反应工程课件四章 .pptVIP

第四章 管式反应器 本章内容 ? 理想流动模型 ? 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 ? 循环反应器 ? 变温管式反应器的计算 理想流动模型 ? 流动模型：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常重要的影响。 ? 返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为逆向混合。 理想流动模型 ? 活塞流模型（平推流）： ? 基本假定： (1) 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。 (2) 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。 ? 特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。 等温管式反应器的设计 等温管式反应器的设计 自测题： 乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳： 0.1g/s的乙醛蒸汽在520℃、0.1MPa于管式反应器（PFR)内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，k = 4.3m3/kmol s，计算： ⑴ 35％乙醛分解所需的反应体积； ⑵ 90％乙醛分解所需的反应体积； ⑶ 若为CSTR，则⑴、 ⑵结果如何？ ? 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； 反应温度与最终转化率相同。 ? 分三种情况 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况 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。 1.管式反应器的热量衡算 若绝热操作，则 * 1.基本概念 1.基本概念 层流 湍流 活塞流 ? 全混流模型： ? 基本假定： 径向混合和轴向返混都达到最大 符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐 ? 特点 反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值 理想流动模型 1.基本概念 ? 管径较小，流速较大的管式反应器－－可按活塞流处理 ? 剧烈搅拌的连续釜式反应器－－可按全混流处理 进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量 ? 单一反应 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。 等温管式反应器的设计 ? 复合反应 对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组 对A的物料衡算： 系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。 对P的物料衡算： 对Q的物料衡算： 等温管式反应器的设计 ? 复合反应 等温管式反应器的设计 ? 复合反应 等温管式反应器的设计 ? 复合反应 对A的物料衡算： 对P的物料衡算： k1 ? k2 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停留时间 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停留时间？ 问题？ 等温管式反应器的设计 管式与釜式反应器反应体积的比较 1.正常动力学 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 管式与釜式反应器反应体积的比较 对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。 2.反常动力学 管式与釜式反应器反应体积的比较 0 3.有极大值情况 若: XAf XAm ，则 Vrp Vrm 若： XAf XAm ，则 Vrp Vrm 管式与釜式反应器反应体积的比较 此时，可以： 釜式与管式的串联 Reactor ? ? 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： 故,反应器的物料处理量为： 在混合点处对A做物料衡算： 化简后得： 用(1＋Ψ)Q0 代替 Q0，用 XA0代替 0，即 循环反应器 ? 分析： 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操作，即CSTR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作。 假设：? 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 变温管式反应器 取微元体积dVr作为控制体积， 衡算依据为热力学第一定律： 反应热 温变热 G为流体的质量速度GA=Q0ρ 故有： 此即管式反应器轴向温度分布方程 变温管式反应器 1.管式反应器的热量衡算 令wA0为组分A的初始质量分数，MA为A的相对分子量,则： 管式反应器中反应温度与转化率的关系式 变温管式反应器 2.绝热管式反应