管式反應(yīng)器的操作與控制-均相反應(yīng)器的

任務(wù)：0204均相反應(yīng)器的優(yōu)化項目0250000噸/年乙二醇反應(yīng)器的選型、設(shè)計與操作任務(wù)引入：在一連續(xù)操作管式反應(yīng)器中生產(chǎn)乙酸丁酯，其反應(yīng)式為：反應(yīng)在恒溫條件下進行，溫度為373K，進料比為乙酸：丁醇＝1：4.97(mol)，以少量H2S04作催化劑。當使用過量丁醇時，該反應(yīng)以乙酸(下標以A計)表示的動力學(xué)方程式為在上述條件下，反應(yīng)速率常數(shù)＝0.00174m3／(kmol·min)，反應(yīng)物密度ρ＝750kg／m3(假設(shè)反應(yīng)前后不變）。若每天生產(chǎn)2400kg乙酸丁酯（不考慮分離等過程損失)。任務(wù)：1.計算要求乙酸轉(zhuǎn)化率達到0.5時所需反應(yīng)器的有效體積？2.若要放在釜式反應(yīng)器中進行同樣的反應(yīng)，分別進行間歇和連續(xù)操作，試進行比較。均相反應(yīng)器優(yōu)化單元任務(wù)點0204－1化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化理解化學(xué)反應(yīng)過程優(yōu)化的含義，總結(jié)不同反應(yīng)類型的優(yōu)化目標，理解優(yōu)化的核心是什么0204－2簡單反應(yīng)的優(yōu)化總結(jié)不同反應(yīng)器對于不同動力學(xué)特點的簡單反應(yīng)（正常動力學(xué)、反常動力學(xué)、零級反應(yīng)、自催化反應(yīng)）的生產(chǎn)能力的大小，能根據(jù)反應(yīng)特點選擇優(yōu)化的反應(yīng)器型式或反應(yīng)器組合0204－3復(fù)雜反應(yīng)的優(yōu)化能分析不同類型復(fù)雜反應(yīng)的動力學(xué)特點，能根據(jù)其動力學(xué)特點選擇優(yōu)化的反應(yīng)器型式和操作方式

0204－1化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化

化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化包括設(shè)計計算優(yōu)化和操作優(yōu)化兩種類型。化學(xué)反應(yīng)過程的技術(shù)目標有：反應(yīng)速率(reactionrate)——涉及設(shè)備尺寸，亦即設(shè)備投資費用。選擇性(selectivity)——涉及生產(chǎn)過程的原料消耗費用。能量消耗(energyconsumption)——生產(chǎn)過程操作費用的重要組成部分。不同類型反應(yīng)的優(yōu)化目標：對簡單反應(yīng)：只需考慮反應(yīng)速率；對復(fù)雜反應(yīng)：優(yōu)先考慮選擇性。優(yōu)化的核心是化學(xué)因素和工程因素的最優(yōu)結(jié)合?；瘜W(xué)因素包括反應(yīng)類型及動力學(xué)特性工程因素包括反應(yīng)器型式：管式、釜式及返混特性操作方式：間歇、連續(xù)、半間歇及加料方式的分批或分段加料等操作條件：物料的初始濃度、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)濃度或溫度分布

簡單反應(yīng)的優(yōu)化目標只需考慮反應(yīng)速率。即：對同一簡單反應(yīng)，在相同操作條件下，為達到相同轉(zhuǎn)化率，要求反應(yīng)器有效體積最小。換句話說，若反應(yīng)器體積相同，反應(yīng)器所達到的轉(zhuǎn)化率更高。0204－2簡單反應(yīng)的優(yōu)化一、理想流動反應(yīng)器的比較

單一反應(yīng)動力學(xué)：“正?！眲恿W(xué)，“反?！眲恿W(xué)，帶有最大值的動力學(xué)。不同的動力學(xué)結(jié)論不同，甚至截然相反。

1/-rA

PFR

1/-rA

CSTR

CSTRCASCADE

1/-rAxAxAxA若干重要影響因素：（a）轉(zhuǎn)化率：轉(zhuǎn)化率越高，體積差別越大（b）反應(yīng)級數(shù)：級數(shù)越高，體積差別越大（c）串聯(lián)級數(shù)：級數(shù)越多，體積差別越小二、組合反應(yīng)器的優(yōu)化1、nCSTR的優(yōu)化任務(wù)：不同大小的多只連續(xù)操作釜式反應(yīng)器串聯(lián)操作時，若最終轉(zhuǎn)化率已經(jīng)給定，如何確定其最優(yōu)組合？規(guī)律：兩釜串聯(lián)時，對于一級反應(yīng)，各釜大小相同時是最優(yōu)的。對于反應(yīng)級數(shù)n≠1，n>0，較小的反應(yīng)器在前面，而對于n<0應(yīng)先用較大的反應(yīng)器。求解方法（1）解析法：按多只串聯(lián)連續(xù)操作釜式反應(yīng)器計算公式直接求取。（2）圖解法當B點正處于曲線上斜率等于矩形對角線AC的斜率時，對應(yīng)的是最優(yōu)中間轉(zhuǎn)化率。2、自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化（1）定義：反應(yīng)產(chǎn)物本身具有催化作用，能加速反應(yīng)速率的反應(yīng)過程。工業(yè)生產(chǎn)上的發(fā)酵過程是一類典型的自催化反應(yīng)過程。自催化反應(yīng)可表示為，其反應(yīng)速率方程為：

（2）自催化反應(yīng)速率規(guī)律

CA-rACA0CAf自催化反應(yīng)過程的基本特征是存在一個最大反應(yīng)速率。解釋：在反應(yīng)初期，雖然反應(yīng)物A的濃度很高，但此時作為催化劑的反應(yīng)產(chǎn)物P的濃度很低，所以反應(yīng)速率較低。到了反應(yīng)后期，雖然產(chǎn)物P的濃度很高，但因反應(yīng)物A的消耗，其濃度大大降低，此時反應(yīng)速率也不高。故自催化反應(yīng)在反應(yīng)過程中會有一個最大反應(yīng)速率出現(xiàn)。自催化反應(yīng)與一般不可逆反應(yīng)的根本區(qū)別在于反應(yīng)的初始階段有一個速率從低到高的起動過程。根據(jù)這種反應(yīng)特性，采用適當?shù)拇胧┛梢愿纳扑男阅?。對于具有如圖所示反應(yīng)特征的反應(yīng)，濃度從1mol/l到0.1mol/l,如何選擇合適的反應(yīng)器組合,使總體積最小?(在圖中注明陰影)1/-rA0.11CA(mol/l)解題思路：1、上圖所示反應(yīng)特征的反應(yīng)為自催化反應(yīng)2、由圖可知：反應(yīng)物A的初始濃度為1mol/l，反應(yīng)物A的濃度大約為0.4mol/l時反應(yīng)速率最大，過了0.4mol/l反應(yīng)速率降低。3、組合方式：先將初始濃度為1mol/l的反應(yīng)物A加入一CSTR中反應(yīng)，控制出口處CA為0.4mol/l，使反應(yīng)在最大速率下進行。再將0.4mol/l的反應(yīng)物A加入一PFR中反應(yīng)，使CA轉(zhuǎn)化到0.1為止。CA1/-rACA0CAfCAm要求高轉(zhuǎn)化率時先用一個CSTR，使反應(yīng)在最大速率下進行，在其后串接一個PFR，達到所需的最終濃度水平。0204－3復(fù)雜反應(yīng)的優(yōu)化一、平行反應(yīng)(parallelreaction)(一)若反應(yīng)為定義選擇性

1、溫度效應(yīng)結(jié)論：提高反應(yīng)溫度有利于活化能高的反應(yīng)的選擇性的提高。E1>E2T升高→選擇性增大E1<E2T降低→選擇性增大E1=E2選擇性與溫度無關(guān)2、濃度效應(yīng)結(jié)論：升高反應(yīng)物濃度cA有利于級數(shù)高的反應(yīng)的選擇性的提高。n1>n2CA升高→選擇性增大n1<n2CA降低→選擇性增大n1=n2選擇性與CA無關(guān)

濃度的控制可以通過反應(yīng)器型式和加料方式進行調(diào)整。3、反應(yīng)器型式選擇設(shè)置較高的CA：采用PFR。因PFR內(nèi)反應(yīng)物的濃度較CSTR為高，次則采用BR或N-CSTR。設(shè)置較低的CA：采用CSTR。但在完成相同生產(chǎn)任務(wù)時，所需釜式反應(yīng)器體積較大。故需全面分析，再作選擇。與濃度無關(guān)：選用PFR，因同樣選擇性下其生產(chǎn)能力較大。4、加料方式的選擇設(shè)置較高的CA：高濃度的原料——反應(yīng)物全部由反應(yīng)器進口加入（PFR）或一次投料（BR）設(shè)置較低的CA：低濃度原料——分段加料（PFR）或分批加料（BR）（二）若反應(yīng)為1、溫度效應(yīng)：同（一）n1>n2m1>m2CA高CB高n1<n2m1<m2CA低CB低n1>n2m1<m2CA高CB低2、濃度效應(yīng)3、反應(yīng)器型式及操作方式選擇為了使選擇性亦即rR/rS比值為最大，對各種所希望的反應(yīng)物濃度的高、低或高-低結(jié)合，完全取決于競爭反應(yīng)的動力學(xué)。這些濃度的控制，同樣可以按進料方式和反應(yīng)器類型而調(diào)整。加料方式：間歇系統(tǒng)BABABCACBbothhighCACBbothlowCAhighCBlowAddAandBallatonetimeAddAandBsolwly;levelrisesStartwithAaddBslowly加料方式：連續(xù)系統(tǒng)CACBbothhighCACBbothlowCAhighCBlowContactingpatternsforvariouscombinationsofhighandlowConcentrationofreactantsincontinuousflowoperationsBAABBAABBBBA二、連串反應(yīng)(consecutivereaction)情況更為復(fù)雜，在此只討論一級反應(yīng)。對于連串反應(yīng)：反應(yīng)的選擇性為：1、如R為目的產(chǎn)物：當k1，k2一定時，為使Sp提高，應(yīng)使CA高CB低，適宜于采用PFR、BR和N-CSTR。2、若S為目的產(chǎn)物：則應(yīng)CA低CR高，適宜于采用1-CSTR。注意當k1≤k2時，R的增加，有利于S的生成。故以R為目的產(chǎn)物時，應(yīng)保持較低的單程轉(zhuǎn)化率。當k1≥k2時，可保持較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，這樣可使選擇性降低較少，但反應(yīng)后的分離負荷卻可以大為減輕。對于若E1＞E2，增高反應(yīng)溫度，主反應(yīng)的選擇性將

；若E1＜E2，增高反應(yīng)溫度，主反應(yīng)的選擇性將

。若n1＞n2，主反應(yīng)選擇性隨CA的升高而

，應(yīng)選用

反應(yīng)器。若n1＜n2，主反應(yīng)選擇性隨CA的升高而

，應(yīng)選用

反應(yīng)器。若n1=n2，主反應(yīng)選擇性隨CA的升高而

，應(yīng)選用

反應(yīng)器。對于其反應(yīng)選擇性（a1＞a2β