反應(yīng)工程第4章管式反應(yīng)器PFR

42/1CHAPTER4管式反響器(PFR)〔PistonFlowReactor〕長(zhǎng)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(dòng)模型等溫管式反響器的計(jì)算管式與釜式反響器反響體積的比較循環(huán)反響器變溫管式反響器的計(jì)算42/3流動(dòng)模型：是反響器中流體流動(dòng)與返混情況的描畫(huà)，這一情況對(duì)反響結(jié)果有非常重要的影響。1.根本概念返混：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(chēng)為返混，也稱(chēng)為逆向混合。4.1活塞流假設(shè)42/4活塞流模型〔平推流〕根本假定：(1)徑向流速分布均勻，一切粒子以一樣的速度從進(jìn)口向出口運(yùn)動(dòng)。(2)軸向上無(wú)返混符合上述假設(shè)的反響器，同一時(shí)辰進(jìn)入反響器的流體粒子必同一時(shí)辰分開(kāi)反響器，一切粒子在反響器內(nèi)停留時(shí)間一樣。特點(diǎn)：徑向上物料的一切參數(shù)都一樣，軸向上不斷變化。1.根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.根本概念管徑較小，流速較大的管式反響器－－可按活塞流處置PistonFlowReactor猛烈攪拌的延續(xù)釜式反響器－－可按全混流處置根本假定：徑向混合和軸向返混都到達(dá)最大符合此假設(shè)的反響器，物料的停留時(shí)間參差不齊特點(diǎn)反響物系的一切參數(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(lèi)的反響器PFR：不存在返混〔軸向混合〕，效果與間歇釜一樣，t-定時(shí)，XA、YA一樣.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(wú)〔0〕返混4.1活塞流假設(shè)4.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)進(jìn)入量=排出量+反響量+累積量單一反響4.442/742/84.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)4.43.84.64.542/9變?nèi)?等容過(guò)程：〔4.8〕式

間歇式〔4.9〕式4.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)根本差別：對(duì)定態(tài)的PFR，反響物系的濃度系隨軸向間隔而變；與t無(wú)關(guān)，而〔4.9〕式那么闡明間歇式物系濃度隨時(shí)間而變，與位置無(wú)關(guān)。42/10該方程組初值為：解該方程組時(shí)，需首先選定反響變量，可以選關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率或收率或各關(guān)鍵反響的反響進(jìn)度。然后將Fi和變?yōu)榉错懽兞康暮瘮?shù)，即可求解方程組。解時(shí)普通用數(shù)值法。簡(jiǎn)單情況可解析求解。復(fù)合反響對(duì)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等溫管式反響器的設(shè)計(jì)4.1042/11對(duì)A的物料衡算：系統(tǒng)中只進(jìn)展兩個(gè)反響，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(duì)P的物料衡算：對(duì)Q的物料衡算：復(fù)合反響4.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)復(fù)合反響4.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)42/1242/13復(fù)合反響對(duì)A的物料衡算：對(duì)P的物料衡算：k1k24.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)42/14根據(jù)空時(shí)的定義對(duì)恒容均相反響，空時(shí)等于物料在反響器內(nèi)的平均停留時(shí)間。對(duì)變?nèi)莘错?，空時(shí)等否物料在反響器內(nèi)的平均停留時(shí)間？緣由是管式反響器的瞬時(shí)濃度表達(dá)式發(fā)生變化，τ≠tquestion？4.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)42/15自測(cè)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于管式反響器〔PFR)內(nèi)分解，知反響對(duì)乙醛為二級(jí)不可逆反響，k=4.3m3/kmols，計(jì)算：⑴35％乙醛分解所需的反響體積；⑵90％乙醛分解所需的反響體積；⑶假設(shè)為CSTR，那么⑴、⑵結(jié)果如何？4.2等溫管式反響器的設(shè)計(jì)42/16前提條件：進(jìn)展一樣的反響；采用一樣的進(jìn)料流量與進(jìn)料濃度；反響溫度與最終轉(zhuǎn)化率一樣。4.3管式與釜式反響器反響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.反響速率有極大值的情況42/171.正常動(dòng)力學(xué)到達(dá)一樣的轉(zhuǎn)化率，管式反響器所需的反響體積小于釜式反響器4.3管式與釜式反響器反響體積的比較42/18對(duì)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管式與釜式反響器反響體積的比較42/193.有極大值情況假設(shè):XAf<XAm，那么Vrp>Vrm假設(shè)：XAf>XAm，那么Vrp能夠>、<或=Vrm此時(shí)，可以：釜式與管式的串聯(lián)4.3管式與釜式反響器反響體積的比較ABC42/20在A點(diǎn)堅(jiān)持較高速率進(jìn)展，先用CSTR進(jìn)展反響到XAm，然后送入PFR中到XAf，那么VR最小。4.3管式與釜式反響器反響體積的比較對(duì)多個(gè)反響，二者的比較主要是看在一樣的最終轉(zhuǎn)化率下，哪一個(gè)目的產(chǎn)物最終收率大。So～XA關(guān)系見(jiàn)圖3-10〔a〕。①反響物CA低，獲得高的選擇性，選釜式反響器。②反響物CA高，那么管式反響器優(yōu)于釜式反響器。42/214.3管式與釜式反響器反響體積的比較42/22對(duì)于單程轉(zhuǎn)化率不高的情況，為提高原料的利用率，將反響器出口物料中的產(chǎn)品分別后再循環(huán)進(jìn)入反響器入口，與新穎原料一同進(jìn)展反響。Reactor

4.4循環(huán)反響器設(shè)循環(huán)物料與新穎原料量之比為循環(huán)比：故,反響器的物料處置量為：在混合點(diǎn)M處對(duì)A做物料衡算：化簡(jiǎn)后得：ψ→0：用(1＋Ψ)Q0替代Q0，用XA0替代0，即

4.4循環(huán)反響器4.234.2442/2342/24分析：結(jié)果相當(dāng)于無(wú)循環(huán)管式反響器〔4.5〕結(jié)果相當(dāng)于恒定轉(zhuǎn)化率下的操作，即CSTR反響器在實(shí)踐操作中,只需足夠大，如：那么可以為是等濃度操作。4.4循環(huán)反響器ψ→0：用(1＋Ψ)Q0替代Q0，用XA0替代0，即

42/251.管式反響器的熱量衡算假設(shè)：管式反響器內(nèi)流體流動(dòng)符合活塞流假定；反響器內(nèi)溫度分布：徑向均勻，軸向變化4.5變溫管式反響器取微元體積dVr作為控制體積，衡算根據(jù)為熱力學(xué)第一定律：反響熱溫變熱G為流體的質(zhì)量速度，G=Q0ρ42/26故有：此即管式反響器軸向溫度分布方程1.管式反響器的熱量衡算令wA0為組分A的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MA為A的相對(duì)分子量,那么：管式反響器中反響溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式4.5變溫管式反響器4.284.2642/27假設(shè)絕熱操作，那么2.絕熱管式反響器4.5變溫管式反響器簡(jiǎn)化4.28式為：積分得：4.30P883.8942/28FA0CA04.5變溫管式反響器42/29比較p88〔3.89〕,完全一樣，均反映了絕熱反響過(guò)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?！?.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反響器：不同的軸向位置上T與XA的關(guān)系。間歇式反響器：不同的時(shí)間下反響物料的XA與T的關(guān)系；CSTR：無(wú)論能否與環(huán)境進(jìn)展熱交換，均為等溫操作。4.5變溫管式反響器42/30等溫反響，T=T0；放熱反響，T＞T0；吸熱反響，T＜T0吸熱反響，較高的進(jìn)料溫度有利；放熱反響，較低的進(jìn)料溫度有利。XA和T的關(guān)系圖吸熱反響等溫反響放熱反響TXA4.5變溫管式反響器42/31－最優(yōu)溫度曲線－平衡曲線XAfTTATBTCXA圖4.8可逆放熱反響的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系2.絕熱管式反響器4.5變溫管式反響器圖4.8對(duì)于XA一定，當(dāng)反響溫度低于最正確溫度時(shí)，反響速率總是隨T↑→rA↑；高于最正確溫度時(shí)T↑→rA↓，BE的rA>ADrA的，CF太接近Teq。CBADEF42/32圖4.9目的函數(shù)：VR最小。最正確進(jìn)料溫度，所需反響體積最小。4.5變溫管式反響器42/33目的函數(shù)確立：1.單一反響常根據(jù)消費(fèi)強(qiáng)度最大來(lái)確定操作溫度。消費(fèi)強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位反響體積化產(chǎn)品產(chǎn)量。2.復(fù)合反響：目的產(chǎn)物的收率最大。4.6管式反響器的最正確溫度序列4.6.1單一反響¤不可逆反響或可逆吸熱溫度盡能夠高；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管式反響器的最正確溫度序列(4.23)42/35K和均為T(mén)的函數(shù)，對(duì)于Q0和XAf一定，TK〔4.23〕中對(duì)數(shù)值增大，因子值那么減少，導(dǎo)致Vr能夠增大或減小，因此存在一最正確溫度對(duì)應(yīng)的Vr;orVr和Q0一定時(shí)XAf最大。4.6管式反響器的最正確溫度序列(4.23)42/364.6管式反響器的最正確溫度序列令dVr/dT=0 得出Topt。對(duì)變溫操作的管式反響器：〔1〕可逆吸熱和不可逆反響：Topt先低后高的原那么?！?〕可逆放熱反響：Topt由高到低。42/37設(shè)：〔1〕E1＜E2，先低溫后高溫；初期濃度高，rA↑；后期CA、CB↓，T↑堅(jiān)持較高的rA?！?〕E1＞E2，T↑有利于提高消費(fèi)強(qiáng)度4.6管式反響器的最正確溫度序列4.6.2復(fù)合反響A+B1PA+B2Q42/38在等溫間歇反響器中，如P為目的產(chǎn)物，那么存在最正確反響時(shí)間；這一結(jié)論同樣適宜于PFR?？刂痞优cTop相等便達(dá)目的。1.等溫反響時(shí)，從收率最大的觀念出發(fā)，不存在最正確操作溫度的問(wèn)題。假設(shè)E1＜E2，那么T↓有利；E1＞E2，那么T↑有利；4.6管式反響器的最正確溫度序列Ak1QPk242/392.假設(shè)非等溫操作：E1＜E2時(shí)，先高后低；先高是為了加快第一個(gè)反響，促使P的消費(fèi)，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管式反響器的最正確溫度序列42/40▓對(duì)1、2兩反響而言，T↑有利P生成；4.6管式反響器的最正確溫度序列A+B1PQX23▓對(duì)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＜E3，42/41〔1〕E1＜E2；E3＞E4；4.6管式反響器的最正確溫度序列XA+B1QP23Y4為了獲得更多P，首先須生成更多Q；而E1＜E2，低溫有利，但由于E3＞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(mǎn)