化工設(shè)計(jì)及過(guò)程開(kāi)發(fā)：第三章 管式反應(yīng)器

1、第三章 管式反應(yīng)器Piston Flow Reactor管式反應(yīng)器3.1概述管式反應(yīng)器是連續(xù)操作經(jīng)常用到的一類反應(yīng)設(shè)備，它具備生產(chǎn)穩(wěn)定、易于控制、反應(yīng)中各物料微團(tuán)停留時(shí)間較平均等優(yōu)點(diǎn)。管式反應(yīng)器3.2 連續(xù)流動(dòng)均相管式反應(yīng)器一、均相管式反應(yīng)器(PFR)的特征平推流： 它是人們?cè)O(shè)想的一種理想流動(dòng)，即認(rèn)為物料在反應(yīng)器內(nèi)具有嚴(yán)格均勻的徑向速度分布，物料像活塞一樣向前流動(dòng)，反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有返混。亦稱為活塞流。 平推流反應(yīng)器，習(xí)慣用PFR表示，即Plug Flow Reactor平推流反應(yīng)器特點(diǎn)物料參數(shù)（溫度、濃度、壓力等）沿流動(dòng)方向連續(xù)變化，不隨時(shí)間變化；任一截面上的物料參數(shù)相同，反應(yīng)速率只隨軸向變化；反

2、應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相同，即反應(yīng)時(shí)間相同；返混0管式反應(yīng)器空時(shí)和空速空時(shí)：流體流動(dòng)通過(guò)的體積與反應(yīng)器的體積相等時(shí)所需的時(shí)間。空速：?jiǎn)挝豢諘r(shí)流體體積（這個(gè)體積與反應(yīng)器體積相等）。管式反應(yīng)器3.3恒溫恒容液相管式反應(yīng)器液體在流動(dòng)過(guò)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(shè)，則可以通過(guò)如下討論，進(jìn)行工藝計(jì)算。流入量 = 流出量 + 反應(yīng)量 + 累積量0二、平推流均相管式反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型1. 等溫平推流均相反應(yīng)器 積分應(yīng)用上式進(jìn)行積分時(shí)，需代入(rA)V與xA的函數(shù)關(guān)系。（318）（319）如平推流反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行等溫等容過(guò)程間歇反應(yīng)器間歇反應(yīng)器中的結(jié)論完全適用于平推流反應(yīng)

3、器。平均停留時(shí)間m（320）（33）若在等溫平推流反應(yīng)器中，進(jìn)行等溫n級(jí)不可逆均相反應(yīng)代入式（319）若為等容液相過(guò)程等溫等容過(guò)程平推流反應(yīng)器計(jì)算式見(jiàn)表（34）。（321）反應(yīng)級(jí)數(shù)反應(yīng)速率反應(yīng)器體積轉(zhuǎn)化率式n=0n=1n=2表34 等溫等容液相單一不可逆反應(yīng)平推流反應(yīng)器計(jì)算式管式反應(yīng)器對(duì)于復(fù)雜反應(yīng)，或動(dòng)力學(xué)表示比較復(fù)雜的反應(yīng)，求反應(yīng)時(shí)間的積分形式，難以用解析式表示出來(lái)。這時(shí)可用圖解積分來(lái)處理。管式反應(yīng)器1/rA xA/CA01/rA CA數(shù)學(xué)上可以面積來(lái)表示時(shí)間的值，進(jìn)而討論反應(yīng)器的體積 3.3非等溫管式反應(yīng)器此前計(jì)算管式反應(yīng)器反應(yīng)時(shí)間時(shí)，假設(shè)在轉(zhuǎn)化過(guò)程xA0-xAf范圍內(nèi)，反應(yīng)是處在恒溫狀態(tài)

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

5、 T -進(jìn)入，離開(kāi)微元體的物料溫度Ts , -環(huán)境（載熱體）平均溫度rHA -以反應(yīng)物A計(jì)算的化學(xué)反應(yīng)熱進(jìn)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(yīng)器的微元長(zhǎng)度, ddl為反應(yīng)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(shí)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(jìn)出微元體不同溫度、不同轉(zhuǎn)化率下平均值=（T0+T1)

6、/2 ; (1/rA)均 =(1/rA0 +1/rA1 )/2解法：以一個(gè)微小步長(zhǎng)轉(zhuǎn)化率xA為起點(diǎn)，假設(shè)一個(gè)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(shè)的比較， T= T1- T0，如為真，循環(huán)往下，如為否重新假設(shè)T1解法：1、進(jìn)口條件XA=XAo;T=To;l=0；FA=FAo2、取小步長(zhǎng)xA，假設(shè)T1,以（XAo，To）和（XAo +xA，T1）根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式得到（rAo,rA1）3、以（1/r）均， xA通過(guò)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(shè)T1Ft T = FA0 xA(rHA

7、)A,T K(T-Ts )dl3.4恒溫變?nèi)軵FR1. 恒溫氣相反應(yīng) 在恒溫恒壓的連續(xù)系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)對(duì)于液相反應(yīng)，反應(yīng)前后物料的體積流量變化不大，一般作為恒容過(guò)程。對(duì)于氣相反應(yīng)，反應(yīng)前后物料的體積流量變化較大,一般為變?nèi)葸^(guò)程。 反應(yīng)中眾多物質(zhì)，需要設(shè)定A為關(guān)鍵組分。2、恒溫變?nèi)莘磻?yīng)過(guò)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(yīng)，起始A、B的量分別為nA，0和nB，0在反應(yīng)時(shí)間為時(shí)，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率為xAaA + bB r R + sSnA，0nB，000當(dāng) = 0 時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為： n0= nA，0+ n

8、B，0當(dāng) =時(shí)當(dāng) =時(shí)，反應(yīng)體系物質(zhì)的量的總數(shù)為：當(dāng) = 0 時(shí)定義 每轉(zhuǎn)化1mol A時(shí)，反應(yīng)混合物增加或減少的物質(zhì)的量為化學(xué)膨脹因子，即：Company Logo氣相反應(yīng)的膨脹因子（或體積的變化系數(shù)）為：當(dāng) = 0 時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：當(dāng) = 時(shí)反應(yīng)物A在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)為：對(duì)于恒溫恒壓過(guò)程，還可以有：pA，0為反應(yīng)物的起始分壓cA，0為反應(yīng)物的起始濃度Company Logo3） 組分A的瞬時(shí)濃度2） Company Logo例11 計(jì)算下列反應(yīng)的化學(xué)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(yīng)混合物量不變反應(yīng)混合物量增加反應(yīng)混合物量減少Company Logo2）、膨脹率A 膨脹率是表征變?nèi)葸^(guò)程的另一個(gè)參數(shù)，它僅適用于物系體積隨轉(zhuǎn)化率變化呈線性關(guān)系的情況，即： A是以組分A為基準(zhǔn)的膨脹率，其物理意義是當(dāng)反應(yīng)物A全部轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)體積的變化分?jǐn)?shù)，即：當(dāng)轉(zhuǎn)化率為xA時(shí)，反應(yīng)物A的濃度為：Company Logo（1）、一級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA討論:（2）、二級(jí)反應(yīng) 反應(yīng)速率方程式為：rA=kcA2Company Logo習(xí)題：P40 2.7 ; P75 3.9 P75 3.1 ；3.2補(bǔ)充題：1、過(guò)氧化氫異丙苯分解反

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