1、42/1CHAPTER 4 管式反應(yīng)器(PFR)（Piston Flow Reactor）長江大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程系42/2本章內(nèi)容 理想流動模型 等溫管式反應(yīng)器的計算 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較 循環(huán)反應(yīng)器 變溫管式反應(yīng)器的計算42/3 流動模型：是反應(yīng)器中流體流動與返混情況的描述，這一狀況對反應(yīng)結(jié)果有非常重要的影響。1.基本概念 返混：在流體流動方向上停留時間不同的流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為逆向混合。4.1 活塞流假設(shè)42/4活塞流模型（平推流） 基本假定： (1) 徑向流速分布均勻，所有粒子以相同的速度從進口向出口運動。 (2) 軸向上無返混 符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時刻進

2、入反應(yīng)器的流體粒子必同一時刻離開反應(yīng)器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時間相同。 特點：徑向上物料的所有參數(shù)都相同，軸向上不斷變化。1.基本概念層流湍流活塞流4.1 活塞流假設(shè)42/5 全混流模型：4.1 活塞流假設(shè)1.基本概念管徑較小，流速較大的管式反應(yīng)器可按活塞流處理Piston Flow Reactor 劇烈攪拌的連續(xù)釜式反應(yīng)器可按全混流處理 基本假定： 徑向混合和軸向返混都達到最大 符合此假設(shè)的反應(yīng)器，物料的停留時間參差不齊 特點 反應(yīng)物系的所有參數(shù)在徑向上均一，軸向上也均一，即：各處物料均一，均為出口值42/6CSTR屬全混流類的反應(yīng)器PFR：不存在返混（軸向混合），效果與間歇釜一樣，t-定

3、時，XA、YA相同.都屬于理想化流動模型，是返混程度的兩個極端。二者的差別：CSTRPFR 返混最大（）無（0）返混4.1 活塞流假設(shè)4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計進入量 = 排出量 + 反應(yīng)量 + 累積量 單一反應(yīng)4.442/742/84.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計4.43.84.64.542/9變?nèi)? 等容過程： （4.8）式 間歇式 （4.9）式4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計基本差別：對定態(tài)的PFR，反應(yīng)物系的濃度系隨軸向距離而變；與t無關(guān)， 而（4.9）式則說明間歇式物系濃度隨時間而變，與位置無關(guān)。42/10該方程組初值為：解該方程組時，需首先選定反應(yīng)變量，可以選關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率或收率或各關(guān)

4、鍵反應(yīng)的反應(yīng)進度。然后將 Fi 和 變?yōu)榉磻?yīng)變量的函數(shù)，即可求解方程組。解時一般用數(shù)值法。簡單情況可解析求解。 復(fù)合反應(yīng)對關(guān)鍵組分作物料衡算的結(jié)果，得到一常微分方程組4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計4.1042/11對A的物料衡算：系統(tǒng)中只進行兩個反應(yīng)，都是獨立的，所以關(guān)鍵組分數(shù)為2，因此，此三式中僅二式是獨立的。對P的物料衡算：對Q的物料衡算： 復(fù)合反應(yīng)4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計 復(fù)合反應(yīng)4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計42/1242/13 復(fù)合反應(yīng)對A的物料衡算：對P的物料衡算：k1 k24.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計42/14根據(jù)空時的定義對恒容均相反應(yīng)，空時等于物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間。對

5、變?nèi)莘磻?yīng)，空時等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間？原因是管式反應(yīng)器的瞬時濃度表達式發(fā)生變化，t question？4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計42/15自測題：乙醛氣相分解生成甲烷與一氧化碳： 0.1g/s的乙醛蒸汽在520、0.1MPa于管式反應(yīng)器（PFR)內(nèi)分解，已知反應(yīng)對乙醛為二級不可逆反應(yīng)，k = 4.3m3/kmol s，計算： 35乙醛分解所需的反應(yīng)體積； 90乙醛分解所需的反應(yīng)體積； 若為CSTR，則、 結(jié)果如何？4.2 等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計42/16 前提條件：進行相同的反應(yīng)； 采用相同的進料流量與進料濃度； 反應(yīng)溫度與最終轉(zhuǎn)化率相同。4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較 分三

6、種情況 1.正常動力學(xué) 2.反常動力學(xué) 3.反應(yīng)速率有極大值的情況42/171.正常動力學(xué)達到相同的轉(zhuǎn)化率，管式反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積小于釜式反應(yīng)器4.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/18對反常動力學(xué)情況，結(jié)論與正常動力學(xué)相反。2.反常動力學(xué)04.3 管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/193.有極大值情況若:XAf Vrm若：XAf XAm ，則 Vrp 可能、0 ; 吸熱：AD rA的，CF太接近Teq。CBADEF42/32圖4.9 目標函數(shù)：VR最小。最佳進料溫度，所需反應(yīng)體積最小。 4.5 變溫管式反應(yīng)器42/33目標函數(shù)確立：1.單一反應(yīng)常根據(jù)生產(chǎn)強度最大來確定操作溫度。生產(chǎn)

7、強度：單位時間單位反應(yīng)體積化產(chǎn)品產(chǎn)量。2.復(fù)合反應(yīng)：目的產(chǎn)物的收率最大。4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列4.6.1 單一反應(yīng) 不可逆反應(yīng)或可逆吸熱 溫度盡可能高；42/34 可逆放熱設(shè)一級放熱 AP，其速率方程為：rA=k.CAo(1-XA)-XA/K K- 化學(xué)平衡常數(shù) 4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列(4.23)42/35K和 均為T的函數(shù)，對于Q0和XAf 一定，T K（4.23）中對數(shù)值增大，因子值則減少 ，導(dǎo)致Vr可能增大或減小，因此存在一最佳溫度對應(yīng)的Vr; or Vr和Q0一定時XAf最大。4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列(4.23)42/364.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列令d

8、Vr/dT=0得出Topt。 對變溫操作的管式反應(yīng)器：（1）可逆吸熱和不可逆反應(yīng)：Topt先低后高的原則。（2）可逆放熱反應(yīng)：Topt由高到低。42/37設(shè)：（1）E1E2 ，先低溫后高溫；初期濃度高，rA；后期CA、CB，T保持較高的rA。（2）E1E2 ， T有利于提高生產(chǎn)強度4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列4.6.2 復(fù)合反應(yīng)A + B1PA + B2Q42/38在等溫間歇反應(yīng)器中，如P為目的產(chǎn)物，則存在最佳反應(yīng)時間；這一結(jié)論同樣適合于PFR。控制與Top相等便達目的。 1.等溫反應(yīng)時，從收率最大的觀點出發(fā)，不存在最佳操作溫度的問題。 若E1E2，則T有利； E1E2，則T有利；4.6

9、管式反應(yīng)器的最佳溫度序列Ak1QPk242/392.若非等溫操作：E1E2時，先高后低；先高是為了加快第一個反應(yīng)，促使P的生產(chǎn)，待P累積到一定量后，降低溫度以減小副產(chǎn)物Q的生成。E1E2 ，溫度較高有利。4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列42/40 對1、2兩反應(yīng)而言，T有利P生成；4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列A + B1PQX23 對1、3而言，T有利；故T不能太高或太低，采用折中方法使P收率最大。E2E1E3，42/41（1） E1E2；E3E4；4.6 管式反應(yīng)器的最佳溫度序列XA + B1QP23Y4 為了獲得更多P，首先須生成更多Q；而E1E2，低溫有利，但因為E3E4低溫有利于Q轉(zhuǎn)化為付產(chǎn)物Y不利于轉(zhuǎn)化成P，故低溫并不能滿足要求。高溫操作使付產(chǎn)物X增多，不利于Q的生成，也就不可能獲得更多的P，顯然也不行。采用等溫操作無論選定什么溫度，P的收率均不高。在