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4-管式-4.1-4.6_图文

时间:2012-12-01

4. 管式反应器 4.1 活塞流假设 一、 流动状况对反应过程的影响 1. 流动状况影响
按流动机理,分为层流和湍流。

(a)(b) 内部各部分流体的停留 时间不同,因此反应时间也不 一样,反应速率和最终转化率 也不一样

2. 混合情况的影响

图 4.1 径向流速分布

二 理想流动模型

1.活塞流模型(理想置换、理想排挤、平推流) 假定:径向混合均匀,轴向无混合。 特点: (1)物料参数在径向同一截面相同,但沿轴向 变化。 (2)流体粒子在反应器内的停留时间相同,无 返混 。 返混:是不同停留时间的流体粒子之间的混合

把长度>>直径的管式反应器(湍流)当作活塞流 反应器(Plug Flow Reactor PFR) 处理。

2.全混流模型 (CSTR—Continuous Stirred Tank Reactor) 假定:轴向和径向混合均达最大。 特点: (1)反应器内C、T均一,且等于出口处的浓 度和温度。 (2)流体粒子在反应器内的停留时间不同,返 混最大。
连续流动的搅拌釜式反应器,当搅拌很剧烈时,可当 作全混釜处理。 注意:理想流动模型是两种极端情况,活塞流的返 混为"零",而全混流的返混"最大",实际反应器中 的流动状况介于两者之间。

4.2 等温管式反应器的设计 一、 单一反应 1 设计方程:取微元体dVr(长为dZ)为控制体, 对A, 定态时

FA ? (FA ? dFA ) ? (?R A )dVr
dFA ? RA dVr
dXA FA 0 ? ?R A dVr

FA ? FA0 (1 ? XA )
dFA rA ? dVr

Vr ? Q0CA 0 ?

X Af

0

dXA ? R A (XA )

X Af Vr dXA ?? ? CA 0 ? -管式反应器设计方程 0 Q0 ? R A (XA )

t ? CA 0 ?

X Af

0

dXA ? R A (XA )

-间歇釜的设计方程

注意:二者尽管形式上相同,但一个是反应 时间t,一个空时τ,是否τ就等于t? 。 间歇反应器一般均在恒容下进行,而管式 反应器或在恒容下进行,或在变容下进行。

在恒容下: ? t ?

在变容下: ? t ?

图解法
X Af Vr dXA ?? ? CA 0 ? 0 Q0 ? R A (XA ) X Af dX A Vr ? FA 0 ? 0 ? R A (XA )

代数法:
一 级 反 应 rA ? kCA 二 级 反 应 rA ? kCA
2

1 1 ? ? ln k 1? XA 1 XA ?? kCA0 1 ? X A

例:条件同例1的醇酸树脂生产,若采用管式 反应器,求A转化率为80%时,所需反应体积。
XA 1 解: ? ? ( ) ? 8.5h kC Ao 1 ? X A

Vr ? Q0? ? 0.171? 8.5 ? 1.45m

3

达到相同结果,管式反应器比间歇釜 (2.17m3)体积小。

间歇釜: Vr ? Q0 ( t ? t 0 )

小结
X Af Vr dXA ?? ? CA 0 ? -管式反应器设计方程 0 Q0 ? R A (XA )

一 级 反 应 rA ? kCA 二 级 反 应 rA ? kCA
2

1 1 ? ? ln k 1? XA 1 XA ?? kCA0 1 ? X A

Vr ? Q0?

?d Vr ? L 4
2

4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较 在原料处理量及组成,反应温度以及最 终转化率相同的情况下,比较在不同型式反 应器中进行同一反应的反应体积。 如醇酸树脂生产:
Vr(m3) XA = 0.8 XA = 0.9 PFR 1.45 3.25 BSTR 2.17 4.56 CSTR 7.24 32.6

一 连续反应器反应体积比较(单一反应)

1反应体积比较
PFR
V P ? F A0

?

XA

0

dX A (? RA )

VP ? 曲线下面积 F A0

CSTR

V M ? F A0

XA (? RA )

VM ? 矩形面积 F A0

对正常动力学:

VP ? 1 VM

VM ? VM? 2 ? VP
N ? ? 时, VM ? N ? VP

管式反应器优于多釜串联优于单釜连续

对反常动力学:

釜式优于管式

Vrp ? Vrm?3 ? Vrm?2 ? Vrm

例:已知均液相反应A→B+C, rA=kCA,Q0=3m3/h, CA0=3.2kmol/m3,k=8x10-2s-1,XA=0.998,试求采用 管式、单釜及多釜串联(N=2,4,10)操作时反应体积。 解:
1 1 1 1 (1) PFR ? p ? ln ? ln ? 77.7 s ?2 k 1 ? X A 8 ? 10 1 ? 0.998 3 Vrp ? Q0? p ? ? 77.7 ? 0.065m 3 3600 C A0 X A XA 0.998 ( 2)CSTR ? m ? ? ? ? 6238s ?2 rA k (1 ? X A ) 8 ? 10 (1 ? 0.998) Vrm ? Q0? m 3 ? ? 6238 ? 5.2m 3 3600

多CSTR

1 1 1 ? ? [( ) N ? 1] k 1 ? X AN

1 1 1 N ?2 ? ? [( ) 2 ? 1] ? 267s 0.08 1 ? 0.998 3 Vrm- 2 ? Q 0 N? ? ? 2 ? 267 ? 0.445m 3 3600 1 1 1 N ?4 ? ? [( ) 4 ? 1] ? 46.6s 0.08 1 ? 0.998 3 Vrm-4 ? Q 0 N? ? ? 4 ? 46.6 ? 0.155m 3 3600

N ? 10 ? ? 10.7s

Vrm-10 ? 0.09m 3

2 连续反应器内的浓度分布

浓度水平:PFR(c) >多CSTR(b) >CSTR(a)

二 连续反应器目的产物收率的比较

YPf ?

?

X Af

0

SdX A

S-瞬时选择性 S0-总选择性 (矩形面积) YPf ? S0 XAf

YPf ? S0 X Af
釜式反应器 S0=S

管式反应器(同间歇反应器)

YPf ? ?

X Af

0

SdX A

曲线 下的面积就等于目的产物的最终收率。

对于正常情况, YPf的大小次序为:

管式 > 多釜串联 > 单一连续釜
对于反常情况,结论正好相反。

管式反应器的加料方式

例 平行反应:
A+B→P (主)

rp ? k1C A C B
0.5

0.3

A+B→Q (副)

rQ ? k2C A C B

1.8

应采用哪种反应器型式和操作方法? 分析: CA 高,CB低 采用管式反应器,A一次性加入, B分段加入。
①釜式反应器半间歇操作 A一次性加入,B缓慢滴加。 ②连续操作,多釜串联A从第一釜进入,B分釜加入。 ③按 CA0>CB0 配料,A过量,反应产物分离,A循环。

例:有一分解反应
A ? P (主) A ? R (副) A ? S (副) C A0 ? 2mol / L rp ? 2C A rR ? 1 rS ? C A 2 单位mol/L.min

求(1)XA=0.99时,单CSTR和PFR中平均选 择性、P的收率和产品浓度。

RP 2CA 2CA 解: S ? ?PA ? ? 2 2 (? R A ) 2CA ? 1 ? CA (1 ? CA )
(1) 对CSTR CA=CA( -XA ) 0 1 ? 2 ? (1 ? 0.99) ? 0.02mol/ l

2CA 2 ? 0.02 S0 ? S ? ? ? 0.038 2 2 (1 ? CA ) (1 ? 0.02)

YPf ? S0 XA ? 0.038? 0.99 ? 0.0376
CP ? CA0YPf ? 2 ? 0.0376? 0.075mol/ l

对PFR YPf ? ?

XA

0

SdX A ? ?

XA

0

2C A dX A 2 (1 ? C A )

??

0.99

0

2C A( -X A ) 0 1 dX A ? 0.431 2 [1 ? C A( -X A )] 0 1

CP ? CA0YPf ? 2 ? 0.431? 0.862mol/ l
YPf 0.431 S0 ? ? ? 0.435 XA 0.99

4.6 管式反应器最佳温度序列 温度对反应的影响 1. 对反应速率的影响:

k ? A? e

? E / RT

T↑, r↑
dT RT2

2. 对化学平衡常数的影响: d(lnK p ) ? ?H r 3.对复合反应选择性的影响:

操作温度的选择依据:

对单一反应:生产强度最大 生产强度-单位时间单位反应体积的产品产量。 对复合反应:目的产物的收率最大 一、单一反应 不可逆反应:

∴选择高温操作有利。 如采用变温操作则最佳操作温度序列应先低 后高,即从进口到出口逐渐升高。

对可逆反应

随XA增加,最佳操作温度应逐渐降低。沿 反应管增长方向,最佳温度应自高而低。 二. 复合反应 1.平行反应:

若 E1<E2 : 从P的收率最大,低温有利。 从生产强度最大,先低温后高温。
这两种出发点哪种可取,要视反应物、目的产物、 副产物的价格高低及反应器的造价而定。

2.连串反应: 若 E1>E2 , 反应温度越高越好。 若 E1<E2 ,反应温度越低越好,但低温使生 产强度下降。 为了兼顾生产强度,对 E1<E2 ,可采取先高 后低的操作温度序列。先高温是为了加快第 一个反应,促使P的生成,待P积累到一定量 后,再降低温度以减小副产物Q的生成。

第四章 小结 掌握: ? 等温管式反应器设计方程的应用。 ? 管式和釜式反应器的对比。

理解:
活塞流和全混流模型的基本假设与含义,

返混的基本概念。


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