任務(wù)5管式反應(yīng)器設(shè)計2

任務(wù)6

均相反應(yīng)器設(shè)計與操作優(yōu)化工作任務(wù)根據(jù)化工產(chǎn)品的生產(chǎn)條件和工藝要求進(jìn)行間歇操作釜式反應(yīng)器、連續(xù)操作釜式反應(yīng)器和連續(xù)操作管式反應(yīng)器計算與操作優(yōu)化。技術(shù)理論化學(xué)反應(yīng)過程的優(yōu)化包括設(shè)計計算優(yōu)化和操作優(yōu)化兩種類型。設(shè)計計算優(yōu)化是根據(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)化是指反應(yīng)器的操作必須根據(jù)各種因素的變化對操作條件做出相應(yīng)的調(diào)整，使反應(yīng)器處于最優(yōu)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到優(yōu)化的目標(biāo)?；瘜W(xué)反應(yīng)過程的技術(shù)目標(biāo)有：反應(yīng)速率-涉及設(shè)備尺寸，亦即設(shè)備投資費(fèi)用；選擇性-涉及生產(chǎn)過程的原料消耗費(fèi)用；能量消耗-生產(chǎn)過程操作費(fèi)用的重要組成部分。對于簡單反應(yīng)過程，不存在選擇性問題，唯一目標(biāo)是反應(yīng)速率。對于復(fù)雜反應(yīng)過程，則選擇性是優(yōu)化目標(biāo)。選擇性的本質(zhì)是反應(yīng)生成目的產(chǎn)物的主反應(yīng)速率與生成副產(chǎn)物的副反應(yīng)速率的相對比值，取決于反應(yīng)物濃度和反應(yīng)溫度。對于復(fù)雜反應(yīng)，應(yīng)根據(jù)選擇性要求確定優(yōu)化的溫度和濃度條件。從工程角度看，優(yōu)化就是如何進(jìn)行反應(yīng)器類型、操作方式和操作條件的選擇并從工程角度予以實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)濃度和溫度的優(yōu)化條件，提高反應(yīng)過程的速率和選擇性。6.1簡單反應(yīng)的反應(yīng)器生產(chǎn)能力比較反應(yīng)器的生產(chǎn)能力，即單位時間、單位體積反應(yīng)器所能得到的產(chǎn)物量。換言之，生產(chǎn)能力的比較也是指得到同等產(chǎn)物量時，所需反應(yīng)器體積大小的比較；或者說是在不同型式而體積相同的反應(yīng)器中所能達(dá)到的轉(zhuǎn)化率的大小。前面已討論了三種基本反應(yīng)器類型；間歇操作釜式反應(yīng)器、連續(xù)操作釜式反應(yīng)器和連續(xù)操作管式流動反應(yīng)流動反應(yīng)器。在三種不同類型反應(yīng)器中進(jìn)行簡單反應(yīng)時表現(xiàn)出不同的結(jié)果。6.1.1單個反應(yīng)器對于同一恒容反應(yīng)，若初始濃度和反應(yīng)溫度都相同，則達(dá)到相同的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率時反應(yīng)時間或反應(yīng)體積的比較如下：6.1.1.1間歇操作釜式反應(yīng)器和連續(xù)操作管式反應(yīng)器比較對間歇操作反應(yīng)器，其反應(yīng)時間：對連續(xù)管式反應(yīng)器，由上式可知，僅從反應(yīng)時間而言，在間歇操作釜式反應(yīng)器和連續(xù)管式反應(yīng)器中進(jìn)行時，所需時間是相同的。但由于間歇操作釜式反應(yīng)器存在輔助時間，因此完成相同的生產(chǎn)任務(wù)所需要的體積比連續(xù)管式反應(yīng)器要大，并且存在裝料系數(shù)的問題。6.1.1.2連續(xù)操作釜式反應(yīng)器和連續(xù)操作管式反應(yīng)器比較對連續(xù)操作釜式反應(yīng)器：對連續(xù)操作管式反應(yīng)器：則：

根據(jù)比較可知：當(dāng)轉(zhuǎn)化率很小時，反應(yīng)器的性能受流動狀態(tài)的影響較小。當(dāng)轉(zhuǎn)化率趨于0時，連續(xù)操作釜式反應(yīng)器與連續(xù)操作管式反應(yīng)器體積比等于1。而隨著轉(zhuǎn)化率的增加，兩者的體積比現(xiàn)場越來越顯著。因此，對高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)，宜采用連續(xù)操作管式反應(yīng)器。6.1.2多只串聯(lián)連續(xù)操作釜式反應(yīng)器完成相同的生產(chǎn)任務(wù)，采用單臺連續(xù)操作釜式反應(yīng)器時，所需反應(yīng)器的有效體積大于連續(xù)管式反應(yīng)器。

對于同一反應(yīng)，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率采用多臺串聯(lián)連續(xù)操作釜式反應(yīng)器時，所需反應(yīng)器的有效體積比采用單臺釜式反應(yīng)器所需體積小得多，串聯(lián)的釜數(shù)越多，需總反應(yīng)器的體積越小，當(dāng)串聯(lián)釜數(shù)無限多時，則和連續(xù)操作管式反應(yīng)器體積相同。6.1.3組合反應(yīng)器的優(yōu)化6.1.3.1多釜串聯(lián)連續(xù)操作釜式反應(yīng)器的優(yōu)化先介紹只有兩只反應(yīng)釜串聯(lián)的情況?？梢?，對于一級反應(yīng)，各釜大小相同時是最優(yōu)的。對于反應(yīng)級數(shù)時較小的反應(yīng)器在前面，而對于應(yīng)先用較大的反應(yīng)器。6.1.3.2自催化反應(yīng)過程的優(yōu)化自催化反應(yīng)是指反應(yīng)產(chǎn)物本身具有催化作用，能加速反應(yīng)速率的反應(yīng)過程。如生化反應(yīng)的發(fā)酵、廢水生化處理都具有自催化反應(yīng)特征。自催化反應(yīng)的特點(diǎn)：存在最大反應(yīng)速率點(diǎn)。結(jié)論：①如果要求達(dá)到的轉(zhuǎn)化率小于或等于xA1，此時達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，連續(xù)操作釜式反應(yīng)器比連續(xù)操作管式反應(yīng)器體積小，表明返混是有利因素。②當(dāng)要求轉(zhuǎn)化率較高時，為達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，連續(xù)操作釜式反應(yīng)器比連續(xù)操作管式反應(yīng)器體積大。③當(dāng)反應(yīng)處于中等轉(zhuǎn)化率時，兩類反應(yīng)器差別不大。最優(yōu)反應(yīng)器組合：①先用一個連續(xù)操作釜式反應(yīng)器，控制在最大速度點(diǎn)處操作，然后接一個連續(xù)操作管式反應(yīng)器，達(dá)到高轉(zhuǎn)化率，以充分利用原料。②一個連續(xù)操作釜式反應(yīng)器后接一個分離裝置，連續(xù)操作釜式反應(yīng)器控制在最大速度點(diǎn)處操作。6.2復(fù)雜反應(yīng)選擇性的比較

對于復(fù)雜反應(yīng)，在選擇反應(yīng)器型式和操作方法時必須考慮反應(yīng)的選擇性問題。（一）平行反應(yīng)1.反應(yīng)為一種反應(yīng)物生成倆終產(chǎn)物動力學(xué)方程為：結(jié)論：

①當(dāng)

時，提高反應(yīng)溫度則可使增大。故宜采用連續(xù)操作管式反應(yīng)器，次采用間歇操作釜式反應(yīng)器或多釜串聯(lián)釜式反應(yīng)器。

②當(dāng)

時，降低反應(yīng)物濃度，則可使增大。宜采用連續(xù)操作釜式反應(yīng)器。

③當(dāng)

時，則反應(yīng)物濃度的改變對選擇性無影響。6.2.1.2反應(yīng)為兩種反應(yīng)物生成一種主產(chǎn)物和一種副產(chǎn)物動力學(xué)方程為：則反應(yīng)的選擇性為：6.2.2連串反應(yīng)

動力學(xué)方程為：則反應(yīng)的選擇性為：結(jié)論：①對于連串反應(yīng)，連續(xù)操作管式反應(yīng)器的選擇性高于連