化学反应过程与设备(反应器设计和优化).ppt

项目2 反应器设计和优化 问题： 1 反应器设计的任务是什么？ 2 如何完成反应器的设计任务？ 3 什么是反应器的优化？ 4 如何进行反应器的优化？ 任务1 间歇操作釜式反应器设计 一、反应器中的流体流动模型 反应器中沟流、死角、短路的非理想流型举例: 二、均相反应动力学基础 1.基本概念 2.化学反应速率的表达 思考题 4.均相反应动力学 6.均相单一反应动力学方程 思考题 三、反应器计算的基本内容和基本方程 四、间歇操作釜式反应器体积和数量计算 五、间歇操作釜式反应器的动力学计算法 六、间歇操作釜式反应器直径和高度的计算 七、设备之间的平衡 任务2 连续操作釜式反应器的计算 热稳定性——影响反应器可操作性的首要因素反应器本身对热的扰动有无自行恢复平衡的能力。有，则是热稳定性的；无，则是热不稳定性的。 三、半间歇操作釜式反应器 B、图解法：当（-rA）不能用解析式表达或表达式较复杂时 任务5 反应器计算与操作优化 6 复杂反应的选择性比较 不同类型反应的优化目标： 对简单反应：只需考虑反应速率； 对复杂反应：优先考虑选择性。 反应的选择性：反应生成目的产物的主反应速率与生成副产 物的副反应速率之比。 影响选择性的因素： 优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。 化学因素包括反应类型及动力学特性； 工程因素包括： 反应器型式：管式、釜式及返混特性； 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或分段加料等。 操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温度分布。 1、简单反应的反应器生产能力的比较 简单反应的优化目标只需考虑反应速率。 即：对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同转化 率，要求反应器有效体积最小。或者说，当反应器体积相同 ，反应器所达到的转化率更高。 对同一恒容反应（ n＞0 ），初始浓度、反应温度均相同， 初始转化率XA0=0，达到相同的最终转化率XAf，进行反应时间 或反应体积的比较。 A、间歇釜式反应器与连续管式反应器生产能力的比较 间歇釜式反应器： 连续管式反应器： 仅从反应时间而言，在间歇操作釜式反应器和连续管式反应 器中进行时，所需反应时间是相同的。但由于间歇操作需要 辅助时间，因而应以操作周期为准，需要的反应体积比连续 操作管式反应器的体积要大，生产能力较小。 B、连续釜式反应器与连续管式反应器生产能力的比较 连续釜式反应器： 则： 如恒温恒容过程的幂指数型动力学方程式为： 则： 或者： 2、多只串联连续操作釜式反应器（N-CSTR） 串联釜式反应器： 连续管式反应器： 3、组合反应器的优化 问题：不同大小的多只连续操作釜式反应器串联操作时，若 最终转化率已经给定，如何确定其最优组合，使总有效体积 为最小？ 求解方法： A、解析法：按多只串联连续操作釜式反应器计算公式直接 求取。 设两釜串联： 根据串联操作釜式反应器的 计算公式： 则总停留时间： 对于两釜串联中进行一级不 可逆反应，且两釜温度相同： 结论： 对于一级反应，各釜大小相同 时总体积最小。 对于反应级数n≠1，n0时 较小的反应器在前面，而对于 n0应先用较大的反应器。 B、图解法 当B点正处于曲线上斜 率等于矩形对角线AC 的斜率时，对应的是 最优中间转化率。 1）多个串联连续操作釜式反应器的基础设计式： 对任意第i釜内的反应物A进行物料衡算： 检验i=1，n=1 2）求解方法 A、解析法： 按不同的反应动力学方程式代入依次逐釜进行计算，直至达 到要求的转化率为止。 B、图解法：适用于级数较高的化学反应，特别适于非一、二级反应， 但只适于（-rA）能用单一组分表示的简单反应，对复杂反应不适用。 步骤： 1、作出（-rA）-CA曲线 2、从起点CA = CA0出发，以-1/t1 为斜率作直线，交曲线于一点，即第 一釜的操作状态CA1 3、过点(CA1，0)以-1/t2为斜率作直 线,与曲线交点为第三釜操作点.… 4、过点(CAN-1,0)以-1/tN为斜率作 直线,与曲线交点为第N釜操作点CAN. 则出口转化率XAN=1- CAN / CA0 若已知CA0 、CAN 、N，求VR需用试 差法。 若各釜体积相同，则各直线斜率相同。 若各釜温度不同，则应分别作动力学 曲线，各釜直线分别与各自曲线相交。 ①如已知处理量V0、初始浓度CA0和要求的最终转化率xAN，采用相同体积VR，的理想连 续釜式反应器串联操作，求其串联的只数。 ②已知处理量V0 、初始浓度CA0和最终转化率xAN ，要求确定串联连续操作釜式反应器的 只数和各釜的有效体积。 如果串联的各釜式反应器操作温度不同，就需要绘出各釜操作温度下的动力学曲线，并分 别与相对应的操作线得出交点，同时满足各釜动力学方程式和物料衡算式的要求。 如果串联的各釜