第三章-理想反应器PFR-1

第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。

2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。

最根本任务—最高的经济和社会效益。

3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。

返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。

注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。

特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。

T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。

全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。

特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。

3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。

反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。

一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。

2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。

第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务：1．优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。

2．优化操作—根据实际操作情况，修正反应器的数学模型参数，优化操作条件。

最根本任务—最高的经济和社会效益。

3．1 反应器设计基础3．1．1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器（ideal reactor），主要讨论三种类型：1．间歇反应器(Batch Reactor—BR);2．平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR)；3．全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。

返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。

注意：返混≠混合！平推流—物料以均一流速向前推进。

特点是粒子在反应器中的停留时间相同，不存在返混。

T、P、C i随轴向位置变（齐头并进无返混，变化随轴不随径）。

全混流（理想混合）—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。

特点是反应器内各处的T、P、C i相同，物性不随反应器的位置变，返混达到最大。

3．1．2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容：1．由给定生产任务和原料条件设计反应器；2．对已有的反应器进行较核，看达到质量要求时，产量是否能保证，或达到产量时，质量能否保证。

反应器设计的基础方程主要是：1．动力学方程；2．物料衡算方程；3．热量衡算方程；4．动量衡算方程。

一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元，在单位时间内，对物质A有：进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示：F in F out F r F b即：F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1．对间操作，反应过程无进料和出料，即：F in=F out=0则：-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。

2．对连续稳定操作，积累量为零，即：F b=0则F in=F out+F r（3.1-6）二、热量衡算方程对反应器内选定的微元，单位时间内的热量变化有：随物料流－随物料流＋与边界交＋反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号：Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即：Q in－Q out＋Q u＋Q r=Q b(3.1-8) 1．对于稳定操作的反应器，热的积累为零，即：Q b=0Q in－Q out＋Q u＋Q r=0(3.1-9) 2．对稳态操作的绝热反应器，Q u=Q b=0，即：Q in－Q out＋Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。

pfr反应器课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解PFR反应器的基本原理和结构特点；2. 掌握PFR反应器在化工生产中的应用及其优势；3. 学会运用质量守恒、能量守恒和动量守恒原理分析PFR反应器内反应过程；4. 掌握PFR反应器的设计计算方法。

技能目标：1. 能够运用所学知识分析和解决实际生产中PFR反应器相关问题；2. 能够熟练使用相关软件或工具进行PFR反应器的设计和模拟；3. 能够通过团队合作，完成PFR反应器的设计项目。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对化工学科的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生的创新意识和实践能力，使其具备解决实际问题的信心；3. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和实验结果的准确性；4. 培养学生团队协作精神，提高沟通与交流能力。

课程性质：本课程为高中化学选修课程，侧重于化工原理与实践。

学生特点：学生具备一定的化学基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。

教学要求：结合课程性质、学生特点，注重理论与实践相结合，培养学生的实际操作能力和创新思维。

通过本课程的学习，使学生能够掌握PFR反应器相关知识，为后续学习打下坚实基础。

同时，将课程目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。

二、教学内容1. PFR反应器基本原理：流体流动与反应动力学的关联，反应器内浓度、温度和压力分布特点；2. PFR反应器结构与类型：轴对称PFR、非轴对称PFR、多级PFR等结构特点及适用场合；3. PFR反应器设计计算：质量守恒、能量守恒和动量守恒在PFR设计中的应用，反应器尺寸、流速、温度等参数的计算；4. PFR反应器应用案例：分析实际生产中PFR反应器的应用，如化工、医药、环保等领域；5. 相关软件及工具的使用：介绍常用化工设计软件及工具，如Aspen Plus、HYSYS等在PFR反应器设计和模拟中的应用；6. 实践项目：分组进行PFR反应器设计，从理论计算、模拟到实际操作，培养学生的实践能力和团队协作精神。

第三章 理想反应器 （Ideal Reactor ）所谓反应器的特性主要是指器内反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性能等，它们又将随反应器的几何结构和几何尺寸而异。

反应器内不仅存在浓度和温度分布，还存在流速分布。

理想反应器有两类：理想混合（完全混合）反应器和平推流（活塞流或挤出流）反应器。

完全混合反应器是指器内反应流体处于完全混合状态，在反应器内的混合是瞬间完成的，以致在整个反应器内各处物料的浓度和温度完全相同。

且等于反应器出口处物料浓度和温度，返混达最大限度。

平推流反应器是指器内反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，完全不存在不同停留时间的物料的混合。

不存在返混。

具有良好搅拌装置的釜式反应器近似按完全混合反应器处理，而管径小，管子较长和流速大的管式反应器按平推流反应器处理。

3.1 分批式操作的完全混合反应器所谓分批式（又称间歇）操作，是指反应物料一次投入反应器内，而在反应过程中不再向反应器投料，也不向外排出反应物，待反应达到要求的转化率后再全部放出反应产物。

分批式操作的缺点：非生产性的操作时间长（即每次投料、放料、清釜和加热的时间），产物的损失较大且控制费用较大。

⎪⎪⎭⎫⎝⎛的量的物料单位时间流入A —⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛的量流出的单位时间内A —⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛的量反应掉单位时间内A =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛的积累速度在反应器内A0 0 （-r A ）V dt VC d A )( 可得A 的衡算式：V r dt VC d A A )()(-=-写成转化率的形式x A ：0A n dt dx A=（-r A ）V积分得：⎰-=Ax A AA r V dx n t 00)(或 t= 0A C ⎰-Ax A A r dx 0=－⎰-A A C C A Ar dl 0(V 恒定)t 为使A 反应达到所要求转化率x A 所需时间，非生产时间t 0,每批操作所需时间为t+t 0。

对于等温分批式操作直接将－r A 代入积分可得t 。