可逆反應(yīng)和平行反應(yīng)優(yōu)化

六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化※1.可逆反應(yīng)過程的優(yōu)化（1）反應(yīng)物濃度的優(yōu)化對反應(yīng)速率的影響對于可逆反應(yīng)反應(yīng)速率可用下式表示：(6-1)六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化當(dāng)達到化學(xué)平衡時，－rA=0，則有：由上式可求得：代入式（6－1）得：（6－2）六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化對可逆反應(yīng)過程，沒有副產(chǎn)物的形成，故優(yōu)化的目標為反應(yīng)速率最大，即達到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時所需的反應(yīng)器體積最小。由式（6－2）可見，在反應(yīng)溫度恒定下，提高反應(yīng)物初始濃度（CA0），降低轉(zhuǎn)化率，有利于反應(yīng)速率的提高。六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化（2）最優(yōu)反應(yīng)溫度和最優(yōu)溫度序列對可逆反應(yīng)過程，溫度的影響較之濃度效應(yīng)復(fù)雜。對可逆放熱反應(yīng)，k1、k2隨溫度升高而增大，而平衡轉(zhuǎn)化率（xAe）則隨溫度升高而減少，因此對每一個轉(zhuǎn)化率應(yīng)存在一個使反應(yīng)速率為最大的最優(yōu)反應(yīng)溫度。對可逆吸熱反應(yīng)，k1、k2和xAe均隨溫度升高而增大。由式（6－2）可見，反應(yīng)速率也隨溫度升高而增大。所以最優(yōu)反應(yīng)溫度也就是反應(yīng)體系能承受的最高溫度。六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化對于可逆放熱反應(yīng)，顯然，最優(yōu)反應(yīng)溫度應(yīng)滿足如下條件：(6-3)將式（6－1）改寫為：(6-4)六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化由（6－3）和（6－4）可求得最優(yōu)反應(yīng)溫度為：(6-5)式中：六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化由式（6－5）可見，最優(yōu)反應(yīng)溫度不僅與反應(yīng)特性有關(guān)，而且隨轉(zhuǎn)化率的變化而變化，并隨xA增加而降低。即對可逆放熱反應(yīng)，其最優(yōu)溫度序列總是先高后低的。圖6－3中所示的最優(yōu)溫度曲線。圖6－3最優(yōu)溫度線與平衡溫度線六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化當(dāng)達到化學(xué)平衡時，－rA=0，由式（6－4）可求得化學(xué)平衡的反應(yīng)溫度：（6－6）將式（6－6）標繪在T－xA相平面上，得到圖6－3所示的平衡溫度曲線。六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化由以上分析可知，存在最優(yōu)溫度序列是可逆放熱反應(yīng)的一個重要特征，對反應(yīng)過程的優(yōu)化具有重要的意義。為使達到預(yù)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)器體積最小，反應(yīng)溫度應(yīng)隨轉(zhuǎn)化率增加沿最優(yōu)溫度曲線逐步降低。六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化2.平行反應(yīng)過程優(yōu)化（1）濃度對平行反應(yīng)產(chǎn)物選擇性的優(yōu)化①一種反應(yīng)物生成兩種生成物的平行分解反應(yīng)其反應(yīng)生成目標產(chǎn)物R和副產(chǎn)物P的反應(yīng)動力學(xué)方程式為：（6－7）（6－8）六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化選擇性：（6－9）可見優(yōu)化的目標是使SR盡可能增大，亦得到較多的R。對于給定溫度下的反應(yīng)系統(tǒng)，k1、k2、a1、a2均為常數(shù)。故改善產(chǎn)物分布和選擇性的唯一手段是調(diào)節(jié)反應(yīng)物濃度CA，這取決于主反應(yīng)和副反應(yīng)級數(shù)的相對高低。六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化a.當(dāng)a1＜a2時，CA↓，SR↑有利于生成較多的產(chǎn)物R，所以全混流反應(yīng)器有利于提高R的選擇性，但所需的反應(yīng)器體積較間歇反應(yīng)器或管式活塞流反應(yīng)器大。故應(yīng)做全面分析，再作選擇。b.當(dāng)a1＞a2時，CA↑，SR↑所以應(yīng)選擇間歇反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器，有利于生成較多的產(chǎn)物R。b.當(dāng)a1=a2時，SR=k1/k2=constant,選擇性與反應(yīng)物濃度無關(guān)六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化反應(yīng)物為兩種反應(yīng)物生成一種主產(chǎn)物和一種副產(chǎn)物的平行反應(yīng)，即：其反應(yīng)動力學(xué)方程式分別為：六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化故反應(yīng)的選擇性為：(6-10)六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化(2)溫度對平行反應(yīng)產(chǎn)物分布（即選擇性）的優(yōu)化當(dāng)反應(yīng)溫度改變時，式（6－9）或（6－10）中的k1/k2將隨之改變，從而影響產(chǎn)物分布。根據(jù)Arrhennius方程代入k1/k2得出:(6-11)六.化學(xué)反應(yīng)過程與設(shè)備的優(yōu)化由式（6