平推流反应器(Plu.ppt

3.8 平推流反应器（Plus Flow Reactor, PFR） 1 1、平推流反应器的特点、平推流反应器的特点 2 2、平推流反应器的设计方程、平推流反应器的设计方程 3 3、平推流反应器的操作方程、平推流反应器的操作方程 4、平推流反应器的设计方程及操作方程的具体应用 应用一：绝热活塞流反应器应用一：绝热活塞流反应器 应用二：循环操作的平推流反应器 应用三：非绝热、非等温活塞流反应器 应用四：活塞流反应器并联、串联、并串联组合 Plus Flow Reactor, PFR-平推流反应器，也称活塞流 反应器，如长径比（L/D）较大，流体粘度较小，流速较快 的场合。 1、平推流反应器的特点 定常态下，在与流动方向垂直的截面上没有流速分布； 在反应器的各个截面上，物料的浓度不随时间变化； 流体流动方向上不存在流体质点的混合，无返混现象； 所有流体质点具有相同的停留时间 ，且等于反应时间t 。 恒容及变容过程的形式 L v,u VR v0 PFR 恒容过程 若恒定，即：v=v0，则上式可写成： 液相反应：可以近似看作恒容过程； 气相反应：恒T、P下的等分子反应或恒容过程 ； 变容过程 非等分子的气相反应, A为关键组分，其膨胀因子为A ，则： 由pv=nRT求 出体积流量v 后代入的 若过程恒T、P，则： 或根据定义式： Return 2、平推流反应器的设计方程 两个问题 1、如何确定物料衡算体积？可以对整个反应器进行衡算吗？ 2、如何取物料衡算的时间单元？可以任取吗？ 取长度为dl，体积为dVR的微元管段对物料A作物料衡算： 进入量-排出量-反应量=累积量 CA0 FA0 XA0=0 v0 dVR CAf FAf XAf=0 v FA xA FA+d FA xA+d xA xA VR d xA dVR 对整个反应器进行积分 PFR反应器的 设计方程（ xA0=0的情况） xA00，则通用的PFR反应器设计方程为： 对于等温过程，只需将反应的速率方程代入设计方 程积分求解； 对于速率方程较为复杂的场合，可能要用到数值积 分或图解积分求解； 对于非等温过程，则要结合热量衡算式（操作方程 ）联立求解，下面要讲到。 例题13 在PFR反应器中，用已二酸和已二醇生产醇酸树脂 ，操作条件和产量与例2相同，试计算PFR反应器的有效容 积。 速率方程式：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）-以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k-反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 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%， 解： 该反应为恒容液相二级反应，故： 问题：为什么活塞流反应器的有效体体积比间歇反应器 的有效体积小一些？ 特殊情况 变容过程-设计方程原则上是相同的，只是在求解时， 要将变容后的CA或PA与膨胀率或膨胀因子的关系式代入设 计方程中再行积分或其它解法。 例如：对于n级不可逆反应的设计方程： Return 3、平推流反应器的操作方程 取反应器的微元体积，列热量衡算式，根据边界条件积 分即得。 CA0 FA0 XA0=0 v0 dVR CAf FAf XAf=0 v Q1 T Q2 T+dT QA Qg Q1、Q2-单位时间由物料带入、带出的热量； QA-单位时间内体系经过管壁传给热载体的热量； Qg-单位时间内因反应放出的热量。 PFR反应器操作方程，它与设 计方程联立求解，可以计算 PFR反应器沿轴向的浓度及温 度分布，通常采用数值法求解 。 Return 应用一： 绝热活塞流反应器 PFR在绝热反应过程中，转化率xA与 物系温度呈直线关系，见下图： 注意：是有 条件的！ xA T T0 进料温度 xA T2T2 1.0 等温反应 吸热反应 放热反应 Hr=0Hr0 图解法步骤： 1、根据操作方程： 或 在xAT坐标系中绘出操 作线A； 2、沿操作线A读出一系列xA值对应的反应温度T，然后 代入速率方程式中计算相应于各xA下的 之值； 3、在 xA坐标系中绘出动力学曲线； 4、计算曲线下面所围成的面积S， Return 应用二：循环操作的平推流反应器 将PFR出口产物部分地返回到入口处与原始物料混合，然 后进入平推流反应器进行反应。 在定常态下: 以定义循环比： =0时，为单纯的无循环流的PFR反应器； =时，相当于CSTR反应器特性； 从循环操作的PFR反应器的设计方程可知，若 及xA1可 求，则反应器的体积即可求。 符合 杠杆规则 图 解 示 意 如果红的部分面积为“1”，寻找 一个高度使如图的S1=S2，则 “”分面积为蓝色区域减去S1。 S1 S2 例15 有如下自催化反应，A+PP+P，已知：CA0=1mol/L, CP0=0, k=1L/mol.s, FA0=1mol/s，今欲在一循环反应器中进行 此反应，要求达到的转化率为98%。 求：当循环比分别为=0、3时，所需反应器的体积为多少？ 解： 对于自催化反应，其反应动力学方程可表示为： 对于任意循环比，其反应器设计方程式为 ： 将动力学方程代入设计计算式并积分得： 当=3时， 当=0时，即为活塞流的情况： 图解（如下图）之可得：VR无解 即纯粹的平推流不可能完成该任务！ 最佳循环比： 对求偏导并令其等于 零，则可求出最优循环比的条件为： 物理意义 当调节（实际上是调节反应器进口转化率xA1)，使上图 中的A和B的面积相等时，循环反应器的体积是最小的，也 即此时的循环比为最优的。 Return 除此之外平 均高度则不 是最低的。 应用三：非绝热、非等温活塞流反应器（不作要求） 当化学反应热效应较大时，无论吸热还是放热，采用绝热 操作，将会使反应器进出口的物料温差过大。 若放热：可能导致超温，若放热可逆，则反应的平衡转 化率下降； 若吸热：无论可逆还是不可逆，沿轴向反应速率将越来 越慢，若可逆，还将导致转化率下降； 一般采用列管式反应器，即由许多D较小的反应管并联操作 解决办法 对其中的一根管作物料衡算和热量衡算来考察整个反应器的工况 设计计算 设管径为D，则： 则物料衡算式： （1） 热量衡算式： （2