化学反应工程第四章

化学反应工程第四章第1页/共35页2理想流动模型等温管式反应器设计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计算本章内容第2页/共35页34.1理想流动模型流动模型：反应器中流体流动与返混情况的描述。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。

(1)径向流速分布均匀(2)轴向上无返混活塞流模型（平推流）层流湍流活塞流(1)径向上物料的所有参数都相同(2)轴向上不断变化基本假定特点第3页/共35页4管径较小，流速较大的管式反应器可按活塞流处理4.1理想流动模型全混流模型径向混合和轴向返混都达到最大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，均为出口值基本假定特点

剧烈搅拌的连续釜式反应器可按全混流处理第4页/共35页54.2等温管式反应器的设计进入量=排出量+反应量+累积量4.2.1单一反应单一反应比较第5页/共35页64.2.2复合反应4.2等温管式反应器的设计平行反应恒容过程第6页/共35页74.2.2复合反应4.2等温管式反应器的设计连串反应恒容过程k1

k2第7页/共35页8例：4.2在活塞流反应器（PFR）中，于923K等温下进行丁烯脱氢反应生产丁二烯：

C4H8C4H6+H2原料气为丁烯与水蒸汽的混合气，丁烯的摩尔分数10%，操作压力为105Pa，973K时，k=1.079×10-4kmol/(h.m3.Pa)若要丁烯的转化率达35%，空时为多少？解第8页/共35页9例4.4管式，4.05MPa,936K下进行如下反应yT0=25％,yH075％,流速0.1m/s,求XTf=80%时所需的反应器长度二甲基萘、一甲基萘及萘的收率独立反应数？关键组分？解T、D、M第9页/共35页10恒容设计方程速率方程变换(XT,YD,YM)第10页/共35页11051015200.00.20.40.60.81.0(反应器长度)第11页/共35页124.2.3拟均相模型例4.50.12MPa,898K,乙苯脱氢ASH乙苯/水蒸气＝1:20,XA=60%,催化剂用量=?解第12页/共35页134.3管式与釜式反应器反应体积的比较1.正常动力学相同条件下，PFR所需的反应体积小于CSTR和BRCSTR单釜CSTR两釜串PFR或BR第13页/共35页144.3管式与釜式反应器反应体积的比较2.反常动力学OCSTR单釜CSTR两釜串PFR或BR结论？第14页/共35页153.有极大值情况4.3管式与釜式反应器反应体积的比较第15页/共35页16例：4.6等温下进行如下反应：操作温度下平衡常数已知，且进料浓度给定，求当辛醇转化率达30%时，计算反应体积。（PFR和CSTR）HCl(A)+CH3(CH2)6CH2OH(B)CH3(CH2)6CH2Cl+H2OHCl(A)+CH3(CH2)10CH2OH(C)CH3(CH2)10CH2Cl+H2O（1）PFR反应器解设计方程（B、C）第16页/共35页17（2）采用CSTR反应器设计方程（B、C）第17页/共35页18ReactorM4.4循环反应器321第18页/共35页194.5

变温管式反应器

4.5.1

管式反应器的热量衡算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，轴向变化控制体积基本假设热力学第一定律dVr第19页/共35页20Δ

Δ

（4.26）反应热温度变第20页/共35页21单一反应复合反应？第21页/共35页224.5.2

绝热管式反应器绝热第22页/共35页23吸热反应等温反应放热反应ABCtZZAZBZCtBtctABRCSTRPFRT,XAABCXAXA1XA2XA3T0TATBTCTO第23页/共35页24图4.8可逆放热反应温度与转化率关系第24页/共35页25图4.9绝热管式反应器最佳进料温度第25页/共35页26（1）催化剂用量（2）反应器轴向温度与转化率分布例4.7绝热管式反应器计算第26页/共35页27等温过程绝热过程第27页/共35页28管式反应器绝热操作温度与浓度分布图第28页/共35页294.5.3

非绝热变温管式反应器（1）催化剂用量（2）反应器轴向温度与转化率分布例4.8非绝热管式反应器计算第29页/共35页30等温过程绝热过程非绝热变温过程第30页/共35页31过程等温T=898K绝热T0=898K非绝热T0=898K催化剂用量/Kg172549493135XAf=60%时催化剂用量第31页/共35页324.6

管式反应器的最佳温度序列4.6.1

单一反应等温操作变温操作不可逆或可逆吸热反应?可逆放热反应?单一反应：生产强度最大复合反应：目的产物的收率（选择性）最大可逆放热反应第32页/共35页334.6.2

复合反应平行反应生产强度最大P选择性最大先低温后高温低温E1<E2E1>E2?连串反应1.等温反应，不存在最佳温度

若E1<E2,则温度越低越好若E1>