反应工程XXXX-XXXX第4章管式反应器PFR

42/1CHAPTER4管式反应应器(PFR)（PistonFlowReactor）长江大学学化工学学院化学工程程系42/2本章内容容理想流动动模型等温管式式反应器器的计算算管式式与釜式式反应器器反应体体积的比比较循环环反应器器变温管式式反应器器的计算算42/3流动模型型：是反反应器中中流体流流动与返返混情况况的描述述，这一一状况对对反应结结果有非非常重要要的影响响。1.基本概念念返混：在流体体流动方方向上停留时间间不同的流流体粒子子之间的的混合称称为返混混，也称称为逆向混合合。4.1活塞流假假设42/4活塞流模模型（平平推流））基本假定定：(1)径径向流流速分布布均匀，，所有粒粒子以相相同的速速度从进进口向出出口运动动。(2)轴向上无无返混符合上述述假设的的反应器器，同一一时刻进进入反应应器的流流体粒子子必同一一时刻离离开反应应器，所所有粒子子在反应应器内停停留时间间相同。。特点：径径向上物物料的所所有参数数都相同同，轴向向上不断断变化。。1.基本概念念层流湍流活塞流4.1活塞流假假设42/5全混流模模型：4.1活塞流假假设1.基本概念念管径较小小，流速速较大的的管式反反应器－－－可按活塞塞流处理理PistonFlowReactor剧烈搅拌拌的连续续釜式反反应器－－－可按全混混流处理理基本假定定：径向混合合和轴向向返混都都达到最最大符合此假假设的反反应器，，物料的的停留时时间参差差不齐特点反应物系系的所有有参数在在径向上上均一，，轴向上上也均一一，即：：各处物物料均一一，均为为出口值值42/6CSTR属全混流流类的反反应器PFR：不存在在返混（（轴向混混合），，效果与与间歇釜釜一样，，t-定时，XA、YA相同.都属于理理想化流流动模型型，是返返混程度度的两个个极端。。二者的差差别：CSTRPFR返混最大（∞∞）无（0）返混4.1活塞流假假设4.2等温管式式反应器器的设计计进入量=排排出量+反反应量+累累积量单一反应应4.442/742/84.2等温管式式反应器器的设计计4.43.84.64.542/9变容:等容过程程：（（4.8）式间歇式（4.9）式4.2等温管式式反应器器的设计计基本差别别：对定态的的PFR，反应物物系的浓浓度系随随轴向距距离而变变；与t无关，而而（4.9）式则说说明间歇歇式物系系浓度随随时间而而变，与与位置无无关。42/10该方程组初值为：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。复合反应应对关键组组分作物物料衡算算的结果果，得到到一常微分方方程组4.2等温管式式反应器器的设计计4.1042/11对A的物料衡衡算：系统中只只进行两两个反应应，都是是独立的的，所以以关键组组分数为为2，因因此，此此三式中中仅二式式是独立立的。对P的物料衡衡算：对Q的物料衡衡算：复合反应应4.2等温管式式反应器器的设计计复合反应应4.2等温管式式反应器器的设计计42/1242/13复合反应应对A的物料衡衡算：对P的物料衡衡算：k1k24.2等温管式式反应器器的设计计42/14根据空时时的定义义对恒容均均相反应应，空时时等于物物料在反反应器内内的平均均停留时时间。对变容反反应，空空时等否否物料在在反应器器内的平平均停留留时间？？原因是管管式反应应器的瞬瞬时浓度度表达式式发生变变化，τ≠tquestion？4.2等温管式式反应器器的设计计42/15自测题：：乙醛气相相分解生生成甲烷烷与一氧氧化碳：：0.1g/s的乙醛蒸蒸汽在520℃℃、0.1MPa于管式反反应器（（PFR)内分解，，已知反反应对乙乙醛为二二级不可可逆反应应，k=4.3m3/kmols，计算：⑴35％乙醛醛分解所所需的反反应体积积；⑵90％乙醛醛分解所所需的反反应体积积；⑶若为为CSTR，则⑴、⑵⑵结果果如何？？4.2等温管式式反应器器的设计计42/16前提条件件：进行行相同的的反应；；采用相同同的进料料流量与与进料浓浓度；反应温度度与最终终转化率率相同。。4.3管式与釜釜式反应应器反应应体积的的比较分三种情情况1.正常常动力学学2.反常常动力学学3.反应应速率有有极大值值的情况况42/171.正常常动力学学达到相同同的转化化率，管式反应应器所需需的反应应体积小小于釜式式反应器器4.3管式与釜釜式反应应器反应应体积的的比较42/18对反常动力学学情况，结论论与正常动力力学相反。2.反常动力力学04.3管式与釜式反反应器反应体体积的比较42/193.有极大值值情况若:XAf<XAm，则Vrp>Vrm若：XAf>XAm，则Vrp可能>、<或=Vrm此时，可以：：釜式与管式的的串联4.3管式与釜式反反应器反应体体积的比较ABC42/20在A点保持较高速速率进行，先先用CSTR进行反应到XAm，然后送入PFR中到XAf，则VR最小。4.3管式与釜式反反应器反应体体积的比较对多个反应，，二者的比较较主要是看在在相同的最终终转化率下，，哪一个目的的产物最终收收率大。So～XA关系见图3-10（a）。①反应物CA低，获得高的的选择性，选选釜式反应器器。②反应物CA高，则管式反反应器优于釜釜式反应器。。42/214.3管式与釜式反反应器反应体体积的比较42/22对于单程转化化率不高的情情况，为提高高原料的利用用率，将反应应器出口物料料中的产品分分离后再循环环进入反应器器入口，与新新鲜原料一起起进行反应。。Reactor4.4循环反应器设循环物料与与新鲜原料量量之比为循环环比：故,反应器的的物料处理量量为：在混合点M处对A做物料衡算：：化简后得：ψ→0：用(1＋Ψ)Q0代替Q0，用XA0代替0，即即4.4循环反应器4.234.2442/2342/24分析：结果相当于无无循环管式反反应器（4.5）结果相当于恒恒定转化率下下的操作，即即CSTR反应器在实际操作中,只要足够大，如：则可认为是等浓度操作。4.4循环反应器ψ→0：用(1＋Ψ)Q0代替Q0，用XA0代替0，即即42/251.管式反应器的的热量衡算假设：管式反应器内内流体流动符符合活塞流假假定；反应器内温度度分布：径向向均匀，轴向向变化4.5变温管式反应应器取微元体积dVr作为控制体积积，衡算依据为热热力学第一定定律：反应热温变热G为流体的质量量速度，G=Q0ρ42/26故有：此即管式反应应器轴向温度度分布方程1.管式反应器的的热量衡算令wA0为组分A的初始质量分分数，MA为A的相对分子量量,则：管式反应器中中反应温度与与转化率的关关系式4.5变温管式反应应器4.284.2642/27若绝热操作，，则2.绝热管式反应应器4.5变温管式反应应器简化4.28式为：积分得：4.30P883.8942/28FA0CA04.5变温管式反应应器42/29比较p88（3.89）,完全一样，均均反映了绝热热反应过程中中温度与转化化率的关系。。放热：λ>0;吸热：λ<0;等温：λ=0。（4.30）式用于绝热热条件下操作作温度与转化化率关系，但但本质不同：：PFR反应器：不同同的轴向位置置上T与XA的关系。间歇式反应器器：不同的时时间下反应物物料的XA与T的关系；CSTR：无论是否与与环境进行热热交换，均为为等温操作。。4.5变温管式反应应器42/30等温反应，T=T0；放热反应，T＞T0；吸热反应，T＜T0吸热反应，较较高的进料温温度有利；放热反应，较较低的进料温温度有利。XA和T的关系图吸热反应等温反应放热反应TXA4.5变温管式反应应器42/31－最优温度曲线－平衡曲线XAfTTATBTCXA图4.8可逆放热反应的转化率与温度的关系2.绝热管式反应应器4.5变温管式反应应器图4.8对于XA一定，当反应应温度低于最最佳温度时，，反应速率总总是随T↑→rA↑；高于最佳温温度时T↑→rA↓，BE的rA>ADrA的，CF太接近Teq。CBADEF42/32图4.9目标函数：VR最小。最佳进料温度度，所需反应应体积最小。。4.5变温管式反应应器42/33目标函数确立立：1.单一反应常根根据生产强度度最大来确定定操作温度。。生产强度：：单位时间单单位反应体积积化产品产量量。2.复合反应：目目的产物的收收率最大。4.6管式反应器的的最佳温度序序列4.6.1单一反应¤不可逆反应或或可逆吸热温度尽可能高高；42/34¤可逆放热设一级放热A→P，其速率方程程为：rA=k.CAo[(1-XA)-XA/K]K-化学平衡常数数4.6管式反应器的的最佳温度序序列(4.23)42/35K和均均为T的函数，对于于Q0和XAf一定，TK（4.23）中对数值增增大，因子值值则减少，导致Vr可能增大或减减小，因此存存在一最佳温温度对应的Vr;orVr和Q0一定时XAf最大。4.6管式反应器器的最佳温温度序列(4.23)42/364.6管式反应器器的最佳温温度序列令dVr/dT=0得出Topt。对变温操作作的管式反反应器：（1）可逆吸热热和不可逆逆反应：Topt先低后高的的原则。（2）可逆放热热反应：Topt由高到低。。42/37设：（1）E1＜E2，先低温后后高温；初期浓度高高，rA↑；后期CA、CB↓，T↑保持较高的的rA。（2）E1＞E2，T↑有利于提高高生产强度度4.6管式反应器器的最佳温温度序列4.6.2复合反应A+B1PA+B2Q42/38在等温间歇反反应器中，，如P为目的产物物，则存在最最佳反应时时间；这一一结论同样样适合于PFR。控制τ与Top相等便达目目的。1.等温反应时时，从收率率最大的观观点出发，，不存在最最佳操作温温度的问题题。若E1＜E2，则T↓有利；E1＞E2，则T↑有利；4.6管式反应器器的最佳温温度序列Ak1QPk242/392.若非等温操操作：E1＜E2时，先高后后低；先高高是为了加加快第一个个反应，促促使P的生产，待待P累积到一定定量后，降降低温度以以减小副产产物Q的生成。E1＞E2，温度较高有有利。4.6管式反应器器的最佳温温度序列42/40▓对1、2两反应而言言，T↑有利P生成；4.6管式反应器器