理想反应器PFR2ppt课件

1、3.9 反应器型式和操作方式的评选反应器型式和操作方式的评选选择何种型式的反应器，工业上主要从下面两方面进行考察：达到给定的生产能力所需的反应器体积最小，所谓生产能力即单位反应时间、单元反应体积的反应器所能得到的产物量；用同样的原料所得的目的产物最多，即收率要大，选择性要好；对简单的单一反应，不存在副反应，故不存在产品分布的问题，所以在对反应器进行选型时，只需要考虑如何有利于反应速率的提高；对于复杂反应，由于在反应器内同时进行几个反应，影响过程经济性的往往是产物的收率，它直接影响到生产的操作费用和生产的成本，因此反应器的型式与操作方式的优化选择以产物的收率为主要目标。 1 1、单一反应的评选、

2、单一反应的评选 分三种情况评论：分三种情况评论： （1 1） 与与xAxA呈单调上升一切呈单调上升一切n0n0的不可逆等温反应）：的不可逆等温反应）：Ar1（2） 与xA呈单调下降一切n0的不可逆等温反应）：Ar1（3） 与xA的曲线上存在极小值自催化反应或绝热操作的放热反应具有为一特性）Ar1设 xAM 为对应 最小的转化率，则xAxAM时，具有上述2的特性，反之，则具有1的特性。试比较：若选择如下三种方式操作，请问哪一种为最佳组合？Ar1PFRCSTRxA0CA0 xAfxAMVR111AAAFxC2v000AAAFxC1Ax222AAAFxC最优顺序为：最优顺序为： 例题16 见陈甘棠教

3、材P79例3-6-1 最优操作温度自学。2 2、复合反应的评选、复合反应的评选 反应器型式与操作方式的优化选择常以产物的收率为目标函数。对于恒容过程，总收率与瞬间收率一般用下式表示：总收率： 瞬时收率：AAPpCCC0APAppdCdCrr不同反应器型式，总收率与瞬时收率的关系形式不同 I对于分批釜式或PFR反应器： II对于CSTR反应器： 为了区分CSTR和PFR，以 表示CSTR的收率，那么：AACCAppApPCCdCdCdCAA00ppAfACCmm和AAPmmCCC0对于多釜串联的CSTR反应器，第I釜：iAiPiAiAiPiPmimiCCCCCC,1,1,下面针对串联反应和平行反

4、应进行讨论几种不同反应器型式的收率问题：（1串联反应可参考相关章节） 为一级不可逆反应 对于PFR或分批釜式有：SPAkk21)2(ln) 1 (1212210max,121kkkktkkCCoptkkkAp对于CSTR有：)4(1)3(1212210max,kkkkCCoptAmp将3）/（1），并以 作图，得下图a，或以总收率pxA作图以 为参数），得下图b：12max,max,lgkkCCpmp12kk1.012lgkk1.012lgkk(a) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4max,max,pmpCC对于n=1的串联反应，PFR总是优于CSTR对产物P），k1=k2时，偏差最

5、大，k1和k2相差愈大，两者的偏差愈小。 1.01.0AAppCCC0(b)121kk1021kk1 . 021kk0 xAPFRCSTR当 很小时，xAf越大，付反应越厉害，p很小，为避免付产物S取代产物P，可以设计为通过反应器的反应物料A的转化率很小此时p较大），然后分离产物P，将未转化的A循环到反应器进一步反应。假如工艺条件许可，可以改变操作温度使 比值提高，以使xAf变大成为可能许可的操作条件，这是最有利的办法。 21kk21kk （2平行反应：平行反应： 对于单一组分的平行反应：对于单一组分的平行反应： 其其p与与CA可能有如下三种变化形状：可能有如下三种变化形状：（Ap随随CA单调

6、增大：若有返混，则单调增大：若有返混，则CA变小，不利于收变小，不利于收率的提高，故采用无返混的反应器即率的提高，故采用无返混的反应器即PFR；（B） p随随CA单调下降：返混使收率提高，选择返混为无单调下降：返混使收率提高，选择返混为无穷大的穷大的CSTR；（C） p对对CA曲线存在最大值的情况：在曲线存在最大值的情况：在p，max之前，之前，即反应前期采用即反应前期采用CSTR，在，在p，max之后，即反应后之后，即反应后期采用期采用PFR，串联反应器。，串联反应器。APSAPSR以等温进行的平行反应为例： （P为目的产物） 其反应动力学方程式为： P的瞬间选择性：A+BPSk1k2 11

7、1bBaApCCkr 222bBaASCCkr 212121bbBaaAsppCCkkrrS分下面三种情况讨论当a1a2、b1b2，则SP随CA、CB单调上升，应选取无返混的反应器，选PFR为最优；当a1a2、b1 a2、b1 a2、b1b2 a1a2、b1b2 a1a2、b1b2 应使CA、CB都高应使CA高、CB低应使CA、CB都低ABABCA0CB0CACBABA B B BCA0CB0CACBA B CA0CB0CACB例题17一级不可逆串联反应：C6H5Cl为目的产物，反应恒温恒容，反应式如下：知：k1=1.0h-1, k2=0.5h-1, V/v=1h, CA0=1mol/L, C

8、p0=CS0=0反应速率式为：求：（1PFR；（2CSTR；（3等体积CSTR串联时；产物P的选择性SP=？)()()(246256166SClHCPClHCAHCkkPAPAACkCkdtdCCkdtdC211解：（1PFR：LmoleeCCtkAA/368. 01110108. 3155. 0477. 0/155. 0147. 0368. 01/477. 00 . 15 . 011015 . 0021112SPPAPAStktkAPCCSLmolCCCCLmoleeeeCkkkC（2CSTR又：kCCVCkCvCvAAAAA1101000pApCkCkVCv210210121111kkCk

9、kCkCpAA代入数据得： CA=0.5mol/L, Cp=0.333mol/L CS=CA0-CA-Cp=0.167mol/L Sp=CP/CS=0.333/0.167=2.00（3等体积的CSTR串联 =1+2=1hr 1=2=0.5h 对于第二个反应器有： 代入数据： CA2=0.444mol/L, CP2=0.391mol/L, CS2=1-(0.444+0.391)=0.165mol/L 故：SP=CP2/CS2=2.37211011121122212010111kCkCkCCVCkCvCvAAAAAAA 222110112221101122221210201111kkCkkkCkC

10、CkCkVCvCvAAppApp例题18 k1=1.0, k2/k1=1.5, CA0=5mol/L, CP0=CS0=0, v0=5m3/h, xA=0.90或CA=0.5mol/L）其速率方程式：-rA=(k1+k2CA)CA, rP=k1CA, rS=k2CA2求：（1单一CSTR等温下反应后的CP和VR； （2PFR的CP和VR； （3两个CSTR串联后的CP和VR； （条件：CP最大时每个反应器的体积）APSk1 k2知：解：（1） 单个CSTR： 代入数据得VR=25.7m3AAAAAAAAAAAPAAmAAmPCkkCCkCCkkCCCkCCrrCCCCC21012101000)

11、22100000AAAAAAARCkCkCCvrCCvvV (2) 单个PFR 300000221161. 35 . 115 . 11lnln5 . 11/054. 15 . 115 . 11ln5 . 115 . 110000mCCCCvCCdCvVLmolCCCCdCdCCkCkCkdCCAAAACCAAARAAPCCAAACCAAACCApPAAAAAAAA (3) 两个CSTR串联22111021210122112222121212112121111122115 . 115 . 11AAAAAAPAAAAAAAAAAAPmAAAAAPmAmAmPCCCCCCCCCCCCCCkkkCkC

12、kCkrrCkkkCkCkCkrrCCC为使CP最大，令 得，CA1=1.905mol/L所以, Cpmax=1.605mol/L。代入数据得：VR=10.13m3其中：VR1=2.107m3，VR2=8.023m301APdCdC2221210211211001AAAAAAAACCkkCCvVCCkkCCvV例题19有一分解反应： 知： k1=2min-1, k2=1mol.L-1.min-1, k3=1L.mol-1,min-1, CA0=2mol.L-1, P为目的产物，R，S为付产物。求：（ICSTR； （IIPFR；（III你所设想的最合适的反应器或流程中所能获得的最高的CP=？APSRk1 k2 k3rP=k1CArR=k2rS=k3CA2 解：根据收率的定义，（I） CSTR所能获得的最大CP： 2122AAAAPAPCCCrrdCdC44. 094/32/5 . 0:021202122200LmolCLmolCCCCdCdCdCdCCCCCCCCCPfAAAAAPfAPfAAAAfAAfAPf得最大时当（II） PFR很明显，只有当A完全反应掉，曲线下的面积是最大，所以：积分代入数据得：CP，max=0.867mol/L。总收率：202max,120AAACCAPdCCC