組合反應(yīng)器設(shè)計(jì)

化學(xué)反應(yīng)工程論文組合理想反應(yīng)器的進(jìn)展目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 2\o"CurrentDocument"第一章理想反應(yīng)器的基本模型 3\o"CurrentDocument"1.1間歇反應(yīng)器（BR） 3\o"CurrentDocument"1.2全混流反應(yīng)器（CSTR） 4\o"CurrentDocument"1.3活塞流反應(yīng)器（PFR） 5\o"CurrentDocument"第二章組合理想反應(yīng)器模型 6\o"CurrentDocument"理想反應(yīng)器的串聯(lián) 6理想反應(yīng)器的并聯(lián) 9理想反應(yīng)器的各種組合 10\o"CurrentDocument"第三章理想反應(yīng)器的選擇應(yīng)用 11\o"CurrentDocument"3.1單一反應(yīng) 11\o"CurrentDocument"3.2自催化反應(yīng) 113.3復(fù)合反應(yīng) 123.3.1平行反應(yīng) 123.3.2連串反應(yīng) 14\o"CurrentDocument"第四章小結(jié) 15\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 16前言化學(xué)工業(yè)中的工藝過(guò)程一般包括原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)物分離和精制等操作?；瘜W(xué)過(guò)程的典型流行圖為：原料-分離過(guò)程-反應(yīng)過(guò)程-分離過(guò)程-產(chǎn)品+副產(chǎn)品顯然，在此過(guò)程中，反應(yīng)過(guò)程是實(shí)現(xiàn)增值的關(guān)鍵步驟，最重要的部分是反應(yīng)系統(tǒng)。但是，在一般的化工過(guò)程中，反應(yīng)器極其附屬設(shè)備的總投資和運(yùn)行成本只占過(guò)程總成本的10%?25%，分離單元的設(shè)備投資和運(yùn)行成本則占較大比重。所以，如果反應(yīng)過(guò)程過(guò)程能使用含雜質(zhì)原料而無(wú)需提純或者反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物，就比使用高效分離設(shè)備在經(jīng)濟(jì)上更合算。另外，反應(yīng)器運(yùn)行的好壞會(huì)明顯影響分離單元的運(yùn)行情況和運(yùn)行成本。因此反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作的好壞在很大程度上會(huì)左右全過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。工業(yè)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化包括反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作兩方面。在化工生產(chǎn)裝置中，反應(yīng)器的投資雖只占裝置總投資的一小部分，但卻是化工生產(chǎn)的核心?；み^(guò)程開(kāi)發(fā)的研究工作，在一定程度上往往是針對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行的，如反應(yīng)器的選型，條件的優(yōu)化和放大等等。開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)反應(yīng)器主要以下三個(gè)任務(wù)：（1）優(yōu)化動(dòng)力學(xué)特性，選擇合適的反應(yīng)器類型。（2）結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的特性，確定操作方式和優(yōu)化操作條件。（3）根據(jù)產(chǎn)量對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定反應(yīng)器的幾何尺寸，進(jìn)行評(píng)價(jià)。反應(yīng)器設(shè)計(jì)涉及以下基礎(chǔ)方程式：動(dòng)力學(xué)方程式：描述反應(yīng)器內(nèi)體系的溫度、濃度（或壓力）與反應(yīng)速率的關(guān)系；物料衡算方程式；熱量衡算方程式。衡算方程可寫(xiě)出下式：累積量=輸入量-輸出量-反應(yīng)量[1]化學(xué)反應(yīng)器的類型很多。由于反應(yīng)物料的性質(zhì)、反應(yīng)條件及生產(chǎn)規(guī)模不同，反應(yīng)器的型式、形狀、大小也各異。工業(yè)生產(chǎn)上，由于化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，為了滿足不同反應(yīng)的要求，有時(shí)采用相同或不相同的基本反應(yīng)器組合起來(lái)，構(gòu)成組合反應(yīng)器。從總體上看，組合反應(yīng)器可使反應(yīng)在最佳的狀態(tài)下進(jìn)行，從而使反應(yīng)器的有效容積盡量達(dá)到最大利用效率。本文從簡(jiǎn)單、理想的反應(yīng)器入手，然后推廣到比較復(fù)雜一些的理想反應(yīng)器組合的情況。第一章理想反應(yīng)器的基本模型對(duì)于均相反應(yīng)，因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中不存在相間傳遞過(guò)程，影響反應(yīng)速率的物理因素只有物料的混合和流動(dòng)狀態(tài)兩個(gè)方面。均相反應(yīng)所用的反應(yīng)器按完全混合和完全不混合分為兩類理想反應(yīng)器，理想混合反應(yīng)器和活塞流反應(yīng)器。理想混合反應(yīng)器是指在復(fù)式反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料的溫度和濃度完全相同。根據(jù)操作方式不同，理想混合反應(yīng)器可以分為間歇反應(yīng)器(BR),和全混流反應(yīng)器(CSTR)。活塞流反應(yīng)器(PFR)是連續(xù)流動(dòng)的管式反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料完全不混合，所有反應(yīng)物流體粒子以相同的流速和方向流動(dòng)，在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間完全相同［1］。三種理想反應(yīng)器的示意圖如下：a間歇反應(yīng)器b反應(yīng)器的示意圖如下：a間歇反應(yīng)器b全混流反應(yīng)器c活塞流反應(yīng)器圖1.1三種理想反應(yīng)器示意圖1.1間歇反應(yīng)器(BR)間歇反應(yīng)器是最簡(jiǎn)單、最常用的一種反應(yīng)器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、染料等精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)、高分子聚合反應(yīng)和生物化工等領(lǐng)域。一般適用于小批量、多品種、反應(yīng)速率慢的場(chǎng)合。該反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是靈活性大、設(shè)備費(fèi)用低、產(chǎn)量可大可小，并可用于生產(chǎn)不同品種的化學(xué)品。其缺點(diǎn)是設(shè)備利用率低、人工費(fèi)用高并難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。間歇反應(yīng)器的操作特點(diǎn)為：(1)一次加料；(2)一次出料；(3)定時(shí)反應(yīng)，即停留時(shí)間相同；(4)強(qiáng)烈攪拌，及濃度和溫度處處相同［1］。其操作方程為：圖1.2間歇式反應(yīng)器的圖解法示意圖可見(jiàn)，在間歇反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需的時(shí)間只與反應(yīng)速率有關(guān)，而與反應(yīng)器大小無(wú)關(guān)。1.2全混流反應(yīng)器（CSTR）全混流反應(yīng)器又稱連續(xù)攪拌理想反應(yīng)器。這類反應(yīng)器實(shí)際上是連續(xù)操作的理想槽式反應(yīng)器。由于流動(dòng)過(guò)程中，反應(yīng)物料的停留時(shí)間存在一定分布，因而會(huì)影響反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行，從而表現(xiàn)出于間歇反應(yīng)器不同的特點(diǎn)。在定常態(tài)下全混流反應(yīng)器的基本操作特點(diǎn)為：（1）整體始終均一；即無(wú)濃度和溫度梯度。（2）瞬間實(shí)現(xiàn)均一，即物料加入后瞬間實(shí)現(xiàn)混合。它的重要特性為：（1）反應(yīng)物出口溫度和濃度與反應(yīng)器內(nèi)物料的溫度和濃度相同且不發(fā)生變化。（2）因反應(yīng)過(guò)程中溫度和濃度均不變，所以反應(yīng)恒速進(jìn)行［1］。其操作方程為：或Cao（tAj—TAi）（一匚也

圖1.3全混流反應(yīng)器圖解計(jì)算示意圖1.3活塞流反應(yīng)器(PFR)工業(yè)上很多反應(yīng)式在管式反應(yīng)器中進(jìn)行的?；钊鞣磻?yīng)器是一種理想流動(dòng)的管式反應(yīng)器，它假定流體粒子像活塞一樣向前流動(dòng)，及所有流體粒子均以相同的速度從進(jìn)口向出口流動(dòng)，徑向不存在流速分布，整個(gè)反應(yīng)器不存在返混現(xiàn)象。PFR的操作方程如下：VVt=t=圖1.4活塞流反應(yīng)器圖解示意圖因此，在恒容過(guò)程中的活塞流反應(yīng)器的操作方程與間歇反應(yīng)器的操作方程完全相同。對(duì)于任何n級(jí)反應(yīng)而言(n>0)，在工藝條件及轉(zhuǎn)化率相同時(shí)，活塞流反應(yīng)器所需要的體積恒小于全混流反應(yīng)器的體積。換句話說(shuō)，若反應(yīng)體積相同，活塞流反應(yīng)器可得到的轉(zhuǎn)化率大于全混流反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率［2］。

第二章組合理想反應(yīng)器模型對(duì)于活塞流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器，這兩類理想反應(yīng)器可以各種串聯(lián)和平行的方式連接成為組合反應(yīng)器，與理想反應(yīng)器相比，組合反應(yīng)器的性能通常介于其間［3］。有時(shí)組合反應(yīng)器只是一種概念，被用作實(shí)際反應(yīng)器的模型，有時(shí)，組合反應(yīng)器是實(shí)際存在的。有許多采用組合反應(yīng)器的充分理由。溫度控制可能是重要的動(dòng)機(jī)。采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有時(shí)也是一個(gè)因素，因?yàn)樵谠黾友b置能力時(shí)能使裝置繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。理想反應(yīng)器的串聯(lián)串聯(lián)裝置是比較普遍的。攪拌釜式反應(yīng)器后串聯(lián)一個(gè)管式反應(yīng)器的組合也是常見(jiàn)的。當(dāng)反應(yīng)器串聯(lián)時(shí)，一個(gè)反應(yīng)器的出口用作另一個(gè)反應(yīng)器的入口。對(duì)于串聯(lián)反應(yīng)器，只有體積可以分配［3］。圖2.1圖2.1多段全V=￡vR 匸1R，‘30PlugflowFivemixedflowreactors,N=5節(jié)廠Singlemixedflowreactor,N=1I混流反應(yīng)器串聯(lián)out卄 Volumethrough穩(wěn)態(tài)，定容時(shí)，m段全混流反應(yīng)器串聯(lián)，斧怕m對(duì)于1級(jí)不可逆反應(yīng):防kCA-kCA0（1-亠）Vx-xx-xx-x=0(A,1A0+A,2A,1+...+A,m A,m-1)k 1-x 1-x 1-xA,1 A,2 A,m即：dVV/1-x皆=O( A,i-1dx k(1-x)2A,i A,idVV/1-x=0( A,i-1dx k(1-x)2A,i A,ix-xx

—A^i A,i-1=—,1-xA,i1-xA,i+1i=l,2,???,-11-xA,i+1-xA,i+1 Ai1-xA,i+1V =VR,i R,i+1可見(jiàn)，當(dāng)在多段全混流反應(yīng)器中進(jìn)行1級(jí)不可逆反應(yīng)時(shí)，各段的反應(yīng)體積相等時(shí)，總反應(yīng)體積最小。V=R,i

v0C(x-xA0A,i .(r)AiA,i-1-CA,i-1 A,i(r)Ai-CAikCA,iA丿CA,i-11+ktiCA0CA,1 A,2CCA0 A,1=nmCA,m-1i=1(1-1k-)1+kti因?yàn)閤因?yàn)閤A,mC——1 A,m-CA0所以xA,m=1-rf(1+ktii=1當(dāng)各段反應(yīng)體積相等時(shí)，=t2=...=tm=txA,m=1-(1+kt1)m或t=[或k(1-x )1/mA,m-1]反應(yīng)總體積當(dāng)各段反應(yīng)體積不同時(shí)，反應(yīng)總體積當(dāng)各段反應(yīng)體積不同時(shí)，mv=mV=mvt=o[ -1]R,i 0k(1-x)1/mA,m如圖2-2所示，在生產(chǎn)任務(wù)（CA0、CAf、v0）和段數(shù)給m給定時(shí),總是希望反應(yīng)體積越小越好，這就涉及各段反應(yīng)體積的最優(yōu)分配問(wèn)題。0Xcot2KLMT2M.0*2X2ArbitrarycurveAreameasuresSizeoffirstunit<-Ofsecondunit圖2.2不等體積全混流反應(yīng)器串聯(lián)圖示非1級(jí)反應(yīng)在多段全混流反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，若按照總體積最小的條件式確定反應(yīng)體積時(shí)，確定的各段反應(yīng)體積將不是相等的，但是與等體積設(shè)計(jì)時(shí)，總體積一般差別不會(huì)超過(guò)10%。而體積不等時(shí)，對(duì)設(shè)備的購(gòu)置和維修等會(huì)帶來(lái)許多困難，所一般都選用等體積方案。對(duì)于不同大小的全混流反應(yīng)器串聯(lián)操作時(shí)，對(duì)于反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的反應(yīng)，較小的反應(yīng)器應(yīng)在前面；而對(duì)于n<0的反應(yīng)，較大的反應(yīng)器應(yīng)在前面［1。圖2.3多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)tiVR，/dxAv0圖2.3多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)tiVR，/dxAv0t—t+t+...+t12n-C(R1佇+h空A+...+Jx.A0 xA0rA xA1 rAA,NXA,N-1dxA)

rAdxdx——ArA-C\A，NA0xA0由以上計(jì)算可知，多級(jí)平推流反應(yīng)器的串聯(lián)與單一平推流反應(yīng)器相同。

00Rate-concentrationcurve圖00Rate-concentrationcurve圖2.4全混流反應(yīng)器與活塞流反應(yīng)器的混合串聯(lián)2.2理想反應(yīng)器的并聯(lián)全混流反應(yīng)器的并聯(lián)放大是不常見(jiàn)的，但有時(shí)它們被用于增加能力。與串聯(lián)體系相比，并聯(lián)體系有一個(gè)額外的自由度。總體積和流量都可在兩并聯(lián)單元間任意分配［3］。盡管理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合與反應(yīng)體積比較并聯(lián)有額外變量，與具有同樣總得V和Q的單個(gè)反應(yīng)器相比，只要并聯(lián)反應(yīng)器的溫度相同，在性能上并無(wú)優(yōu)點(diǎn)。在必須向物料傳遞或由反應(yīng)物料取出大量熱量時(shí)，多個(gè)相同的小反應(yīng)器并聯(lián)可能較為有利，以為比較容易達(dá)到要求的操作溫度。圖2.5理想反應(yīng)器的并聯(lián)2.3理想反應(yīng)器的各種組合(a)(a)(c)(d)對(duì)于活塞流反應(yīng)器:對(duì)于全混流反應(yīng)器:(c)(d)對(duì)于活塞流反應(yīng)器:對(duì)于全混流反應(yīng)器:當(dāng)反應(yīng)體積相同，反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)時(shí);當(dāng)反應(yīng)體積相同，反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)時(shí);a)Af,a^AV^A01+2ktb)Af,a A0 (1+kVR)2a)Af,a^AV^A01+2ktb)Af,a A0 (1+kVR)2^A0(1+kt)2c)e—ktAf,cA1VA01+ktd)C e—ktAf,dA1v01+ktee)f)g)—kRC=Ce v0/2=C e一2ktTOC\o"1-5"\h\zAf,e A0 A0—kRC=Ce v0=Ce—2ktAf,f A1 A01C\o"CurrentDocument"C— [C ]Af,g 2A0 1+2kt第三章理想反應(yīng)器的選擇應(yīng)用反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度是單位體積反應(yīng)器所具有的生產(chǎn)能力。在相同的條件下，反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積越小，則表明其生產(chǎn)能力越大。簡(jiǎn)單反應(yīng)不存在產(chǎn)品分布問(wèn)題，只需從生產(chǎn)能力上優(yōu)化。復(fù)雜反應(yīng)則存在產(chǎn)品分布，且產(chǎn)品分布隨反應(yīng)過(guò)程條件的不同而變化，因而，目的產(chǎn)物的收率（產(chǎn)率或得率）和選擇性比反應(yīng)所需反應(yīng)器體積的大小更重要。單一反應(yīng)活塞流反應(yīng)器與單段全混流反應(yīng)器是兩種極端情況，一種需要的反應(yīng)體積最小，而另一種則最大。對(duì)于不同大小的全混流反應(yīng)器操作時(shí)，對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)n>0的反應(yīng)，較小的反應(yīng)器應(yīng)在前面，對(duì)于n<0的反應(yīng)，其最優(yōu)排列是較大的反應(yīng)器應(yīng)在前面［1］。對(duì)于不同形式反應(yīng)器組合，比如用一個(gè)活塞流反應(yīng)器和兩個(gè)大小不同的全混流反應(yīng)器組成反應(yīng)器組。當(dāng)n>0時(shí)，其最優(yōu)排列是先活塞流反應(yīng)器，后較小的全混流反應(yīng)器，最后較大的全混流反應(yīng)器，而當(dāng)n<0時(shí)，排列次序正好相反⑴。自催化反應(yīng)對(duì)于低轉(zhuǎn)化率的自催化反應(yīng)，全混流反應(yīng)器優(yōu)于活塞流反應(yīng)器；在高轉(zhuǎn)化率的自催化反應(yīng)中，用活塞流管式反應(yīng)器優(yōu)于全混流反應(yīng)器。若最終轉(zhuǎn)化率小于最大速率點(diǎn)，則全混流反應(yīng)器比任何循環(huán)比的活塞流反應(yīng)器都好。若最終轉(zhuǎn)化率大于最大速率點(diǎn)，則具有適當(dāng)回流比的活塞流反應(yīng)器優(yōu)于活塞流反應(yīng)器或全混流反應(yīng)器。對(duì)于自催化反應(yīng)，為了是反應(yīng)總體積最小，可以設(shè)計(jì)一個(gè)反應(yīng)器組合使反應(yīng)大部分時(shí)間在最高速率點(diǎn)或接近最高速率組成下進(jìn)行。比如，開(kāi)始時(shí)使用已給全混流反應(yīng)器，使反應(yīng)在最高速率的轉(zhuǎn)化率下進(jìn)行。在反應(yīng)后期，為了達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，可以使用一個(gè)活塞流反應(yīng)器，如圖3.1中a所示。若將未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物經(jīng)分離裝置分離出產(chǎn)物后再返回到反應(yīng)器中，則最優(yōu)組合為一個(gè)全混流反應(yīng)器與一個(gè)分離裝置的組合，如圖3.1中b所示。

ab圖3.1用于自催化反應(yīng)的反應(yīng)器組合復(fù)合反應(yīng)與單一反應(yīng)不同，僅用轉(zhuǎn)化率不足以說(shuō)明復(fù)合反應(yīng)的結(jié)果，因此引入了目的產(chǎn)物的收率和選擇性概念。生成目的產(chǎn)物所消耗的關(guān)鍵組分的摩爾數(shù)收率：Y=-進(jìn)入系統(tǒng)的關(guān)鍵組分摩爾數(shù)選擇性：S選擇性：S=轉(zhuǎn)化率、收率、選擇性三者之間的關(guān)系：Y=xAS3.3.1平行反應(yīng)A+B—s（目的產(chǎn)物）;A+B—T（副產(chǎn)物）dcrdcr二一s-kcqSdt1Adcr=t-kcq2Tdt2A主副反應(yīng)速率之比：濃度效應(yīng)主副反應(yīng)速率之比：濃度效應(yīng);對(duì)比速率與選擇性的關(guān)系rS二—r+rSTrk—S= 1caj_a2rkAT2rk亠=1Ca廠a2rkAT2選擇不同反應(yīng)器和加料方式[4,5]⑴當(dāng)a「a2時(shí)，因?yàn)镻FR內(nèi)反應(yīng)物的濃度較CSTR為高，故適宜于采用PFR,其次則采用BR或N-CSTR。當(dāng)時(shí)，適宜采用CSTR，但在完成相同生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，所需釜式反應(yīng)器體積較大。12故需全面分析，再作選擇。當(dāng)巴二a?時(shí)，選擇性與反應(yīng)物濃度無(wú)關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，高的反應(yīng)濃度有利于反應(yīng)級(jí)數(shù)高的反應(yīng);低的反應(yīng)物濃度有利于反應(yīng)級(jí)數(shù)第的反應(yīng)；主副反應(yīng)級(jí)數(shù)相同的平行反應(yīng)，濃度的高低不影響產(chǎn)物的分布［1］。若反應(yīng)物的濃度低時(shí)選擇性高，可采用圖3.2中a所示方式，即各段的反應(yīng)體積逐漸縮小。若反應(yīng)物的濃度高時(shí)選擇性高，可采用圖3.2中b所示方式，及各段的反應(yīng)體積逐漸增加。a主反應(yīng)的級(jí)數(shù)低時(shí)b主反應(yīng)的級(jí)數(shù)高時(shí)3.2多段全混流反應(yīng)器的配置JCBtX洶MfiMQ,.CgtX3<H血Qhigh,CbI**4ll