化學(xué)反應(yīng)工程第四章1_第1頁
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文檔簡介

1、Ch4.Ch4. PFRPFR反應(yīng)器反應(yīng)器 理想置換反應(yīng)器理想置換反應(yīng)器是指通過反應(yīng)器的物是指通過反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動,料沿同一方向以相同速度向前流動,像活塞一樣在反應(yīng)器中向前平推,故像活塞一樣在反應(yīng)器中向前平推,故又稱為活塞流或平推流反應(yīng)器,英文又稱為活塞流或平推流反應(yīng)器,英文名稱為名稱為Plug (Piston) Flow ReactorPlug (Piston) Flow Reactor,簡稱,簡稱PFRPFR。PFR的特性的特性由于流體沿同一方向,以相同速度向由于流體沿同一方向,以相同速度向前推進,在前推進,在反應(yīng)器內(nèi)沒有物料的返混反應(yīng)器內(nèi)沒有物料的返混,所有物料在

2、反應(yīng)器中的停留時間都,所有物料在反應(yīng)器中的停留時間都是相同的;是相同的;在垂直于流動方向上的同一截面,在垂直于流動方向上的同一截面,不不同徑向位置的流體特性(組成、溫度同徑向位置的流體特性(組成、溫度等)是一致的等)是一致的;在定常態(tài)下操作,在定常態(tài)下操作,反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸向位置改變軸向位置改變,不隨時間改變。,不隨時間改變。PFRPFR的設(shè)計方程的設(shè)計方程F FA0A0,C CA0A0, ,v v0 0X XA0A0=0=0F FA A,C CA A, ,v vX XA AdVdVR R=SxdL=SxdLF FA A+dF+dFA AX XA A+dX+dXA AF FA

3、 AX XA AL LdLdL 進進-出出+生成生成=累積累積 或或 進進-出出-反應(yīng)反應(yīng)=累積累積 AARrdFdVRAAdVdFr由于由于 F FA A=F=FA0A0(1-X(1-XA A) )微分微分 dFdFA A=-F=-FA0A0dXdXA A所以所以 F FA0A0dXdXA A=r=rA AdVdVR R 或或取反應(yīng)器任一截面對取反應(yīng)器任一截面對A A作物料衡算,作物料衡算,F(xiàn) FA A-(-(F FA A+d+dF FA A)-)-r rA Ad dV VR R=0=0,化簡,得到化簡,得到PFRPFR設(shè)計方程:設(shè)計方程:AAARrdXFdV0得到以得到以X XA A表達(dá)的

4、微分表達(dá)的微分形式的形式的PFRPFR設(shè)計方程設(shè)計方程積分:積分:ARXAAAVRrdXFdV000AAXAAARXAAARrdXCvVrdXFV00000PFR最后得體積表最后得體積表達(dá)式達(dá)式V VR R(X XA A):):或空時表達(dá)式或空時表達(dá)式AXAAARrdXCvV000注意:如果是多級反應(yīng)器,進口轉(zhuǎn)注意:如果是多級反應(yīng)器,進口轉(zhuǎn)化率不等于化率不等于0,即積分下限不為,即積分下限不為0.PFR計算例題計算例題 Case 1Case 1,恒容,恒容1 1級反應(yīng)的情形級反應(yīng)的情形在在PFRPFR中進行中進行ABAB的反應(yīng),其速率方程為的反應(yīng),其速率方程為r=kCr=kCA A,A,A的的

5、轉(zhuǎn)化率為轉(zhuǎn)化率為90%,90%,若若k=0.5mink=0.5min-1-1,C,CA0A0=2mol/L,=2mol/L,且且v v0 0=4Lmin,=4Lmin,求停留時間和反應(yīng)器的容積。求停留時間和反應(yīng)器的容積。解:解:)11ln(1)1 (000000AXAAAAXAAARXkXkCdXCrdXCvVAAmin61. 4)9 . 011ln(5 . 01)11ln(1AXk停留時間(停留時間(PFR恒容時停留時間恒容時停留時間=空時)空時)所以反應(yīng)器體積所以反應(yīng)器體積VR=v0 x=4x4.61=18.4(L)=4x4.61=18.4(L) 上例中,若用上例中,若用CSTR(min)

6、199 . 019 . 05 . 01110AAAAAXXkrXC)(721840LvV 說明在同樣反應(yīng)在相同轉(zhuǎn)化率下,說明在同樣反應(yīng)在相同轉(zhuǎn)化率下,PFR比比 CSTR的應(yīng)器體積小。停留時間短。但對反常的應(yīng)器體積小。停留時間短。但對反常動力學(xué),則情形不同。動力學(xué),則情形不同。 Case 2Case 2,PFRPFR中恒容中恒容2 2級反應(yīng)的情形級反應(yīng)的情形在在PFRPFR中進行中進行ABAB的反應(yīng),其速率方程為的反應(yīng),其速率方程為r=kCr=kCA A2 2,A,A的轉(zhuǎn)化率為的轉(zhuǎn)化率為90%,90%,若若k=0.5mink=0.5min-1-1,C,CA0A0=2mol/L,=2mol/L,

7、且且v v0 0=4Lmin,=4Lmin,求停留時間和反應(yīng)器的容積。求停留時間和反應(yīng)器的容積。解:解:(min)911)1 (002200000AAAXAAAAXAAARXXkCXkCdXCrdXCvVAAV VR R=v=v0 0 x x=4x9=36(L)=4x9=36(L)恒容下恒容下PFRPFR與間歇釜反應(yīng)器比較與間歇釜反應(yīng)器比較 在在PFRPFR中物料停留時間中物料停留時間=V=VR R/v/v0 0=z/u,=z/u,離開反應(yīng)離開反應(yīng)器的時間是器的時間是L/u,L/u,這是物料在反應(yīng)器中的全這是物料在反應(yīng)器中的全部停留時間部停留時間PFTRPFTR=t=tbatchbatch。

8、PFRPFR實際是被假設(shè)成所有參數(shù)不隨時間改變實際是被假設(shè)成所有參數(shù)不隨時間改變的定常態(tài)(但它們隨位置變化)。而間歇的定常態(tài)(但它們隨位置變化)。而間歇反應(yīng)器假設(shè)參數(shù)的空間均勻性,只隨時間反應(yīng)器假設(shè)參數(shù)的空間均勻性,只隨時間變化。變化。 間歇反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器和PFRPFR的表現(xiàn)是相同的,的表現(xiàn)是相同的,PFRPFR行行為像間歇反應(yīng)器,而全混流反應(yīng)器看著像為像間歇反應(yīng)器,而全混流反應(yīng)器看著像間歇反應(yīng)器。間歇反應(yīng)器。PFR內(nèi)內(nèi)變?nèi)莘磻?yīng)變?nèi)莘磻?yīng) Case 3Case 3,PFRPFR內(nèi)變?nèi)莘磻?yīng)空時與停留時間的內(nèi)變?nèi)莘磻?yīng)空時與停留時間的比較。比較。 一氣相合成反應(yīng)在一氣相合成反應(yīng)在PFRPFR中進行

9、。若已知反應(yīng)中進行。若已知反應(yīng) A+BCA+BC 在在450450、常壓下進行,、常壓下進行,k=0.1524L/(molk=0.1524L/(mols)s)。反應(yīng)物以等摩爾配比加入反應(yīng)器,試計算轉(zhuǎn)反應(yīng)物以等摩爾配比加入反應(yīng)器,試計算轉(zhuǎn)化率為化率為10%10%所需的空時所需的空時和停留時間和停留時間t t。解:這是一個恒溫恒壓變?nèi)莘磻?yīng),且解:這是一個恒溫恒壓變?nèi)莘磻?yīng),且y yA0A0=y=yB0B0=1/2=1/2A A=1-1-1=-1=1-1-1=-1A A=y=yA0A0A A=(1/2)x(-1)=-1/2=(1/2)x(-1)=-1/2P=1atmP=1atmT=723.15KT=7

10、23.15Kk=0.1524L/(molk=0.1524L/(mols)s)R=0.082atmR=0.082atmL/(molL/(molK)K)C CA0A0=Py=PyA0A0/(RT)/(RT)=(1x1/2)/(0.082x723.15)=(1x1/2)/(0.082x723.15) =8.432x10 =8.432x10-3-3mol/Lmol/Lv=vv=v0 0 (1+(1+A AX XA A) () (體積流率)體積流率)C CA A=C=CB B=C=CA0A0(1-X(1-XA A)/(1+)/(1+A AX XA A) )r rA A=kC=kCA AC CB B=kC

11、=kCA0A02 2(1-X(1-XA A) )2 2/(1+/(1+A AX XA A) )2 21)1 ()1ln()1 (21)1 ()1 (1)1)1 (22002200222000AAAAAAAAAAXAAAAXAAAAAARXXXXkCdXXXkCXXkCdXCvVAA代入已知數(shù)據(jù)得代入已知數(shù)據(jù)得=82.04s=82.04s11ln111)1 ()1 (1)1 (00200000AAAAAAAXAAAAVAAAAAVRXXXkCdXXXkCXvrdXFvdVtARR停留時間停留時間代入已知數(shù)據(jù)得代入已知數(shù)據(jù)得t=84.2st=84.2s 計算表明,對于體系體積縮小的反應(yīng),停計算表明

12、,對于體系體積縮小的反應(yīng),停留時間比空時長。留時間比空時長。 反過來,對于體積膨脹系統(tǒng),停留時間比反過來,對于體積膨脹系統(tǒng),停留時間比空時短。空時短。 計算表明,對于體系體積縮小的反應(yīng),停計算表明,對于體系體積縮小的反應(yīng),停留時間比空時長。留時間比空時長。 反過來,對于體積膨脹系統(tǒng),停留時間比反過來,對于體積膨脹系統(tǒng),停留時間比空時短??諘r短。 HW. Assign.HW. Assign.作業(yè)作業(yè)習(xí)題習(xí)題 4.14.11 1、基元液相反應(yīng)、基元液相反應(yīng)A+BCA+BC在在500L500L反應(yīng)器內(nèi)進行,反應(yīng)器內(nèi)進行,進口濃度都是進口濃度都是2mol/L2mol/L,k=0.01L/(molk=0

13、.01L/(molmin).min).(1 1)計算間歇反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率達(dá))計算間歇反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率達(dá)90%90%時的反應(yīng)時時的反應(yīng)時間。間。 如果化學(xué)計量的如果化學(xué)計量的A A(10mol/min)10mol/min)加入流動反應(yīng)加入流動反應(yīng)器,在轉(zhuǎn)化率達(dá)器,在轉(zhuǎn)化率達(dá)90%90%時,試計算下列反應(yīng)器的體時,試計算下列反應(yīng)器的體積和空時。積和空時。(2 2)一個)一個CSTRCSTR(3 3)一個)一個PFRPFR2 2、已知一級反應(yīng)在、已知一級反應(yīng)在PFRPFR中進行,出口轉(zhuǎn)化率為中進行,出口轉(zhuǎn)化率為0.90.9,現(xiàn)將該反應(yīng)移到,現(xiàn)將該反應(yīng)移到CSTRCSTR中進行,如果兩反應(yīng)中進行,如果兩反

14、應(yīng)器的體積相同,且操作條件保持不變,在器的體積相同,且操作條件保持不變,在CSTRCSTR的出口處轉(zhuǎn)化率是多少的出口處轉(zhuǎn)化率是多少? ?習(xí)題4.1 解答 等分子反應(yīng)-恒容反應(yīng) 注意:由于此處題目用T代表了甲苯。 初始總摩爾流量用F0,total代表示而不用FT0(代表了T的初始摩爾流量)6532664C H CHHC HCHTHBM000,00001.51.500.950.95001.51.50000.5,10.51/0.278/0.5 1/0.082/10730.00568/(1)(1)1.5(1)1.5(1)0.2781. .5.THTtotalTTTTTHTTTCTTTTPFRTTTCT

15、TyFFkmol hmol sCy P RTmol LCCXCCXrrCXdXdXVFFrCCX( 1.5 1)1.532(1 0.95)1(0.00568)( 1.5 1)432.9 6.9443006( )3()/3/(0.053.14/ 4)153.0).(. .PFRLmLVSm HW. Assign.HW. Assign.作業(yè)解答作業(yè)解答1 1、基元液相反應(yīng)、基元液相反應(yīng)A+BCA+BC,V VR R=500L=500L,C CA0A0=C=CB0B0=2mol/L=2mol/L,k=0.01L/(molk=0.01L/(molmin).min).(1 1)計算間歇反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率達(dá))

16、計算間歇反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化率達(dá)90%90%時的反應(yīng)時時的反應(yīng)時解:解:A,BA,B等等molmol進料,所以進料,所以r rA A=kC=kCA AC CB B=kC=kCA0A02 2(1-X(1-XA A) )2 2對間歇反應(yīng)器內(nèi)的液相反應(yīng),由前面推導(dǎo)的方程得對間歇反應(yīng)器內(nèi)的液相反應(yīng),由前面推導(dǎo)的方程得hXXkCtrdXCtAAAXAAAA5 .7(min)4509 .019 .0201.01)1(10001 1、基元液相反應(yīng)、基元液相反應(yīng)A+BCA+BC,V VR R=500L=500L,C CA0A0=C=CB0B0=2mol/L=2mol/L,k=0.01L/(molk=0.01L/(mo

17、lmin).min). 如果化學(xué)計量的如果化學(xué)計量的A A(10mol/min)10mol/min)加入流動反應(yīng)器,在加入流動反應(yīng)器,在轉(zhuǎn)化率達(dá)轉(zhuǎn)化率達(dá)90%90%時,試計算下列反應(yīng)器的體積和空時。時,試計算下列反應(yīng)器的體積和空時。(2 2)CSTRCSTR體積體積解:對解:對CSTRCSTR反應(yīng)器,由前面推導(dǎo)的方程得反應(yīng)器,由前面推導(dǎo)的方程得30002205.22225002/104500)/(75(min)4500)9.01(9.0201.01)1(1mLCFvVhXXkCAARAAA1 1、基元液相反應(yīng)、基元液相反應(yīng)A+BCA+BC,V VR R=500L=500L,C CA0A0=C=

18、CB0B0=2mol/L=2mol/L,k=0.01L/(molk=0.01L/(molmin).min). 如果化學(xué)計量的如果化學(xué)計量的A A(10mol/min)10mol/min)加入流動反應(yīng)器,加入流動反應(yīng)器,在轉(zhuǎn)化率達(dá)在轉(zhuǎn)化率達(dá)90%90%時,試計算下列反應(yīng)器的體積和空時,試計算下列反應(yīng)器的體積和空時。時。(3 3)PFRPFR的體積的體積解:對解:對PFRPFR反應(yīng)器,反應(yīng)器,30000220000025. 2)(22502/10450/(min)4509 . 019 . 0201. 0111)1 (mLCFVXXkCXkCdXCrdXCvVAARAAAXAAAAXAAARAA 2.2. 解答:解答:PFRPFR CSTR CSTR AXAAARXkrdXCvVA11ln1000CSTRACSTRAACSTRAAXXkrXC,011CSTRACSTRACSTRXXkvvV,001ARXkvvV11ln00 由于由于V VR R=V=VCSTRCSTR 得到得到303. 29 . 011ln11ln1,ACSTRACSTRA

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