第三章-理想反应器PFR-1ppt课件

.,1,3.8平推流反应器（PlusFlowReactor,PFR）,1、平推流反应器的特点,2、平推流反应器的设计方程,3、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,.,2,PlusFlowReactor,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。,.,3,.,4,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,.,5,若过程恒T、P，则：,或根据定义式：,Return,.,6,2、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？,.,7,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,CA0FA0XA0=0v0,dVR,CAfFAfXAf=0v,FA,xA,FA+dFA,xA+dxA,xA,VR,dxA,dVR,.,8,对整个反应器进行积分,PFR反应器的设计方程（xA0=0的情况）,.,9,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。,.,10,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-1k-反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1CA、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%，,.,11,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？,.,12,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,.,13,3、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。,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。,.,14,.,15,Return,.,16,应用一：绝热活塞流反应器,.,17,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！,.,18,.,19,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；,.,20,4、计算曲线下面所围成的面积S，,Return,.,21,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。,.,22,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；,.,23,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,.,24,图解示意,.,25,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,.,26,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？,.,27,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：,.,28,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！,.,29,.,30,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,.,31,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。,.,32,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,.,33,设管径为D，则：则物料衡算式：（1）热量衡算式：（2）式（1）（2）与