化工設計及過程開發(fā)：第三章 管式反應器

1、第三章 管式反應器Piston Flow Reactor管式反應器3.1概述管式反應器是連續(xù)操作經(jīng)常用到的一類反應設備，它具備生產穩(wěn)定、易于控制、反應中各物料微團停留時間較平均等優(yōu)點。管式反應器3.2 連續(xù)流動均相管式反應器一、均相管式反應器(PFR)的特征平推流： 它是人們設想的一種理想流動，即認為物料在反應器內具有嚴格均勻的徑向速度分布，物料像活塞一樣向前流動，反應器內沒有返混。亦稱為活塞流。 平推流反應器，習慣用PFR表示，即Plug Flow Reactor平推流反應器特點物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動方向連續(xù)變化，不隨時間變化；任一截面上的物料參數(shù)相同，反應速率只隨軸向變化；反

2、應物料在反應器內停留時間相同，即反應時間相同；返混0管式反應器空時和空速空時：流體流動通過的體積與反應器的體積相等時所需的時間?？账伲簡挝豢諘r流體體積（這個體積與反應器體積相等）。管式反應器3.3恒溫恒容液相管式反應器液體在流動過程中保持體積不變。液體具有不可壓縮性。等溫狀態(tài)，如果又符合平推流的假設，則可以通過如下討論，進行工藝計算。流入量 = 流出量 + 反應量 + 累積量0二、平推流均相管式反應器的數(shù)學模型1. 等溫平推流均相反應器 積分應用上式進行積分時，需代入(rA)V與xA的函數(shù)關系。（318）（319）如平推流反應器內進行等溫等容過程間歇反應器間歇反應器中的結論完全適用于平推流反應

3、器。平均停留時間m（320）（33）若在等溫平推流反應器中，進行等溫n級不可逆均相反應代入式（319）若為等容液相過程等溫等容過程平推流反應器計算式見表（34）。（321）反應級數(shù)反應速率反應器體積轉化率式n=0n=1n=2表34 等溫等容液相單一不可逆反應平推流反應器計算式管式反應器對于復雜反應，或動力學表示比較復雜的反應，求反應時間的積分形式，難以用解析式表示出來。這時可用圖解積分來處理。管式反應器1/rA xA/CA01/rA CA數(shù)學上可以面積來表示時間的值，進而討論反應器的體積 3.3非等溫管式反應器此前計算管式反應器反應時間時，假設在轉化過程xA0-xAf范圍內，反應是處在恒溫狀態(tài)

4、下。實際上沿管式反應器軸向，溫度變化比較明顯，等溫假設常不能滿足。更多的是反應過程中，沿反應器軸向不同的位置，溫度是變化的。此外環(huán)境對反應器也有熱量傳遞引起反應器中的溫度變化。假設：流動滿足理想排擠；反應器非等溫非絕熱系統(tǒng)；液體無體積變化。對微元體作物料平衡，公式前已導出微元體反應量等于物質變化量：上式中反應速率rA 隨溫度變化。rA=f(T,C)對微元體dvr作熱量衡算：進入微元體的焓-帶出微元體的焓+微元體內反應焓-傳出熱量=0整理后得到：進出微元體的焓差=微元體內反應焓-傳出熱量，F(xiàn)t-進入，離開微元體的總物料流量-進入，離開微元體的平均分子量-進入，離開微元體一定溫度范 圍平均熱容T,

5、 T -進入，離開微元體的物料溫度Ts , -環(huán)境（載熱體）平均溫度rHA -以反應物A計算的化學反應熱進出微元體的物料、熱容變化不太大，以出口數(shù)據(jù)表示不致引起太大誤差。Ft dt = FA0dxA(rHA)A,T K(T-Ts)ddl其中dl為管式反應器的微元長度, ddl為反應器微元體的面積即dA以上方程為多變量微分方程，不易求解，求解時可以差分替代微分。Ft T = FA0 xA(rHA)A,T K(T-Ts )dl考慮到處理方便，把物料平衡方程也以差分形式表示l =FA0/0.875d2(1/rA)均xA在以上式子中(1/rA)均為進出微元體不同溫度、不同轉化率下平均值=（T0+T1)

6、/2 ; (1/rA)均 =(1/rA0 +1/rA1 )/2解法：以一個微小步長轉化率xA為起點，假設一個微元體出口溫度T1，隨后以物料、熱量平衡差分方程式求解，解得T與假設的比較， T= T1- T0，如為真，循環(huán)往下，如為否重新假設T1解法：1、進口條件XA=XAo;T=To;l=0；FA=FAo2、取小步長xA，假設T1,以（XAo，To）和（XAo +xA，T1）根據(jù)動力學方程式得到（rAo,rA1）3、以（1/r）均， xA通過物料衡算差分式得到l4、由（ l ， xA ）根據(jù)熱量平衡方程式得到T5、比較T= T1 -To 是，往下否，重新假設T1Ft T = FA0 xA(rHA

7、)A,T K(T-Ts )dl3.4恒溫變容PFR1. 恒溫氣相反應 在恒溫恒壓的連續(xù)系統(tǒng)中發(fā)生反應對于液相反應，反應前后物料的體積流量變化不大，一般作為恒容過程。對于氣相反應，反應前后物料的體積流量變化較大,一般為變容過程。 反應中眾多物質，需要設定A為關鍵組分。2、恒溫變容反應過程體積變化參數(shù)分為：膨脹因子和膨脹率1）、膨脹因子 (Chemical expansion factor) 有一氣相反應，起始A、B的量分別為nA，0和nB，0在反應時間為時，反應物A的轉化率為xAaA + bB r R + sSnA，0nB，000當 = 0 時，反應體系物質的量的總數(shù)為： n0= nA，0+ n

8、B，0當 =時當 =時，反應體系物質的量的總數(shù)為：當 = 0 時定義 每轉化1mol A時，反應混合物增加或減少的物質的量為化學膨脹因子，即：Company Logo氣相反應的膨脹因子（或體積的變化系數(shù)）為：當 = 0 時反應物A在氣相中的摩爾分數(shù)為：當 = 時反應物A在氣相中的摩爾分數(shù)為：對于恒溫恒壓過程，還可以有：pA，0為反應物的起始分壓cA，0為反應物的起始濃度Company Logo3） 組分A的瞬時濃度2） Company Logo例11 計算下列反應的化學膨脹因子1. A+BP+S 2. AP+S 3. A+3B2P解：1. A=(1+1)(1+1) / 1=02. A=(1+1

9、)1) / 1=13. A=2(1+3) / 1=2反應混合物量不變反應混合物量增加反應混合物量減少Company Logo2）、膨脹率A 膨脹率是表征變容過程的另一個參數(shù)，它僅適用于物系體積隨轉化率變化呈線性關系的情況，即： A是以組分A為基準的膨脹率，其物理意義是當反應物A全部轉化后，系統(tǒng)體積的變化分數(shù)，即：當轉化率為xA時，反應物A的濃度為：Company Logo（1）、一級反應 反應速率方程式為：rA=kcA討論:（2）、二級反應 反應速率方程式為：rA=kcA2Company Logo習題：P40 2.7 ; P75 3.9 P75 3.1 ；3.2補充題：1、過氧化氫異丙苯分解反

10、應。每小時處理物料量為3m3,裝料系數(shù)0.8,過氧化氫異丙苯初始濃度為3.2 kgmol/m3,終點濃度為0.0064kgmol/m3,分解反應轉化率為99.8%,經(jīng)試驗測定為一級反應。當硫酸濃度為0.06 N,反應溫度為860C時,其反應速度常數(shù)k=8x10-2min-1,采用四釜串聯(lián)反應器。 求;用代數(shù)法計算反應物料在各釜內平均停留時間及反應釜容積。 Company Logo2、 鄰硝基氯苯氨解反應的管式反應器工藝計算。已知每小時處理的物料體積570l,轉化率98%,氨水濃度310g/ l,反應溫度230oC,反應速度常數(shù)k=2.04x10-2l/mol.min ,物料從150oC加熱到230oC所需時間為9min,物料密度0.8626g/cm3,粘度O.138x10-3N.s/m2,物料在管內呈湍流狀態(tài)(Re=30000),由于采用過量氨水,故反應過程中氨水濃度不變。求管式反應器容積、管長、管徑。 Company Logo 3