理想管式循環(huán)反應(yīng)器

1、理想管式循環(huán)反應(yīng)器1、 循環(huán)反應(yīng)器簡介循環(huán)反應(yīng)器是一種把出口產(chǎn)物的一部分循環(huán)至反應(yīng)器入口再進(jìn)行反應(yīng)的反應(yīng)器。最常見的循環(huán)反應(yīng)器是管式循環(huán)反應(yīng)器。其基本的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 管式循環(huán)反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)圖循環(huán)反應(yīng)器中一個(gè)最重要的概念就是循環(huán)比循環(huán)流量與出口流量之比。隨著旬環(huán)比的增加，平推流反應(yīng)器內(nèi)的軸向濃度梯度降低，這種循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器越來越接近全混流反應(yīng)器。這類反應(yīng)器廣泛地用于自催化反應(yīng)、生化反應(yīng)和某些自熱反應(yīng)。不同類型的循環(huán)反應(yīng)器有不同的目的。對(duì)于反應(yīng)熱很大的反應(yīng)，采用循環(huán)反應(yīng)器可以進(jìn)行器外換熱，更好地控制床層溫度；對(duì)于自催化反應(yīng)，循環(huán)部分產(chǎn)品可以加快反應(yīng)速率；對(duì)于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高時(shí)二次反應(yīng)大

2、的反應(yīng)，采用循環(huán)反應(yīng)器可以降低原料的一次反應(yīng)深度，提高主要產(chǎn)品的選擇性。2、 循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程 關(guān)于反應(yīng)器的計(jì)算，其關(guān)鍵是設(shè)計(jì)方程的導(dǎo)出。由于存在循環(huán)，因此循環(huán)反應(yīng)器不同于之前學(xué)過的CSTR或PFR，設(shè)計(jì)方程也有很大不同。這里僅僅考慮理想的管式循環(huán)反應(yīng)器。循環(huán)反應(yīng)器模型如圖2所示。圖2 管式循環(huán)反應(yīng)器模型依據(jù)上述循環(huán)比定義，這里的循環(huán)比為。也可以看到，當(dāng)R=0時(shí)，該反應(yīng)器就是PFR；當(dāng)R時(shí)，該反應(yīng)器就是CSTR。這里，為了便于計(jì)算，給出以下定義。：A組分的轉(zhuǎn)化率，也就是反應(yīng)的A的物質(zhì)的量與輸入的A的物質(zhì)的量之間的比值。為了更好的分析整體的情況，我們將中間的反應(yīng)過程看做一個(gè)黑箱（如圖3所示），

3、那么總的轉(zhuǎn)化率。圖3 循環(huán)反應(yīng)器的黑箱模型 為了得到循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程，通常會(huì)沿用PFR設(shè)計(jì)方程，以如下的公式作為循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程： （*注：此式有誤）但是這里存在一個(gè)誤區(qū)。在PFR設(shè)計(jì)中，選擇處的作為設(shè)計(jì)方程中的流量值，而這里同樣也需要一個(gè)處的，而不是。所以這里需要引入一個(gè)假想狀態(tài)，也就是在這個(gè)管式反應(yīng)器前面假設(shè)有兩個(gè)反應(yīng)器，如圖4紅色框線部分所示。圖4 帶有假想反應(yīng)器的循環(huán)反應(yīng)器模型上圖中，紅色框線中左側(cè)的反應(yīng)器將循環(huán)回來的物流中所有的已轉(zhuǎn)化了的A組分重新逆向轉(zhuǎn)化為A，而右側(cè)反應(yīng)器的輸入則是、的物流。假設(shè)右側(cè)反應(yīng)器的體積為，原循環(huán)反應(yīng)器的體積為，則對(duì)這二者組成的系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以知道其

4、設(shè)計(jì)方程為 而 因此此即循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。但上式中、均未知，因此需要先將這幾個(gè)未知量求出。顯然，穩(wěn)態(tài)時(shí)，從循環(huán)反應(yīng)器流出的物流組分與最終的輸出組分相同，即。循環(huán)物流，而由可得，因此。當(dāng)將該部分循環(huán)物流中已經(jīng)反應(yīng)了的A再次轉(zhuǎn)化為A的時(shí)候，該部分物流流量為。因此，假想態(tài)的為：接下來計(jì)算，的計(jì)算也要依據(jù)上述原則，即從循環(huán)中假想的處開始計(jì)算。因此將上述計(jì)算出來的三個(gè)未知量帶入原設(shè)計(jì)方程中，得即該式即為理想管式循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程。在反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)已知、初始流量已知、出口轉(zhuǎn)化率已規(guī)定好的情況下，給出循環(huán)比，則對(duì)應(yīng)循環(huán)反應(yīng)器體積可以依據(jù)上式求出。3、 循環(huán)反應(yīng)器摩爾衡算匯總計(jì)算中包含假想部分的循環(huán)反應(yīng)器

5、模型如圖4所示。圖4 帶假想反應(yīng)器的循環(huán)反應(yīng)器模型其中主要位置的摩爾衡算匯總?cè)缦拢?、 圖像及意義 通常的圖像如圖5所示。圖5 圖像之前已經(jīng)得到，因此面積，因此。也就是已知R的情況下，求出，再從圖像中得到在與之間的面積，將該部分面積重新化為以為底的矩形，并將矩形的上邊向左延長，得到的大矩形的面積即為循環(huán)反應(yīng)器的值。為上述圖像補(bǔ)充另外一個(gè)矩形，再對(duì)上述圖像進(jìn)行分析，如圖6所示。圖6 圖像（補(bǔ)充）從圖像上也可以看出，當(dāng)R0時(shí)，該反應(yīng)器為PFR，；當(dāng)R時(shí)，該反應(yīng)器為CSTR，；而一般情況下，即為循環(huán)反應(yīng)器，。五、循環(huán)反應(yīng)器優(yōu)化在實(shí)際操作中，最常見的是反應(yīng)器已經(jīng)建好，需要通過調(diào)整循環(huán)比來得到最佳的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率。依據(jù)式子，在最佳循環(huán)比時(shí)，。令則而因此上式化為之前定義了而因此因此其中，而是轉(zhuǎn)化率為時(shí)的瞬時(shí)反應(yīng)速率。在上述式子中，左側(cè)與右側(cè)分別只是的函數(shù)，在化學(xué)反應(yīng)工程中通常使用作圖法來尋找最優(yōu)循環(huán)比，也就是。接下來利用圖7來說明如何用圖像