反應(yīng)器選型與操作方式

1、反應(yīng)器選型與操作方式化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化 根據(jù)給定的生產(chǎn)能力，確定反應(yīng)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(yīng)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(yīng)的調(diào)整，使反應(yīng)器處于最優(yōu)條件下運轉(zhuǎn)，以達到優(yōu)化的目標(biāo)。 在建立工業(yè)反應(yīng)過程優(yōu)化目標(biāo)的定量關(guān)系，即優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)時，要把過程的經(jīng)濟目標(biāo)經(jīng)濟目標(biāo)和技技術(shù)目標(biāo)術(shù)目標(biāo)(反應(yīng)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(yīng)設(shè)備和操作條件。 化學(xué)反應(yīng)工程優(yōu)化的核心是化學(xué)因素化學(xué)因素和工程因工程因素素的最優(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)器類型、操作方式和操作條件。 影響反應(yīng)場所濃度的工

2、程因素反應(yīng)過程中任何工程因素對反應(yīng)結(jié)果的影響只能通過反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)實際進行場所的溫度和濃度，然后由反應(yīng)的動力學(xué)規(guī)律影響反應(yīng)結(jié)果反應(yīng)速率和選擇率。 反應(yīng)器型式操作條件操作方式間歇或連續(xù)預(yù) 混 合返 混滴際混合進料濃度加料方式反應(yīng)場所濃度反應(yīng)結(jié)果簡單反應(yīng)過程反應(yīng)器型式的比較對同一簡單反應(yīng)，在相同操作條件下，為達到相同轉(zhuǎn)化率，平推流反應(yīng)器所需體積為最小，而全混流反應(yīng)器所需體積為最大。即若反應(yīng)器體積相同，則平推流反應(yīng)器所達到的轉(zhuǎn)化率比全混流反應(yīng)器要高。 n級反應(yīng)在兩種不同反應(yīng)器中性能比較 若反應(yīng)要求較長的停留時間，采用管式反應(yīng)器會造成結(jié)構(gòu)或操作的困難，可采用連續(xù)釜式反應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)器組與PFR的性能比較（二級反應(yīng)） 自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化根據(jù)自催化反應(yīng)存在最大反應(yīng)速率的特征，在反應(yīng)器選型時，根據(jù)不同轉(zhuǎn)化率的要求，選用不同的反應(yīng)器及其組合型式，以減小反應(yīng)器體積。為了使反應(yīng)器總體積最小，可選用一個全混流反應(yīng)器，使反應(yīng)器保持在最高速率點處進行反應(yīng)是有利的。為了使反應(yīng)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(yīng)器后串連一個平推流反應(yīng)器來達到高轉(zhuǎn)化率要求。循環(huán)反應(yīng)器的最適宜

4、循環(huán)比可由求得。 0dRdVR可逆反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)可逆反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)和簡單反應(yīng)相同，隨反應(yīng)物的濃度增加，反應(yīng)速率單調(diào)增加。因此在設(shè)計和操作中，任何使反應(yīng)器中反應(yīng)物濃度任何使反應(yīng)器中反應(yīng)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(yīng)予避免。 為提高反應(yīng)速率，可通過改變可逆反應(yīng)的平衡狀態(tài)得到，即從反應(yīng)混合物中不斷移去產(chǎn)物，有利于反應(yīng)向生成產(chǎn)物方向進行。 )xx(C)kk()r(AAeAA021平行反應(yīng)的濃度效應(yīng)平行反應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)不僅是反應(yīng)過程速率，還必需考慮反應(yīng)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(yīng)選擇率的濃度效應(yīng)從選擇率的濃度效應(yīng)分析可知，如果主反應(yīng)級數(shù)高于副反應(yīng)級數(shù)，則提高整個反應(yīng)過程或反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度，其平均選擇率增加。要提高整個反應(yīng)過程或反應(yīng)器的反應(yīng)物濃度水平，可以采用提高反應(yīng)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(yīng)器選型反應(yīng)器選型平推流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器為了獲得最大的平均選擇率和最大的產(chǎn)物濃度，當(dāng)n1n2時，平推流反應(yīng)器優(yōu)于全混流反應(yīng)器。在不可能采用平推流反應(yīng)器時，可選用多級串連全混流反應(yīng)器。當(dāng)n1n2時，則全混流反應(yīng)器優(yōu)于平推流反應(yīng)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(yīng)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(yīng)的級數(shù)較高 (b)有用反應(yīng)的級數(shù)較低反應(yīng)器選型取決于平行反應(yīng)選擇率的濃度特征，即取決于 曲線的特征。 AC反應(yīng)器的操作方式反應(yīng)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(yīng)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(yīng)動力學(xué)的應(yīng)動力學(xué)的接觸模型接觸模型 連續(xù)操作時不同競爭反應(yīng)動力學(xué)的接觸模型連續(xù)操作時不同競爭反應(yīng)動力

7、學(xué)的接觸模型 串連反應(yīng)過程優(yōu)化對串連反應(yīng)過程，返混對選擇率總是不利的。 串連反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的控制十分重要，不能盲目追求反應(yīng)的高轉(zhuǎn)化率。 PFR與CSTR中串連一級反應(yīng)平均選擇率的比較 平推流反應(yīng)器的平均選擇率高于全混流反應(yīng)器； 串連反應(yīng)的平均選擇率隨反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的增大而下降； 選擇率與主、副反應(yīng)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(yán)重。 串連反應(yīng)的收率串連反應(yīng)的收率令 ，可分別求得平推流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器的最大收率 及相應(yīng)的最適宜平均停留時間 。 平推流反應(yīng)器 全混流反應(yīng)器 0ddCPmaxopt122)(210max,maxkkkAPkkCC1212lnkkkkopt221120max,max 1)(1kkCCAP211kkopt任何使反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物CP增大和原料CA減小的措施都不利于串連反應(yīng)過程選擇率的提高。 返混對于串連反應(yīng)過程的選擇率是不利因素，因而平推流反應(yīng)器或多級串連全混