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第三章 理想反应器

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第三章 理想反应器. Ideal reactors. 3-4 半连续操作的反应器. 一种组分先加入,另一种组分慢慢加入(反应速度快且热效应大, T 迅速增加); 连续出料(产物析出结晶或生成其它新相态). 3-5 均相反应器的最佳选择. 1. 概述: 优化 -- 在一定范围内,选择一组优惠的决策变量,使过程系统对于确定的目标达到最优状态(设计优化、操作优化)。 优化核心: 化学因素 — 反应类型、动力学特性 工程因素 — 反应器类型 ( 管式、釜式、返混特性 ) ;

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3-4 半连续操作的反应器
  • 一种组分先加入,另一种组分慢慢加入(反应速度快且热效应大,T迅速增加);
  • 连续出料(产物析出结晶或生成其它新相态)
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3-5 均相反应器的最佳选择

1.概述:

  • 优化--在一定范围内,选择一组优惠的决策变量,使过程系统对于确定的目标达到最优状态(设计优化、操作优化)。
  • 优化核心:

化学因素—反应类型、动力学特性

工程因素—反应器类型(管式、釜式、返混特性);

操作方式(间歇、连续、半连续、分批加料、分段加料);

操作条件(反应物系初浓度、转化率、反应温度)

  • 优化目标:

简单反应—反应速率—最优温度和最优浓度

复合反应—选择率—主反应速率与生成副产物的副反应速率相对比值

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各种对反应场所浓度(或温度)产生相同影响的工程因素必定具有等效性。各种对反应场所浓度(或温度)产生相同影响的工程因素必定具有等效性。

例如:若原料浓度对反应过程有利:

  • 形式—返混;
  • 加料方式—分批(间歇)、分段(连续)
  • 操作方式—降低进料浓度

(以上各项等效)

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2. 单一反应过程反应器形式比较

结论:

1)单一反应、相同操作条件、达到相同转化率时:PFR所

需体积最小,CSTR所需体积最大;

2)反应器体积相同时:xPFR>xCSTR

由图知:

  • 转化率越高,差异越大;
  • 反应级数越大,差异越大;
  • 膨胀率越大,差异越大。
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例1:反应器性能比较

,当 时,由下列计算式计算间歇反应器的转化率 ,已知40oC时,k=0.07,试计算:

1)BR中,CA0=2.2mol/L, M=0.25, T=40oC, t=50min时

xA=? 若使xA=0.98,则需多长反应时间?

2)保持1)中工艺条件,使用CSTR,求达到1)的转化

率和0.98的转换率时所需空时?

3)用两个等体积CSTR串联操作,工艺条件同1),计

算xA=0.98时所需空时?

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3. 自催化反应过程反应器型式选择

1)结论:

  • 低转化率时(xAf较小):

VPFR大于VCSTR,全混流反应器优于活塞流反应器;

  • 中等转化率时:

VPFR约等于VCSTR,两种反应器无多大区别;

  • 高转化率时( xAf较大):

VPFR小于VCSTR,活塞流反应器优于全混流反应器。

思考:为什么?

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2)对于活塞流反应器,必须采用循环活塞流反应器,否则反应器入口附近效率会非常低—适当循环比—求导过程见书P62。2)对于活塞流反应器,必须采用循环活塞流反应器,否则反应器入口附近效率会非常低—适当循环比—求导过程见书P62。

3)反应器组—使反应大部分时间在最高速率点或接近最高速率组成下进行。(应如何组合?)

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4. 并联反应

(1)并联反应器选型—提高平均选择率 和产物浓度

  • 确定转化率下
  • 非确定转化率下

结论:并联反应的反应器选型取决于并联反应选择率的浓

度特征,即取决于 -- 曲线的特征

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例2:并联反应最大收率

有一并联反应,已知k1=2 mol/(L.min), k2=1mol/(L.min), k3= 1mol/(L.min), CA0=2mol/L。若不考虑未反应物料回收,试在等温条件下求:

(1)在CSTR中所能得到的最大产物收率;

(2)在PFR中所能得到的最大产物收率;

(3)假若未反应物料加以回收,采用何种反应器型式较为

合理?

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(2)并联反应反应器的操作方式选择

主、副反应级数相对大小—确定反应物浓度高低

—通过操作方式加以控制

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例3:操作方式的选择

已知并联反应,rP=k1CACB0.3, k1=k2=1, CA0=CB0=20mol/L, 分别从反应器进口加入,反应转化率为0.9,计算它们在PFR中的选择率和收率,并请选择合理的操作方式以提高该反应过程的平均选择率和收率。

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5. 串联反应

(1)串联反应器选型

—串联反应不能盲目追求高转化率,提高串联反应的工程措施与并联反应相仿,可以通过反应物初浓度和转化率的适当选择来实现,但串联反应中的情况要比并联反应复杂。

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(2)反应器选型与操作方式
  • 选型:

返混对于串联反应过程选择率均是不利因素

—PFR(或多级串联的CSTR)优于CSTR

  • 操作:全部从反应器加入或一次投料
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例4:串联反应过程的优化

,CA0=1mol/L, Cp0=Cs0=0, 实验测得数据如下

NO.1:CA=1/2, CP=1/6, CS=1/3

NO.2:CA=1/3, CP=2/15, CS=8/15

试问(1)反应动力学特征;

(2)应该选用什么反应器?

(3)在所选用反应器中,产物P的最大浓度是多少?

此时物料A的转化率为多大?