化学反应工程第四章.ppt

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1、第四章第四章管式反应器天津大学化工学院反应工程教研组第一页，编辑于星期六：十八点 分。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第二页，编辑于星期六：十八点 分。理想流动模型理想流动模型 流动模型流动模型：是反应器中流体流动与返混：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

2、留时间不同的流体粒不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为子之间的混合称为返混，也称为逆向混合逆向混合。第三页，编辑于星期六：十八点 分。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)(1)径向流速分布均匀，所有粒子以相径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。同的速度从进口向出口运动。(2)(2)轴向上无返混轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器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器，所有粒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。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

3、相同，轴特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。向上不断变化。1.1.基本概念基本概念理想流动模型理想流动模型层流层流湍流湍流活塞流活塞流第四页，编辑于星期六：十八点 分。全混流模型全混流模型：理想流动模型理想流动模型1.1.基本概念基本概念 管径较小，流速管径较小，流速较大的管式反应较大的管式反应器器可按活塞可按活塞流处理流处理 剧烈搅拌的连续剧烈搅拌的连续釜式反应器釜式反应器可按全混流处可按全混流处理理 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，物料的停留符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐时间参差不齐 特点特点 反应

4、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，均为出口值第五页，编辑于星期六：十八点 分。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 单一反应单一反应第六页，编辑于星期六：十八点 分。等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计第七页，编辑于星期六：十八点 分。该方程组初值为：解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。然后将 Fi 和 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。等温管式

5、反应器的设计等温管式反应器的设计 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第八页，编辑于星期六：十八点 分。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，所以关键组分数系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为为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：等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应第九页，编辑于星期六：十八点 分。等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应第十页，编辑于

6、星期六：十八点 分。等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应对对A的物料衡算：的物料衡算：对对P的物料衡算：的物料衡算：k1 k2第十一页，编辑于星期六：十八点 分。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等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计对变容反应，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？问题？问题？第十二页，编辑于星期六：十八点 分。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

7、醛蒸汽在的乙醛蒸汽在520、0.1MPa于管式反应于管式反应器（器（PFR)内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，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？等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计第十三页，编辑于星期六：十八点 分。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 管式与

8、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第十四页，编辑于星期六：十八点 分。1.1.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式反应器所需的反应体积小于釜式反应器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第十五页，编辑于星期六：十八点 分。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管式与釜式反应器反应体积的比较

9、管式与釜式反应器反应体积的比较0第十六页，编辑于星期六：十八点 分。3.3.有极大值情况有极大值情况若若:XAf XAm，则，则 Vrp Vrm若：若：XAf XAm，则，则 Vrp Vrm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此时，可以：此时，可以：釜式与管式的串联釜式与管式的串联第十七页，编辑于星期六：十八点 分。4.4 循环反应器循环反应器 对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率，将对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率，将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口，反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口，与新鲜原料一起进行反应。与新鲜原

10、料一起进行反应。Reactor第十八页，编辑于星期六：十八点 分。设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：故故,反应器的物料处理量为：反应器的物料处理量为：在混合点处对在混合点处对A做物料衡算：做物料衡算：化简后得：化简后得：用用(1)Q0 代替代替 Q0，用用 XA0代替代替 0，即，即 循环反应器循环反应器第十九页，编辑于星期六：十八点 分。分析：分析：结果相当于无循环管式反应器结果相当于无循环管式反应器结果相当于恒定转化率下的结果相当于恒定转化率下的操作，即操作，即CSTR反应器反应器 循环反应器循环反应器在实际操作中,只要 足够大，如：则可认为是等浓度操

11、作。第二十页，编辑于星期六：十八点 分。1 1.管式反应器的热量衡算管式反应器的热量衡算假设：假设：管式反应器内流体流动符合活塞流假定；管式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，轴向变化反应器内温度分布：径向均匀，轴向变化4.5 变温管式反应器变温管式反应器取微元体积取微元体积dVr作为控制体积，作为控制体积，衡算依据为热力学第一定律：衡算依据为热力学第一定律：反反应应热热温温变变热热G为流体的质为流体的质量速度量速度GA=Q0第二十一页，编辑于星期六：十八点 分。故有：此即管式反应器轴向温度分布方程此即管式反应器轴向温度分布方程变温管式反应器变温管式反应器1 1.管式反

12、应器的热量衡算管式反应器的热量衡算令令wA0为组分为组分A的初始质量分数，的初始质量分数，MA为为A的相对分子量的相对分子量,则：则：管式反应器中反应温度与转化率的关系式管式反应器中反应温度与转化率的关系式第二十二页，编辑于星期六：十八点 分。若绝热操作，则若绝热操作，则变温管式反应器变温管式反应器2.2.绝热管式反应器绝热管式反应器 得得第二十三页，编辑于星期六：十八点 分。FA0CA0第二十四页，编辑于星期六：十八点 分。等温反应，等温反应，T=T0；放热反应，放热反应，TT0；吸热反应，吸热反应，TT0吸热反应，较高的进料吸热反应，较高的进料温度有利；温度有利；放热反应，较低的进料放热反应，较低的进料温度有利。温度有利。变温管式反应器变温管式反应器XA 和和 T的关系图的关系图吸热反吸热反应应等温反等温反应应放热反应放热反应TXA2.2.绝热管式反应器绝热管式反应器第二十五页，编辑于星期六：十八点 分。最优温度曲线平衡曲线XAfTTA TB TCXA可逆放热反应的转化率与温度的关系变温管式反应器变温管式反应器2.2.绝热管式反应器绝热管式反应器第二十六页，编辑于星期六：十八点 分。