反應器選型與操作方式

1、反應器選型與操作方式化學反應過程的優(yōu)化設計優(yōu)化 根據(jù)給定的生產(chǎn)能力，確定反應器型式、結(jié)構(gòu)和適宜的尺寸及操作條件。 操作優(yōu)化 反應器的操作必須根據(jù)各種因素的變化對操作條件作出相應的調(diào)整，使反應器處于最優(yōu)條件下運轉(zhuǎn)，以達到優(yōu)化的目標。 在建立工業(yè)反應過程優(yōu)化目標的定量關(guān)系，即優(yōu)化的目標函數(shù)時，要把過程的經(jīng)濟目標經(jīng)濟目標和技技術(shù)目標術(shù)目標(反應速率、選擇率、能量消耗等)聯(lián)系起來，再進行過程的優(yōu)化計算以確定最優(yōu)的反應設備和操作條件。 化學反應工程優(yōu)化的核心是化學因素化學因素和工程因工程因素素的最優(yōu)結(jié)合?；瘜W因素包括反應類型及動力學特性。工程因素包括反應器類型、操作方式和操作條件。 影響反應場所濃度的工

2、程因素反應過程中任何工程因素對反應結(jié)果的影響只能通過反應器內(nèi)反應實際進行場所的溫度和濃度，然后由反應的動力學規(guī)律影響反應結(jié)果反應速率和選擇率。 反應器型式操作條件操作方式間歇或連續(xù)預 混 合返 混滴際混合進料濃度加料方式反應場所濃度反應結(jié)果簡單反應過程反應器型式的比較對同一簡單反應，在相同操作條件下，為達到相同轉(zhuǎn)化率，平推流反應器所需體積為最小，而全混流反應器所需體積為最大。即若反應器體積相同，則平推流反應器所達到的轉(zhuǎn)化率比全混流反應器要高。 n級反應在兩種不同反應器中性能比較 若反應要求較長的停留時間，采用管式反應器會造成結(jié)構(gòu)或操作的困難，可采用連續(xù)釜式反應器串連組合的型式，既可降低返混的影

3、響，又可保證足夠停留時間。 當串連釜數(shù)大于5時，繼續(xù)增大釜數(shù)，對返混限制的效果已不甚明顯。而當釜數(shù)增加時，在生產(chǎn)操作上困難也隨之增加。因此串連釜數(shù)的最優(yōu)選擇一般不超過4個。N個相同大小的CSTR串連的反應器組與PFR的性能比較（二級反應） 自催化反應過程的優(yōu)化根據(jù)自催化反應存在最大反應速率的特征，在反應器選型時，根據(jù)不同轉(zhuǎn)化率的要求，選用不同的反應器及其組合型式，以減小反應器體積。為了使反應器總體積最小，可選用一個全混流反應器，使反應器保持在最高速率點處進行反應是有利的。為了使反應原料得到充分利用，達到較高的轉(zhuǎn)化率，可以在全混流反應器后串連一個平推流反應器來達到高轉(zhuǎn)化率要求。循環(huán)反應器的最適宜

4、循環(huán)比可由求得。 0dRdVR可逆反應過程的濃度效應可逆反應速率的濃度效應和簡單反應相同，隨反應物的濃度增加，反應速率單調(diào)增加。因此在設計和操作中，任何使反應器中反應物濃度任何使反應器中反應物濃度降低的工程因素都是不利的降低的工程因素都是不利的，應予避免。 為提高反應速率，可通過改變可逆反應的平衡狀態(tài)得到，即從反應混合物中不斷移去產(chǎn)物，有利于反應向生成產(chǎn)物方向進行。 )xx(C)kk()r(AAeAA021平行反應的濃度效應平行反應優(yōu)化目標不僅是反應過程速率，還必需考慮反應的選擇率。 瞬時選擇率或局部選擇率 平均選擇率 收率 122111221111nnAnAnAnASPPCkkCkCkCkr

5、rrAfAPfCCC00APfCC選擇率的濃度效應選擇率的濃度效應從選擇率的濃度效應分析可知，如果主反應級數(shù)高于副反應級數(shù)，則提高整個反應過程或反應器的反應物濃度，其平均選擇率增加。要提高整個反應過程或反應器的反應物濃度水平，可以采用提高反應物初濃度或降低轉(zhuǎn)化率的辦法。與此相似，在一定初濃度下，降低轉(zhuǎn)化率，即提高殘余濃度，也能得到提高平均選擇率的結(jié)果。 反應器選型反應器選型平推流反應器 全混流反應器為了獲得最大的平均選擇率和最大的產(chǎn)物濃度，當n1n2時，平推流反應器優(yōu)于全混流反應器。在不可能采用平推流反應器時，可選用多級串連全混流反應器。當n1n2時，則全混流反應器優(yōu)于平推流反應器。 )(00

6、AfACCAPfCCdCCAfA)(0AfAfPfCCC(a) 平推流最優(yōu) (b) 全混流最優(yōu) (c) 全混流和平推流組合 由于各種因素必需采用全混流反應器時，除了增加串連釜數(shù)以提高選擇率外，各釜的最優(yōu)尺寸組合 (a)有用反應的級數(shù)較高 (b)有用反應的級數(shù)較低反應器選型取決于平行反應選擇率的濃度特征，即取決于 曲線的特征。 AC反應器的操作方式反應器的操作方式工程上可以通過改變物料初濃度、控制轉(zhuǎn)化率以及選擇合適的加料方式等措施來調(diào)節(jié)反應器的濃度水平。 間歇操作時間歇操作時不同競爭反不同競爭反應動力學的應動力學的接觸模型接觸模型 連續(xù)操作時不同競爭反應動力學的接觸模型連續(xù)操作時不同競爭反應動力

7、學的接觸模型 串連反應過程優(yōu)化對串連反應過程，返混對選擇率總是不利的。 串連反應轉(zhuǎn)化率的控制十分重要，不能盲目追求反應的高轉(zhuǎn)化率。 PFR與CSTR中串連一級反應平均選擇率的比較 平推流反應器的平均選擇率高于全混流反應器； 串連反應的平均選擇率隨反應轉(zhuǎn)化率的增大而下降； 選擇率與主、副反應的速率常數(shù)比值密切有關(guān)，k2/k1比值越大，其平均選擇率隨轉(zhuǎn)化率的增加而下降的趨勢越嚴重。 串連反應的收率串連反應的收率令 ，可分別求得平推流反應器和全混流反應器的最大收率 及相應的最適宜平均停留時間 。 平推流反應器 全混流反應器 0ddCPmaxopt122)(210max,maxkkkAPkkCC1212lnkkkkopt221120max,max 1)(1kkCCAP211kkopt任何使反應器內(nèi)反應產(chǎn)物CP增大和原料CA減小的措施都不利于串連反應過程選擇率的提高。 返混對于串連反應過程的選擇率是不利因素，因而平推流反應器或多級串連全混