反应工程XXXX-XXXX第4章管式反应器PFR

ChemicalReactionEngineering42/1CHAPTER4管式反应器(PFR)（PistonFlowReactor）长江大学化工学院化学工程系ChemicalReactionEngineering42/2本章内容理想流动模型等温管式反应器的计算管式与釜式反应器反应体积的比较循环反应器变温管式反应器的计算ChemicalReactionEngineering42/3流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的描述，这一状况对反应结果有非常重要的影响。1.基本概念返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为逆向混合。4.1活塞流假设ChemicalReactionEngineering42/4活塞流模型（平推流）基本假定：(1)径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。(2)轴向上无返混符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时间相同。特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。1.基本概念层流湍流活塞流4.1活塞流假设ChemicalReactionEngineering42/5全混流模型：4.1活塞流假设1.基本概念管径较小，流速较大的管式反应器－－可按活塞流处理PistonFlowReactor剧烈搅拌的连续釜式反应器－－可按全混流处理基本假定：径向混合和轴向返混都达到最大符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐特点反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值ChemicalReactionEngineering42/6CSTR属全混流类的反应器PFR：不存在返混（轴向混合），效果与间歇釜一样，t-定时，XA、YA相同.都属于理想化流动模型，是返混程度的两个极端。二者的差别：CSTRPFR返混最大（∞）无（0）返混4.1活塞流假设4.2等温管式反应器的设计000AAcQF进入量=排出量+反应量+累积量0)()(riiiidVFdFFRiridVdFRdzAfXrdV0iFiFiidFFArAdVdFR)1(0AAAXFF)(0AArAAXdVdXFR)(00AArAAXdVdXcQR单一反应4.442/7ChemicalReactionEngineering42/8dzAfXrdV0iFiFiidFF)(00AArAAXdVdXcQRAfXAAAArXdXcQV000)]([RAfXAAAAorXdXcQV00)]([RAfXAAAAXdXct00)]([R间歇BRXPFRtA等容，等4.2等温管式反应器的设计4.43.84.64.5ChemicalReactionEngineering42/9变容:等容过程：（4.8）式间歇式（4.9）式4.2等温管式反应器的设计AAAoAAoAXyXkcr11AAodZdcuAAdtdc基本差别：对定态的PFR，反应物系的浓度系随轴向距离而变；与t无关，而（4.9）式则说明间歇式物系浓度随时间而变，与位置无关。ChemicalReactionEngineering42/10该方程组初值为：,...,k,iFFViir2100,,解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。然后将Fi和变为反应变量的函数，即可求解方程组。解时一般用数值法。简单情况可解析求解。jrkirdVdFMjjijiri,...,2,11R复合反应对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组4.2等温管式反应器的设计4.10ChemicalReactionEngineering42/110)(21ddnckkVAAr01ddnckVPAr02ddnckVQAr对A的物料衡算：系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。（副）（主）AckQrQAAckPrPA2,1,对P的物料衡算：对Q的物料衡算：复合反应4.2等温管式反应器的设计0)(21ddcckkAA01ddcckPA02ddcckQA0,0,00QPAAcccct时，])(exp[210kkccAA]})(exp[1{212101kkkkckcAp]})(exp[1{212102kkkkckcAQ复合反应4.2等温管式反应器的设计42/12ChemicalReactionEngineering42/13QPAkk2101ddcckAA10kAAecc复合反应0)(21ddcckckPPA)(122101kkAPeekkckc对A的物料衡算：对P的物料衡算：k1k24.2等温管式反应器的设计ChemicalReactionEngineering42/14根据空时的定义对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停留时间。对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均停留时间？原因是管式反应器的瞬时浓度表达式发生变化，τ≠tquestion？4.2等温管式反应器的设计ChemicalReactionEngineering42/15自测题：乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳：0.1g/s的乙醛蒸汽在520℃、0.1MPa于管式反应器（PFR)内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，k=4.3m3/kmols，计算：⑴35％乙醛分解所需的反应体积；⑵90％乙醛分解所需的反应体积；⑶若为CSTR，则⑴、⑵结果如何？COCHCHOCH434.2等温管式反应器的设计ChemicalReactionEngineering42/16前提条件：进行相同的反应；采用相同的进料流量与进料浓度；反应温度与最终转化率相同。4.3管式与釜式反应器反应体积的比较分三种情况1.正常动力学2.反常动力学3.反应速率有极大值的情况ChemicalReactionEngineering42/171.正常动力学2000)]([ApXAAAArXdXcQVR)]([200AAAArXXcQVMR达到相同的转化率，管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器2AXAX1AX)(1ARABDEF0KH)]([)()]([212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVMRR4.3管式与釜式反应器反应体积的比较ChemicalReactionEngineering42/18对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。2.反常动力学)(1ARAX1AX2AXLGMNP0)]([200AAAArXXcQVMR)]([)()]([212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVMRR2000)]([ApXAAAArXdXcQVR4.3管式与釜式反应器反应体积的比较ChemicalReactionEngineering42/193.有极大值情况若:XAfXAm，则VrpVrm若：XAfXAm，则Vrp可能、或=Vrm此时，可以：釜式与管式的串联AXAmXAfX0)(1AR'AfX4.3管式与釜式反应器反应体积的比较ABCChemicalReactionEngineering42/20在A点保持较高速率进行，先用CSTR进行反应到XAm，然后送入PFR中到XAf，则VR最小。4.3管式与釜式反应器反应体积的比较对多个反应，二者的比较主要是看在相同的最终转化率下，哪一个目的产物最终收率大。So～XA关系见图3-10（a）。①反应物CA低，获得高的选择性，选釜式反应器。②反应物CA高，则管式反应器优于釜式反应器。ChemicalReactionEngineering42/214.3管式与釜式反应器反应体积的比较ChemicalReactionEngineering42/22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。0Q0AcrV0AXAfXN0QQrReactorMAfXAAArdXcV?0)(?AfAfXXAAArdXcQV1)()1(004.4循环反应器设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：0QQr00)1(QQQr故,反应器的物料处理量为：在混合点M处对A做物料衡算：)1()1()1(0000000AAAfAAXcQXcQcQ10AfAXX化简后得：ψ→0：用(1＋Ψ)Q0代替Q0，用XA0代替0，即AfAfXXAAArdXcQV1)()1(004.4循环反应器4.234.2442/23ChemicalReactionEngineering42/24分析：0,00AX时结果相当于无循环管式反应器（4.5）AfAXX0时,结果相当于恒定转化率下的操作，即CSTR反应器10AfAXX在实际操作中,只要足够大，如：则可认为是等浓度操作。25AfAfXXAAArdXcQV1)()1(004.4循环反应器ψ→0：用(1＋Ψ)Q0代替Q0，用XA0代替0，即ChemicalReactionEngineering42/251.管式反应器的热量衡算假设：管式反应器内流体流动符合活塞流假定；反应器内温度分布：径向均匀，轴向变化4.5变温管式反应器取微元体积dVr作为控制体积，衡算依据为热力学第一定律：dqdH24]))([(tptTrrAddTGcdZHdH反应热温变热G为流体的质量速度，G=Q0ρ()CtdqUTTddZChemicalReactionEngineering42/26/(R)()4()/ptArTrCtGcdTdZHUTTd故有：此即管式反应器轴向温度分布方程1.管式反应器的热量衡算令wA0为组分A的初始质量分数，MA为A的相对分子量,则：0(R)AAAAGwdXMdZ)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt管式反应器中反应温度与转化率的关系式4.5变温管式反应器4.284.26ChemicalReactionEngineering42/27若绝热操作，则0)(4CtTTdUAptATrrAdXcMHwdT)(02.绝热管式反应器AptATrrAXcMHwTT)(00AXTT0ptATrAcMHwr00rArTptCHc4.5变温管式反应器简化4.28式为：积分得：4.30P883.89ChemicalReactionEngineering42/28ptATrAcMHwr0000rArTAptQwHQMcFA000rArTptFHQcCA00rArTptCHc4.5变温管式反应器ChemicalReactionEngineering42/29比较p88（3.89）,完全一样，均反映了绝热反应过程中温度与转化率的关系。放热：λ0;吸热：λ0;等温：λ=0。（4.30）式用于绝热条件下操作温度与转化率关系，但本质不同：PFR反应器：不同的轴向位置上T与XA的关系。间歇式反应器：不同的时间下反应物料的XA与T的关系；CSTR：无论是否与环境进行热交换，均为等温操作。4.5变温管式反应器ChemicalReactionEngineering42/30等温反应，T=T0；放热反应，T＞T0；吸热反应，T＜T0吸热反应，较高的进料温度有利；放热反应，较低的进料温度有利。XA和T的关系图吸热反应等温反应放热反应TXA4.5变温管式反应器ChemicalReactionEngineering42/31－最优温度曲线－平衡曲线XAfTT