第四章-管式反应器

rA ( X A )
时间变量转化为位置变量。
06:52
2.图解计算
1/rA
CA0
xA f 0
dxA rA
1/rA
dC CA f
A
r CA0
A
面积=τ/CA0
0
xA
(a) 适用一般场合
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
06:52
【例题1】
dFi
dVr
b
M
vij rj
j 1
i 1, 2,L , k
dFi
dW
b
M
vij rj
j 1
i 1, 2,L , k
式中 b 为催化剂的堆密度
Vr催化剂的堆体积 W催化剂的质量
06:52
§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。
图 4.1 径向流分布
06:52
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。
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。
06:52
二、 理想流动模型
１.活塞流模型 ① 径向流速分布均匀； ② 轴向不存在混合。 ③ 无返混
、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。 广泛了解：
·拟均相的含义和模型假定。
06:52
§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。
[1 1
xA xA
]0.5
dx A
1.3 图解积分
xAf 0
[1 1
xA xA
]0.5
dxA
1.331 1.328
数值积分 解析积分
06:52
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， 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Baidu Nhomakorabea同。此简化模型称为拟均相模型。
CSTR
连续加料(入口) 年龄不同 寿命不同(出口) 返混极大
06:52
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。
06:52
0 FA0 FA
dZ FA+dFA
Z FAf
06:52
活塞流反应器体积：
Vrp Q0CA0
xA f 0
dxA A
全混流反应器体积：
VrM
Q0CA0 X Af A
dx xA f
A
Vrp 0 A
VrM X Af / A
一、单一反应
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：
31 2 1
06:52
rA＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5 [ 1 xA ]0.5
1 A yA0 xA
τ＝
VR
Q0
CA0
x Af 0
dx A rA
x Af
dx A
0 102 C A00.5[(1 xA ) (1 A y A0 xA )]0.5
＝100CA00.5
x Af 0
0
Z/2
Z
CA CA0
CAout CA
管长
Z/2
Z
CA0
0
Z/2
CAout
Z 时间
图 3.4-1 平推流反应器图示
06:52
反应器特性分析
BSTR
PFR
1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口)
2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处)
3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口)
4返混 全无返混
全无返混
②管式反应器恒容时，τ=t；否则，τ≠t。
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
Q0cA0 A
dX A dZ
rA ( X A )
06:52
u0cA0
dX A dZ
rA ( X A )
对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则
u0
dcA dZ
dVR
单A的位流时入间量 单A的位流时出间量 单A的位反时应间量 的反积应累器速中A度
即：
FA = （FA ＋ dFA） + rA dVR + 0
dFA rAdVR
dFA dFA0 (1 xA ) FA0dxA
FA0dxA rAdVR
06:52
积分得
VR FA0
xA f 0
dxA rA
2.全混流模型（上一章详细描述过） 混合达到最大，C、T均一，返混最大
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。
06:52
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。
1.轴向无返混。 2. 物料质点的相同。 3.同一截面C、T相同。 4.C、T沿管长连续变化。
FA0 Q0CA0
或
VR Q
CA0
xA f 0
dxA rA
※活塞流反应器基础设计式※
恒容时 ∴
06:52
xA
1
CA CA0
CA f dCA
r CA0
A
t CA f dCA
r CA0
A
dxA
dCA CA0
（活塞流反应器）
（间歇反应器）
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）；
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
06:52
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
06:52
(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
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
δA＝