第四章-管式反应器.

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四PFR反应器.ppt

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CA0
xAf
dxA
0 (rA )(1 AxA )
当分子数变大, A 0 ,则 t 当分子数变小, A 0 ,则 t
当分子数不变, A 0 ,则 t
Chemical Reaction Engineering
对n 级不可逆反应A→P
(rA )
k CAn
k
CAn0
( 1
1
xA AxA
s) (a b) p
>0 增大 <0 减小 =0 不变
nt nt0 AnA0 xA
例1:裂解反应 C2H6 C2H4 H2
A 1 nt nt0 nA0 xA
例2. 合成氨
1 3
N2
H2
2 3
NH 3
B
2 3
nt
nt 0
2 3
nB0 xB
Chemical Reaction Engineering
)n
k
CAn0
( 1
1
A
xA yA0
xA
)
n
空时
1
k
Cn1 A0
xAf 0
(1 AxA
1 xA
)n
dxA
停留时间
t
1
k
Cn1 A0
xAf 0
(1 AxA )n1
(1 xA)n
dxA
对气相反应,通常有区别; 对液相反应可不考虑
Chemical Reaction Engineering
某气相一级分解反应A------3P,反应为一级,在等温管 式反应器中进行,加入原料含A50%,惰性物料50%。 停留时间为10min,系统出口的体积流量为原来的1.5倍, 求此时A的转化率及该条件下的反应速率常数。

4-管式反应器

4-管式反应器

4.2 等温管式反应器的设计
1. 单一反应 2. 复合反应 3. 拟均相模型
原料以流量Q0从顶部连续加入,在底 部流出。反应器为定态操作,管式反应 Q0
器中,物料浓度随轴向位置而变,因此,
取微元体积dVr为控制体积
4.2 等温管式反应器的设计
Q0 进入量=排出量+反应量+累积量
Fi ( Fi dFi ) (i )dVr 0
4.5 变温管式反应器
1、管式反应器的热量衡算式
4.5 变温管式反应器
设流体在dVr中的温变为dT,取Tr为基准温度,则有:
dH A Hr Tr SdZ GCpt SdT
G为反应流体的质量速度 微元体积与环境交换的热量为
反应热 多个反应? ij rj H r j j 1
P为目的产物
a、E1<E2, E3>E4, 由低到高的温度序列 b、E1>E2, E3>E4, 保持高温 c、E1<E2, E3<E4, 保持低温 d、E1>E2, E3<E4, 由高到低的温度序列
例4.9
理想反应器的组合
理想反应器的组合
理想反应器的组合
理想反应器的组合
理想反应器的组合
本章小结
4.1 理想流动模型
B 全混流模型
1.基本假定: 径向混合和轴向混合都达到最大 2.特点: 反应物系的所有参数在径向上均一,轴向上也均一,即在 整个反应器内不存在温度和浓度差
根本区别:活塞流 无返混 全混流 返混程度最大
Plug flow reactor (PFR) Mixed flow reactor (MFR) 或 Continuous stirred tank Reactor(CSTR)

化学反应工程1_7章部分答案

化学反应工程1_7章部分答案

第一章绪论习题1.1 解题思路:(1)可直接由式(1.7)求得其反应的选择性(2)设进入反应器的原料量为100 ,并利用进入原料气比例,求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水),如下表:组分摩尔分率摩尔数根据式(1.3)和式(1.5)可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。

并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数,即可计算出反应器出口气体的组成。

习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成:第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据,先作出的关系曲线,用镜面法求得反应时间下的切线,即为水解速率,切线的斜率α。

再由求得水解速率。

习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式(2.10)及式(2.27)可求得问题的解。

注意题中所给比表面的单位应换算成。

利用下列各式即可求得反应速率常数值。

习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应,反应物A的消耗速率为两反应速率之和,即利用式(2.6)积分就可求出反应时间。

习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:(1)恒容过程,将反应式简化为:用下式描述其反应速率方程:设为理想气体,首先求出反应物A的初始浓度,然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率,利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。

(2)恒压过程,由于反应前后摩尔数有变化,是个变容过程,由式(2.49)可求得总摩尔数的变化。

这里反应物是纯A,故有:由式(2.52)可求得反应物A的瞬时浓度,进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。

习题答案:(1)亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率(2)乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式,然后利用式(3.8)即可求得反应时间。

(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态,即反应物初始浓度、反应温度和转化率,与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:(1)因为B过量,与速率常数k 合并成,故速率式变为对于恒容过程,反应物A和产物C的速率式可用式(2.6)的形式表示。

反应工程(总复习)

反应工程(总复习)
M N
反应器 P
分离器
Q
产物
转化率是针对反应物而言,收率则是针对生成物而言,定义为:
与转化率一样,收率也有单程收率和全程收率之分 对于单一反应,转化率与收率数值上相等,且无论按那一个反应产物计算的收率,数 值上都相等,当反应系统进行的反应不止一个时,则不相等。
第一章 绪论
转化率、收率和选择性三者的关系:
等转化率曲线。温度较低时,反应速率随温度的升高 而加快,到达某一极大值后,随着温度的继续升高,
反应速率反而下降。
最佳温度
第二章 反应动力学基础
复合反应:在同一个反应体系中进行若干个化学反应时,称为复合反应。 单位时间内单位体积反应混合物中某一组分i的反应量叫做该组分的转化速率 (i为反应物)或生成速率(i为反应产物),并以符号 来表示。
(2)描述温度变化的能量衡算式,或称能量方程; (能量守恒定律)
(3)描述压力变化的动量衡算式,或称动量方程; (动量守恒定律)
(4)综观三种衡算式,根据各自的守恒定律,均符合下列模式:
17
第二章 反应动力学基础
任何化学反应都以一定的速率进行,通常以单位时间内单位体积反应物系中某一反 应组分的反应量来定义反应速率。
第四章 管式反应器
活塞流和全混流的比较:
根本差别:活塞流无返混存在,全混流的返混程度最大,以致反应物料间不存在
浓度差,也不存在温度差。
单一反应等温管式反应器设计方程
以等速率进行 常数
管式反应器连续操作 方程 等容 = ≠ 管式反应器空时 变容
釜式反应器连续操作 方程
釜式反应器的反应时间
第四章 管式反应器
化学反应工程的“三传一反”
动量、热量和质量传递。
反应进度( ξ )的定义:任何反应组分的反应量与其化学计量系数的之比恒为定 值,推广到任何反应,并表示为:

第四章管式反应器_反应工程上课简版

第四章管式反应器_反应工程上课简版

4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
图分析比较
(a)1/-RA随xA的增大呈单调上升 (b)1/-RA随xA的增大呈单调上升
(c)1/-RA具有极小值
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
比较管式与釜式反应器的收率
(a) 选择性随转化率的增加而减小 (b) 选择性随转化率的增加而增大
习题
4.7 拟设计一等温反应器进行下列液相反应:
A B R, rR k1C AC B
2 2 A S , rS k2C A
目的产物为R,且R与B极难分离。试问: (1)目的产物瞬时选择性表达式? (2)在原料配比上有何要求? (3)若采用活塞流反应器,应采用什么样的加料方式? (4)如用半间歇反应器,应采用什么样的加料方式?
4.4 循环反应器
Vr (1 )Q0c A0 X Af
1
X Af
dX A ( A )
0, XA0 0
, X A0 X Af
当ψ ≥25时,即可认为反应器达到了 全混状态。
4.5 变温管式反应器
活塞流反应器的热量衡算
活塞流反应器的热量衡算示意图 控制体:反应体积为dVr的微元段,微元段长度为dZ, 转化率的变化为dxA、温度变化为dT。
管式反应器的热量衡算
------管式反应器轴向温度分布方程
dT GwA0 (H r )Tr dX A U Gcpt 4 (TC T ) dZ MA dZ dt
------管式反应器中反应温度与转化率的关系
绝热管式反应器
wA0 (H r )Tr dT dX A M Ac pt
Q0C A0 X Af
A
多釜串联全混流反应器体积:

管式-反应器ppt课件

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二、管式反应器的结构
反应器的结构可以是单管, 也可以是多管并联;可以是空 管,也可以是在管内填充颗粒 状催化剂的填充管。
它包括直管、弯 管、密封环、法兰及 紧固件、温度补偿器、 传热夹套及联络管和 机架等几部分。
三、特点
• 1、由于反应物的分子在反应器内停留时间 相等,所以在反应器内任何一点上的反应 物浓度和化学反应速度都不随时间而变化, 只随管长变化。
• 2、根据是否存在填充剂可分为空管 和填充管。
• 3、根据管式反应器的连接方式可以 分为串联管式反应器和并联管式反应 器。
• 4、根据反应器放置方式可分为横管 式反应器和竖管式反应器
五、应用
1、多管串联结构的管式反 应器,一般用于气相反应和 气液相反应。例如烃类裂解 反应和乙烯液相氧化制乙醛 反应。
管式裂解炉
用于烃类裂解制乙烯及其相关产品 的一种生产设备,为目前世界上大型 石油化工厂所普遍采用。
目前国际上应用较广的管式裂解炉 有短停留时间炉、超选择性炉、林德西拉斯炉、超短停留时间炉。
大型石油化工厂管式裂解炉
乙烯裂解炉加料控制过程
2、 多管并联结构的管式反应器, 一般用于气固相反应。例如气相氮 和氢混合物在多管并联装有固相铁 催化剂中合成氨,气相氯化氢和乙 炔在多管并联装有固相催化剂中反 应制氯乙烯。
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理想管式反应器
人们设想了一种理想流动,即 假设在反应器内具有严格均匀的 速度分布,且轴向没有任何混合。 这是一种不存在的理想化流动。 管式反应器当管长远大于管径时, 比较接近这种理想流动,通常称 为理想管式反应器。
传热方式

反应工程 2012-2013 第 4 章 管式反应器 PFR

反应工程 2012-2013 第 4 章 管式反应器 PFR
Chemical Reaction Engineering
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4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
Chemical Reaction Engineering
42/21
4.4 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。
Qr 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比: Q0
故,反应器的物料处理量为:
Q0 Qr (1 )Q0
在混合点M处对A做物料衡算:
Q0cA0 Q0cA0 (1 X Af ) (1 )Q0cA0 (1 X A0 )
化简后得: X A0
X Af 4.23 1
0
' X Af
X Am
X Af
XA
此时,可以: 釜式与管式的串联
42/19
Chemical Reaction Engineering
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
在A点保持较高速率进行,先用CSTR进行反 应到XAm,然后送入PFR中到XAf,则VR最小。 对多个反应,二者的比较主要是看在相同的最终转 化率下,哪一个目的产物最终收率大。 So~XA关系见图3-10(a)。 ①反应物CA低,获得高的选择性,选釜式反应器。 ②反应物CA高,则管式反应器优于釜式反应器。
二者的差别: CSTR PFR 返混 返混
最大(∞) 无(0)
都属于理想化流动模型,是返混程度的两个极端。
Chemical Reaction Engineering
42/6
4.2 等温管式反应器的设计
Fi 0
单一反应 进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量

四PFR反应器

四PFR反应器

V = V0 (1 + ε A x A )
例:A→3P a.纯原料,则 纯原料, 纯原料
含义: 含义:ε A
=
Vx A =1 − Vx A =0 Vx A = 0
3 −1 εA = =2 1
b.原料中含 50%A和 50%惰性气体,则 原料中含 和 惰性气体, 惰性气体
(3 + 1) − (1 + 1) εA = =1 (1 + 1)
FA0 dx A = (−rA )dVR
V0
τP =
FA 0 ∫
x Af
0
dx A ( − rA )
V0
V
t=∫
VR
0
dVR V
=∫
x Af
0
x Af FA0 dx A dx A = C A0 ∫ 0 (− rA )v0 (1 + ε A x A ) (−rA )(1 + ε A x A )
当分子数变大, 当分子数变大,ε A
Chemical Reaction Engineering 间歇反应器恒容时: 间歇反应器恒容时
反应级数 反应速率式
t = C A0 ∫
x Af
xA0
dx A ( − rA )
t = − ∫C
C Af
A0
dC A ( − rA )
残余浓度式
转化率式
零级
(−rA ) = k
kt = C A0 − C A
aA+bB→pP+sS
对A: : 对P: :
δ
A
δ
p
( p + s) − (a + b ) = a ( p + s) − (a + b ) = p
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不同。在反应过程中体积的变化可以忽略不计。
13:46
【解】(1) 全混釜


VR C A 0 x A C A 0 C A C R C R 0 C S C S 0 Q0 rA rA rR rS
rR 2.0C A
2 rS 0.2C A
2 rA rR 2 rS 2.0C A 0.4C A
在215℃和5大气压下,均相气相反应 A─→3R 在活塞流 反应器中进行。215℃时,速率式为: rA=10-2CA0.5(mol/l· s), 原料气中含有50%A和50%惰性气体(CA0=0.0625mol/l),求
转化率为80%时所需的时间。
【解】根据题所给出的已知条件有: yA0=0.5
3 1 2 δA = 1
b 为催化剂的堆密度
§4.5 反应器型式和操作方式的评选
本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程 经济性的主要因素出发,就单一反应和复合反应来分别讨 论其反应器型式和操作方法的评选。
13:46
活塞流反应器体积:
全混流反应器体积:
Vrp Q0C A0
VrM
xA f
0
dxA A
恒容时

CA xA 1 C A0
dC A dx A C A0

CA f
CA0 CA f
dC A rA dC A rA
(活塞流反应器) (间歇反应器)
t
13:46
CA0
注意:①二者形式同,但一个是t,一个是τ(与所选择的
进口状态有关); ②管式反应器恒容时,τ=t;否则,τ≠t。
【例题2】在一定的反应温度下A发生下述平行反应:
k1 A R
rR 2.0CA kmol /(m3 h)
2 rS 0.2CA kmol /(m3 h)
k2 2 A S
其中R是主产物,S是副产物。反应原料为纯的A,其初 始浓度为10kmol/m3。在反应器出口A的转化率为80%。 比较当上述反应在全混釜和平推流反应器中进行时,A转 化为R的选择性、R的收率以及反应物的停留时间有什么
1/rA
1/rA
1/rA
τ 3/CA0
面积=τ /CA0
τ 2/CA0 τ 1/CA0
面积=τ /CA0 0 (a) 活塞注流反应器 xA
0 (b) 全混流反应器 xA
0 xA (c) 多釜串联全混流反应器
图 不同反应器所需的体积(τ=V/Q0)
13:46

(2) 1/rA 随xA的增大而单调下降 对于n>0的不可逆等温反应均具有此性状。 Vrp或间> VrM-串> VrM
则两者的浓度及温度的差异将很小,可忽略,此时动力学表
征上与均相反应相同。此简化模型称为拟均相模型。
M dFi b vij rj dVr j 1
M dFi b vij rj dW j 1
i 1, 2,, k
i 1, 2,, k
Vr催化剂的堆体积 W催化剂的质量
式中
13:46
FA = (FA + dFA) + rA dVR + 即:
dFA rAdVR
0
dFA dFA0 (1 xA ) FA0dxA
FA0dxA rAdVR
13:46
积分得
VR FA0
xA f
0
dx A rA
FA0 Q0CA0

x A f dx VR A C A0 0 Q rA ※活塞流反应器基础设计式※ NhomakorabeaP
面积=CP CA CA0
CA CA3CA2 CA1 CA0 CA
面积=CP CA0
(a)活塞流最优,多釜串联次之,全混流反应器最差
(2) s随CA的增大而单调地下降,返混,以CSTR为最优。
s
全混流
s
多釜串联全混流
s
活塞流
CP
CA (a)
CA0
CA (b)
CA0
CA
CA0
(b)全混流最优,多釜串联全混流次之,活塞流最差
=100CA00.5
x Af

x Af
0
1 x A 0.5 [ ] dx A 1 xA
1.3 图解积分 1.331 数值积分 1.328 解析积分

13:46
0
1 xA 0.5 [ ] dxA 1 xA
4.3 拟均相模型
对多相催化反应,如果两相间的传质和传热的速率很大,
∴反应物A转化为R的选择性:
SR
CR CR 0 2C A 1 1 0.714 C A0 C A 2.0C A 0.4C A 2 1 0.2C A 1 0.2 10 (1 0.8)
R的收率:
YR xA S R 0.8 0.714 5.71
0.6 -4
-3
-2
-1
0
1
2
3 lgk2/k1
图3.5-4 活塞流反应器与全混流反应器的比较
13:46
2.不可逆平行反应
k1 A P
k2 A S
P是目的产物
P的瞬间选择性与CA之间可能有三种变化形状: (1) 随CA的增大而单调地增大 应选用无返混的活塞流反应器
s 活塞流
全混流 CP s 多釜串联全混流
时间变量转化为位置变量。
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2.图解计算
1/rA
1/rA
xA f 0
C A0
dxA rA

CA f
CA0
dC A rA
面积=τ /CA0 0 (a) 适用一般场合 xA
面积=τ 0 CA CA0 (b) 仅适用恒容过程
图3.4-2 管式反应器的图解计算示意图
13:46
【例题1】
Q0C A0 X Af
A
Vrp VrM
一、单一反应


xA f
0
X Af
dxA A / A
不存在副反应,反应器选型时只需考虑如何有利于反 应速率的提高。 反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种情况:
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(1)1/rA随xA的增大呈单调上升 对于n>0的不可逆等温反应均有图示的特征。Q0、CA0、 T、xAf相同。 Vrp或间< VrM-串< VrM
§4.1 活塞流假设
第四章 管式反应器
§4.2 等温管式反应器设计 §4.3 管式反应器与釜式反 应器体积的比较
§4.4 循环反应器
§4.5 变温反应器
13:46
重点掌握:
· 等温管式反应器设计方程的推导与应用。 · 管式和釜式反应器的对比。
· 循环反应器的计算与分析。
· 变温管式反应器的分析与计算,包括:热量衡算方程的建立 、绝热温升和非绝热变温管式反应器的计算等。 深入理解: · 活塞流和全混流模型的基本假设与含义,返混的基本概念。
YS x A S S 0.8 0.286 0.229
C A0 C A C A0 x A 0.8 1.43h (2) 2 2 2 rA 2C A0 (1 xA ) 0.4C A (1 x ) 2(1 0.8) 0.4 10(1 0.8) 0 A C A dC A 活塞流反应器: CA 0 r A
13:46
对于全混流反应器,瞬时选择性与总选择性相同:
从上述讨论看,复合反应的产物分布不仅与反应的
型式、反应动力学特性有关,而且还与反应器的型式
有关。
13:46
1.一级不可逆连串反应
A P S
k1 k2
P是目的产物
对于BSTR或PFR中P的最大浓度:
CP max
k1 C A0 ( ) k2
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rA=10-2CA0.5=10-2CA00.5 [ 1 x A τ=
1 A y A0 x A
]0.5
x Af dx x Af VR dx A A C A0 0.5 0 0 Q0 rA 10 2 C A0 [(1 x A ) (1 A y A0 x A )] 0.5
对于气相变容过程,用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。 设反应器的截面积为A,则有dVr=AdZ,那么
Q0 c A0 dX A rA ( X A ) A dZ
13:46
u0 c A 0
dX A rA ( X A ) dZ
对于恒容过程 CA=CAO(1-XA)则
dc A u0 rA ( X A ) dZ
1.活塞流反应器的设计方程 根据活塞流反应器的特点,可取反应器中一微元段 作物料衡算,然后沿管长对整个反应器积分,就可得 到活塞流反应器的设计基础式。
13:46
0 FA0 FA
dZ FA+dFA
Z FAf
dVR
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
13:46
三、活塞流反应器的特征
假设:反应物料以稳定流量流入反应器,平行向前移动。
0 Z/2 Z
1.轴向无返混。 2. 物料质点的相同。
CA CA0
3.同一截面C、T相同。
4.C、T沿管长连续变化。
CAout 管长 Z/2 CA CA0 0 Z/2 Z 时间 图 3.4-1 平推流反应器图示 Z
1/rA
1/rA
1/rA
面积=τ /CA0 0 (A) 活塞流反应器 xA
0
面积=τ /CA0 xA (B) 全混流反应器
τ 1/CA0 0
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