反应工程XXXX-XXXX第4章管式反应器PFRbeic.pptx

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1、Chemical Reaction Engineering 42/42/1 1CHAPTER 4 管式反应器管式反应器(PFR)（Piston Flow Reactor）长江大学化工学院化学工程系Chemical Reaction Engineering 42/42/2 2本章内容本章内容 理想流动模型理想流动模型 等温管式反应器的计算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管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器循环反应器 变温管式反应器的计算变温管式反应器的计算Chemical Reaction Engineering 42/42/3 3 流动模型：是反应器中流体流动与返混流

2、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情况的描述，这一状况对反应结果有非常重要的影响。常重要的影响。1.1.基本概念基本概念 返混返混：在流体流动方向上：在流体流动方向上停留时间停留时间不同的流体不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为粒子之间的混合称为返混，也称为逆向混合逆向混合。4.1 4.1 活塞流假设活塞流假设Chemical Reaction Engineering 42/42/4 4活塞流模型（平推流）活塞流模型（平推流）基本假定：基本假定：(1)径向流速分布均匀，所有粒子以相同径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。的速度从进口向出口运

3、动。(2)轴向上无返混轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进入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。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，特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。轴向上不断变化。1.1.基本概念基本概念层流层流湍流湍流活塞流活塞流4.1 4.1 活塞流假设活塞流假设Chemical Reaction Engineering 42/42/5 5 全混流模型：全混流模型：4.1 4.1 活塞流假设活塞流假设1.1.基本概念基本概念管径

4、较小，流速较管径较小，流速较大的管式反应器大的管式反应器可按活塞流处理可按活塞流处理Piston Flow Reactor 剧烈搅拌的连续釜式剧烈搅拌的连续釜式反应器反应器可按全可按全混流处理混流处理 基本假定：基本假定：径向混合和轴向返混都达到最大径向混合和轴向返混都达到最大 符合此假设的反应器，物料的停符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐留时间参差不齐 特点特点 反应物系的所有参数在径向上均反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：各处物一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值料均一，均为出口值Chemical Reaction Engineering 42/42/6

5、6CSTR属全混流类的反应器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，：不存在返混（轴向混合），效果与间歇釜一样，t-定定时，时，XA、YA相同相同.都属于理想化流动模型，是返混程度的两个极端。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：二者的差别：CSTRPFR 返混返混最大（最大（）无（无（0）返混返混4.1 4.1 活塞流假设活塞流假设4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计进入量进入量=排出量排出量+反应量反应量+累积量累积量 单一反应单一反应4.442/42/7 7Chemical Reaction Engineering 42/

6、42/8 84.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计4.43.84.64.5Chemical Reaction Engineering 42/42/9 9变容变容:等容过程：等容过程：（4.8）式）式 间歇式间歇式 （4.9）式）式4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计基本差别：基本差别：对定态的对定态的PFRPFR，反应物系的浓度系随轴向距，反应物系的浓度系随轴向距离而变；与离而变；与t t无关，无关，而（而（4.94.9）式则说明间歇式物系浓）式则说明间歇式物系浓度随时间而变，与位置无关。度随时间而变，与位置无关。Chemical Reaction Eng

7、ineering 42/42/1010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。的转化率或收率或各关键反应的反应进度。然后将然后将 Fi 和和 变为反应变量的函数，即可求解方程组。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。解时一般用数值法。简单情况可解析求解。复合反应复合反应对关键组分作物料衡算的结果，得到一对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组常微分方程组4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计4.10Chemical React

8、ion Engineering 42/42/1111对对A的物料衡算：的物料衡算：系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为组分数为2 2，因此，此三式中仅二式是独立的。，因此，此三式中仅二式是独立的。对对P的物料衡算：的物料衡算：对对Q的物料衡算：的物料衡算：复合反应复合反应4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计42/42/1212Chemical Reaction Engineering 42/42/1313 复合反应复合反应对对A的物料衡算：的物料

9、衡算：对对P的物料衡算：的物料衡算：k1 k24.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计Chemical Reaction Engineering 42/42/1414根据空时的定义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。停留时间。对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均停留时间？停留时间？原因是管式反应器的瞬时浓度表达式发生变化，原因是管式反应器的瞬时浓度表达式发生变化，t question？4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计Chemical R

10、eaction Engineering 42/42/1515自测题：自测题：乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳：乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳：0.1g/s的乙醛蒸汽在的乙醛蒸汽在520、0.1MPa于管式反于管式反应器（应器（PFR)内分解，已知反应对乙醛为二级内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，不可逆反应，k=4.3m3/kmol s，计算：计算：35乙醛分解所需的反应体积；乙醛分解所需的反应体积；90乙醛分解所需的反应体积；乙醛分解所需的反应体积；若为若为CSTR，则则、结果如何？结果如何？4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计Chemical Reaction Eng

11、ineering 42/42/1616 前提条件：进行相同的反应；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；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。反应温度与最终转化率相同。4.3 4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较管式与釜式反应器反应体积的比较 分三种情况分三种情况 1.1.正常动力学正常动力学 2.2.反常动力学反常动力学 3.3.反应速率有极大值的情况反应速率有极大值的情况Chemical Reaction Engineering 42/42/17171.1.正常动力学正常动力学达到相同的转化率，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管

12、式反应器所需的反应体积小于釜式反应器4.3 4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较管式与釜式反应器反应体积的比较Chemical Reaction Engineering 42/42/1818对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。2.2.反常动力学反常动力学04.3 4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较管式与釜式反应器反应体积的比较Chemical Reaction Engineering 42/42/19193.3.有极大值情况有极大值情况若若:XAf Vrm若：若：XAf XAm，则，则 Vrp 可能可能、0;0;吸热：吸热：0;AD rA的，的

13、，CF太接近太接近Teq。CBADEFChemical Reaction Engineering 42/42/3232图图4.9 4.9 目标函数：目标函数：V VR R最小。最小。最佳进料温度，最佳进料温度，所需反应体积所需反应体积最小。最小。4.5 4.5 变温管式反应器变温管式反应器Chemical Reaction Engineering 42/42/3333目标函数确立：目标函数确立：1.1.单一反应常根据生产强度最大来确定操作温度。单一反应常根据生产强度最大来确定操作温度。生产强度：单位时间单位反应体积化产品产量。生产强度：单位时间单位反应体积化产品产量。2.2.复合反应：目的产物

14、的收率最大。复合反应：目的产物的收率最大。4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列4.6.1 4.6.1 单一反应单一反应 不可逆反应或可逆吸热不可逆反应或可逆吸热 温度尽可能高温度尽可能高；Chemical Reaction Engineering 42/42/3434 可逆放热可逆放热设一级放热设一级放热 AP，其速率方程为：，其速率方程为：rA=k.CAo(1-XA)-XA/K K-化学平衡常数化学平衡常数 4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列(4.23)Chemical Reaction Engineering 42/42/3535K

15、和和 均为均为T的函数，对于的函数，对于Q0和和XAf 一定，一定，T K（4.23）中对数值增大，因子值则减少）中对数值增大，因子值则减少 ，导致，导致Vr可能可能增大或减小，因此存在一最佳温度对应的增大或减小，因此存在一最佳温度对应的Vr;or Vr和和Q0一定时一定时XAf最大。最大。4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列(4.23)Chemical Reaction Engineering 42/42/36364.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列令令dVr/dT=0得出得出Topt。对变温操作的管式反应器：对变温操作的管式反应器：（

16、1）可逆吸热和不可逆反应：）可逆吸热和不可逆反应：Topt先低后高的原则。先低后高的原则。（2）可逆放热反应：）可逆放热反应：Topt由高到低。由高到低。Chemical Reaction Engineering 42/42/3737设：（设：（1 1）E E1 1E E2 2 ，先低温后高温；，先低温后高温；初期浓度高，初期浓度高，r rA A；后期；后期C CA A、C CB B，TT保持保持较高的较高的r rA A。（2 2）E1E1E2 E2，TT有利于提高生产强度有利于提高生产强度4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列4.6.2 复合反应复合反应A+B1PA

17、+B2QChemical Reaction Engineering 42/42/3838在在等温间歇反应器中，如等温间歇反应器中，如P P为目的产物为目的产物，则存在最佳反，则存在最佳反应时间；这一结论同样适合于应时间；这一结论同样适合于PFRPFR。控制。控制 与与TopTop相等相等便达目的。便达目的。1.1.等温反应时，从收率最大的观点出发，不存在最佳操等温反应时，从收率最大的观点出发，不存在最佳操作温度的问题。作温度的问题。若若E E1 1E E2 2，则，则TT有利；有利；E E1 1E E2 2，则，则TT有利；有利；4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列

18、Ak1QPk2Chemical Reaction Engineering 42/42/39392.2.若非等温操作：若非等温操作：E E1 1E E2 2时，先高后低；先高是为了加快第一个时，先高后低；先高是为了加快第一个反应，促使反应，促使P P的生产，待的生产，待P P累积到一定量后，累积到一定量后，降低温度以减小副产物降低温度以减小副产物Q Q的生成。的生成。E E1 1E E2 2，温度较高有利。温度较高有利。4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列Chemical Reaction Engineering 42/42/4040 对对1、2两反应而言，两反应而言

19、，T有利有利P生成；生成；4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列A+B1PQX23 对对1、3而言，而言，T有利；有利；故故T不能太高或太低，采用折中方法使不能太高或太低，采用折中方法使P收率最大。收率最大。E2E1E3，Chemical Reaction Engineering 42/42/4141（1）E1E2；E3E4；4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列XA+B1QP23Y4 为了获得更多为了获得更多P，首先须生成更多，首先须生成更多Q；而；而E1E2，低温有利，低温有利，但因为但因为E3E4低温有利于低温有利于Q转化为付产物转化为

20、付产物Y不利于转化成不利于转化成P，故，故低温并不能满足要求。高温操作使付产物低温并不能满足要求。高温操作使付产物X增多，不利于增多，不利于Q的的生成，也就不可能获得更多的生成，也就不可能获得更多的P，显然也不行。采用等温操作，显然也不行。采用等温操作无论选定什么温度，无论选定什么温度，P的收率均不高。的收率均不高。Chemical Reaction Engineering 在在PFR中中T，P的收率较高。的收率较高。串联串联CSTR，可采用中间加热的方式。，可采用中间加热的方式。4.6 4.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列（2）若若E1E2，E3E4，T保持高温有利；保持

21、高温有利；（3）若若E1E2，E3E4，T保持低温有利；保持低温有利；（4）若若E1E2，E3E4，TT，有利。，有利。42/42/4242Chemical Reaction Engineering 42/42/43434-8、4-9；4-18；4-25作业：作业：Chemical Reaction Engineering 9、静夜四无邻，荒居旧业贫。3月-233月-23Tuesday,March 14,202310、雨中黄叶树，灯下白头人。11:39:3911:39:3911:393/14/2023 11:39:39 AM11、以我独沈久，愧君相见频。3月-2311:39:3911:39Ma

22、r-2314-Mar-2312、故人江海别，几度隔山川。11:39:3911:39:3911:39Tuesday,March 14,202313、乍见翻疑梦，相悲各问年。3月-233月-2311:39:3911:39:39March 14,202314、他乡生白发，旧国见青山。14 三月 202311:39:39 上午11:39:393月-2315、比不了得就不比，得不到的就不要。三月 2311:39 上午3月-2311:39March 14,202316、行动出成果，工作出财富。2023/3/14 11:39:3911:39:3914 March 202317、做前，能够环视四周；做时，你只

23、能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。11:39:39 上午11:39 上午11:39:393月-239、没有失败，只有暂时停止成功！。3月-233月-23Tuesday,March 14,202310、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。11:39:3911:39:3911:393/14/2023 11:39:39 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。3月-2311:39:3911:39Mar-2314-Mar-2312、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。11:39:3911:39:3911:39Tuesday,March 14,202313、

24、不知香积寺，数里入云峰。3月-233月-2311:39:3911:39:39March 14,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。14 三月 202311:39:39 上午11:39:393月-2315、楚塞三湘接，荆门九派通。三月 2311:39 上午3月-2311:39March 14,202316、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/3/14 11:39:3911:39:3914 March 202317、空山新雨后，天气晚来秋。11:39:39 上午11:39 上午11:39:393月-239、杨柳散和风，青山澹吾虑。3月-233月-23Tuesday,

25、March 14,202310、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。11:39:3911:39:3911:393/14/2023 11:39:39 AM11、越是没有本领的就越加自命不凡。3月-2311:39:3911:39Mar-2314-Mar-2312、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。11:39:3911:39:3911:39Tuesday,March 14,202313、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。3月-233月-2311:39:3911:39:39March 14,202314、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。14 三月 202311:39:39

26、上午11:39:393月-2315、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。三月 2311:39 上午3月-2311:39March 14,202316、业余生活要有意义，不要越轨。2023/3/14 11:39:3911:39:3914 March 202317、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。11:39:39 上午11:39 上午11:39:393月-23MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉