第4章管式反应器分析

最简单的流动模型是理想流动模型，包括：活塞流和全
混流模型。
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二、 理想流动模型
１.活塞流模型PFR ① 径向流速分布均匀； ② 径向混合均匀（C,T）； ③ 无返混/轴向混合/逆向混合 径向
活塞流
流动 方向
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。 2.全混流模型（上一章详细描述过） 混合（径向+轴向）达到最大，C、T均一
• 物料的流动可近似地视为平推流
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§4.1 活塞流假设
流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率 和转化程度。 一、 流动状况对反应过程的影响 1. 流动情况影响 （a）(b) 内部各部分流体的 停留时间不同，反应速率和
最终转化率也不一样。
图 4.1 径向流分布
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2. 混合情况的影响 完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C 不一样。这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应 的结果也不一样。
第四章 管式反应器
§4.1 活塞流假设
§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
1
§
引言
• 管式反应器PFR ：一种呈管状、长径比很大的反 应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应
器管长以公里计。
• 反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联； • 可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填 充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应， 如列管式固定床反应器。
dz
Fi dFi
dVr
Vr c A0 Qo
t间歇 c A0

X Af
0
dX A [R A ( X A )]

X Af
0
dX A [R A ( X A )]
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X Af
来自百度文库
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（与所选择的进口状态有关）。主要看RA 与XA的函数关系是否一样。间歇釜式反应器总是恒 容的。如果管式反应器也在恒容下进行，则有τ=t； 否则，τ≠t。 恒容时 C C (1 X )
（A） （B） （C）
已知： rA=kpA kmol/(m3· h)
yA0=10%
P=105pa
973K时，k=1.079×10－4kmol/(h· Pa)
求：
Xf= 35%，空时为多少？
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解：
pA=cA RT
δA=1
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如按恒容过程计算
1 t kRT
xA
dx A 1.87s 1 xA 0
A A0 A
Vr c A0 Qo
t间歇 c A0

X Af
0
dX A [R A ( X A )]
（活塞流反应器）

X Af
0
dX A [R A ( X A )]
（间歇反应器）
c A0
X Af A ( X A )
连续式反应器
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注意：① 二者形式同，但一个是t，一个是τ（与所选择
无返混
应该注意的是：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。
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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. 物系质点的相同。
CA CA0
3. 同一截面C、T相同。
FA0 Q0 c A0
X Af
Q0 c A0
dX A R A ( X A ) dVr
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等温管式反应器的设计
Fi 0
Q0 c A0 dX A R A ( X A ) dVr
Fi
Vr Q0 c A0

X Af
0
dX A [R A ( X A )]
Vr
Q0C A0 X Af A(X Af )
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等温管式反应器的设计
单一反应
Fi 0
进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量
Fi
Fi (dFi Fi ) (R i )dVr 0
dVr
dFi Ri dVr
FA FA0 (1 X A )
dFA RA dVr
dz
Fi dFi
FA0
dX A R A ( X A ) dVr
rA k1 (CACB CRCS K ) (k1, xA )
dxA C A0 1.9814hr 0 rA VR Q0 4.155*1.9814 8.23m3
x Af
计算结果表明, 若不考虑辅助时间, 两类反应器需要的 反应器体积是相同的。
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例题 4.2
C4H8 → C4H6 + H2
空时与平均停留时间不等 当 0 时， t

当 0 时， t

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4.2.2 复合反应
当反应器中有多个反应同时进行时，需分别对各个关键组 分作物料衡算，最后获得设计方程组。
dF i i dV R,
i 1,2,, K
M j 1
的进样模式有关）； ② 管式反应器恒容时，τ=t；否则，τ≠t。 ③ 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。 等容与变容条件下气相一级反应速率方程
rA kcA0 (1 X A )
kcA0 (1 X A ) rA 1 y Ao A X A
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• 对于式（4-4），设反应器的截面积为A，则有 dVr=AdZ，那么
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
CAout
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反应器特性分析
BSTR
投料 一次加料(起始) 返混 全无返混
PFR
连续加料(入口) 全无返混
CSTR
连续加料(入口) 返混极大
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4.2 等温管式反应器设计
1.活塞流反应器的设计方程 根据平推流反应器的特点，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。
Q0C A0 dX A A(X A ) A dZ dX A u0 C A0 A(X A ) dZ 对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则 dC A u0 A(X A ) dZ
间歇釜式反应器 随位置变化
dC A A (X A ) dt
随时间变化
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•例4.1 利用例3.1数据, 改用活塞流反应器,求反应体积? 解: 由于反应是液相反应, 可认为是等容过程