全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案.
化学反应工程_连续流动釜式反应器讲解
表3－5列出了平推流反应器和全混流反应器的反应
结果比较，其中 VR ，这是对等容过程而言。
V0
平推流反应器与全混流反应器的比较
补充知识点：空时与空速的概念：
空时：
Vr V0
反应体积 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Vo , 处理能力
空速：
1 V0 FA0
Vr cA0Vr
因次 :时间-1
两釜串联操作时，第一釜在CA1下进行，仅第二釜 维持在CAf下进行，整个反应速度提高了一个水平；
在三釜串联操作时，前两釜都是在高于CAf的浓度 下进行，仅第三釜在CAf进行，反应速度比两釜串 联时又有所提高。可见，串联的釜数越多，反应 物浓度提高越多，反应速度越快，需要的反应时 间或反应器体积就越小。
物料出口处的物料参数； 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化； 4. 返混＝∞
二、全混流反应器计算的基本公式
1. 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A
V0, N A0,CA0
X A0 0
N A,CAf X Af
衡算基准：整个反应器（VR） 稳定状态：
空速的意义：单位时间单位反应体积所处理的物料量。 空速越大，反应器的原料处理能力越大。
多级全混釜的串联及优化
设有一反应，A的初始浓度为CA0，反应结束后最 终浓度为CAf,反应的平衡浓度为CA*，考察平推流 反应器和全混流反应器的浓度推动力。 由图示，显然有，ΔCA平>ΔCA全 平推流反应器中的浓度推动力大于全混流反应器 中的浓度推动力。结果，平推流反应器体积小于 全混流反应器体积。
浓度分布 ------ 推动力
反应推动力随 反应时间逐渐 降低
§84全混流反应器
VRLeabharlann kCA20 (1 qV C A0 x A x A )2 (CB0 0.5C A0 xA )
0.0025
0.028 / 60 60 2(1 0.6)2 (3 0.5 2 0.6)
0.146 m3
• 9题，解（1）
VR
qV C A0 x A kCA0 (1 x A )
14.4 0.8 24 60 0.0806 (1 0.8)
（1）
t k CA0
x (1
A
x
A
)
2
0.5 kCA0 0.52
1 0.5k CA0
VR=qVt，VR2=6VR，6VR=6qVt=qVt2
6qV
qV xA
0.5kCA0 kCA0 (1 xA )2
xA2 25 xA 12 0
∴ xA 0.75
2020/6/17
8
• 另解：
6VR
xA
qV (C A0 C A ) (rA )VR
t VR CA0 CA
qV
rA
(2)
将 C A C A0 (1 xA )
代入（2）
t VR CA0 xA
(3)
qV rA
2020/6/17
4
t— 空间时间，因为是定容过程，∴又称为逗
留时间，因为物料质点在反应器的停留时间
长短不一，所以称为平均逗留时间。
• 因为流动情况不同，根据PFR的特点，有以下关
系式，
t3
CA3 CA0
dCA kCA2
1 1
k
CA3
1 CA0
kt3C A0
C A0 C A3
1
2
∴
C A3 1
《化学反应工程》期末考试试题及答案
《化学反应工程》试题XXX 大学 化学反应工程 试题B （开）卷（答案）2011—2012学年第一学期一、单项选择题： （每题2分，共20分）1．反应器中等温进行着A →P(1)和A →R(2)两个反应，当降低A 的浓度后，发现反应生成P 的量显著降低，而R 的生成量略降低，表明(A )A ．反应(1)对A 的反应级数大于反应(2)B ．反应(1) 对A 的反应级数小于反应(2)C ．反应(1)的活化能小于反应(2)D ．反应(1)的反应速率常数大于反应(2)2.四只相同体积的全混釜串联操作，其无因次停留时间分布的方差值2θσ为( B )A ． 1.0 B. 0.25 C ．0.50 D ．03．对一平行—连串反应R A QP A −→−−→−−→−)3()2()1(，P 为目的产物，若活化能次序为：E 2<E 1<E 3，为了目的产物的收率最大，则最佳操作温度序列为（ B ）。
A ．先高后低 B.先低后高 C ．高温操作 D ．低温操作4．两个等体积的全混流反应器进行串联操作，反应为一级不可逆，则第一釜的反应速率-r A1与第二釜的反应速率-r A2之间的关系为( A )。
两釜反应温度相同。
A ．-r A1 > -r A2B ．-r A1 = -r A2C ．-r A1 < -r A2 D.不能确定何者为大5. 已知一闭式反应器的1.0=r a uL D ，该反应器若用多釜串联模型来描述，则模型参数N 为（ B ）。
A ． 4.5 B. 5.6 C ．3.5 D ．4.06．固体催化剂之所以能起催化作用，是由于催化剂的活性中心与反应组分的气体分子主要发生( C)。
A ．物理吸附B ．化学反应C ．化学吸附D ．质量传递7．包括粒内微孔体积在内的全颗粒密度称之为( B )A ．堆(积)密度B ．颗粒密度C ．真密度D ．平均密度8．在气固催化反应动力学研究中，内循环式无梯度反应器是一种( C )。
连续搅拌釜式反应器(CSTR)控制系统设计 连续
连续连续搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器（（CSTR ）控制系统设计1. 前言连续搅拌釜式反应器（continuous stirred tank reactor ，简称为CSTR ）是聚合化学反应中广泛使用的一种反应器，该对象是过程工业中典型的、高度非线性的化学反应系统。
在早期反应釜的自动控制中，将单元组合仪表组成位置式控制装置，但是化学反应过程一般都有很强的非线性和时滞性，采用这种简单控制很难达到理想的控制精度。
随着计算机技术和PLC 控制器的发展，越来越多的化学反应采用计算机控制系统，控制方法主要为数字PID 控制。
但PID 控制是一种基于对象有精确数学模型的线性过程，而CSTR 模型最主要的一个特征就是非线性，因此PID 控制在这一过程中的应用受到限制。
随着现代控制理论和智能控制的发展，更加先进有效的控制方法应用于CSTR 的控制，如广义预测控制，神经模糊逆模PID 复合控制，自抗扰控制，非线性最优控制，基于逆系统方法控制，基于补偿算子的模糊神经网络控制，CSTR 的非线性H ∞控制等。
但任何一种复杂的化工反应过程都不能用一种简单的控制方式达到理想的控制效果。
目前先进的反应釜智能控制技术就是将智能控制理论和传统的控制方法相结合，如钟国情、何应坚等于1998年对基于专家系统的CSTR 控制系统进行了研究[1]，宫会丽、杨树勋等于2003年发表了关于PID 参数自适应控制的新方法[2]，冯斌、须文波等于1999年阐述了利用遗传算法的寻优PID 参数的模型参考自适应控制方法等[3]。
但由于这些控制方法的算法比较复杂，在算法的工程实现、现场调试及通用型方面存在着局限性，因此研究一种相对简单实用的CSTR 控制方法，更易为工程技术人员所接受。
本文在对CSTR 过程及其数学模型进行详细分析的基础上，针对过程的滞后性，采用Smith 预估算法与PID 控制相结合的方法实现CSTR 过程的控制，该方法具有实用性强及控制方法简单等特点，基于西门子PCS7系统完成了CSTR 过程控制系统设计。
6 第二章 反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003
反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间 不同，从而引起各粒子反应程度的差异， 造成物料浓度分布不同，这降低了反应效 率，影响了产品质量和产量。 流动状况对化学反应的影响有两方面：物 料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物 料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助 时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、 缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参 数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时 间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方 向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.反应器设计的基本内容
(1) 选择合适的反应器形式
(2) 确定最佳的工艺条件
(3) 计算所需反应器体积
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)
全混流反应器
i
N
i
C A ,i 1 C A ,i Vi i rAi Q0
将具体的速率方程代入上式，从第一釜开始逐釜计算下去。
各釜的容积与温度可以不同，如对于n级不可逆反应：
x A,i x A,i 1 Vi C A,i 1 C A,i i n n n 1 v0 k i C A,i k i C A0 1 x A,i
§3.4 全混流反应器
1、全混流模型 2、全混流反应器的设计方程式 3、设计方程式的应用 4、分批式（间歇釜式）反应器和全混流（CSTR） 反应器的比较 §3.5 多釜串联组合的全混流反应器 1、多釜串联CSTR反应器的特点
2、多釜串联CSTR反应器的设计方法
①解析法 ②图解法
1、全混流模型：
CSTR（Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR）
VR VR xA FA0 v0 C A0 C A0 rA VR C A0 x A C A0 C A rA rA v0
CSTR设计方程式（xA0=0的情况） xA0≠0呢？
xA0≠0, 可认为原料中的A已转化了xA1 推导出的设计方程具有通用性
CA(排料时A的浓度），反应速率随 t 减小; 全混流CSTR：A的浓度由CA0瞬间降至反应器出口浓度 CA，故全混流反应器一直在相当于出口浓度的 低反应速率下进行，相当于图中 B 点 速率下进 行。
分批式反应器所需反应时间：
t
CA0
CA
dCA rA
全混流反应器所需空时：
τ = 面积CA0DBCA=
k i k j const
C A, N C A0
1 k i N 1 k i
5.全混流反应釜
−rAi =
CA0
a.从原点出发作斜率为CA0/τ 的直线， a.从原点出发作斜率为CA0/τ1的直线，直线与速率曲线的交点的横 从原点出发作斜率为CA0/ 坐标为第一釜的出口转化率xA1 xA1， 坐标为第一釜的出口转化率xA1，交点的纵坐标为第一釜的转化速率 (-rA1) 。 b.从xA1点出发作斜率为CA0/τ 的直线， b.从xA1点出发作斜率为CA0/τ2的直线，直线与速率曲线的交点的横 点出发作斜率为CA0/ 座标为第二釜的出口转化率xA2 交点的纵座标第二釜的转化速率( xA2， 座标为第二釜的出口转化率xA2，交点的纵座标第二釜的转化速率(rA2) 。
第五章 全混流反应釜
Continuous Flow Stirred Tank Reactor (CSTR)
重要概念：全混流、 重要概念：全混流、返混 由物料衡算得到CSTR的设计式及应用 的设计式及应用 由物料衡算得到
CSTR与PFR中进行反应的特征对比 与 中进行反应的特征对比 多釜串联与循环PFR分析 分析 多釜串联与循环
随机变量及其分布
§1 随机变量
一．随机变量的概念
§1 随机变量
例1 袋中有3只黑球，2只白球，从中任意取出3只球， 观察取出的3只球中的黑球的个数． 我们将3只黑球分别记作1，2，3号，2只白球分别 记作4，5号，则该试验的样本空间为 (1， 2， 3) (1， 2， 4 ) (1， 2， 5) (1， 3， 4 ) (1， 3， 5) (1， 4， 5) S= (2， 3， 4 ) (2， 3， 5) (2， 4， 5) (3， 4， 5) 返回主目录
=
Q0CA0 ( xAp − xAp−1 ) −rAp
… CAn-1 CAn rAn
连续搅拌釜式反应器永通安全操作规定
连续搅拌釜式反应器永通安全操作规定前言为了确保在生产中的安全，保障工人生命财产安全，制定此《连续搅拌釜式反应器永通安全操作规定》，请大家遵守。
一、连续搅拌釜式反应器的安全操作基本要求1.在操作前，应进行预先检查：保证接地系统良好，钢丝绳无破损并无对绳力的征兆，各传感器的电气接触良好，油路应无泄漏现象。
2.开始搅拌前，应检查杠杆的锁扣以及轴承导套与轴之间的卡紧螺母并进行锁紧。
3.操作时，禁止穿戴宽松衣物和披风等，以及戴手表，裸露手臂，并确保操作服穿戴整齐，露出的身体部位应涂有油墨或石墨。
4.操作人员应熟悉仪器、设备性能参数，理解反应过程原理，明确控制要点和操作步骤，正确使用操作面板的各种按钮和旋钮。
5.操作前必须进行必要的安全措施，必须做好消毒、防爆和反应器清洗等工作。
6.连续搅拌釜式反应器在操作过程中禁止闲人或拉帮结派的人员进入操作间；责任人员应当自觉遵守操作规范进行工作。
7.反应器必须安装警报器和推拉式开关，通风口处应安装防护网，防止异物进入。
8.操作过程中应注意烟火，反应器的操作环境及必备器材齐全并置于合适位置，反应器的进出口防护套装必需齐全，以免产生爆炸。
9.如若在操作过程中需要停机，必须彻底清洁反应器内部，并关闭所有相关性能参数。
二、连续搅拌釜式反应器的操作规范1.开启操作开关，设定相关参数，排空反应器内的空气。
2.反应器在操作过程中必须装备液位和温度测量仪器。
当液位偏高或温度不正常时，必须及时进行适当调整。
3.开始操作前，应将气压与流速等内容调至适宜状态，并进行相关调整，以达到预期的目标效果。
4.操作过程中，应遵守反应物料添加规律，保证反应物料加入的正确性和时效性，并注意停止添加的时间点。
5.当设定的反应时间到达后，应立即飞速制止反应，以防止反应失控。
6.操作人员必须保证反应器内部及周围环境的稳定性，对于发生异常的情况，应及时进行警示和处理。
7.反应器操作完毕后，必须断电切断相关电源，待温度与压力稳定时，方可停机装卸。
化学反应工程习题及答案二
1. 化学反应过程按操作方法分为_______、______、_______操作。
（分批式操作、连续式操作、半间歇式）2. 反应器的型式主要为（釜）式、（管）式、（塔）式、（固定）床和（流化）床。
3. 理想流动模型是指（平推流）模型和（全混流）模型。
5.间歇釜式反应器有效体积不但与（反应时间）有关，还与（非生产时间）有关。
6. 对于平行反应，提高反应物浓度，有利于（级数高）的反应，降低反应物浓度有利于（级数低）的反应。
化工生产中应用于均相反应过程的化学反应器主要有（釜式）反应器和（管式）反应器。
7. 平行反应AP(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，选择性S p 与_______无关，仅是_______的函数。
（浓度、温度）主-副大于0，是吸热反应！8. 如果平行反应)()(副主S A P A →→均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性P S 应_____。
(提高温度)9.理想反应器是指_______、_______。
[理想混合（完全混合）反应器、平推流（活塞流或挤出流）反应器]8.全混流反应器的返混_______。
（最大） 平推流反应器的返混为_______。
（零）9.对于循环操作的平推流反应器，当循环比β→0时为_______反应器，而当β→∞时则相当于_______反应器。
10.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______。
（脉冲法、阶跃法、周期示踪法）11.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。
（∞）12.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。
（0）13.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。
（1）14.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。
（0）15.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。
第三章 釜式反应器
������������
1
= − ln 1 − ������
1 − ������
������
化学反应工程——釜式反应器
7
t与CA0有关 t与CA0无关
2. 间歇反应器的反应体积：
������ = ������ ������ + ������
式中： Q0— 单位时间内处理的反应物料的体积（由生产任务决定） t— 反应时间 t0— 辅助时间
1 − ������
������������
������������
1 反应时间：������ =
������������
������������ 1 − ������
若 ������ ≠ 1
t = 1 − ������
−1
������ − 1 ������������
若 ������ = 1
1 ������ = ������
������ = = ������ ������
(5)
������������
初 始 条 件 ： t=0时，CA=CA0 ; CP=0; CQ=0
对 ( 4 ) 积 分 得 ： ∴ ������ =
ln =
ln
(6)
由此式可求得为达到一定的XA所需要的反应时间,式（6）也可写成：
������ = ������ exp − ������ + ������ ������
1 − exp − ������ + ������ ������
������ + ������
两种产物的浓度之比，在任何反应时间下均等于两个反应的速率常数之比。
化学反应工程——釜式反应器
16
《化学反应工程原理》第二版复习题
化1106反应工程复习题一. 填空题1.化学反应速率可以表为()A A dC r dt-=-前提是▁▁▁▁。
（反应体积恒定 考点：反应速率的定义，恒容） 2.化学反应过程按操作方法分为_______、_______、_______操作。
（间歇操作、连续操作、半间歇操作）（理解连续与间歇）3. aA + bB pP + sS 对于反应，则=P r _______)(A r -。
（a p ）（考点：反应物和产物的速率之比等于其化学计量系数之比）4化学反应速率式为βαB A C A C C K r =-，用浓度表示的速率常数为C K ，假定符合理想气体状态方程，如用压力表示的速率常数P K ，则C K =_______P K 。
（)()(βα+RT ）（以浓度表示的速率常数与分压速率常数的换算关系） 5在构成反应机理的诸个基元反应中，如果有一个基元反应的速率较之其他基元反应慢得多，该步骤的反应速率即代表整个反应的速率，其他基元反应可视为处于_______。
（拟平衡态）（考点：理解拟平衡态、速率控制步骤的定义，用于推导非基元反应动力学）6如果平行反应AP(主)S(副)均为一级不可逆反应，若主E ＞副E ，提高选择性应_______。
(提高温度)（考点：主反应活化能大于副反应活化能，升温提高选择性，反之则反，还应注意主反应级数高于副反应级数时应采用高浓度操作，对应应该采用什么样的加料方式或什么类型的反应器？）7一级连串反应A S P 在平推流反应器中，为提高目的产物P 的收率，应______12/k k 。
（降低）（考点：提高连串反应选择性的途径，还包括间歇反应釜中的最佳反应时间和连续反应器的体积（OR 空时OR 停留时间）问题）8气体在固体表面上的吸附中物理吸附是靠_______结合的，而化学吸附是靠_______结合的。
物理吸附的吸附热要_______化学吸附热，物理吸附是_______分子层吸附，而化学吸附是_______分子层吸附（范德华力、化学键力、小于、多、单）（考点：比较物理和化学吸附的区别，包括结合力）吸附层数，吸附热等区别） 9气体在固体表面上发生吸附时，描述在一定温度下气体饱和吸附量与吸附压力（或吸附物质在相中浓度）的关系式称为_______。
釜式及管式反应器
设有单一反应 A→R
动力学方程为
rA
kC
n A
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CAf dCA
CA0
rA
积分上式，可计算A的残余浓度和转化率。
①.残余浓度式 计算经反应时间t后A的残余浓度。
②.转化率式 计算经反应时间t后A的转化率。 A的残余浓度和转化率可用公式计算。
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CAf dCA
CA0
rA
这说明，在充分混合的间歇反应器中， 反应是依照它的动力学特征进行的。流 动过程对反应没有影响。
如果间歇反应器中的物料由于搅拌而 处于均匀状态，则反应物系的组成、 温度、压力等参数在每一瞬间都是一 致的（理想），但随操作时间或反应 时间而变化，故独立变量为时间。
M A
n A0 X
n 惰性组分不变
nt
nt0
（ M A
L A
-B A
-1)n A0 X
由理想气体状态方程可以得到
n t n t（0 1 yA0X） n （t0 1 X)
V V（0 1 yA0X） V0 (1 X）
浓度和转化率的关系 C总不变，而每个组分的浓度变化了
（4）间歇反应器中的单反应
例1
以乙酸（A）和正丁醇（B）为原料在间歇反 应器中生产乙酸丁酯，操作温度为100°C，每 批进料1kmol的A和4.96kmol的B。已知反应速
率 rA 1.045 CA 2kmol/m 3.h
试求乙酸的转化率为0.5，0.9，0.99所需的反 应时间。
已知乙酸与正丁醇的密度分别为960kg/m3和 740kg/m3
反应器-8连续操作釜式反应器
dxA
理想流动反应器的组合
❖ (1)平推流反应器的并联操作
❖ VR=VRl+VR2 ❖因为是并联操作，总物料体积流量等于各反应
器体积流量之和：
❖ V0=V01+V02 ❖ 由平推流反应器的设计方程
VR V0
cA0
xA 0
dxA rA
❖尽可能减少返混是保持高转化率的前提条件， 而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有 返混。如果各支路之间的转化率不同，就会出 现不同转化率的物流相互混合，即不同停留时 间的物流的混合，就是返混。因此，
❖对于平推流反应器，在恒温下进行，其设计式
为：
n
❖对于全混流反应P 器kc，1An01在恒0x温A 1下1进AxA行xA ， d其xA设计式
为：
❖ ❖
二式相除，当初m始 条kxc件AAn01和1反1应Ax温AxA度n相同时：
n
m
p
VR m VR p
xA
1
1
A xA xA
n
xA 0
1
1
A xA xA
FA0
VRi FA0
xAi
dxA
dx xAn
A
r xAi1
A
0 rA
❖(2)全混流反应器的串联操作 N个全混流反应 器串联操作在工业生产上经常遇到。其中各釜 均能满足全混流假设，且认为釜与釜之间符合 平推流假定，没有返混，也不发生反应。
❖ 对任意第i釜中关键组分A作物料衡算。
❖ 对恒容、定常态流动系统，V0不变，
推流反应器所需反应体积略大些，这是由于间
歇过程需辅助工作时间所造成的。而全混釜反
应器比平推流反应器、间歇反应器所需反应体
积大得多，这是由于全混釜的返混造成反应速
化学反应器设计、操作与控制
反应器温度检测及控制方案的确定
• 精细1111班 • 第二组
换热装置及热载体的分析选择
换热装置---夹套
• 双卫控制系统结构简单、成本低、容易实现，但 质量控制较差，大多应用于允许被控制变量上下 波动的场合。如原料储罐、恒温箱、空调、电冰 箱中的温度控制，为气动仪表提供气源的压缩空 气罐中的压力控制等。 • 利用浮球阀控制水箱水位的控制系统也属于双卫 控制。
• 2、比例（P）控制 • 如果控制系统能使执行机构的行程变化与被控制变量偏差 的大小成一定比例关系的话，就可能使上述贮槽的物料流 入量等于流出量，从而使液位能稳定在某一值上，即系统 在连续控制下达到平衡状态。这种控制器输出的变化与输 入控制器的偏差大小成比例关系的控制规律，称为比例控 制规律。 • 比例控制规律 • 控制器输出变化与输入偏差成正比。 • 在时间上没有延迟。 • 在相同的偏差下，Kc越大，输出也越大，因此Kc是衡量比 例作用强弱的参数。 • 工业上用比例度来表示比例作用的强弱。 • 单纯的比例控制适用于扰动不大、滞后较小、负荷变化小、 要求不高、允许有一定余差存在的场合。
乙酸丁酯反应器用测温仪表
• 选用压力式温度仪表 • 理由：乙酸丁酯反应温度在120℃左右，在压力式 温度仪表（—50~600℃）测量范围之内，具有价 廉，最易就地集中监测的优点。
自动控制系统组成及其分类
• 自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行 机构和变送器四个环节组成 • 分类方法 • 自动控制系统有几种分类方法 • 按控制原理的不同，自动控制系统分为开环 控制系统和闭环控制系统。 • 开环控制系统 • 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控 制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环 控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺 序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行 机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、 化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和 生产自动线。
釜式反应器的操作与控制—釜式反应器的工艺计算与选型
间歇釜体积计算单元任务点
0103－1（1）反应器的计算内容 总结反应器的计算包括哪些内容
0103－1（2）反应器计算的基本方程式 总结反应器计算的方法、所需的基本方程、各方程提供的关系
0103－1（3）均相反应速率 理解均相反应的含义、均相反应速率的定义及表达式
0103－1（2）反应器计算的基本方程式
总结反应器的计算方法 1、经验法 2、数学模型法
总结反应器计算的基本方程
➢ 描述浓度变化的物料衡算式 ➢ 描述温度变化的能量衡算式 ➢ 描述压力变化的动量衡算式 ➢ 描述反应速率变化的动力学方程式
总结动力学术语含义
化学反应动力学：主要研究化学反应的速率以及各种不同因素对化学反应速 率的影响。
CA CA,O
time
CA, out
0
tout/2
tout
t
总结间歇釜的应用
➢ 优点： 操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产 ➢ 缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定 ➢ 应用：用于液—液相、气—液相等系统，如染料、医药、农药等小批 量多品种的行业。
精细化工产品的生产
若选用间歇操作方式的釜式反应器，每年生产1000吨乙酸丁酯（不考虑分 离等过程损失），乙酸转化率要求达到0.5，每批辅助时间为30min，反应釜只 数为1，装料系数为0.6。已知：该反应以乙酸（下标以A计）表示的动力学方
程式为 (rA ) kcA2 ，反应速率常数 k 0.0174 m3 /(kmol.min) ，反应物
k
A0
exp(
E RT
)
6、活化能E
化学反应工程_连续流动釜式反应器讲解
如图依次作出CA0A1、 CA1A2 、CA2A3……，求出 CA1 、CA2 、 CA3……。
rA
M rA=kf(CA)
A1
A2
-1/1
A3 -1/2
-1/3 O
CAm CA3 CA2 CA1 CA0 CA
三、多级全混流反应器串联的优化
在设计反应器时，物料处理量V0、进料组成及最终转化 率XAm是由工艺条件确定的。
将几个全混釜串联起来操作就构成了多釜串联反 应器。
CA0
xA1
xA2
xAi-1
xAi
V0
CA1 V0
CA2 V0
CAi-1 V0
CAi V0
xAm CAm
V0
VR1
VR2
VRi-1
VRi
VRm
二、多级全混流反应器的计算
1. 解析计算 多级全混流反应器串联操作如上图所示。 设：稳定状态，等温，等容。 对第i级作A的物料衡算，则有
1 CAm CA0
故
xAm
1
m i 1
1
1 ki
（3－31）
当每级体积相等时 则可进一步简化
1 2 3 ... m
xAm
1
m i 1
1
1 ki
1
1
1 k
m
（3－32）
或
1 k
1
1
x 1/ m Am
1
总体积
VR
mVRi
mV0
mV0 k
1
1
x 1/ m Am
1
VRi
V0CA0 (xAi rAi
xAi1)
反应器总体积 为
VR
m
VRi
全混流反应器
对于任意εA值
★ 二级反应 对于任意εA值：
AP
(-rA)=
kC
2 A
C A0 (C A0 x A ) VR C A0 x A x A (1 A x A ) x A ) kC A (C A0 AC A ) 对于 A 0 C A0 C A VR xA 2 2 Q0 kC A0 (1 x A ) kC A
全混釜反应器体积计算
Q0 (C A0 C A ) VR (rA )
Q0C A0 x A (rA )
空时与空速的概念：
空时：
Vr 反应体积 Q0 进料体积流量
（因次：时间）
表明 Qo , 处理能力
空速：
Q0 FA0 Vr c A0Vr 1
x A,i 1 。出口
具体步骤如下： ★根据动力学方程式或实验数据作出xA~(-rA)曲线MN； ★按式 (rA )i
C A0
★因各釜体积相等，所以空时也相等，则各釜的物料衡 算线的斜率一致。所以第二釜的物料衡算式可以从 点xA1作平行于第一釜物料衡线交于MN线于P2，其 横坐标即为第二釜的出口转化率xA2。 ★依此类推，一直到第N釜出口转化率xA,N等于或大于 所要求的转化率xAf为止。则所得斜线数目即为反应 器釜数。
2.设计方程：由于器内物料混合均匀，可以对全 釜做关键组分A的物料衡算： [A进入量]=[A出VR量]+[反应掉量]+[累积量]
Q0CA0 = Q0CA + VR(-rA) + 0
Q0
Q0
c A0
cA
Q0C A0 Q0C A Q0 (C A0 C A ) VR (rA ) (rA )
全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案.
·8·化学工业与工程技术 2000年第 21卷第 1期全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案王国军熊洁羽常州技术师范学院化学工程系常州 213001 全混流釜式反应器是广泛用于化工、制药生产的流动反应器。
对于此类反应器中所进行的反应过程开发 ,其主要问题是确定优选的操作方案 ,这将取决于开发方法和控制策略。
通常采用逐级经验放大法进行反应过程的开发 ,由于逐级经验放大法放大效应欠佳 (放大过程中反应结果与小试指标之间出现未曾预期的差异 ,或虽可预期但却无从控制的差异,且开发周期长 ,耗资大。
本文采用数学模型方法 ,以不同控制策略对全混流釜式反应器的最优操作方案进行了研究。
2未反应物不回收循环的单级全混流釜式反应器的最优反应率摘要本文采用数学模型方法 TQ053. 202文献标识码A文章编号1006 -7906 (2000 01 -0008 -04 ,以不同控制策略提出了全混流釜式反应器中进行不同类型反应的最优操作方案 ,可用于指导反应过程的开发设计。
关键词化学反应器全混流控制策略最优化中图分类号 1引言正确选择最终反应率是单级全混流釜式反应器开发设计的一个十分重要的环节 ,可以操作费用为控制目标确定其最优反应率。
此系权衡在较大的反应器中 (高设备费用实现较高反应率 (低反应物成本,与在较小的反应器中 (低设备费用的低反应率 (高反应物成本的问题。
2. 1简单反应在单级全混流釜式反应器中进行简单反应A+ B →R, rA= kv CA n ,则反应器小时操作总费用为 [1] : ＄t= V R＄m+ FA0＄A = kv Cn FR-xA n ·＄m+ xFAR ·＄A (1 A0 (1 【作者简介】王国军 (1956- ,男 (满族 ,黑龙江省哈尔滨人。
1982年大学毕业 ,副教授。
现从事高校教学、科研和化工设计工作 , 主要研究方向为化工过程开发和工业催化。
全混流反应器 ppt课件
CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L-1 若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，试计算确定反 应器的总体积大小。
解：
反应速率方程可转化为：(-rA)= k C
对于 A 0
VR Q0
kCA0(x1AxA)2
CAk0 C A2CA
★ n级反应
rA kCAn
kCCA A n0C CAA 00C AxAA
εA=0时
V R xA
C A 0C A
v0 kA C n1o (1xA)n
kA C n
例题
例题
工厂采用CSTR以硫酸为催化剂使已二酸与已二醇以等摩尔 比在70℃下进行缩聚反应生产醇酸树脂，实验测得该反应的 速率方程式为：（-rA）=kCACB 式中：
二、全混流模型：(CSTR） 又称理想混合流反应器或 连续搅拌釜式反应器，进出物料的操作是连续的，可 以单釜或多釜串联操作。
1、全混流模型 2、全混流反应器的设计方程式 3、设计方程式的应用 4、间歇釜式反应器和全混流（CSTR）反应器的
比较
5、多釜串联CSTR反应器的特点
6、多釜串联CSTR反应器的设计方法
t
d C C A 0
A
CA rA
全混流反应器所需空时：
τ = 面积CA0DBCA=
CA0CABCAC Ar0AC CA A
全混流反应器的容积效率：
说明容积效率 可以用时间比 空时的原因
t
A矩 B曲形C线A0下 DB阴CA的 影面 部积 分面 1.0积
5.全混流反应釜
第四节 循环反应器的体积计算
对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用 率，将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反 应器入口，与新鲜原料一起进行反应。
设循环物料与新鲜原料量之比为循环比ψ ψ = Qr / Q0
′ Q0 , CAi , xAi
计算混合点后的转化 率
′ Q0 = Q0 + Qr
{X = 0}
表示取出的产品全是正品这一随机事件； {X ≥ 1} 表示取出的产品至少有一件这一随机事件．
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随机变量及其分布
例4
§1 随机变量
上午 8:00～9:00 在某路口观察，令： Y：该时间间隔内通过的汽车数． 则 Y 就是一个随机变量．它的取值为 0，1，…． {Y < 100} 表示通过的汽车数小于100辆这一随机事件； 表示通过的汽车数大于 50 辆但不超过 100 辆这 一随机事件． 注意 Y 的取值是可列无穷个！
第五节 多釜串联反应器
一、 并联 按单釜计算方法 计算每个釜的体积或 转化率。出口总转化 率是两个釜转化率的 加权平均值。
二、串联
1 解析法（恒容系统） 单一反应 作第P个釜，A组分 的物料衡算，有：
rA2 CA0 Q0 CA1 rA1 CA2
Vp =
Q0 ( CAp−1 − CAp ) −rAp
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{ 50 < Y ≤ 100 }
随机变量及其分布
例5
§1 随机变量
观察某生物的寿命（单位：小时），令： Z：该生物的寿命． 则 Y 就是一个随机变量．它的取值为所有非负实 { Z ≤ 1500} 数． 表示该生物的寿命不超过1500小时这一随机事 件． { Z > 3000 } 表示该生物的寿命大于 3000小时这一随机事件． 注意 Z 的取值是不可列无穷个！
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·8·化学工业与工程技术 2000年第 21卷第 1期全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案王国军熊洁羽常州技术师范学院化学工程系常州 213001 全混流釜式反应器是广泛用于化工、制药生产的流动反应器。
对于此类反应器中所进行的反应过程开发 ,其主要问题是确定优选的操作方案 ,这将取决于开发方法和控制策略。
通常采用逐级经验放大法进行反应过程的开发 ,由于逐级经验放大法放大效应欠佳 (放大过程中反应结果与小试指标之间出现未曾预期的差异 ,或虽可预期但却无从控制的差异,且开发周期长 ,耗资大。
本文采用数学模型方法 ,以不同控制策略对全混流釜式反应器的最优操作方案进行了研究。
2未反应物不回收循环的单级全混流釜式反应器的最优反应率摘要本文采用数学模型方法 TQ053. 202文献标识码A文章编号1006 -7906 (2000 01 -0008 -04 ,以不同控制策略提出了全混流釜式反应器中进行不同类型反应的最优操作方案 ,可用于指导反应过程的开发设计。
关键词化学反应器全混流控制策略最优化中图分类号 1引言正确选择最终反应率是单级全混流釜式反应器开发设计的一个十分重要的环节 ,可以操作费用为控制目标确定其最优反应率。
此系权衡在较大的反应器中 (高设备费用实现较高反应率 (低反应物成本,与在较小的反应器中 (低设备费用的低反应率 (高反应物成本的问题。
2. 1简单反应在单级全混流釜式反应器中进行简单反应A+ B →R, rA= kv CA n ,则反应器小时操作总费用为 [1] : ＄t= V R＄m+ FA0＄A = kv Cn FR-xA n ·＄m+ xFAR ·＄A (1 A0 (1 【作者简介】王国军 (1956- ,男 (满族 ,黑龙江省哈尔滨人。
1982年大学毕业 ,副教授。
现从事高校教学、科研和化工设计工作 , 主要研究方向为化工过程开发和工业催化。
【收稿日期】 1999-10-21 据此得到反应器小时操作总费用最低的条件为 : kv Cn n -xA n+1 ·＄m = 1A2 ·＄A (2 A0 (1 x 由此条件即可求取最优反应率 ,进而确定反应器最优操作方案 : 进料速率 : FA0 = FR/ xAopt 反应器尺寸 : V R= kv CnFA0 xAopt A0 (1 -xAopt 单位产品成本 :＄t/ FR= V R＄m F+ RFA0＄A 对于其它类型的简单反应 ,可据此法确定其相应的最优操作方案。
2. 2竞争反应在单级全混流釜式反应器中进行竞争反应 1Q, rQ= k1 CA A,反应器小时操作总费用为 : 2 S, rs= k2 CA ＄t= V R＄m+ FA0＄A FQ( k1 +k2·FQ = k1 CA0 (1 + xA ·＄m+ k1 xA ·＄A (3 据此得到最优反应率 : ( k1+k2CA0＄A-( k1 +k2CA0＄A＄m x Aopt = ( k1 +k2CA0＄A-＄m (4 反应器最优操作方案为 : k1+ k2 进料速率 : FA0 = k1 xAopt ·FQ FA0 xAopt 反应器尺寸 : V R= ( k1+ k2CA0 (1 -xAopt 王国军等全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案·9·目的产物 Q的收率 : Y QA = k1 k+ 1 k2 ·x Aopt 产品成本 :＄t/ FQ= V R＄m F+ Q FA0＄A 2. 3连串反应 2. 3. 1以反应器操作费用为目标的最优反应率 1 单级全混流釜式反应器中进行连串反应 AQ S(Q为目的产物 ,反应器小时操作费用为 : + (5 k2( ( k1 xA-xA +1 FQ xA(1 -xA ·＄A xA-xA +1 FQ kv Cnn (1 -x-xA 2 n ·＄=A n-1 m12 ·＄r (10 据此得到反应器小时操作总费用最低的条件 : k2 k1 ＄ CmA0 -11 -x A +2 k1 1-2 xA k2 -+ 1 (1 -xA (6 =＄A x A2 k1 反应器最优操作方案 : k2 xAopt + (1-x Aopt 进料速率 : FA0 = k1 xAopt (1 -xAopt ·FQ FA0 xAopt 反应器尺寸 : V R= k1 CA0 (1 -xAopt 目的产物 Q的收率 : xAopt (1 -xAopt Y QA = k2 xAopt + (1-xAopt k1 产品成本 :＄t/ FQ= V R＄m F+ Q FA0＄A 2. 3. 2以目的产物收率为目标的最优反应率 12 单级全混流釜式反应器中进行 AQ S连串一级反应 ,其目的产物 Q的收率为 [2] : xA(1 -xA Y QA = (7 k2 x A+ (1-xA k1 据此得到收率最大的最优反应率为 : k2/k1 -1 x Aopt = (8 k2/k1 -1 3未反应物回收循环的单级全混流釜式反应器的最优反应率这是一个权衡低设备费用与高循环费用及高设备费用与低循环费用的问题。
若在单级全混流釜式＄t= kk11 CA0 (1 -xA 2 ·＄m A0 (1 x A k2 由此条件即可求取最优反应率 ,进而确定得反应器最优操作方案为 : 反应器中进行简单反应A →R, rA= kv CA n ,反应器系统小时操作总费用为 [1] : ＄t= V R＄m+ FA0＄A+ FA i(1 -xA＄r = kv Cn FR xA n ·＄m+ FR ＄AA0 (1 + 1- xA xA FR ·＄r (9 据此得到反应器系统小时操作费用最低的条件 : 进料速率 : FA i = FR/ xAopt 循环物料速率 : FA i (1 -xAopt = FR xAopt -FR 反应器尺寸 : V R = FR kv Cn - Ao (1 xAoptn 产品成本 : ＄t/ FR= V R＄m+ FR＄A+ FAi(1 -xAopt＄r FR 对于复合反应可作类似分析。
图 1未反应物回收循环的单级全混流釜式反应器系统 4多级串联全混流釜式反应器的最优中间反应率 4. 1两个不同尺寸全混流釜式反应器串联的最优中间反应率串联示意见图 2。
这是一个在给定最终反应率条件下两个不同尺寸的全混流釜式反应器串联的最小尺寸问题 ,即确定最优中间反应率 ,使反应器总尺寸为最小 [3]。
由图 2可知 ,当矩形 KL MN面积较大时所需的反应器尺寸较小 ,矩形面积最大应满足的条件为 : 11 1 d r1 r2 r1 = (11 d x A1 xA1 -x A0 ·10·化学工业与工程技术2000年第 21卷第 1期图2不同大小的两个全混釜串联这一条件表明,当M点处动力学曲线的切线斜率与矩形的对角线NL的斜率相等时,反应器总尺寸最小,据此即可确定其最优中间反应率和反应 E2时,竞争反应的瞬时选性及连串反应目的产物 Q的收率随温度的升高而增加,故应选择较高的操作温度,以提高目的产物Q的瞬时选择性、收率和反应器的生产强度;当E1 < E2时,虽低温操作可提高瞬时选择性和收率,但生产强度却不高,故应以经济收益为目标,选择适宜的折中操作温度。
6结语 (1本文提出了全混流釜式反应器的控制策略。
以操作费用为控制目标,以反应率为控制因素,研究了全混流釜式反应器的最优操作方案。
以目的产物瞬时选择性或收率及生产强度为目标,分析了全混流釜式反应器的适宜操作温度。
(2本文采用数学模型方法,以不同控制策略对全混流釜式反应器单因素最优操作方案的研究结果,可指导反应过程的开发设计,具有可靠性强、开发周期短等特点。
符号说明 A 1 , A 2 ———反应速率常数指前因子 CA、CA0 ———反应组份A的浓度和初始浓度,kmol/ m3 E1 , E2 ———化学反应活化能,kJ/ kmol FA0 ———反应组份A的初始摩尔速率,kmol/ h FR , FQ ———反应产物R及Q的输出速率,kmol/ h k ———化学反应速率常数 m , n ———反应级数 Rg ———气体常数,J/ mol·K T ———反应温度, K V R ———反应器的反应体积,m 3 xA ———组分A的反应率 YQA ———目的产物Q的收率ΦQA ———目的产物Q的瞬时选择性＄t ———反应系统操作总费用,＄/ h＄m ———反应器费用(包括设备费、操作费、管理费、折旧费 , ＄/ m3·h＄A ———初始浓度为CA0的反应物A的消耗费用,＄/ kmol＄r ———未反应物A的回收费用,＄/ kmol 器适宜大小比率。
需要出的是指,满足使矩形面积最大的点取决于动力学曲线的形状 ,可能出现多个点 ,但总可找到一个恰当的点使得矩形面积最大。
4. 2多级串联全混流釜式反应器的最优中间反应率对于多级串联全混流釜式反应器 ,在釜数和最终反应率已有规定的情况下 ,各级中间反应率存在最优分配 ,使得反应器总尺寸为最小。
多级串联全混流反应器总体积为 : m x 1 -x 0 x 2 -x 1 xi-xi-1 V R= V R i= F0 ++ .+ r1 r2 ri i= 1 6 xi+1 -xi xm-xm-1 ++ . + (12 ri +1 rm 据此得到反应器总尺寸最小所须遵循的条件 : 1 11 9 ri ,i = 1 ,2 , ..,m -1 -=(xi-xi-1 ri +1 ri 9 xi (13 由此条件采用解析法或图解法 ,即可确定各级中间最优反应率。
5全混流釜式反应器的适宜操作温度在全混流反应器中进行竞争反应 1Q, rQ= k1 CA m A2,则目的产物 Q的瞬时选择性 S, rs= k2 CA n 为[4] : 1 (14 ΦQA = A2 E1 -E2 -m -m Cn 1+ exp A0 (1-xA n A1 Rg T 1 在全混流反应器中进行连串一级反应 AQ 2 S,则目的产物Q的收率为 : xA(1 -xA (15 YQA = A2 E1 -E2 exp ·xA + (1-xA A1 Rg T 由此可见 ,当反应率一定时 ,竞争反应的瞬时选择性及连串反应目的产物 Q的收率随温度变化情况 ,与主副反应活化能的相对大小有关[5]。
当 E1= E2时 ,虽然竞争反应的瞬时选择性及连串反应目的产物 Q的收率与温度无关 ,但实际生产中仍应选择较高的操作温度以提高反应器生强度产;当 E1> 王国军等全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案 ·11·参考文献 1984 :84 [1] Levenspiel O. Chemical Reaction Engineering. 2nd Edi2 [4]中国化工学会教育工作委员会 .化学工程 [M].北京 : tion[M] .JohnWileyNew York,1972.130～132 化学工业出版社 ,1991 :190 [2]李绍芬 .反应工程 [M].北京 :化学工业出版社 ,1990: [5]王国军 ,熊洁羽 .第八届全国化学工程论文集 [C].北 136 京 :中国化工学会化学工程专业委员会 ,1996 : 963～ [3]陈甘棠 .化学反应工程 [ M].北京 :化学工业出版社 , 966 简讯化学学科国家重点实验室、部门开放实验室评估结果 1999年化学学科国家重点实验室、部门开放实验室评估结果近日揭晓。