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平推流反应器教材

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第四章 平推流反应器

第四章 平推流反应器

xA
T2
T0
T2
T
温度对可逆反应的影响
1.对于可逆的吸热反应，提高反应温度不但能提高反应速率，而且还能提高反应的 的平衡常数，所以应在允许的范围内尽可能地提高反应温度。 2.而对于可逆的放热反应，则由于温度的提高将会使平衡常数减小，所以存在最优 操作温度。 例如，对于 A
R
一级可逆反应，若原料为纯物质A，且为恒容过程时，其反应 速率方程式为：
A
R
rA kC A0 1 x A k ' (CR 0 C A0 x A ) E 其中：k k0 exp 1 （正反应速率常数）； RT E k ' k0 ' exp 2 （逆反应速率常数）； RT
将上式对温度T求偏导数，并令其等于零后可解得：
y A0 H r T0 Cp
x A x A0
y A0 H r T0 Cp
T T0 x A x A0
平推流反应器在绝热反应过程中，转化率xA与物系温度 呈直线关系，见下图：
T T0 x A x A0
xA 1.0 ⊿Hr>0 ⊿Hr=0 等温反应 ⊿Hr<0
H RT 2
将动力学常数k，平衡常数K代入速率方程中得：
xA E (1 x ) rA k0 exp C A A0 RT H 1 1 K 0 exp R T T0
将上式代入管式反应器的设计方程中：
Topt
( E2 E1 ) k0 E1C A0 (1 x A ) RIn k0 ' E2 (CR 0 C A0 x A )

第四章 平推流反应器

第四章 平推流反应器

可见非恒容反应空时和停留时间是不相等的。
rA kcAcB kcA
2
一般式
恒容时
间歇反应釜
平推流反应釜
变温管式反应器
CA0
FA0 XA0=0 v0
dVR Q1 T QA
Qg
Q2 T+dT
CAf
FAf XAf=0 v
Q1、Q2----单位时间由物料带入、带出的热量；
在恒定的xA下，反应速率将是操作温度T的函数，对于可逆吸热反应，提高操作温度 反应速率也随之增大，对可逆放热反应，由函数关系式可以看出存在使反应速率为 最大的最优操作温度。
B
30
可逆吸热反应
25
反 应 速 率
20
可逆放热反应
B
15
10
5
0 0 5 10 15 20 25 30
A
操作温度
如上图可知，对于可逆放热反应存在着使反应速率为最大的反应温度，而这个 最优温度是反应物组成的函数。同样以一级可逆反应为例，若以CA0,CR0表示原料中 A和R的起始浓度，其速率式可以写成：
QA----单位时间内体系经过管壁传给热载体的热量；
Qg----单位时间内因反应放出的热量。
单位时间内 单位时间内 物料带入微元 物料带出微元 体积的热量 体积的热量 Q1 Q2 Qg Q A 0
单位时间内 单位时间内 因反应放出 经传热面传给 的热量 热载体的热量
R
一级可逆反应，若原料为纯物质A，且为恒容过程时，其反应 速率方程式为：
xA rA kC A0 (1 xA ) K E 其中：k k0 exp RT

反应工程第三章 第二节 平推流反应器

反应工程第三章 第二节 平推流反应器
VR V0CA0
X Af 0 X Af dx dxA A V0CA0 n 0 rA kCA
若为等容过程
CA CA0 (1 xA ) CA0 dxA dCA
X Af C Af dC dxA A V0 n C A 0 kC n kCA1 (1 xA )n 0 A
VR V0CA0
xAf 0 xAf dx dxA VR A C A0 0 rA V0 rA
(3 14)
n 式中 rA kCA ;
CA CA0 (1 xA )
x Af
间歇反应器
t C A0
0
dxA rA
间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应器。
三、等温平推流反应器的计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动 方向变化。 n 将 rA kCA 代入式（3－13）
料的温升。 积分 dT dxA
T T0 ( xA xA0 )
当xA0=0
T T0 xA T T0 xA (3 22)
3－4 平推流反应器
一、平推流反应器特点 平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该 反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。 平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是 一种理想反应器。 实际反应器中物料的流动，只能以不同的程度接近平推 流，不可能完全符合平推流。
3－4 平推流反应器
(1 S )(eCA0k 1) xAf (1 S )eCA 0k 1
1
rA kC
n A
[1 (1 xAf )n1 ] V0 n VR xAf 1 [1 (n 1)CA1k ]1n 0 n k (n 1)CA1 (1 xAf )n 1 0

平推流反应器教材课件

平推流反应器教材课件

案例二
总结词
某高校实验室搭建了平推流反应器实验装置，为研究反应机理和优化反应条件提 供了有力支持。
详细描述
该高校实验室搭建的平推流反应器实验装置具有结构简单、操作方便、稳定性高 等优点。通过实验，研究人员可以更加深入地了解反应机理，探索最佳的反应条 件，为实际生产过程中的优化和控制提供了理论支持。
平推流反应器的优化目标和方法
优化目标
平推流反应器的优化目标主要包括提高反应速度、降低能耗、减少投资成本、降低环境 污染等。
优化方法
优化方法主要包括数学模拟、实验研究和混合模拟等方法。其中，数学模拟可以通过对 反应过程进行详细描述，预测反应器的性能；实验研究可以通过实际操作，对反应过程 进行深入研究；混合模拟可以将数学模拟和实验研究相结合，提高优化的准确性和效率
THANKS
回收利用余热
通过回收利用反应过程中的余热，减少热量损 失，达到节能效果。
平推流反应器的环保性能
减少废物排放
平推流反应器可通过优化反应条 件和回收利用余热等方式减少废
物排放。
低噪音、低震动
平推流反应器结构设计合理，运 转平稳，噪音低，对周围环境影
响小。
易于实现清洁生产
平推流反应器在生产过程中产生 的废弃物少，易于实现清洁生产
平推流反应器技术在工业界的推广应用前景
化工和石油化工行业
01
平推流反应器技术在化工和石油化工行业中具有广泛的应用前
景，可以用于生产各种化学品和燃料。
制药行业
02
平推流反应器技术可用于高效合成药物，缩短生产周期，提高
产品质量。
环境治理领域
03
平推流反应器技术可用于处理各种废弃物和污染物，实现废物

等温平推流反应器的计算-化学反应工程

等温平推流反应器的计算-化学反应工程

二、平推流反应器计算的基本公式 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：微元体积dVR 在单位时间内对A作物料衡算： [A流入量]－ [A流出量] －[ A反应量] ＝ [A累积量]
N A -(N A +dN A )-rAdVR＝0
N A＝N A （ （ 0 1-xA )＝V0CA 0 1-xA )
CA CA0e kt
CA C A0 1 C A0 kt
CA随t 直线下降 CA随t 较缓慢下降 CA随t 缓慢下降
2级反应：
对于一级或二级不可逆反应，在反应后期CA的下降速 率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率 或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应 时间。
例3－1中，由计算可知， 当转化率为0.5时，t＝0.535h， 当转化率为0.9时，t＝4.81h，
第二节 理想流动反应器
3－3 间歇反应器
一、间歇反应器的特征 工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器， 如图3－5。 1. 反应器内物料达到分子尺度均匀，浓度处处相等，可 排除物质传递对反应过程的影响。 2. 反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传递。 3. 反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相同。
3－2 反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容 1. 选择合适的反应器形式 2. 确定最佳的工艺条件 3. 计算所需反应器体积 反应器设计的基本方程 1. 物料衡算方程 某组分累积量= 某组分流入量－某组分流出量－某组分反应消耗量 2. 热量衡算方程 带入的热焓＝ ＝带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量 3. 动量衡算方程 上述为反应器设计的基本方程，在列出这些方程时，需要 动力学方程和流动模型。

3-3平推流管式反应器-化学反应工程

3-3平推流管式反应器-化学反应工程

第三章理想均相反应器设计本章核心内容：从间歇釜反应器、稳态全混流反应器和平推流管式反应器这三种理想反应器的结构和流动特性出发，给出了它们数学模型的建立方法、不同反应过程中的反应体积设计公式和热量计算式以及具体的应用实例。

对这三种理想反应器性能进行了比较，特别是对稳态全混流反应器和平推流管式反应器及其组合内容进行了详细叙述。

针对不同反应过程讲述了优化设计方法。

化学反应工程学的主要目的是设计不同型式和大小的反应器，实现最佳的操作与控制，取得最佳的经济效益。

在用数学模型法来设计放大反应器的过程中，首先要了解进行化学反应的动力学特征、反应物的性质、产物的性质与分布，才能进行反应器的选型、操作方式的选择，进而进行反应器设计和计算。

由于生产中的化学反应器都很大，都或大或小存在着温度的差异和浓度的差异，都存在着动力消耗和反应器的各种结构的差异，对于实际生产中的化学反应过程一般很难做到反应物的温度、压力和流速完全均一，即非理想化。

这些差异给实际反应器的设计和放大带来了很大的困难。

实际反应过程的理想化是研究生产实践中千变万化的各种反应器的基础和前提，也是均相反应过程接近实际的反应器模型。

间歇釜式反应器（BSTR）、稳态全混流反应器(CSTR)和活塞流（平推流）管式反应器(PFR)，这三种理想反应器的设计原理具有普遍意义和广泛的应用性。

3-1 间歇釜式反应器3-2间歇釜示意图图3-1间歇釜式反应器如图3-1所示，间歇釜式反应器简称间歇釜，它的最大特点是分批装料和卸料。

因此，其操作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同规格的液态产品生产，尤其适合于多品种而小批量的化学品生产，它在医药、助剂、添加剂、涂料、应用化学品等精细化工生产部门中经常得到应用，很少用于气相过程。

间歇釜的结构主要有釜体、搅拌装置、加热和冷却装置、进出料口和管件、温度和压力测量装置以及视孔、排污口和液位计等。

釜体上部釜盖用法兰与釜体连接，釜体上一般不开孔，都在釜盖上开孔用以安装管阀件，釜体上有四个吊耳用于固定反应釜，釜体外部是换热夹套。

第三章 第二节 平推流


0级
1级 2级
n级
rA kcA
rA kc
2 A
1 1 1 xA c A c A0 c A0 1 x A
1 n 1 n c1 A c A0 n1
rA kc
n A
k


n1 ( 1 x )1n 1 ( n 1 )c A 0 k
7
化学反应工程
由于nt0=1.5，有
1 3 xA nt nt 0 n A0 A x A 1.5 1 x A 2 2
n A0 (1 x A ) nA 21 x A pA p p nt nt 3 xA
n pP P p nt
12
nP 0
xA n A0 xA 2 p nt 3 xA
就等于反应时间t。
t t

L
0
dl u

V
0
dV v
u表示流体在反应器内的流速，l表示管内的轴向距离。
如果反应流体在整个过程中密度ρ恒定，即v=v0(v0为流体
在入口时的体积流量)，上式可写成
t t V v0
恒容反应过程平均停留时间，反应时间和空时是一致的。
4 化学反应工程
k 106.48kmol m3 .h .MPa ，操作压力为0.10133MPa，
若要求丁烯转化率为0.9，空时应为多少?
15
化学反应工程
第三章 均相反应过程
解：
膨胀因子
cA
111 A 1 1
c A0 (1 x A ) c A0 (1 x A ) 1 A y A0 x A 1 0.5 x A
平推流反应器中

化学反应工程课件 第三章3


CA
生产氯丁橡胶的单体2-氯-1，3-丁二烯在乙醇中用碱脱氯 化氢而得，反应方程式为 A + B → R + E CB 0 / C A0 = β ≠ 1 β − xA ln = C A0 ( β − 1)kt 其动力学方程式的积分式为 β (1 − x )
A
例14
已知
T/K k/[mol/L·min]
303 0.03
313 0.07
323 0.19
据此，进行如下计算：
1. 间歇反应釜。工艺条件：反应前期，等温40℃，反应时间30min; 反应后期，温度50℃，反应时间30min；CA0=2.2mol/L， β=1.25，求总转化率为多少？ 2. 保持上述题条件，等温40℃，全混釜，求达到98%和99%转化 率所需要的时间。 3. 两只大小相同的全混釜串联，前者40℃，后者50℃，求达到98% 和99%转化率所需要的时间。 4. 三只大小相同的全混釜串联，前两者40℃，后者50℃，求达到 98%和99%转化率所需要的时间。 5. 比较上述结果。
C A 2 = C A0 (1 − x A 2 ) υ1 = υ 0 + υ 3 υ3 = βυ2 υ0 = υ2
β xA2 ∴ x A1 = 1+ β
FA0 CA0 v0 xA0
新鲜料
FA0’ CA1 v1 xA1
xA2
FA2= FA0(1-xA2) CA2 v2 xA2 出料
循环物料v 3 = β υ 2
e − kτ 2 = C A0 1 + kτ 1
C Af = C A1e
− kτ 2
零级反应，无论体积是否相等，也等效。
C Af = C A1 − kτ 2 = C A0 − k (τ 1 + τ 2 ) C Af = C A1 − kτ 1 = C A0 − k (τ 1 + τ 2 )

第三章 管式反应器


• Solution For this stoichiometry and with inerts,
3 1 A 2 1 y A0 0.5 A A y A0 2 0.5 1
In which case the plug flow performance equation becomes
C A0
x Af
0
x Af dxA C A0 0 rA
dxA 1 xA 2 kC A0 1 A xA
1 1 2
2 C A0 k
1

0.8
0
1 xA 1 x dxA A
• The integral can be evaluated in any one of three ways: graphically, numerically, or analytically. Let us illustrate these methods
=0
input = output + disappearance by reaction + accumulation
m olesA reacting volum eof tim evolum eof fluid elem ent
FA0

C A0

x Ai
(rA )
• For the special case of constant-density systems xA=1-CA/CA0 or dxA=-dCA/CA0 In which case the performance equation can be expressed in terms of concentrations, or

平推流反应器


将上式代入管式反应器的设计方程中：
将上式对温度T求偏导数，并令其等于零后可解得：
Topt
( E2 E1 ) k0 E1C A0 (1 x A ) RIn k0 ' E2 (CR 0 C A0 x A )
此时所得的温度是相应于反应速率为最大的最优温度，是Topt和转化率x A 的函数关系，在坐标系中可表示处最优温度曲线。平衡温度与转化率的关系也可以从 反应速率式中求得。因为反应达到平衡时有-r A =0,解得
第四章 平推流反应器
物料衡算式：
若以u表示流体在反应器内的流速，L表示管内离入口处的轴向距离，则有停留时间 即反应时间t（如果反应流体在整个过程中密度恒定，即流速不变）
t
L
0
V dV dl V 0 u v v0
对于恒容反应过程停留时间，反应时间和空时是一致的。
即：
物料A在反应前的百分含量为： 反应t时刻则有：
QA----单位时间内体系经过管壁传给热载体的热量；
Qg----单位时间内因反应放出的热量。
单位时间内 单位时间内 物料带入微元 物料带出微元 体积的热量 体积的热量 Q1 Q2 Q g Q A 0
单位时间内 单位时间内 因反应放出 经传热面传给 的热量 热载体的热量
1 1 T T0
在恒定的xA下，反应速率将是操作温度T的函数，对于可逆吸热反应，提高操作温度 反应速率也随之增大，对可逆放热反应，由函数关系式可以看出存在使反应速率为 最大的最优操作温度。
B
30
可逆吸热反应
25
反 应 速 率
20
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38
10/7/2018 17
3.5.1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设计方程
10/7/2018
18
对器内微元容积dV进行物料衡算， 列出组份A的物料衡算式。 根据衡算的一般形式： 累积量 = 输入量 输出量
10/7/2018
19
单位时间进入的 dV的A的摩尔数 单位时间从dV 单位时间在dV的 流出A的摩尔数 微元A的反应量
A d V V A 0 r FA0 C A0 v0 A
C A0
10/7/2018
xA
0
dx A rA
22
CA 恒容过程 x A 1 C A0
dC A dx A C A0
dC A CA0 rA
CA
x A dx V 1 A 0 r FA0 C A0 C A0 A
t C A0
10/7/2018
xA
0
C A dC dx A A C A0 r rA A
23
恒容过程平推流与分批式完全混合 反应器设计方程完全一致，因此只 要反应是在等温下进行，前一章的 速率式都适用于平推流。
10/7/2018
24
对于变容过程，其反应速率方程中的 各个浓度需同时考虑因化学反应和容 积而改变造成的浓度变化。
1 RT C A0 P
2 1 A 1 1
v FA0 (1 xA ) / CA0
10/7/2018
30
FA FA0 (1 x A )C A0 (1 x A )C A0 CA v FA0 (1 x A ) (1 x A )
V 1 x A (1 xA )dxA v0 k 0 (1 xA )
i P
(c pi ) P dT
变温操作方程为
UA(T Tm )dl (Hr )T0 (rA )dV ( Fi ) P (c Pi ) P dT
如果将平推流反应器出口的产物部分地 返回到入口处与原始物料混合，这类反 应器为循环操作的平推流反应器。
10/7/2018 37
10/7/2018
10/7/2018
20
FA ( FA dFA ) (rA )dV dFA (rA )dV
dFA d FA0 (1 x A ) FA0 d A
FA0 d A (rA )dV
平推流管式反应器的基础设计方程
10/7/2018 21

V
0
A d dV A 0 r FA 0 A
10/7/2018
33
3.5-2 变温操作的操作方程
10/7/2018
34
在定常态下应有:
单位时间内微元dV 单位时间内通过微元dV 与外界的换热量 的反应混合物的焓变
UA(T Tm )dl
10/7/2018
T
T0
10/7/2018 9
10/7/2018
10
10/7/2018
11
流体在管内作平推流流动具有如 下两特征： 1）在与流动方向呈垂直的截面上 没有流速分布； 2 ）在流体流动的方向不存在流 体质点间的混和，即无返混现 象。
10/7/2018 12
因此，各质点具有相同的停留时 间 (t ) ，等于反应时间t。 u表示流体器内流速，L表示轴内距离
10/7/2018
25
但如果速率方程过于复杂，则往往 需要用数值积分或下图的图解法求 解方程。
10/7/2018
26
10/7/2018
27
例3-5-1 应用管径为D=12.6cm的管式反 应器来进行一级不可逆的气体A的热分 解反应，其计量方程为A=R+S；速率方 程为 -rA=kCA；而k=7.8 × 109 exp [ -19220/T ]（s-1），原料为纯气体A， 反应压力P = 5 atm（5×0.101325MPa） 下恒压，T = 500 0C 恒温反应。 反 应过程中压力恒定，要求A的分解率达 到 0.9，原料气体的处理速率为FAO = 1.55 kmol / h，求所需反应器的管长 L、停留时间t、空时τ （理想气体）。
10/7/2018 7
10/7/2018
8
在80年代中期,国内外的一些著 名的石油公司如Stone&Webster和 Mobil等分别提出了超短接触下行床 反应器的概念。对于催化裂化等以 中间产物为目的产品的过程,由于下 行床能够实现气固超短接触并具有 接近平推流的流型,将可以获得比提 升管更高的产品收率,因而受到人们 的普遍关注,被誉为“21世纪取代提 升管的换代新技术”。
32
t
V
0
V dV PdV 1 0 RTF (1 x ) v v0 A0 A

V
0
dV l xA
FA0 dV dx A rA
1 x A dx A 1 1 1 t ln ln 10 18.57 s k 0 1 x A k 1 x A 0.124
(F )
i R
(c pi ) R dT
T dT
T0
(F )
i P
(c pi ) P dT (H r )T0 (rA )dV
35
UA(T Tm )dl
T
T0
(F )
i R
(c pi ) R dT
T
T0
(F )
i P
(c pi ) P dT

T dT
10/7/2018 31
所以
1 1 [2 ln x A ] 29.88( s) 0.0083(h) k 1 xA
4v0 4 5.46 10 3 29.88 4V L 13.0(m) 2 2 2 D D 3.14 (0.126)
10/7/2018
10/7/2018 15
F，F0分别为物系反应后的摩尔流 率和起始摩尔流率， yA0为着眼组 分A的起始摩尔分率。
PV nRT Pv0 FRT
导出v0 RT ( F0 A FA0 A ) / P
1 V PdV t t R 0 T ( F0 A FA0 A )
10/7/2018 28
解：反应气体的进料体积流速为：
FA0 RT 1.55 0.082 773 v0 19.66(m 3 / h) P 5
反应流体在管内的体积流速为：
FRT v F0 (1 A y A0 x A ) RT / P P
10/7/2018 29
F0 FA0
10/7/2018 3
磺化反应工艺流程
10/7/2018 4
10/7/2018
5
重油催化裂化(FCC)装置总图
10/7/2018
6
在催化裂化装置中反—再系统的反 应器为提升管反应器，它是基于平推 流的基础上建立起来的。自60年代以 来,提升管反应器由于其气固通量大、 气固接触效率高以及操作范围宽等特 点,在催化裂化工业中得到了广泛的应 用。然而,随着人们的研究深入,其径 向流动结构的严重非均匀性和较大的 气固返混也逐渐为人们所认识。
10/7/2018 16
上式若对于恒温、恒压过程，则有
P t t RT0 P RT0

V
0
dV F0 A FA0 A

V
0
V dV dV 0 1 y F0 (1 A y A0 A ) A0 A A
在这些场合，空时和停留时间是不相 等的，使用时应加以区别。
10/7/2018 14
膨胀因子：每反应掉一个摩尔的组分 A所引起反应物系总摩尔数的变化量。 即：
( n n0 ) A n0 y A0 A
所以 n n0 (1 A y A0 A )
F F0 (1 A y A0 A ) F0 A FA0 A
3.5 平推流反应器
plug-flow reactor
10/7/2018
1
SO3 Production Plant and Gas Treatment (Ballestra)
10/7/2018
2
[磺化反应器]该装 置是以连续多管膜 式反应器为基础的 磺化（硫酸化）装 置，此装置以洗涤 剂工业中使用的所 有主要原材料生产 磺酸和活性物，如： 十二烷基苯、直链 烷基苯、醇类、月 桂醚、α-烯烃等
T0
(F )
i P
(c pi ) P dT (H r ) T0 (rA )dV
当
(F )
i R
(c Pi ) R ( Fi ) P (c Pi ) P
10/7/2018
36
UA(T Tm )dl (Hr )T0 (rA )dV
T dT
T0
(F )
V dV dl 0 v u
t t
L
0
u u0
10/7/2018
V t t v0
13
在整个过程中: 对于恒容反应过程平均停留时间，反 应时间和空时一致。 对于液相反应，均可视为恒容过程。 对气相反应，恒温，恒压等分子反 应上式也适用。 对于非等分子反应，需要按变容过程 来考虑。