1、反应器生产能力比较,反应器计算与操作的优化,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。 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、反应温度或温度分布,反应器生产能力的比较简单反应,简单
2、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。,三种理想反应器所需时间,5,间歇式,全混流,平推流,间歇操作釜式反应器与连续操作管式反应器仅比较两反应器的反应时间，两者所需的反应时间相同，但是间歇操作需要辅助时间，所以间歇反应器所需反应器体积大于连续操作管式反应器所需时间。,间歇式,平推流,连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器比较对于n0的反应，各反应器的有效体积大小为：PFR最小，N-CSTR次之，1-CSTR最大。PFR是高浓度的反应器，1CSTR是低浓度的反应器。反应
3、级数n越高，出口转化率要求越高，各反应器之间的差异越明显。,8,10,1,100,0.01,0. 1,1.0,n=3,n=2,n=1,=2 =1 =0 =-1/2 =-2/3,n=1/2,n=1/4,1-xA,xA0 体积比,xA1 体积比,对高转化率反应宜用,n体积比,n体积比,n=0体积比=1,思考：当反应级数大时应采用什么样的反应器？,1,大,平推流,9,单调递增平推流优于全混流,全混流,反应速率的倒数随转化率单调递增的情况：,10,随着转化率的增加，浓度在不断降低，反应速率的倒数还可以对浓度作图：,由速率倒数对浓度的作图也可直观的看到转化率单调递增(浓度单调递减)，平推流反应器空时比全
4、混流反应器小的多。,11,由图看出，若反应速率的倒数随转化率单调递增，则平推流的空时比全混流的小。,反之反应速率的倒数随转化率单调递减，则全混流反应器优于平推流反应器。,12,连续操作管式反应器与连续操作釜式反应器,当串联釜数无限多时，则与连续操作管式反应器体积相同。,组合反应器的优化,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n1，n0，较小的反应器在前面，而对于n 2，提高cA可使选择性增大，宜用连续操作管式反应器；当12，降低cA可使选择性增大，宜用连续操
5、作釜式反应器；当1=2，cA浓度无影响；,反应器型式选择（1）因为PFR内反应物的浓度较CSTR为高，故适宜于采用PFR，次则采用BR或N-CSTR。 （2）适宜于采用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。 (3) PFR加料方式的选择（1）反应物全部由反应器进口加入（PFR）或一次投料（BR）（2）分段加料（PFR）或分批加料（BR）,若反应为：则反应的选择性为：1、温度效应：同前2、浓度效应：同前3、反应器型式及操作方式选择 为了使选择性亦即rR/r S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
6、的控制，同样可以按进料方式和反应器类型而调整，如表所示。,28,间歇操作时不同竞争反应动力学的接触模型,先加入全部A，后缓慢加B,缓慢加入A和B,瞬间加入所有的 A 和 B,加料方法,操作示意图,CA高CB低,都低,都高,控制浓度要求,动力学特点,29,连续操作时不同竞争反应动力学的接触模型及其浓度分布,瞬间迅速加入A、B,缓慢加入A、B,一次加入A，分级加入Bor或及时移走产物回流A,30,3、串联反应,31,全混流平推流,只有当转化率接近0和1时，全混流的总收率才接近平推流反应器，所以平推流总是优于全混流。对于其他级数的反应同样适用。,连串反应,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：如R为目的产物，当k1，k2一定时，为使选择性Sp提高，即为使rR/rS比值增大，应使CA高CR低，适宜于采用PFR、BR和N-CSTR。,若S为目的产物，则应CA低CR高，适宜于采用1-CSTR。 但应注意，连串反应R生成的增加，有利于S的生成（特别是k1k2时）的特点，故以R为目的产物时，应保持较低的单程转化率。 当k1k2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 。,
