《化学反应工程》课程教学资源（随堂PPT课件）第7章 反应器选型与操作优化

Chemical Reaction Engineering 7.化学反应过程的优化 7.1概述 研究目的：工业反应过程的优化 优化一在一定范围内（约束条件）选择一组 合适的变量，使系统对评价标准（优化指标） 达到最优。 反应速率 优化的技术指标了 选择性 能耗 两大因素：浓度效应、温度效应

Chemical Reaction Engineering 7. 化学反应过程的优化 7.1 概述 优化的技术指标 反应速率 选择性 能耗 两大因素：浓度效应、温度效应 研究目的：工业反应过程的优化 优化—在一定范围内（约束条件）选择一组 合适的变量，使系统对评价标准（优化指标） 达到最优

Chemical Reaction Engineering 工程思维方法 工程因素 反应场所， 反应结果 C、工 物理因素 化学因素

Chemical Reaction Engineering 物理因素 化学因素 工程因素 反应场所 反应结果 C、T 工程思维方法

Chemical Reaction Engineering 浓度因素： 间歇或连续 预混合 反应器型式 返混 操作条件 反应场所 反应 滴际混合 操作方式 浓度 结果 进料浓度 加料方式 反应速率 返混 反应物浓度C4↓ 产物浓度、.Cp↑ 反应选择性 物理因素 动力学因素

Chemical Reaction Engineering 返混 反应物浓度CA↓ 产物浓度 CP↑ 反应速率 反应选择性 物理因素 动力学因素 反应器型式 操作条件 操作方式 间歇或连续 预 混 合 返 混 滴际混合 进料浓度 加料方式 反应场所 浓度 反应 结果 浓度因素：

Chemical Reaction Engineering 7.2简单反应过程的比较 间歇反应器(BSTR) 三种反应器基本类型 平推流反应器(PFR) 连续搅拌釜式反应器(CSTR) 优化目标：x VgVR PFR 人 CA CSTR CA0-CN (-rA)/ CAD CA

Chemical Reaction Engineering 7.2 简单反应过程的比较 三种反应器基本类型 间歇反应器（BSTR） 平推流反应器（PFR） 连续搅拌釜式反应器（CSTR） 优化目标： V0 VR  = VR PFR  − = − A A c c A A P r dc 0 ( )  A f A Af m r C C ( ) 0 − − CSTR  =

Chemical Reaction Engineering 级反应 一级反应： kr-50 N个相同体积的 20 CSTR串连系统 0 与PFR的比较 5 N= TN/TPFR 22 1.0 0.01 01 1-=C/C, 2 3 N

Chemical Reaction Engineering 一级反应： N个相同体积的 CSTR串连系统 与PFR的比较 τN/τPFR . 1 2 3 N

Chemical Reaction Engineering N=1为全混流反应器(CsTR) 10 级反应 二级反应： N个相同体积的 CSTR串连系统 10 与PFR的比较 TN/T PFR (8) N- N-10 1.0N=(平推流正 0.01 2 3 N

Chemical Reaction Engineering 二级反应： N个相同体积的 CSTR串连系统 与PFR的比较 τN/τPFR . 1 2 3 N

Chemical Reaction Engineering 例：一级反应 N kt=2 串联釜数N 1 2 3 5 00 转化率XA 0.67 0.750.7840.814 0.864 CSTR PFR ·反应器釜数对总费用的影响 N≤4 4古67 反应釜个数

Chemical Reaction Engineering 例：一级反应 N kτ=2 串联釜数N 1 2 3 5 ∞ 转化率XA 0.67 0.75 0.784 0.814 0.864 CSTR PFR N  4 •反应器釜数对总费用的影响

Chemical Reaction Engineering 例7-1反应器性能比较 生产氯丁橡胶的单体2-氯-1,3丁二烯是将3,4-二氯丁烯在乙醇中用碱脱氯化氢而得，反应 方程式为： HHHH H H-C=C-C-C-H NaOH cici C2HsOH 3,4二氯丁烯 2氯丁二烯1,3 简写成 A+B→P+R (B为NaOH) 当C0一C0=M时，由下述计算式计算间歇反应器的转化率 CA 、 1+M-XA=CoMkt +M)1-x4) 己知40℃时，k=0.07L/nol.min 试计算： ()间歇反应器工艺条件为：c0=2.2mol/1,M=0.25,T=40℃，t=50min 求转化率为多大？要使转化率为0.98，则需多长反应时间？ (2)保持(1)的工艺条件，反应器为全混流反应器，求达到(1)的转化率和0.98的转化率所 需的空时。 (3)用两个等体积全混流反应器串联操作，工艺条件同(1)，计算转化率为0.98所需的空时

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Chemical Reaction Engineering (3)两个等体积全混流反应器串联 第一个全混流反应器的空时 n= CAO-CAL kca(ca+MCo) 第二个全混流反应器的空时 = CA-CA2 kc42(C42+MC4o) c42=2.2(1-0.98)=0.044mol/L 因两釜体积相等，所以T1=T2,即 2.2-Cm C41-0.044 0.07c41(c1+0.25×2.2)0.07×0.044×(0.044+0.25×2.2) 解法一：Excel单变量求解 解法二：Matlab模块求解 解法三：牛顿迭代法编程求解（以Matlab为例） 令f(cn)= 2.2-C4n c1-0.044 0.07cn(cM+0.25×2.2) 0.07×0.044×(0.044+0.25×2.2)

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Chemical Reaction Engineering 7.3自催化反应过程的优化 A+P=P+P 转化率较低时 (-ra)=kC Cp PFR (-ra) 0 Ca0XA XAf XA CSTR tn= (-rA)方 TPFR TCSTR .CSTR比PFR优

Chemical Reaction Engineering PFR CSTR   ∴CSTR比PFR优 Af x 转化率较低时 0 A x 7.3自催化反应过程的优化 A A CP (−r ) = kC A+ P = P + P PFR  − = A x A A P A r dx c 0 0 ( )  A f A Af m r C x ( ) 0 − CSTR  =