42/1CHAPTER4管式反應(yīng)器(PFR)（PistonFlowReactor）長江大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程系42/1CHAPTER4長江大學(xué)化工學(xué)院42/2本章內(nèi)容理想流動(dòng)模型等溫管式反應(yīng)器的計(jì)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(jì)算42/2本章內(nèi)容理想流動(dòng)模型等溫管式反應(yīng)器的計(jì)算42/3流動(dòng)模型：是反應(yīng)器中流體流動(dòng)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(dòng)方向上停留時(shí)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)42/3流動(dòng)模型：是反應(yīng)器中流體流動(dòng)與返混情況的描述，這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(jìn)口向出口運(yùn)動(dòng)。(2)軸向上無返混符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的流體粒子必同一時(shí)刻離開反應(yīng)器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相同。特點(diǎn)：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)42/4活塞流模型（平推流）1.基本概念層流湍流活塞流4.142/5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PistonFlowReactor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(dá)到最大符合此假設(shè)的反應(yīng)器，物料的停留時(shí)間參差不齊特點(diǎn)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42/5全混流模型：4.1活塞流假設(shè)1.基本概念管徑較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-定時(shí)，XA、YA相同.都屬于理想化流動(dòng)模型，是返混程度的兩個(gè)極端。二者的差別：CSTRPFR返混最大（∞）無（0）返混4.1活塞流假設(shè)42/6CSTR屬全混流類的反應(yīng)器都屬于理想化流動(dòng)模型，是返4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量+累積量單一反應(yīng)4.442/74.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量42/84.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)4.43.84.64.542/84.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)間而變，與位置無關(guān)。42/9變?nèi)?4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基本差別42/10該方程組初值為：解該方程組時(shí)，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)鍵反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)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(shí)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(jì)4.1042/10該方程組初值為：解該方程組時(shí)，需首先選定反應(yīng)變量，42/11對A的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，都是獨(dú)立的，所以關(guān)鍵組分?jǐn)?shù)為2，因此，此三式中僅二式是獨(dú)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(jì)42/11對A的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，都是獨(dú)立的，復(fù)合反應(yīng)4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/12復(fù)合反應(yīng)4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)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(jì)42/13復(fù)合反應(yīng)對A的物料衡算：對P的物料衡算：k142/14根據(jù)空時(shí)的定義對恒容均相反應(yīng)，空時(shí)等于物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間。對變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間？原因是管式反應(yīng)器的瞬時(shí)濃度表達(dá)式發(fā)生變化，τ≠t

question？4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/14根據(jù)空時(shí)的定義對變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的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(jí)不可逆反應(yīng)，k=4.3m3/kmols，計(jì)算：⑴35％乙醛分解所需的反應(yīng)體積；⑵90％乙醛分解所需的反應(yīng)體積；⑶若為CSTR，則⑴、⑵結(jié)果如何？4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/15自測題：乙醛氣相分解生成甲烷與一氧化碳：4.2等42/16前提條件：進(jìn)行相同的反應(yīng)；采用相同的進(jìn)料流量與進(jìn)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)體積的比較分三種情況1.正常動(dòng)力學(xué)2.反常動(dòng)力學(xué)3.反應(yīng)速率有極大值的情況42/16前提條件：進(jìn)行相同的反應(yīng)；4.3管式與釜式反42/171.正常動(dòng)力學(xué)達(dá)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42/171.正常動(dòng)力學(xué)達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，4.3管式與釜式42/18對反常動(dòng)力學(xué)情況，結(jié)論與正常動(dòng)力學(xué)相反。2.反常動(dòng)力學(xué)04.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/18對反常動(dòng)力學(xué)情況，結(jié)論與正常動(dòng)力學(xué)相反。2.反常動(dòng)42/193.有極大值情況若:XAf<XAm，則Vrp>Vrm若：XAf>XAm

，則Vrp

可能>、<或=Vrm此時(shí)，可以：釜式與管式的串聯(lián)4.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較ABC42/193.有極大值情況若:此時(shí)，可以：4.3管式與釜式42/20在A點(diǎn)保持較高速率進(jìn)行，先用CSTR進(jìn)行反應(yīng)到XAm，然后送入PFR中到XAf，則VR最小。4.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較對多個(gè)反應(yīng)，二者的比較主要是看在相同的最終轉(zhuǎn)化率下，哪一個(gè)目的產(chǎn)物最終收率大。So～XA關(guān)系見圖3-10（a）。①反應(yīng)物CA低，獲得高的選擇性，選釜式反應(yīng)器。②反應(yīng)物CA高，則管式反應(yīng)器優(yōu)于釜式反應(yīng)器。42/20在A點(diǎn)保持較高速率進(jìn)行，先用CSTR進(jìn)行反42/214.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/214.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/22

對于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原料的利用率，將反應(yīng)器出口物料中的產(chǎn)品分離后再循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器入口，與新鮮原料一起進(jìn)行反應(yīng)。Reactor

4.4循環(huán)反應(yīng)器42/22對于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原料的利用率設(shè)循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：故,反應(yīng)器的物料處理量為：在混合點(diǎn)M處對A做物料衡算：化簡后得：ψ→0：用(1＋Ψ)Q0

代替Q0，用XA0代替0，即

4.4循環(huán)反應(yīng)器4.234.2442/23設(shè)循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：故,反應(yīng)器的物料處理量為42/24分析：結(jié)果相當(dāng)于無循環(huán)管式反應(yīng)器（4.5）結(jié)果相當(dāng)于恒定轉(zhuǎn)化率下的操作，即CSTR反應(yīng)器在實(shí)際操作中,只要足夠大，如：則可認(rèn)為是等濃度操作。

4.4循環(huán)反應(yīng)器ψ→0：用(1＋Ψ)Q0

代替Q0，用XA0代替0，即42/24分析：結(jié)果相當(dāng)于無循環(huán)管式反應(yīng)器（4.5）結(jié)果相當(dāng)42/251.管式反應(yīng)器的熱量衡算假設(shè)：管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)符合活塞流假定；

反應(yīng)器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化4.5變溫管式反應(yīng)器取微元體積dVr作為控制體積，衡算依據(jù)為熱力學(xué)第一定律：反應(yīng)熱溫變熱G為流體的質(zhì)量速度，G=Q0ρ42/251.管式反應(yīng)器的熱量衡算假設(shè)：管式反應(yīng)器內(nèi)流體42/26故有：此即管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程1.管式反應(yīng)器的熱量衡算令wA0為組分A的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MA為A的相對分子量,則：管式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式4.5變溫管式反應(yīng)器4.284.2642/26故有：此即管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程1.管式反應(yīng)器42/27

若絕熱操作，則2.絕熱管式反應(yīng)器4.5變溫管式反應(yīng)器簡化4.28式為：積分得：4.30P883.8942/27若絕熱操作，則2.絕熱管式反應(yīng)器4.5變溫管42/28FA0CA04.5變溫管式反應(yīng)器42/28FA0CA04.5變溫管式反應(yīng)器42/29比較p88（3.89）,完全一樣，均反映了絕熱反應(yīng)過程中溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。放熱：λ>0;吸熱：λ<0;等溫：λ=0。（4.30）式用于絕熱條件下操作溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系，但本質(zhì)不同：PFR反應(yīng)器：不同的軸向位置上T與XA的關(guān)系。間歇式反應(yīng)器：不同的時(shí)間下反應(yīng)物料的XA與T的關(guān)系；CSTR：無論是否與環(huán)境進(jìn)行熱交換，均為等溫操作。4.5變溫管式反應(yīng)器42/29比較p88（3.89）,完全一樣，均反映了絕熱反42/30等溫反應(yīng)，T=T0；放熱反應(yīng)，T＞T0；吸熱反應(yīng)，T＜T0吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料溫度有利；放熱反應(yīng)，較低的進(jìn)料溫度有利。XA和T的關(guān)系圖吸熱反應(yīng)等溫反應(yīng)放熱反應(yīng)TXA4.5變溫管式反應(yīng)器42/30等溫反應(yīng)，T=T0；吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料溫度有利；42/31－最優(yōu)溫度曲線－平衡曲線XAfTTATBTCXA圖4.8可逆放熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系2.絕熱管式反應(yīng)器4.5變溫管式反應(yīng)器圖4.8對于XA一定，當(dāng)反應(yīng)溫度低于最佳溫度時(shí)，反應(yīng)速率總是隨T↑→rA↑；高于最佳溫度時(shí)T↑→rA↓，BE的rA

>ADrA的，CF太接近Teq。CBADEF42/31－最優(yōu)溫度曲線－平衡曲線XAfTTATBT42/32圖4.9目標(biāo)函數(shù)：VR最小。最佳進(jìn)料溫度，所需反應(yīng)體積最小。4.5變溫管式反應(yīng)器42/32圖4.9目標(biāo)函數(shù)：4.5變溫管式反應(yīng)器42/33目標(biāo)函數(shù)確立：1.單一反應(yīng)常根據(jù)生產(chǎn)強(qiáng)度最大來確定操作溫度。生產(chǎn)強(qiáng)度：單位時(shí)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；42/33目標(biāo)函數(shù)確立：4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列4.42/34¤

可逆放熱設(shè)一級(jí)放熱A→P，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)42/34¤可逆放熱4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列(4.42/35K和均為T的函數(shù)，對于Q0和XAf

一定，TK（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;orVr和Q0一定時(shí)XAf最大。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XAf42/364.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列令dVr/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。42/364.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列令dVr/dT=042/37設(shè)：（1）E1＜E2

，先低溫后高溫；初期濃度高，rA↑；后期CA、CB↓，T↑保持較高的rA。（2）E1＞E2，T↑有利于提高生產(chǎn)強(qiáng)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+B2Q42/37設(shè)：（1）E1＜E2，先低溫后高溫；4.6管42/38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(shí)間；這一結(jié)論同樣適合于PFR。控制τ與Top相等便達(dá)目的。

1.等溫反應(yīng)時(shí)，從收率最大的觀點(diǎn)出發(fā)，不存在最佳操作溫度的問題。若E1＜E2，則T↓有利；E1＞E2，則T↑有利；4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列Ak1QPk242/38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)42/392.若非等溫操作：E1＜E2時(shí)，先高后低；先高是為了加快第一個(gè)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。E1＞E2，溫度較高有利。4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列42/392.若非等溫操作：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。E2＜E1＜E3，42/40▓對1、2兩反應(yīng)而言，T↑有利P生成；4.642/41（1）E1＜E2；E3＞E4；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E1＜E2，低溫有利，但因?yàn)镋3＞E4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。42/41（1）E1＜E2；E3＞E4；4.6管式反應(yīng)①在PFR中T↓→↑，P的收率較高。②串聯(lián)CSTR，可采用中間加熱的方式。4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列（2）若E1＞E2，E3＞E4，T↑保持高溫有利；（3）若E1＜E2，E3＜E4，T↓保持低溫有利；（4）若E1＞E2，E3＜E4，T↑→T↓，有利。42/42①在PFR中T↓→↑，P的收率較高。4.6管式反應(yīng)器的最佳42/434-8、4-9；4-18；4-25作業(yè)：42/434-8、4-9；4-18；4-25作業(yè)：42/44CHAPTER4管式反應(yīng)器(PFR)（PistonFlowReactor）長江大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程系42/1CHAPTER4長江大學(xué)化工學(xué)院42/45本章內(nèi)容理想流動(dòng)模型等溫管式反應(yīng)器的計(jì)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(jì)算42/2本章內(nèi)容理想流動(dòng)模型等溫管式反應(yīng)器的計(jì)算42/46流動(dòng)模型：是反應(yīng)器中流體流動(dòng)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(dòng)方向上停留時(shí)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)42/3流動(dòng)模型：是反應(yīng)器中流體流動(dòng)與返混情況的描述，這42/47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(jìn)口向出口運(yùn)動(dòng)。(2)軸向上無返混符合上述假設(shè)的反應(yīng)器，同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的流體粒子必同一時(shí)刻離開反應(yīng)器，所有粒子在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相同。特點(diǎn)：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)42/4活塞流模型（平推流）1.基本概念層流湍流活塞流4.142/48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PistonFlowReactor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(dá)到最大符合此假設(shè)的反應(yīng)器，物料的停留時(shí)間參差不齊特點(diǎn)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42/5全混流模型：4.1活塞流假設(shè)1.基本概念管徑較42/49CSTR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-定時(shí)，XA、YA相同.都屬于理想化流動(dòng)模型，是返混程度的兩個(gè)極端。二者的差別：CSTRPFR返混最大（∞）無（0）返混4.1活塞流假設(shè)42/6CSTR屬全混流類的反應(yīng)器都屬于理想化流動(dòng)模型，是返4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量+累積量單一反應(yīng)4.442/504.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)進(jìn)入量=排出量+反應(yīng)量42/514.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)4.43.84.64.542/84.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)4.43.84.64.542/52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(jì)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(shí)間而變，與位置無關(guān)。42/9變?nèi)?4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基本差別42/53該方程組初值為：解該方程組時(shí)，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)鍵反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)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(shí)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(jì)4.1042/10該方程組初值為：解該方程組時(shí)，需首先選定反應(yīng)變量，42/54對A的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，都是獨(dú)立的，所以關(guān)鍵組分?jǐn)?shù)為2，因此，此三式中僅二式是獨(dú)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(jì)42/11對A的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)行兩個(gè)反應(yīng)，都是獨(dú)立的，復(fù)合反應(yīng)4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/55復(fù)合反應(yīng)4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/1242/56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(jì)42/13復(fù)合反應(yīng)對A的物料衡算：對P的物料衡算：k142/57根據(jù)空時(shí)的定義對恒容均相反應(yīng)，空時(shí)等于物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間。對變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間？原因是管式反應(yīng)器的瞬時(shí)濃度表達(dá)式發(fā)生變化，τ≠t

question？4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/14根據(jù)空時(shí)的定義對變?nèi)莘磻?yīng)，空時(shí)等否物料在反應(yīng)器內(nèi)的42/58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(jí)不可逆反應(yīng)，k=4.3m3/kmols，計(jì)算：⑴35％乙醛分解所需的反應(yīng)體積；⑵90％乙醛分解所需的反應(yīng)體積；⑶若為CSTR，則⑴、⑵結(jié)果如何？4.2等溫管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)42/15自測題：乙醛氣相分解生成甲烷與一氧化碳：4.2等42/59前提條件：進(jìn)行相同的反應(yīng)；采用相同的進(jìn)料流量與進(jìn)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)體積的比較分三種情況1.正常動(dòng)力學(xué)2.反常動(dòng)力學(xué)3.反應(yīng)速率有極大值的情況42/16前提條件：進(jìn)行相同的反應(yīng)；4.3管式與釜式反42/601.正常動(dòng)力學(xué)達(dá)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42/171.正常動(dòng)力學(xué)達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，4.3管式與釜式42/61對反常動(dòng)力學(xué)情況，結(jié)論與正常動(dòng)力學(xué)相反。2.反常動(dòng)力學(xué)04.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/18對反常動(dòng)力學(xué)情況，結(jié)論與正常動(dòng)力學(xué)相反。2.反常動(dòng)42/623.有極大值情況若:XAf<XAm，則Vrp>Vrm若：XAf>XAm

，則Vrp

可能>、<或=Vrm此時(shí)，可以：釜式與管式的串聯(lián)4.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較ABC42/193.有極大值情況若:此時(shí)，可以：4.3管式與釜式42/63在A點(diǎn)保持較高速率進(jìn)行，先用CSTR進(jìn)行反應(yīng)到XAm，然后送入PFR中到XAf，則VR最小。4.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較對多個(gè)反應(yīng)，二者的比較主要是看在相同的最終轉(zhuǎn)化率下，哪一個(gè)目的產(chǎn)物最終收率大。So～XA關(guān)系見圖3-10（a）。①反應(yīng)物CA低，獲得高的選擇性，選釜式反應(yīng)器。②反應(yīng)物CA高，則管式反應(yīng)器優(yōu)于釜式反應(yīng)器。42/20在A點(diǎn)保持較高速率進(jìn)行，先用CSTR進(jìn)行反42/644.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/214.3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較42/65

對于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原料的利用率，將反應(yīng)器出口物料中的產(chǎn)品分離后再循環(huán)進(jìn)入反應(yīng)器入口，與新鮮原料一起進(jìn)行反應(yīng)。Reactor

4.4循環(huán)反應(yīng)器42/22對于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原料的利用率設(shè)循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：故,反應(yīng)器的物料處理量為：在混合點(diǎn)M處對A做物料衡算：化簡后得：ψ→0：用(1＋Ψ)Q0

代替Q0，用XA0代替0，即

4.4循環(huán)反應(yīng)器4.234.2442/66設(shè)循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：故,反應(yīng)器的物料處理量為42/67分析：結(jié)果相當(dāng)于無循環(huán)管式反應(yīng)器（4.5）結(jié)果相當(dāng)于恒定轉(zhuǎn)化率下的操作，即CSTR反應(yīng)器在實(shí)際操作中,只要足夠大，如：則可認(rèn)為是等濃度操作。

4.4循環(huán)反應(yīng)器ψ→0：用(1＋Ψ)Q0

代替Q0，用XA0代替0，即42/24分析：結(jié)果相當(dāng)于無循環(huán)管式反應(yīng)器（4.5）結(jié)果相當(dāng)42/681.管式反應(yīng)器的熱量衡算假設(shè)：管式反應(yīng)器內(nèi)流體流動(dòng)符合活塞流假定；

反應(yīng)器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化4.5變溫管式反應(yīng)器取微元體積dVr作為控制體積，衡算依據(jù)為熱力學(xué)第一定律：反應(yīng)熱溫變熱G為流體的質(zhì)量速度，G=Q0ρ42/251.管式反應(yīng)器的熱量衡算假設(shè)：管式反應(yīng)器內(nèi)流體42/69故有：此即管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程1.管式反應(yīng)器的熱量衡算令wA0為組分A的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MA為A的相對分子量,則：管式反應(yīng)器中反應(yīng)溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式4.5變溫管式反應(yīng)器4.284.2642/26故有：此即管式反應(yīng)器軸向溫度分布方程1.管式反應(yīng)器42/70

若絕熱操作，則2.絕熱管式反應(yīng)器4.5變溫管式反應(yīng)器簡化4.28式為：積分得：4.30P883.8942/27若絕熱操作，則2.絕熱管式反應(yīng)器4.5變溫管42/71FA0CA04.5變溫管式反應(yīng)器42/28FA0CA04.5變溫管式反應(yīng)器42/72比較p88（3.89）,完全一樣，均反映了絕熱反應(yīng)過程中溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。放熱：λ>0;吸熱：λ<0;等溫：λ=0。（4.30）式用于絕熱條件下操作溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系，但本質(zhì)不同：PFR反應(yīng)器：不同的軸向位置上T與XA的關(guān)系。間歇式反應(yīng)器：不同的時(shí)間下反應(yīng)物料的XA與T的關(guān)系；CSTR：無論是否與環(huán)境進(jìn)行熱交換，均為等溫操作。4.5變溫管式反應(yīng)器42/29比較p88（3.89）,完全一樣，均反映了絕熱反42/73等溫反應(yīng)，T=T0；放熱反應(yīng)，T＞T0；吸熱反應(yīng)，T＜T0吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料溫度有利；放熱反應(yīng)，較低的進(jìn)料溫度有利。XA和T的關(guān)系圖吸熱反應(yīng)等溫反應(yīng)放熱反應(yīng)TXA4.5變溫管式反應(yīng)器42/30等溫反應(yīng)，T=T0；吸熱反應(yīng)，較高的進(jìn)料溫度有利；42/74－最優(yōu)溫度曲線－平衡曲線XAfTTATBTCXA圖4.8可逆放熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系2.絕熱管式反應(yīng)器4.5變溫管式反應(yīng)器圖4.8對于XA一定，當(dāng)反應(yīng)溫度低于最佳溫度時(shí)，反應(yīng)速率總是隨T↑→rA↑；高于最佳溫度時(shí)T↑→rA↓，BE的rA

>ADrA的，CF太接近Teq。CBADEF42/31－最優(yōu)溫度曲線－平衡曲線XAfTTATBT42/75圖4.9目標(biāo)函數(shù)：VR最小。最佳進(jìn)料溫度，所需反應(yīng)體積最小。4.5變溫管式反應(yīng)器42/32圖4.9目標(biāo)函數(shù)：4.5變溫管式反應(yīng)器42/76目標(biāo)函數(shù)確立：1.單一反應(yīng)常根據(jù)生產(chǎn)強(qiáng)度最大來確定操作溫度。生產(chǎn)強(qiáng)度：單位時(shí)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；42/33目標(biāo)函數(shù)確立：4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列4.42/77¤

可逆放熱設(shè)一級(jí)放熱A→P，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)42/34¤可逆放熱4.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列(4.42/78K和均為T的函數(shù)，對于Q0和XAf

一定，TK（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;orVr和Q0一定時(shí)XAf最大。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XAf42/794.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列令dVr/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