平推流反应器(plu.ppt

§3.8 平推流反应器（Plus Flow Reactor, PFR）,1、平推流反应器的特点,2、平推流反应器的设计方程,3、平推流反应器的操作方程,4、平推流反应器的设计方程及操作方程的具体应用,应用一：绝热活塞流反应器,应用二：循环操作的平推流反应器,应用三：非绝热、非等温活塞流反应器,应用四：活塞流反应器并联、串联、并串联组合,Plus Flow Reactor, PFR----平推流反应器，也称活塞流反应器，如长径比（L/D）较大，流体粘度较小，流速较快的场合1、平推流反应器的特点,◆定常态下，在与流动方向垂直的截面上没有流速分布；,◆在反应器的各个截面上，物料的浓度不随时间变化；,◆流体流动方向上不存在流体质点的混合，无返混现象；,◆所有流体质点具有相同的停留时间 ，且等于反应时间t◆恒容过程 若ρ恒定，即：v=v0，则上式可写成：,液相反应：可以近似看作恒容过程； 气相反应：恒T、P下的等分子反应或恒容过程；,◆变容过程 非等分子的气相反应, A为关键组分，其膨胀因子为δA，则：,由pv=nRT求出体积流量v后代入的,若过程恒T、P，则：,或根据定义式：,Return,2、平推流反应器的设计方程,两个问题 1、如何确定物料衡算体积？可以对整个反应器进行衡算吗？ 2、如何取物料衡算的时间单元？可以任取吗？,取长度为dl，体积为dVR的微元管段对物料A作物料衡算： 进入量-排出量-反应量=累积量,,,,,,,,,,CA0 FA0 XA0=0 v0,dVR,CAf FAf XAf=0 v,,,FA,xA,FA+d FA,xA+d xA,xA,VR,,,,,,,d xA,dVR,对整个反应器进行积分,,PFR反应器的设计方程（xA0=0的情况）,,xA0≠0，则通用的PFR反应器设计方程为：,◆对于等温过程，只需将反应的速率方程代入设计方程积分求解； ◆对于速率方程较为复杂的场合，可能要用到数值积分或图解积分求解； ◆对于非等温过程，则要结合热量衡算式（操作方程）联立求解，下面要讲到。

例题13 在PFR反应器中，用已二酸和已二醇生产醇酸树脂，操作条件和产量与例2相同，试计算PFR反应器的有效容积 速率方程式：（-rA）=kCACB 式中： （-rA）----以已二酸组分计的反应速率，kmol.L-1.min-1 k----反应速率常数，1.97L.kmol-1.min-1 CA、CB----分别为已二酸和已二醇的浓度，0.004kmol.L-1 若每天处理已二酸2400kg，转化率为80%，,解： 该反应为恒容液相二级反应，故：,问题：为什么活塞流反应器的有效体体积比间歇反应器的有效体积小一些？,特殊情况 变容过程----设计方程原则上是相同的，只是在求解时，要将变容后的CA或PA与膨胀率或膨胀因子的关系式代入设计方程中再行积分或其它解法 例如：对于n级不可逆反应的设计方程：,Return,,3、平推流反应器的操作方程,取反应器的微元体积，列热量衡算式，根据边界条件积分即得Q1、Q2----单位时间由物料带入、带出的热量； 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Return,应用一： 绝热活塞流反应器,,,,,PFR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：,注意：是有条件的！！,图解法步骤：,1、根据操作方程： 或 在xA~T坐标系中绘出操 作线A；,,2、沿操作线A读出一系列xA值对应的反应温度T，然后代入速率方程式中计算相应于各xA下的 之值；,3、在 ~xA坐标系中绘出动力学曲线；,4、计算曲线下面所围成的面积S，,Return,应用二：循环操作的平推流反应器 将PFR出口产物部分地返回到入口处与原始物料混合，然后进入平推流反应器进行反应。

在定常态下:,以β定义循环比：,β=0时，为单纯的无循环流的PFR反应器； β=∞时，相当于CSTR反应器特性；,从循环操作的PFR反应器的设计方程可知，若 及xA1可求，则反应器的体积即可求符合 杠杆规则,,图 解 示 意,如果红的部分面积为“1”，寻找一个高度使如图的S1=S2，则“β”分面积为蓝色区域减去S1S1,S2,,,例15 有如下自催化反应，A+PP+P，已知：CA0=1mol/L, CP0=0, k=1L/mol.s, FA0=1mol/s，今欲在一循环反应器中进行此反应，要求达到的转化率为98% 求：当循环比分别为β=0、3时，所需反应器的体积为多少？,解： 对于自催化反应，其反应动力学方程可表示为：,对于任意循环比β，其反应器设计方程式为：,将动力学方程代入设计计算式并积分得：,当β=3时， 当β=0时，即为活塞流的情况： 图解（如下图）之可得：VR无解 即纯粹的平推流不可能完成该任务！,最佳循环比： 对β求偏导并令其等于零，则可求出最优循环比的条件为：,物理意义,当调节β（实际上是调节反应器进口转化率xA1)，使上图中的A和B的面积相等时，循环反应器的体积是最小的，也即此时的循环比为最优的。

Return,除此之外平均高度则不是最低的应用三：非绝热、非等温活塞流反应器（不作要求） 当化学反应热效应较大时，无论吸热还是放热，采用绝热操作，将会使反应器进出口的物料温差过大 ◆若放热：可能导致超温，若放热可逆，则反应的平衡转化率下降； ◆若吸热：无论可逆还是不可逆，沿轴向反应速率将越来越慢，若可逆，还将导致转化率下降；,一般采用列管式反应器，即由许多D较小的反应管并联操作,,解决办法,对其中的一根管作物料衡算和热量衡算来考察整个反应器的工况,,设计计算,设管径为D，则： 则物料衡算式： （1） 热量衡算式： （2） 式（1）（2）与化学反应动力学方程联立求解，即可求出转化率和反应温度沿管长的分布和达到一定转化率所需要的反应器体积，通常采用数值法求解Return,应用四： 活塞流反应器的组合：并联、串联、并串联组合 对串联的N个反应器而言： 若各个反应器的温度相同，则：,。