?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 。
反应器计算与操作的优化
?反应器生产能力的比较
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。
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。
? 常见反应器生产能力的比较
? 对于 n＞ 0的反应，各反应器的有效体积大小为,PFR最小,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。
?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，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。
?自催化反应过程的优化
（ 1）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,
（ 2）自催化反应速率规律
自催化反应过程的基本特征是 存在一个最大反应速率。
A P P P? ??? ?
? ?A A Pr k C C??
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。
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 。
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
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。
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 。
反应器计算与操作的优化
?反应器生产能力的比较
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。
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。
? 常见反应器生产能力的比较
? 对于 n＞ 0的反应，各反应器的有效体积大小为,PFR最小,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。
?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，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。
?自催化反应过程的优化
（ 1）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,
（ 2）自催化反应速率规律
自催化反应过程的基本特征是 存在一个最大反应速率。
A P P P? ??? ?
? ?A A Pr k C C??
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。
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 。
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
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。
