流程图的循环结构

2020/2/12
29
工业反应器实例
乙苯 铁系60 催0℃化剂苯乙烯 氢气，H298K 115kJ / mol
工业上采用的反应器型式有两种： 一种是多管等温型反应器，是以烟道气为热载体，反应器放在加热炉内，由高温烟道 气，将反应所需要的热量通过管壁传递给催化剂床层。 另一种是绝热型反应器，所需要的热源是由过热水蒸气直接带入反应系统。 主要差别： 脱氢部分的水蒸气用量不同； 热量的供给和回收利用方式不同。
通常采用的等温反应器脱氢，乙苯转化率可达到40～45%，苯乙烯的选择性
可达到92～95%。
2020/2/12
32
优点：水蒸气的消耗量约为绝热式反应器的50%，乙苯转 化率高，苯乙烯的选择性高。
Q0CA0
xA
rA

0
=
Vp Vm
Q0CA0
Q0CA0
xA k xA k
1
可知：反应级数越高，容积效率越低； 转化率越高，容积效率越低。
结论：
一级不可逆反应：n 1, rA kCA kCA0 1 xA
Q0 ln 1
1
=
Vp Vm

k Q0
1 xA 1 xA ln 1
2020/2/12
18
生产能力的比较
简单反应（无副反应：无产品分布问题） 定义：单位时间、单位体积反应器所能得到的产无量（越多越好），或给定
生产任务所需反应器体积（越小越好）
【1】间歇反应器和平推流反应器的比较 相同点：具有相同的返混特征——不存在返混 对于确定的反应过程，反应结果由动力学唯一确定 不同点：虽然达到要求的VR相同，但间歇釜存在辅助时间和装料系数，所以总反 应器体积VT较大
2020/2/12
8
H2进料，FH2
循环氢RH2
放空，H2、C2H6等
EA进料，FEA
反应器
FT
FT（1-X)
分离系统
FT（1-X)
乙醇，PEtOH
FEA FT (1 X ) FT
有限反应物：FT

FEA X
其他反应物：FH
2

y0

RH
2

y

N

FEA X

2020/2/12
某一反应物过量，改变平衡转化率。如：
EA 2H2 2EtOH，氢气过量，平衡向右移动。
2020/2/12
6
循环结构的决策
反应物的摩尔比
有益因素
回收与循环费用
2020/2/12
7
1 确定循环结构的决策 2 循环的物料衡算 3 反应器的热效应 4 平衡的限制 5 压缩机的设计和费用 6 反应器的设计 7 小结
其他
效率，备件，年均建设费用，操作费用 和灵敏度等
16
1 确定循环结构的决策 2 循环的物料衡算 3 反应器的热效应 4 平衡的限制 5 压缩机的设计和费用 6 反应器的设计 7 小结
2020/2/12
17
针对某特定反应，采用什么型式的反应器和操作方法？ 应结合化学反应特点和不同反应器的性能进行比较来决定。 简单反应：比较生产能力 复合反应：比较反应选择性
2020/2/12
15
2020/2/12
功率
W

P1Vc
k
k 1

P2 P1
k
k 1

1 ,T2
T1

P2 P1
k
k 1
Vc 吸入容积，k--多变指数，P2/P1--压缩比
设计准则：每级压缩比应该相等，所需 多级压缩 要的功最小
xA
xA 1 xA
高级数高转化率反应：选平推流。 若只有反应釜，可用间歇付（存在辅 助时间）或多釜串联。
k 1 xA
零级反应与浓度无关。流动形式不
二级不可逆反应：n

2, rA

kC
2 A

kCA02
1
xA
2
想影响反应体积，选任何反应器均可。
Q0
xA
2020/22 /=1VV2mp
2020/2/12
26
【2】自催化反应
A P k1 P P 动力学方程式： rA kC ACP
讨论： 为使反应器总体积最小，在CA0 ~ CAmax ?采用CSTR，使反应器保持在最高速率点运行， 为使反应原料得到充分利用，达到较高转化率，可在CSTR后串联PFR,达到高转化率的要求。
rS dCs / dt
k2CR
讨论：
当R为目的产物时，CA
CR

rR rS
，选择平推流，间歇釜，多釜串联；
当S为目的产物时，CA
CR

rR rS
，选择全混釜（单釜）反应器。
另外，R为目的产物：
若k2 ? k1，则采用较低的单程转化率（xA小），分离R后，循环使用A。 若k2 = k1，可保持高转化率，以减轻分离R的负担。
255
燃料副产物
5
循环结构的决策
反应物的摩尔比
某一反应物过量，改善产物的选择性。如：
丁烯+异丁烷 异辛烷 丁烯 异辛烷 C12
某一反应物过量，促使另一组份接近完全转化，减小分离难度。如：
CO Cl2 COCl2，为生产双异氰酸酯的中间体，产物必须不含Cl2。 采用过量CO，促使Cl2较高的转化率； 苯+H2 环己烷，避免苯与环己烷的蒸馏分离，采用过量H2,使苯接近完全转化。
2020/2/12
30
多管等温反应器
反应条件及流程：
原料乙苯蒸气和一定量的水蒸气混合；
预热温度(反应进口)：540℃；反应温度(反应 出口)：580～620℃；
反应产物冷却冷凝，液体分去水后送到粗苯乙 烯贮槽；
不凝气体含有90%左右的H2，其余为CO2和少量 C1及C2，可作为燃料气，也可以用作氢源。
11
热效应的启示
反应器的选择：
如HDA过程，净化循环 氢物流，出口温度升高 ，超过温度界限，不适 用绝热反应器。替代方 案：冷却反应器或加大 循环氢流率。
2020/2/12
加入热载体
如催化剂的钝化过 程，采用空气作为 反应物流
12
1 确定循环结构的决策 2 循环的物料衡算 3 反应器的热效应 4 平衡的限制 5 压缩机的设计和费用 6 反应器的设计 7 小结
具有相邻沸点的组分循环到统一反应器时，他们应该在同一物流中循环。 如果需要某种过量的反应物，则有一最佳的进料比。 若改变反应器的温度、压力、摩尔比来转移平衡转化率，要进行经济性评价，确
定最佳值。 对于放热反应，如果绝热温升低于进口温度的10%-15%，可考虑采用绝热反应器。 最贵的反应物（或最重的反应物）通常都是有限的反应物。 如果一个可逆副产物的平衡常数小，则循环该可逆副产物。
反应级数大小
对浓度的要求
合适的操作方式
a1>a2，b1>b2 a1>a2，b1<b2
CA、CB均高 CA高、CB低
a1<a2，b1>b2 a1<a2，b1<b2
CA低、CB高 CA、CB均低
2020/2/12
24
2020/2/12
25
【2】连串反应
A k1 R k2 S
一级反应动力学方程式：rR dCR / dt k1CA k2CR
动力学方程式：rR
rS

dCR dCR
/ dt / dt

k1C
a1 A
k2C
a A
2

k1 k2
C a1a2 A
a0
要使R的收率增加，使 rR rS
20在20/一2/1定2 T下，一定反应体系中，k1、k2、a1、a2为常数，只有调整CA，使r2R2
讨论：
a1
a2 : 主反应级数高，CA
流程图的循环结构
2013.7.21
2020/2/12
1
1 确定循环结构的决策 2 循环的物料衡算 3 反应器的热效应 4 平衡的限制 5 压缩机的设计和费用 6 反应器的设计 7 小结
2020/2/12
2
循环结构的决策
反应系统的总数
eg
.
如果各反应在不同的温度和压力下进行，和/或需要不同的催化剂 是，则每一种操作条件需要一个单独的反应器系统。
9
1 确定循环结构的决策 2 循环的物料衡算 3 反应器的热效应 4 平衡的限制 5 压缩机的设计和费用 6 反应器的设计 7 小结
2020/2/12
10
反应器 热效应
2020/2/12
热负 荷
Q=△H×FEA
绝热 温升
Q=F×Cp×（TR，入-TR，出）
温度 限制
反应特征，对于反应温度是否 有限制

k Q0 k
CA0 1 xA
xA
CA0 1 xA 2
1 xA
对于n＜0的不可逆反应，选具有返 混的全混流反应器。
21
反应选择性的比较
复合反应（平行反应、连串反应） 定义：反应器型式与操作方式的优化选择以产物收率为目标
【1】平行反应1
A k1 R--主产物
A k2 S--副产物
恒容 k CA0 1 xA n
2020/2/12
变容
k

CA0 1
1
xA A xA


n
20
生产能力的比较
基础方程式（恒容过程）：
平推流
Vp Q0CA0
xA 0
dxA rA