理想反應器PFR2ppt課件

1、3.9 反應器型式和操作方式的評選反應器型式和操作方式的評選選擇何種型式的反應器，工業(yè)上主要從下面兩方面進行考察：達到給定的生產(chǎn)能力所需的反應器體積最小，所謂生產(chǎn)能力即單位反應時間、單元反應體積的反應器所能得到的產(chǎn)物量；用同樣的原料所得的目的產(chǎn)物最多，即收率要大，選擇性要好；對簡單的單一反應，不存在副反應，故不存在產(chǎn)品分布的問題，所以在對反應器進行選型時，只需要考慮如何有利于反應速率的提高；對于復雜反應，由于在反應器內(nèi)同時進行幾個反應，影響過程經(jīng)濟性的往往是產(chǎn)物的收率，它直接影響到生產(chǎn)的操作費用和生產(chǎn)的成本，因此反應器的型式與操作方式的優(yōu)化選擇以產(chǎn)物的收率為主要目標。 1 1、單一反應的評選、

2、單一反應的評選 分三種情況評論：分三種情況評論： （1 1） 與與xAxA呈單調(diào)上升一切呈單調(diào)上升一切n0n0的不可逆等溫反應）：的不可逆等溫反應）：Ar1（2） 與xA呈單調(diào)下降一切n0的不可逆等溫反應）：Ar1（3） 與xA的曲線上存在極小值自催化反應或絕熱操作的放熱反應具有為一特性）Ar1設 xAM 為對應 最小的轉(zhuǎn)化率，則xAxAM時，具有上述2的特性，反之，則具有1的特性。試比較：若選擇如下三種方式操作，請問哪一種為最佳組合？Ar1PFRCSTRxA0CA0 xAfxAMVR111AAAFxC2v000AAAFxC1Ax222AAAFxC最優(yōu)順序為：最優(yōu)順序為： 例題16 見陳甘棠教

3、材P79例3-6-1 最優(yōu)操作溫度自學。2 2、復合反應的評選、復合反應的評選 反應器型式與操作方式的優(yōu)化選擇常以產(chǎn)物的收率為目標函數(shù)。對于恒容過程，總收率與瞬間收率一般用下式表示：總收率： 瞬時收率：AAPpCCC0APAppdCdCrr不同反應器型式，總收率與瞬時收率的關(guān)系形式不同 I對于分批釜式或PFR反應器： II對于CSTR反應器： 為了區(qū)分CSTR和PFR，以 表示CSTR的收率，那么：AACCAppApPCCdCdCdCAA00ppAfACCmm和AAPmmCCC0對于多釜串聯(lián)的CSTR反應器，第I釜：iAiPiAiAiPiPmimiCCCCCC,1,1,下面針對串聯(lián)反應和平行反

4、應進行討論幾種不同反應器型式的收率問題：（1串聯(lián)反應可參考相關(guān)章節(jié)） 為一級不可逆反應 對于PFR或分批釜式有：SPAkk21)2(ln) 1 (1212210max,121kkkktkkCCoptkkkAp對于CSTR有：)4(1)3(1212210max,kkkkCCoptAmp將3）/（1），并以 作圖，得下圖a，或以總收率pxA作圖以 為參數(shù)），得下圖b：12max,max,lgkkCCpmp12kk1.012lgkk1.012lgkk(a) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4max,max,pmpCC對于n=1的串聯(lián)反應，PFR總是優(yōu)于CSTR對產(chǎn)物P），k1=k2時，偏差最

5、大，k1和k2相差愈大，兩者的偏差愈小。 1.01.0AAppCCC0(b)121kk1021kk1 . 021kk0 xAPFRCSTR當 很小時，xAf越大，付反應越厲害，p很小，為避免付產(chǎn)物S取代產(chǎn)物P，可以設計為通過反應器的反應物料A的轉(zhuǎn)化率很小此時p較大），然后分離產(chǎn)物P，將未轉(zhuǎn)化的A循環(huán)到反應器進一步反應。假如工藝條件許可，可以改變操作溫度使 比值提高，以使xAf變大成為可能許可的操作條件，這是最有利的辦法。 21kk21kk （2平行反應：平行反應： 對于單一組分的平行反應：對于單一組分的平行反應： 其其p與與CA可能有如下三種變化形狀：可能有如下三種變化形狀：（Ap隨隨CA單調(diào)

6、增大：若有返混，則單調(diào)增大：若有返混，則CA變小，不利于收變小，不利于收率的提高，故采用無返混的反應器即率的提高，故采用無返混的反應器即PFR；（B） p隨隨CA單調(diào)下降：返混使收率提高，選擇返混為無單調(diào)下降：返混使收率提高，選擇返混為無窮大的窮大的CSTR；（C） p對對CA曲線存在最大值的情況：在曲線存在最大值的情況：在p，max之前，之前，即反應前期采用即反應前期采用CSTR，在，在p，max之后，即反應后之后，即反應后期采用期采用PFR，串聯(lián)反應器。，串聯(lián)反應器。APSAPSR以等溫進行的平行反應為例： （P為目的產(chǎn)物） 其反應動力學方程式為： P的瞬間選擇性：A+BPSk1k2 11

7、1bBaApCCkr 222bBaASCCkr 212121bbBaaAsppCCkkrrS分下面三種情況討論當a1a2、b1b2，則SP隨CA、CB單調(diào)上升，應選取無返混的反應器，選PFR為最優(yōu)；當a1a2、b1 a2、b1 a2、b1b2 a1a2、b1b2 a1a2、b1b2 應使CA、CB都高應使CA高、CB低應使CA、CB都低ABABCA0CB0CACBABA B B BCA0CB0CACBA B CA0CB0CACB例題17一級不可逆串聯(lián)反應：C6H5Cl為目的產(chǎn)物，反應恒溫恒容，反應式如下：知：k1=1.0h-1, k2=0.5h-1, V/v=1h, CA0=1mol/L, C

8、p0=CS0=0反應速率式為：求：（1PFR；（2CSTR；（3等體積CSTR串聯(lián)時；產(chǎn)物P的選擇性SP=？)()()(246256166SClHCPClHCAHCkkPAPAACkCkdtdCCkdtdC211解：（1PFR：LmoleeCCtkAA/368. 01110108. 3155. 0477. 0/155. 0147. 0368. 01/477. 00 . 15 . 011015 . 0021112SPPAPAStktkAPCCSLmolCCCCLmoleeeeCkkkC（2CSTR又：kCCVCkCvCvAAAAA1101000pApCkCkVCv210210121111kkCk

9、kCkCpAA代入數(shù)據(jù)得： CA=0.5mol/L, Cp=0.333mol/L CS=CA0-CA-Cp=0.167mol/L Sp=CP/CS=0.333/0.167=2.00（3等體積的CSTR串聯(lián) =1+2=1hr 1=2=0.5h 對于第二個反應器有： 代入數(shù)據(jù)： CA2=0.444mol/L, CP2=0.391mol/L, CS2=1-(0.444+0.391)=0.165mol/L 故：SP=CP2/CS2=2.37211011121122212010111kCkCkCCVCkCvCvAAAAAAA 222110112221101122221210201111kkCkkkCkC

10、CkCkVCvCvAAppApp例題18 k1=1.0, k2/k1=1.5, CA0=5mol/L, CP0=CS0=0, v0=5m3/h, xA=0.90或CA=0.5mol/L）其速率方程式：-rA=(k1+k2CA)CA, rP=k1CA, rS=k2CA2求：（1單一CSTR等溫下反應后的CP和VR； （2PFR的CP和VR； （3兩個CSTR串聯(lián)后的CP和VR； （條件：CP最大時每個反應器的體積）APSk1 k2知：解：（1） 單個CSTR： 代入數(shù)據(jù)得VR=25.7m3AAAAAAAAAAAPAAmAAmPCkkCCkCCkkCCCkCCrrCCCCC21012101000)

11、22100000AAAAAAARCkCkCCvrCCvvV (2) 單個PFR 300000221161. 35 . 115 . 11lnln5 . 11/054. 15 . 115 . 11ln5 . 115 . 110000mCCCCvCCdCvVLmolCCCCdCdCCkCkCkdCCAAAACCAAARAAPCCAAACCAAACCApPAAAAAAAA (3) 兩個CSTR串聯(lián)22111021210122112222121212112121111122115 . 115 . 11AAAAAAPAAAAAAAAAAAPmAAAAAPmAmAmPCCCCCCCCCCCCCCkkkCkC

12、kCkrrCkkkCkCkCkrrCCC為使CP最大，令 得，CA1=1.905mol/L所以, Cpmax=1.605mol/L。代入數(shù)據(jù)得：VR=10.13m3其中：VR1=2.107m3，VR2=8.023m301APdCdC2221210211211001AAAAAAAACCkkCCvVCCkkCCvV例題19有一分解反應： 知： k1=2min-1, k2=1mol.L-1.min-1, k3=1L.mol-1,min-1, CA0=2mol.L-1, P為目的產(chǎn)物，R，S為付產(chǎn)物。求：（ICSTR； （IIPFR；（III你所設想的最合適的反應器或流程中所能獲得的最高的CP=？APSRk1 k2 k3rP=k1CArR=k2rS=k3CA2 解：根據(jù)收率的定義，（I） CSTR所能獲得的最大CP： 2122AAAAPAPCCCrrdCdC44. 094/32/5 . 0:021202122200LmolCLmolCCCCdCdCdCdCCCCCCCCCPfAAAAAPfAPfAAAAfAAfAPf得最大時當（II） PFR很明顯，只有當A完全反應掉，曲線下的面積是最大，所以：積分代入數(shù)據(jù)得：CP，max=0.867mol/L?？偸章剩?02max,120AAACCAPdCCC