第四章管式反应器_反应工程上课简版

轴向上也均一，即：各处物料均一，
均为出口值。
4.1 活塞流假定
层流 湍流
活塞流
（PFR）
4.1 活塞流假定
活塞流模型
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 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。
a. 活塞流反应器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3； b. 连续釜式反应器，浓度条件同（a）； c. 活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示。反应 物A从反应器的一端连续地加入，而B则从不同位置处分别连 续加入，使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出 口处A的浓度分别为19和1kmol/m3。
4.2 等温管式反应器的设计
平行反应
AP rP k1cA AQ rQ k2cA
对各组分作物料衡算
间歇釜
(k1k2)cAddcAt 0
k1cA
dcP dt
0
k c2 AccQP
d k1
cQ
k2dt
0
t 1 ncA0 k1k2 cA
cAcA 0e[ (k1 k2)t]
cpkk 11 cA k02 1e[(k1k2)t] cQkk12 cA k02 1e[(k1k2)t]
CSTR Q Vro
cA0XAf RA(XAf)
正常动力学
4.2 等温管式反应器的设计
讨论3.间歇釜与活塞流反应器的浓度（转化率） 变化规律？
活塞流：
定态操作的活塞流反应器，浓度随轴向距离而变，与 时间无关。
间歇釜：
间歇釜反应器，浓度随时间而变。
4.2 等温管式反应器的设计
平行反应
AP, rP k1cA （主） 活塞流
2. 返混：不同停留时间的流体粒子之间的混合。
3. 流动模型：反应器中流体流动与返混情况的 描述。
4.1 活塞流假定
重要的概念
全混流模型： 基本假定
Q0
Q
ci0
ci
径向混合和轴向返混都达到最大
Vr
符合此假设的反应器，物料的停
留时间参差不齐。 ❖ 特点
剧烈搅拌的连续釜式反应器 －可按全混流处理
反应物系的所有参数在径向上均一，
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。
活塞流
全混流单釜
全混流多釜串联
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
计算比较
活塞流反应器体积：
VrpQ0CA0
xAf 0
dxA A
全混流反应器体积：
VrM
Q0CA0XAf A
多釜串联全混流反应器体积：
4.2 等温管式反应器的设计
讨论1. 相同进料浓度，最终转化率条件下，间歇釜的 反应时间与活塞流反应器的空时相等？
PF RQ VrocA00XAf[R dA(X X AA)]
tBRcA0
XA 0
f dXA [RA(XA)]
4.2 等温管式反应器的设计
讨论2 活塞流反应器与连续釜式反应器？
PF RQ VrocA00XAf[R dA(X X AA)]
管径较小，流速较大 的管式反应器－可按活 塞流处理
活塞流
反应物流处于湍流状态时， 空管的长径比大于50；填 充段长与粒径之比大于100 (气体)或200（液体），流动 视为平推流。
4.1 活塞流假定
三种反应器的比较
类 型 BR 停留时间 相同
返混 无
流动模 ----型
CSTR 不同
PFR 相同
有，且达到 无 最大
AQ, rQ k2cA （副）
(k1k2)cAddA c0
k1cA
d cP
d
0
k2cA
dcQ
d
0
1 lncA0
k1 k2 cA
c A c A 0 ex ( k 1 p k 2 )[]
cpkk11 cA k02{1exp (k1[k2)]} cQkk12 cA k02{1exp (k1[k2)]}
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
计算比较
比较例3.4、例3.6和例4.1的结果：
4.2 等温管式反应器的设计
例4.5 在压力0.12MPa, 898K等温下进行乙苯的催化脱氢反 应，乙苯与水蒸气摩尔比=1:20，速率方程为：
rAkP AK p P SP Rkm/kogsl
计算乙苯进料量为1.7×10-3 kmol/s ,最终转化率为60%的 催化剂用量。
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
第四章 管式反应器
管式反应器类型
水平管式反应器
立管式反应器
盘管式反应器
U形管式反应器
多管并联结构
第四章 管式反应器
本章内容
活塞流假定 ❖ 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
4.1 活塞流假定
重要的概念
1. 停留时间： 流体粒子进出反应器的时间差。
4.2 等温管式反应器的设计
拟均相模型
多相催化反应过程中，化学反应系在固体催化剂表面上发生，流体 相与固体相之间需进行物质与能量的传递，如果两者间传质、传热 速率大，则两者的浓度及温度的差异将很小。如果忽略这些差异， 则在动力学表征上多相与均相并无两样。因此，根据这种简化假定 而建立的模型称为拟均相模型。
全混流
活塞流
4.2 等温管式反应器的设计
Fi0
Fi
dz
dV r
Fi dFi
X Af
单一反应
FA0
dXA dVr
RA(XA)
Q0cA0ddXVrA RA(XA)
VrQ0cA0
XAf dX A 0 [R A(XA)]
Q VrocA00XA
f dX A [R A(XA)]
4.2 等温管式反应器的设计
4.2 等温管式反应器的设计
连串反应
A k1 P k2 Q
k1cA
dcA
d
0
பைடு நூலகம்
k1cAk2cP
dcP
d
1 ln cA0
k1 cA
cAcA0ek1
cPkk11 cAk02(ek2 ek1)
cQcA0[1k2ekk11 kk2 1ek2]
4.14 液相平行反应：
目的产物为P。 （1）写出瞬时选择性计算式。 （2）试求下列情况下的总选择性。
例 4.1
活塞流反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯 12000kg，其反应式为
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3， 并假定在反应过程中不变。反应速率方程为：
反应温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。试计算 乙酸转化35%所需的反应体积。