34 反应器计算与操作的优化

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1、反应器计算与操作的优化化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。化学反应过程的技术目标有：反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。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。反应器计算与操作的优化反应器生产能力的比较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

2、化率、反应温度或温度分布反应器生产能力的比较——简单反应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。换句话说，若反应器体积相同，反应器所达到的转化率更高。常见反应器生产能力的比较对于n＞0的反应，各反应器的有效体积大小为：PFR最小，N-CSTR次之，1-CSTR最大。PFR是高浓度的反应器，1—CSTR是低浓度的反应器。反应级数n越高，出口转化率要求越高，各反应器之间的差异越明显。组合反应器的优化nCSTR的优化任务：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

3、经给定，如何确定其最优组合？规律：两釜串联时，对于一级反应，各釜大小相同时是最优的。对于反应级数n≠1，n>0，较小的反应器在前面，而对于n<0应先用较大的反应器。求解方法（1）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。（2）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。自催化反应过程的优化（1）定义：反应产物本身具有催化作用，能加速反应速率的反应过程。工业生产上的发酵过程是一类典型的自催化反应过程。自催化反应可表示为，其反应速率方程为：（2）自催化反应速率规律自催化反应过程的基本特征是存在一个最大反应

4、速率。解释：在反应初期，虽然反应物A的浓度很高，但此时作为催化剂的反应产物P的浓度很低，所以反应速率较低。到了反应后期，虽然产物P的浓度很高，但因反应物A的消耗，其浓度大大降低，此时反应速率也不高。故自催化反应在反应过程中会有一个最大反应速率出现。自催化反应与一般不可逆反应的根本区别在于反应的初始阶段有一个速率从低到高的起动过程。根据这种反应特性，采用适当的措施可以改善它的性能。自催化过程反应器组合的最优化要求高转化率时①先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，在其后串接一个PFR，达到所需的最终浓度水平。②先用一个CSTR，使反应在最大速率下进

5、行，然后在CSTR出口接一个分离装置，将未反应物与产物分离后循环使用。例：对于具有如图所示反应特征的反应，浓度从1mol/l到0.1mol/l,如何选择合适的反应器组合,使总体积最小?(在图中注明阴影)1/-rA0.11CA(mol/l)解题思路：1、上图所示反应特征的反应为自催化反应2、由图可知：反应物A的初始浓度为1mol/l，反应物A的浓度大约为0.4mol/l时反应速率最大，过了0.4mol/l反应速率降低。3、组合方式：（1）先将初始浓度为1mol/l的反应物A加入一CSTR中反应，控制出口处CA为0.4mol/l，使反应在最大速率下进行

6、。（2）再将0.4mol/l的反应物A加入一PFR中反应，使CA转化到0.1为止。