连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器比较
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，若最终转化率已经给定，如何确定其最优组合？ 规律：两釜串联时，对于一级反应，各釜大小相同时是
最优的。对于反应级数n≠1，n>0，较小的反应器在 前面，而对于n<0应先用较大的反应器。 求解方法 （1） 解析法：按多只串联连续操作釜式反应器计算公式 直接求取。
（2）图解法
当B点正处于曲线上斜率等于矩形对角线AC的斜率时， 对应的是最优中间转化率。
2、由图可知：反应物A的初始浓度为1mol/l，反应物A 的浓度大约为0.4mol/l时反应速率最大，过了0.4mol/l反 应速率降低。
3、组合方式：
（1）先将初始浓度为1mol/l的反应物A加入一CSTR中 反应，控制出口处CA为0.4mol/l，使反应在最大速率下 进行。
（2）再将0.4mol/l的反应物A加入一PFR中反应，使 CA转化到0.1为止。
即：对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同 转化率，要求反应器有效体积最小。
换句话说，若反应器体积相同，反应器所达到的转化率 更高。
三种理想反应器所需时间
间歇式
t CA0
xA dxA 0 rA
平推流
V v0
CA0
xA dxA 0 (rA )
全混流
5
cA0
xA xA0 rA
❖ 间歇操作釜式反应器与连续操作管式反应器
②先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，然后在CSTR 出口接一个分离装置，将未反应物与产物分离后循环使用。
例：对于具有如图所示反应特征的反应，浓度从 1mol/l到0.1mol/l,如何选择合适的反应器组合,使总体积 最小?(在图中注明阴影)
1/-rA
0.1
1 CA(mol/l)
解题思路： 1、上图所示反应特征的反应为自催化反应
小，N-CSTR次之，1-CSTR最大。
PFR是高浓度的反应器，1—CSTR是低浓度的反应器。 ➢ 反应级数n越高，出口转化率要求越高，各反应器之间
的差异越明显。
(c
n A0
V FA0
)m
100
(c
n A0
V FA0
)p
xA→0 体积比→ 1
xA→1 体积比→ 大
∵对高转化率
10
反应宜用 平推流
n↑体积比↑
反应器计算与操作的优化 复杂反应选择性的比较
复杂反应的选择性比较
1、平行反应
k1 P AS
k2
rR
dcR dt
k1cA1
rS
dcS dt
k2cA 2
Sp
rR rS
k1 k2
c 1 2 A
23
k1 k2
A eE1 / RT 1
A eE2 / RT 2
A e 1 E2 E1/ RT A2
➢温度效应
先平推流后全混流
1/(-rA)
xA
xA
以最小值为分界点，用两个不同类型的反应器串
连先全混流后平推流，可使空时最小。反之若平
推在前全混在后，则效果差。
17
解释：在反应初期，虽然反应物A的浓度很高，但此 时作为催化剂的反应产物P的浓度很低，所以反应速率较 低。
到了反应后期，虽然产物P的浓度很高，但因反应物 A的消耗，其浓度大大降低，此时反应速率也不高。
x A
c r
A0
A
由图看出，若反应速率的倒数随转化率单调递增， 则平推流的空时比全混流的小。
反之反应速率的倒数随转化率单调递减，则 全混流反应器优于平推流反应器。
11
连续操作管式反应器与连续操作釜式反应器
当串联釜数无限多时， 则与连续操作管式反 应器体积相同。
12
组合反应器的优化
➢ nCSTR的优化 任务：不同大小的多只连续操作釜式反应器串联操作时
（1）E1＞E2 T升高， k增1 大，
k2
（2） E1＜ E2 T升高， 减kk小12 ，
n=3 n=2
n=1
n=1/2
ε=2 =1 =0 =-1/2 =-2/3
n↓体积比↓
n=1/4
n=0体积比=1 1 0.01
0. 1
1-xA
1.0
思考：当反应级数大时应采用什么样的反应器？
8
反应速率的倒数随转化率单调递增的情况：
1/(-rA)
x A
c r
A0
A
1/(-rA)
c
xA
0
dx A
r
A0
A
➢自催化反应过程的优化
定义：反应产物本身具有催化作用，能加速反应速率的 反应过程。
工业生产上的发酵过程是一类典型的自催化反应过程。
自催化反应可表示为 其反应速率方程为：
A P P ，P
rA kCACP
自催化反应过程优化
自催化反应特点： 反应速率存在最大值
16
1/(-rA)
先全混流后平推流
优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。
化学因素包括反应类型及动力学特性
工程因素包括 反应器型式：管式、釜式及返混特性 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或 分段加料等 操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温 度分布
反应器生产能力的比较——简单反应
简单反应的优化目标只需考虑反应速率。
LOGO
反应器生产能力比较
反应器计算与操作的优化 化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。
化学反应过程的技术目标有： 反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。 选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。 能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。
不同类型反应的优化目标： 对简单反应：只需考虑反应速率； 对复杂反应：优先考虑选择性。
间歇式
t CA0
xA dxA 0 rA
平推流
V v0
CA0
xA dxA 0 (rA )
❖ 仅比较两反应器的反应时间，两者所需的反应时间相同， 但是间歇操作需要辅助时间，所以间歇反应器所需反应器 体积大于连续操作管式反应器所需时间。
➢ 连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器比较 ➢ 对于n＞0的反应，各反应器的有效体积大小为：PFR最
故自催化反应在反应过程中会有一个最大反应速率 出现。
自催化反应与一般不可逆反应的根本区别在于反应 的初始阶段有一个速率从低到高的起动过程。根据这种 反应特性，采用适当的措施可以改善它的性能。
➢自催化过程反应器组合的最优化
要求高转化率时 ①先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，在其后串接 一个PFR，达到所需的最终浓度水平。
xA 全混流
xA 平推流
9
单调递增平推流优于全混流
c c (1 x )
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A0
A
随着转化率的增加，浓度在不断降低，反应速率的倒数
还可以对浓度作图：
由速率倒数对浓度的作图也可直观的看到转化率单调递增(浓 度单调递减)，平推流反应器空时比全混流反应器小的多。
10
平推流 全混流
xA dxA
cA0 0 rA
最优的。对于反应级数n≠1，n>0，较小的反应器在 前面，而对于n<0应先用较大的反应器。 求解方法 （1） 解析法：按多只串联连续操作釜式反应器计算公式 直接求取。
（2）图解法
当B点正处于曲线上斜率等于矩形对角线AC的斜率时， 对应的是最优中间转化率。
2、由图可知：反应物A的初始浓度为1mol/l，反应物A 的浓度大约为0.4mol/l时反应速率最大，过了0.4mol/l反 应速率降低。
3、组合方式：
（1）先将初始浓度为1mol/l的反应物A加入一CSTR中 反应，控制出口处CA为0.4mol/l，使反应在最大速率下 进行。
（2）再将0.4mol/l的反应物A加入一PFR中反应，使 CA转化到0.1为止。
即：对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相同 转化率，要求反应器有效体积最小。
换句话说，若反应器体积相同，反应器所达到的转化率 更高。
三种理想反应器所需时间
间歇式
t CA0
xA dxA 0 rA
平推流
V v0
CA0
xA dxA 0 (rA )
全混流
5
cA0
xA xA0 rA
❖ 间歇操作釜式反应器与连续操作管式反应器
②先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，然后在CSTR 出口接一个分离装置，将未反应物与产物分离后循环使用。
例：对于具有如图所示反应特征的反应，浓度从 1mol/l到0.1mol/l,如何选择合适的反应器组合,使总体积 最小?(在图中注明阴影)
1/-rA
0.1
1 CA(mol/l)
解题思路： 1、上图所示反应特征的反应为自催化反应
小，N-CSTR次之，1-CSTR最大。
PFR是高浓度的反应器，1—CSTR是低浓度的反应器。 ➢ 反应级数n越高，出口转化率要求越高，各反应器之间
的差异越明显。
(c
n A0
V FA0
)m
100
(c
n A0
V FA0
)p
xA→0 体积比→ 1
xA→1 体积比→ 大
∵对高转化率
10
反应宜用 平推流
n↑体积比↑
反应器计算与操作的优化 复杂反应选择性的比较
复杂反应的选择性比较
1、平行反应
k1 P AS
k2
rR
dcR dt
k1cA1
rS
dcS dt
k2cA 2
Sp
rR rS
k1 k2
c 1 2 A
23
k1 k2
A eE1 / RT 1
A eE2 / RT 2
A e 1 E2 E1/ RT A2
➢温度效应
先平推流后全混流
1/(-rA)
xA
xA
以最小值为分界点，用两个不同类型的反应器串
连先全混流后平推流，可使空时最小。反之若平
推在前全混在后，则效果差。
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解释：在反应初期，虽然反应物A的浓度很高，但此 时作为催化剂的反应产物P的浓度很低，所以反应速率较 低。
到了反应后期，虽然产物P的浓度很高，但因反应物 A的消耗，其浓度大大降低，此时反应速率也不高。
x A
c r
A0
A
由图看出，若反应速率的倒数随转化率单调递增， 则平推流的空时比全混流的小。
反之反应速率的倒数随转化率单调递减，则 全混流反应器优于平推流反应器。
11
连续操作管式反应器与连续操作釜式反应器
当串联釜数无限多时， 则与连续操作管式反 应器体积相同。
12
组合反应器的优化
➢ nCSTR的优化 任务：不同大小的多只连续操作釜式反应器串联操作时
（1）E1＞E2 T升高， k增1 大，
k2
（2） E1＜ E2 T升高， 减kk小12 ，
n=3 n=2
n=1
n=1/2
ε=2 =1 =0 =-1/2 =-2/3
n↓体积比↓
n=1/4
n=0体积比=1 1 0.01
0. 1
1-xA
1.0
思考：当反应级数大时应采用什么样的反应器？
8
反应速率的倒数随转化率单调递增的情况：
1/(-rA)
x A
c r
A0
A
1/(-rA)
c
xA
0
dx A
r
A0
A
➢自催化反应过程的优化
定义：反应产物本身具有催化作用，能加速反应速率的 反应过程。
工业生产上的发酵过程是一类典型的自催化反应过程。
自催化反应可表示为 其反应速率方程为：
A P P ，P
rA kCACP
自催化反应过程优化
自催化反应特点： 反应速率存在最大值
16
1/(-rA)
先全混流后平推流
优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。
化学因素包括反应类型及动力学特性
工程因素包括 反应器型式：管式、釜式及返混特性 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或 分段加料等 操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温 度分布
反应器生产能力的比较——简单反应
简单反应的优化目标只需考虑反应速率。
LOGO
反应器生产能力比较
反应器计算与操作的优化 化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。
化学反应过程的技术目标有： 反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。 选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。 能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。
不同类型反应的优化目标： 对简单反应：只需考虑反应速率； 对复杂反应：优先考虑选择性。
间歇式
t CA0
xA dxA 0 rA
平推流
V v0
CA0
xA dxA 0 (rA )
❖ 仅比较两反应器的反应时间，两者所需的反应时间相同， 但是间歇操作需要辅助时间，所以间歇反应器所需反应器 体积大于连续操作管式反应器所需时间。
➢ 连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器比较 ➢ 对于n＞0的反应，各反应器的有效体积大小为：PFR最
故自催化反应在反应过程中会有一个最大反应速率 出现。
自催化反应与一般不可逆反应的根本区别在于反应 的初始阶段有一个速率从低到高的起动过程。根据这种 反应特性，采用适当的措施可以改善它的性能。
➢自催化过程反应器组合的最优化
要求高转化率时 ①先用一个CSTR，使反应在最大速率下进行，在其后串接 一个PFR，达到所需的最终浓度水平。
xA 全混流
xA 平推流
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单调递增平推流优于全混流
c c (1 x )
Aቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A0
A
随着转化率的增加，浓度在不断降低，反应速率的倒数
还可以对浓度作图：
由速率倒数对浓度的作图也可直观的看到转化率单调递增(浓 度单调递减)，平推流反应器空时比全混流反应器小的多。
10
平推流 全混流
xA dxA
cA0 0 rA