应以乙酸(下标以A计)表示的动力学方程式为在上述条件下，反应速率常数＝0.00174m3／(kmol·min)，反应物密度ρ＝750kg／m3(假设反应前后不变）。若每天生产2400kg乙酸丁酯（不考虑分离等过程损失)。任务：1.计算要求乙酸转化率达到0.5时所需反应器的有效体积？

2.若要放在釜式反应器中进行同样的反应，分别进行间歇和连续操作，试进行比较。

均相反应器优化单元任务点0204－1化学反应过程的优化理解化学反应过程优化的含义，总结不同反应类型的优化目标，理解优化的核心是什么0204－2简单反应的优化总结不同反应器对于不同动力学特点的简单反应（正常动力学、反常动力学、零级反应、自催化反应）的生产能力的大小，能根据反应特点选择优化的反应器型式或反应器组合0204－3复杂反应的优化能分析不同类型复杂反应的动力学特点，能根据其动力学特点选择优化的反应器型式和操作方式

0204－1化学反应过程的优化

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(reactionrate)——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。选择性(selectivity)——涉及生产过程的原料消耗费用。能量消耗(energyconsumption)——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。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、反应浓度或温度分布

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。0204－2简单反应的优化一、理想流动反应器的比较

单一反应动力学：“正常”动力学，“反常”动力学，带有最大值的动力学。不同的动力学结论不同，甚至截然相反。

1/-rA

PFR

1/-rA

CSTR

CSTRCASCADE

1/-rAxAxAxA若干重要影响因素：（a）转化率：转化率越高，体积差别越大（b）反应级数：级数越高，体积差别越大（c）串联级数：级数越多，体积差别越小二、组合反应器的优化1、nCSTR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，n>0，较小的反应器在前面，而对于n<0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。2、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

CA-rACA0CAf自催化反应过程的基本特征是存在一个最大反应速率。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。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：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。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。CA1/-rACA0CAfCAm要求高转化率时先用一个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。0204－3复杂反应的优化一、平行反应(parallelreaction)(一)若反应为定义选择性

1、温度效应结论：提高反应温度有利于活化能高的反应的选择性的提高。E1>E2T升高→选择性增大E1<E2T降低→选择性增大E1=E2选择性与温度无关1、温度效应结论：提高反应温度有利于活化能高的反应的选择性的提高。E1>E2T升高→选择性增大E1<E2T降低→选择性增大E1=E2选择性与温度无关2、浓度效应结论：升高反应物浓度cA有利于级数高的反应的选择性的提高。n1>n2CA升高→选择性增大n1<n2CA降低→选择性增大n1=n2

选择性与CA无关

浓度的控制可以通过反应器型式和加料方式进行调整。3、反应器型式选择设置较高的CA：采用PFR。因PFR内反应物的浓度较CSTR为高，次则采用BR或N-CSTR。设置较低的CA：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。与浓度无关：选用PFR，因同样选择性下其生产能力较大。4、加料方式的选择设置较高的CA：高浓度的原料——反应物全部由反应器进口加入（PFR）或一次投料（BR）设置较低的CA：低浓度原料——分段加料（PFR）或分批加料（BR）（二）若反应为1、温度效应：同（一）n1>n2m1>m2CA高CB高n1<n2m1<m2CA低CB低n1>n2m1<m2CA高CB低2、浓度效应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。

加料方式：间歇系统BABABCACBbothhighCACBbothlowCAhighCBlowAddAandBallatonetimeAddAandBsolwly;levelrisesStartwithAaddBslowly加料方式：连续系统CACBbothhighCACBbothlowCAhighCBlowContactingpatternsforvariouscombinationsofhighandlowConcentrationofreactantsincontinuousflowoperationsBAABBAABBBBA二、连串反应(consecutivereaction)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：1、如R为目的产物：当k1，k2一定时，为使Sp提高，应使CA高CB低，适宜于采用PFR、BR和N-CSTR。2、若S为目的产物：则应CA低CR高，适宜于采用1-CSTR。注意当k1≤k2时，R的增加，有利于S的生成。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。

对于若E1＞E2，增高反应温度，主反应的选择性将

；若E1＜E2，增高反应温度，主反应的选择性将

。若n1＞n2，主反应选择性随CA的升高而

，应选用

反应器。若n1＜n2，主反应选择性随CA的升高而

，应选用

反应器。若n1=n2，主反应选择性随CA的升高而

，应选用

反应器。

对于其反应选择性（a1＞a2β