《北学反应工程》敦 第3章理想反应踞 3.6反应器的型式与操作方法的评选 第三章理想反应器 3.6反应器型式与操作方法的评选(1) 教学目标 1.了解影响反应器经济性的因素,过程的经济性主要受两个因素影响:反应器的大小, 体积越小越好;产物的分布:选择性越高越好 2.了解操作条件选择的依据:温度影响、浓度影响、加料方式 3.撑握单一反应的反应器选型的依据、方法:最优温度的选定。 4.撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据(以目标产物收率为主要目标)、 方法;影响选择性的因素 教学重点 1.单一反应的反应器选型的依据、方法;最优温度的选定。 2.撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据(以目标产物收率为主要目标)、 方法;影响选择性的因素。 教学难点 1.单一反应的反应器选型的依据、方法:最优温度的选定。 2.撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据(以目标产物收率为主要目标)、 方法;影响选择性的因素。 教学方法 讲授法 学时分配 授课时间 200年月日 教学过程 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第1页共11页
《化学反应工程》教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 第三章 理想反应器 3.6 反应器型式与操作方法的评选(1) 教学目标 1． 了解影响反应器经济性的因素，过程的经济性主要受两个因素影响：反应器的大小， 体积越小越好；产物的分布：选择性越高越好。 2． 了解操作条件选择的依据：温度影响、浓度影响、加料方式。 3． 撑握单一反应的反应器选型的依据、方法；最优温度的选定。 4． 撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据（以目标产物收率为主要目标）、 方法；影响选择性的因素。 教学重点 1． 单一反应的反应器选型的依据、方法；最优温度的选定。 2． 撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据（以目标产物收率为主要目标）、 方法；影响选择性的因素。 教学难点 1. 单一反应的反应器选型的依据、方法；最优温度的选定。 2. 撑握串联反应、平行反应等复合反应的选型依据（以目标产物收率为主要目标）、 方法；影响选择性的因素。 教学方法 讲授法 学时分配 2 学时 授课时间 200 年 月 日 教学过程 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 1 页 共 11 页
《北学反应工程》敦 第3章理想反应踞 3.6反应器的型式与操作方法的评选 复习旧课] 1.循环操作的平推流反应器的特点; 2.循环操作的平推流反应器的设计方程: 3.循环操作的平推流反应器的最优循环比及其计算。 [引言] 化学反应工程研究的目的是实现工业反应过程的优化。而所谓工业反 应过程的优化,就是在一定的范围内,选择一组优惠的决策变量,使“系 统”对于确定的评价标准达到最佳状态。化学反应过程的优化包括设计优 化和操作优化 设计优化 基础 工业反应过程的优化 操作优化 1)设计优化:就是根据给定的生产能力,确定反应器的型式、结构 和适宜的尺寸及操作条件; 2)操作优化:就是指反应器的操作,必须根据各种因素的变化对操 作条件做出相应的调整,使反应器处于最优条件下运转,以达到优化的目 设计优化是工业反应过程优化的基础 优化目标是过程优劣的评价标准(一般表达为决策变量的函数关系 构成目标函数),而工业反应过程的经济收益是评价生产过程最主要的优化 目标。在建立工业反应过程优化目标和定量关系,即优化目标函数时,要 把过程的经济目标和技术目标联系起来,再进行过程的优化计算以确定最 优的反应设备和操作条件 工业反应过程的技术目标: ①反应速率:涉及反应器的尺寸,亦即设备的设资费用 ②反应选择性(选择率):涉及生产过程的原料消耗费 ③能量消耗:生产过程操作费用的重要组成部份。 由于能量消耗是从整个车间基至整个工厂作为一个系统而加以考虑 的,所以下面以反应速率和选择性两个目标加以讨论。 [引入新课] 1)单一反应 不存在选择性问题,唯一目标是反应速率。为了获得最大反应速率, 要求一定的温度、浓度及基最优温度在过程的规定值上。而反应速率涉及 设备尺寸(亦即设备投资费用),故对简单反应,本节将对反应器选型和最 优温度的优化进行讨论 A、反应器的选型 B、最优温 (2)复杂反应 对于复杂反应过程,则选择率是优化的主要目标。选择性决定了产品 中原料的消耗程度。根据现代工业发展统计表明,原料的消耗费用在产品 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第2页共11页
《化学反应工程》教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［复习旧课］ ［引 言］ ［引入新课］ １．循环操作的平推流反应器的特点； ２．循环操作的平推流反应器的设计方程； ３．循环操作的平推流反应器的最优循环比及其计算。 化学反应工程研究的目的是实现工业反应过程的优化。而所谓工业反 应过程的优化，就是在一定的范围内，选择一组优惠的决策变量，使“系 统”对于确定的评价标准达到最佳状态。化学反应过程的优化包括设计优 化和操作优化： 设计优化 基础 工业反应过程的优化 操作优化 １）设计优化：就是根据给定的生产能力，确定反应器的型式、结构 和适宜的尺寸及操作条件； ２）操作优化：就是指反应器的操作，必须根据各种因素的变化对操 作条件做出相应的调整，使反应器处于最优条件下运转，以达到优化的目 标。 设计优化是工业反应过程优化的基础。 优化目标是过程优劣的评价标准（一般表达为决策变量的函数关系， 构成目标函数），而工业反应过程的经济收益是评价生产过程最主要的优化 目标。在建立工业反应过程优化目标和定量关系，即优化目标函数时，要 把过程的经济目标和技术目标联系起来，再进行过程的优化计算以确定最 优的反应设备和操作条件。 工业反应过程的技术目标： ①反应速率：涉及反应器的尺寸，亦即设备的设资费用； ②反应选择性（选择率）：涉及生产过程的原料消耗费用； ③能量消耗：生产过程操作费用的重要组成部份。 由于能量消耗是从整个车间基至整个工厂作为一个系统而加以考虑 的，所以下面以反应速率和选择性两个目标加以讨论。 （１）单一反应 不存在选择性问题，唯一目标是反应速率。为了获得最大反应速率， 要求一定的温度、浓度及基最优温度在过程的规定值上。而反应速率涉及 设备尺寸（亦即设备投资费用），故对简单反应，本节将对反应器选型和最 优温度的优化进行讨论。 Ａ、反应器的选型； Ｂ、最优温度。 （２）复杂反应 对于复杂反应过程，则选择率是优化的主要目标。选择性决定了产品 中原料的消耗程度。根据现代工业发展统计表明，原料的消耗费用在产品 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 2 页 共 11 页
《北学反应工程》敦 第3章理想反应踞 3.6反应器的型式与操作方法的评选 成本中占有极大比重,可达到70%以上,而反应器设备和催化剂一般在产 品成本中仅占很少份额,约占2%~5%。因此,对复杂反应过程选择率将 比反应速率重要得多,选择性是主要择术目标 A、选择性。 [板书]|3.6-1反应的评选 1.反应器的选型 讲解] 由于单一反应不存在副反应,故不存在产品分布问题。所以,在反应 器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高。对于单一反应,反应速率 与反应物浓度的关系可能有下述三种性状 (1)1(-r)和x呈单调上升,如图36-1所示,对于n>0的不可逆 等温反应均有图示的特征 平摧流反应 全混流反应器 多釜串联全混流反应器 图3-5-6不同反应器所需的容积(r=v/vo) [引导分析] ①各种反应器的设计方程如下 副板书] 平推流反应器:r= 间歇釜式反应器:t=CA d x 单一全混流反应器:τxA(恒容) 多釜串联的全混流反应器:==Cm-x ②完全混合的间歇反应器(不考虑非生产性时间)与全混流的比较 [小结] 显然,此时采用平推流反应器或间歇操作的完全混合的反应器所需的 反应容积最小,但对后者还需考虑非生产性操作时间,它将导致反应容积 增大;其次是采用多釜串联的全混流反应器:而单一的全混流反应器所需 的容积最大,且反应转化率x愈高,容积效率就愈低。 分批操作的完全容积<多釜串联操]容积<「单一全混流 平推流反应器或 作的全混流 混合反应 反应器 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第3页共11页
《化学反应工程》教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［板 书］ ［讲 解］ ［引导分析］ ［副 板 书］ ［小 结］ 成本中占有极大比重，可达到 70%以上，而反应器设备和催化剂一般在产 品成本中仅占很少份额，约占 2%～5%。因此，对复杂反应过程选择率将 比反应速率重要得多，选择性是主要择术目标。 Ａ、选择性。 3.6-1 反应的评选 １．反应器的选型 由于单一反应不存在副反应，故不存在产品分布问题。所以，在反应 器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高。对于单一反应，反应速率 与反应物浓度的关系可能有下述三种性状： (１) ( ) A 1 −r 和 呈单调上升，如图 3-6-1 所示，对于 的不可逆 等温反应均有图示的特征。 Ax n > 0 τ/CA0 τ/CA0 xA xA xA xA xA xA xA1 xA2 τ1 τ2 τ3 CA0 CA0 CA0 平推流反应 全混流反应器 多釜串联全混流反应器 图 3-5-6 不同反应器所需的容积（ 0 τ = V v ） ① 各种反应器的设计方程如下： 平推流反应器： ∫ − = = Ax A A A r dx C v V 0 0 0 τ 间歇釜式反应器： ∫ − = Ax A A A r dx t C 0 0 单一全混流反应器： A A A r x C v V − = = 0 0 τ （恒容） 多釜串联的全混流反应器： A i A i A i A i i r x x C v V , , , 1 0 0 − − = = − τ ② 完全混合的间歇反应器(不考虑非生产性时间)与全混流的比较 V t VB = = τ η 显然，此时采用平推流反应器或间歇操作的完全混合的反应器所需的 反应容积最小，但对后者还需考虑非生产性操作时间，它将导致反应容积 增大；其次是采用多釜串联的全混流反应器；而单一的全混流反应器所需 的容积最大，且反应转化率 χA愈高，容积效率就愈低。 → < → < 反应器 单一全混流 反应器 作的全混流 容积 多釜串联操 混合反应器 分批操作的完全 平推流反应器或 容积 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 3 页 共 11 页
《北学反应工程》敦 第3章理想反应踞 3.6反应器的型式与操作方法的评选 (2)(r4)和x的增大而单调的下降,如图3-6-2所示,对于一切n<0 的不可逆等温反应均具有此性状。 τ/CA0平推流反应器 T/C单一全混流反应器 TA x/xA2 XA3 XA4 xA5 图3-6-2反应器型式与所需的反应容积 [分析] 对于一切n<0的不可逆等温反应均具有此性状,此时反应物浓度下降 反而会增大反应速率。所以“返混”会导致反应器容积的减少。采用具有 返混的(单一)全混流反应器为最佳,多釜串联将导致反应器容积增大, 且釜数愈多容积就愈大,平推流将不利于这类反应 [小结] 单一全混流]容积<「多釜串联操作的]容积 反应器 平推流反应器 (3)1(r4)和x的曲线上存在着极小值,如图363所示,自催化反 应和绝热操作的放热反应具有这种特征 [分析] ①当反应器出口转化率x4<xAM(相应于最小-rA)值的xAM时),具 有(2)所述的特征,如下图虚线左边部份: 图3-6-3各型式反应器与反应容积o) 此时全混流反应器最优(容积Ⅴ最小),平推流反应器容积最大。 ②当反应物料的起始转化率x0≥xM时,则有(1)所述的反应特征: 平推流反应器最优,其次是多釜串联的全混流反应器。 ③而当x<xM而x4>xAM的场合,即x0<xAM<x4时,则各种型式的 反应器性能的优劣按下一顺序排列(参见图3-6-3) [小结] 全混流串接平推流反应器最优:循环操作的平推流反应器次之:平推 流反应器:全混流反应器最差 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第4页共11页
《化学反应工程》教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［分 析］ ［小 结］ ［分 析］ ［小 结］ (2) ( ) A 1 −r 和 的增大而单调的下降，如图 3-6-2 所示，对于一切 n<0 的不可逆等温反应均具有此性状。 Ax τ/CA0平推流反应器 τ/CA0单一全混流反应器 τ1 τ2 τ3 xA1 xA2 xA CA0 CA0 CA0 CA0 CA0 τ4 τ5 xA xA4 xA5 xA xA3 图 3-6-2 反应器型式与所需的反应容积 对于一切 n<0 的不可逆等温反应均具有此性状，此时反应物浓度下降 反而会增大反应速率。所以“返混”会导致反应器容积的减少。采用具有 返混的（单一）全混流反应器为最佳，多釜串联将导致反应器容积增大， 且釜数愈多容积就愈大，平推流将不利于这类反应。 [ ] 平推流反应器 容积 全混流反应器 容积 多釜串联操作的 反应器 单一全混流 → < → < (3) ( ) A 1 −r 和 的曲线上存在着极小值，如图 3-6-3 所示，自催化反 应和绝热操作的放热反应具有这种特征。 Ax ① 当反应器出口转化率 xA < xAM （相应于最小( ) A 1 −r 值的 时），具 有（2）所述的特征，如下图虚线左边部份： xAM 0 xAM xA2 xA 图 3-6-3 各型式反应器与反应容积(o) 此时全混流反应器最优（容积 V 最小），平推流反应器容积最大。 ② 当反应物料的起始转化率 xA0 ≥xAM 时，则有(1)所述的反应特征： 平推流反应器最优，其次是多釜串联的全混流反应器。 ③ 而当 xA0 < xAM而xA > xAM 的场合，即 A AM A x < x < x 0 时，则各种型式的 反应器性能的优劣按下一顺序排列(参见图 3-6-3)： 全混流串接平推流反应器最优；循环操作的平推流反应器次之；平推 流反应器；全混流反应器最差。 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 4 页 共 11 页
《北学反应工程》敦 第3章理想反应踞 3.6反应器的型式与操作方法的评选 T=τ+t 面积A=面积B C,2 (a)全混流+平推流 (b)在最优循环比下 (c)全混流或平推流 图3-6-1各种型式反应器与其反应容积 [举例] 例3-6-1自催化反应A+R→2R,其速率方程为: kCCI 在70°C下等温地进行此反应,在此温度下k=1.512m/ kmol h:其它数 据如下:CA=0.99kmol/m3:C=0.01kmol/m3,v=10m3h:要求反应的转化 率XA=0.09。试求当分别在全反应器;平推流反应器;在最优循环比下操作 的平推流反应器以及在全混流串接平推流反应器中进行反应时所需的反应 积 讲解] 令a=CE=001=00101 因为 所以:CR=CR0+CxA=C(a+x4) BrDA: -rA= kCACR= kCao(1-xACAo(+x4=kCdo(l-xAXa+x4) (Ⅰ)全混流反应器所需的容积,由式(3-3-1)得 V= KOf -x a+xa 1.512×0991-099X01+099) (Ⅱ)平推流反应器所需的容积,由式(3-5-6): 可得: F=-0 xana 10 n100+lnl.00 1.512×0.9×1.0101 (Ⅲ)在最优循环比下操作的平推流反应器所需的反应容积。由式 (3-5-25)、(3-5-28)可 作者:傅杨武重庆三峡学院化学工程系 第5页共11页
《化学反应工程》教案 第 3 章 理想反应器 3.6 反应器的型式与操作方法的评选 ［举 例］ ［讲 解］ xA 0 xA 0 xA 0 (a) 全混流+平推流 (b) 在最优循环比下操 作的平推流反应器 (c) 全混流或平推流 τ /CA0 平推流 全混流 1 τ /CA0 -rA1 1+β β 1 xA1 xA2 A B 面积A=面积B τ1 /CA0 τ2 /CA0 τ =τ1+τ2 xAM 图 3-6-1 各种型式反应器与其反应容积 例 3-6-1 自催化反应 A+R 2R，其速率方程为: A ACR −r = kC 在 70o C 下等温地进行此反应，在此温度下 k=1.512m3 /kmol . h；其它数 据如下：CA0=0.99kmol/m3 ；CR0=0.01kmol/m 3 ，νo=10m 3 /h；要求反应的转化 率 χA=0.09。试求当分别在全反应器；平推流反应器；在最优循环比下操作 的平推流反应器以及在全混流串接平推流反应器中进行反应时所需的反应 容积。 解： 令 0.0101 0.99 0.01 0 0 = = = A R C C a 因为： (1 ) A A0 A C = C − x 所以： ( ) R R0 A0 A A0 A C = C + C x = C a + x 所以： ( )( ) A A R A A A A A A A − r = kC C = kC (1− x )C (a + x ) = kC 1− x a + x 2 0 0 0 (Ⅰ)全混流反应器所需的容积，由式(3-3-1)得 A A A r x C v V − = = 0 0 τ 得： ( )( ) ( )( ) 3 0 0 661 1.512 0.99 1 0.99 0.0101 0.99 10 0.99 1 m kC x a x v x V A A A A = × − + × = − + = (Ⅱ)平推流反应器所需的容积，由式(3-5-6)： ∫ − = = Ax A A A r dx C v V 0 0 0 τ 可得： ( )( ) ( ) [ ] 3 0 0 0 0 0 0 0 0 60.8 ln100 ln1.0001 1.512 0.99 1.0101 10 ln 1 1 ln 1 1 1 1 1 1 1 m a a x kC a x v dx kC a x a x v x a x dx kC v V A A A x A A A A x A A A A A A = + × × = + + + − = + + + − = − + = ∫ ∫ (Ⅲ)在最优循环比下操作的平推流反应器所需的反应容积。由式 （3-5-25）、(3-5-28)可 作者：傅杨武 重庆三峡学院化学工程系 第 5 页 共 11 页