《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 =
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