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《化学反应工程》课程教学资源(随堂PPT课件)第4章 流动管式反应器

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《化学反应工程》课程教学资源(随堂PPT课件)第4章 流动管式反应器
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Chemical Reaction Engineering 第四章理想管式反应器(Ideal Tubular Reactor) 乙烯裂解炉 反应管排列方式

Chemical Reaction Engineering 第四章 理想管式反应器(Ideal Tubular Reactor) 乙烯裂解炉 反应管排列方式

Chemical Reaction Engineering 一、 理想管式反应器特点plug flow reactor(PFR) (1)连续定态操作,在反应器 的各个径向截面上,物料浓 度不随时间而变化; (2)反应速率随空间位置而变 管式反应器 化; (3)反应速率随空间位置的变 化将只限于轴向。 Tubular reactor 典型反应器:乙烯裂解炉 反应结果唯一地 由化学反应动力 学所确定

Chemical Reaction Engineering 一、理想管式反应器特点 plug flow reactor(PFR) 反应结果唯一地 由化学反应动力 学所确定。 ⑴连续定态操作,在反应器 的各个径向截面上,物料浓 度不随时间而变化; ⑵反应速率随空间位置而变 化; ⑶反应速率随空间位置的变 化将只限于轴向。 典型反应器:乙烯裂解炉

Chemical Reaction Engineering 二、理想管式反应器基本方程式 dV=Sdl CAoYo →FA+dfA CAfYo 取微元dV=Sdl 对微元作物料衡算: 流入量=流出量+反应量+累积量 F=F+dF+(-ra)dv+0 :F4=F4(1-XA) → Fodx=(-ra)dv

Chemical Reaction Engineering 二、 理想管式反应器基本方程式 取微元 dV = Sdl 流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量 对微元作物料衡算: FA =F A0 (1− xA )  FA0 dx A = (−rA )dV l=0 l=L FA FA+dFA dV=Sdl CA0,v0 dl CAf,v0 ( ) 0 F F dF r dV A A A A = + + − +

Chemical Reaction Engineering PFR基本方程: Faodx=(-ra)dv 恒容 适用等温、变温、等容、 变容等 积分式 (-r4) ,F40=V,C40 c A 0

Chemical Reaction Engineering PFR基本方程: FA0 dx A = (−rA )dV 适用等温、变温、等容、变容等  − = Af x A A A r dx V F 0 0 ( ) 积分式 A0 0 CA0 F = v  −  = = Af x A A A p r dx C V V 0 0 0 ( )   − = − Af A C C A A p r dC 0 ( )  恒容

Chemical Reaction Engineering 与间反应器-准:=:号=c小高 积分关系:(恒容、等温时,以n=0,1,2级为例) (-r4)=k kt=C40-CA kt=CA0XA C (-ra)=kCa kt In 40 kt In CA 1-x4 (-ra)=kC2 kt= kt= XA C CA0(I-xA) •自催化反应、可逆反应、平行反应、串联反应

Chemical Reaction Engineering 积分关系:(恒容、等温时,以n=0,1,2级为例) (−rA ) = k CA CA k = 0 − A A k C x = 0  A A (−r ) = kC A A C C k 0  = ln xA k − = 1 1  ln 2 ( ) A A −r = kC 0 1 1 CA CA k = − (1 ) A0 A A C x x k −  =  − = Af A x x A A p A r dx C 0 ( ) 0   − = − Af A C C A A p r dC 0 ( ) 与间歇反应器一样:  •自催化反应、可逆反应、平行反应、串联反应

Chemical Reaction Engineering 热量衡算 dy,dxa 反应热量 (-ra)dv 带入的热焰 带出的热 =VoCaodx ↓传递热量 带入的热焓一 带出的热焓 =反应热量十累积热量 十传递热量 YpC,T(-dT) ((rH)dW 0 U(T-T )Adl e业告-0 dT 绝热时 dn=co(-AH dx=ATaddx pCp T=T+△TadXA

Chemical Reaction Engineering 热量衡算 A a d A P A dx T dx c c dT =  − =  0 ( H) 绝热时 ad A T = T + T x 0 A A A v c dx r dV 0 0 ( ) = −

Chemical Reaction Engineering 反应器方程 d 的 Fodx=(-ra)dv=vocaodx=(-ra)nd'dl dA=(-r4) vocao dl cg停0-d dT 设计型:根据要求转化率(收率),计算反应器体积 操作型:根据已知反应器尺寸,计算出口各组分浓度

Chemical Reaction Engineering 反应器方程 FA0 dx A = (−rA )dV  v c dx r d dl A A A 2 0 0 = (− ) 2 0 0 ( r ) d dl dx v c A A A = −  设计型:根据要求转化率(收率),计算反应器体积 操作型:根据已知反应器尺寸,计算出口各组分浓度

Chemical Reaction Engineering 例4-1在理想间歇反应器中进行均相反应 A十B>P 实验测得反应速率方程式为 (-r)=kcce kmo1/(L·s),5.2X1014exp(-13840/) 当反应物A和B的初始浓度cc4mo1儿,而A的转化率=0.8时, 该间歇反应器平均每分钟可处理0.684km0/的反应物A。(1)若该反 应为液相反应,将反应移到一个管内径为125m的理想流动管式反应 器中进行,仍维持348K等温操作,且处理量和所要求转化率相同, 求所需反应器的管长。(2)若该反应在绝热条件下进行,求A的转化 0.8时反应器的出口温度。 混合物密度p=1800k8m,比热为c,=4.2kJ1(kg·K),△H=-125.6kJ1mol

Chemical Reaction Engineering 例 4-1 在理想间歇反应器中进行均相反应 A+B P 实验测得反应速率方程式为 (-rA)=kcAcB kmol/(L·s), k=5.2×1014exp(-13840/T) 当反应物 A 和 B 的初始浓度 cA0=cB0=4mol/L,而 A 的转化率 xA=0.8 时, 该间歇反应器平均每分钟可处理 0.684kmol 的反应物 A。(1)若该反 应为液相反应,将反应移到一个管内径为 125mm 的理想流动管式反应 器中进行,仍维持 348K 等温操作,且处理量和所要求转化率相同, 求所需反应器的管长。(2)若该反应在绝热条件下进行,求 A 的转化 xA=0.8 时反应器的出口温度

Chemical Reaction Engineering 解:(1)由于cco,且是等摩尔反应,所以反应速率方程为 (-rA)=kccg=k4c月 此反应在理想间歇反应器中达到要求转化率所需反应时间为 k=5.2×104exp(-13840/348)=2.78×10-3L1/(mols)=2.78L/(mols) 1 X4 0.8 t= =360s=6min kc4o(1-x4)2.78×0.004×1-0.8) 等容过程此反应时间应等于理想流动管式反应器中的空时, 即x=6mimn。 令Fo为摩尔进料流率,按题意可知 Fo=0.684kmoll min VoC40=F0 n=0684 o=- =171L/min 400.004

Chemical Reaction Engineering 解:(1)由于 cA0=cB0,且是等摩尔反应,所以反应速率方程为 2 ( ) A A B A A −r = kc c = k c 此反应在理想间歇反应器中达到要求转化率所需反应时间为 14 3 k L mol s L kmol s 5.2 10 exp( 13840 / 348) 2.78 10 / ( ) 2.78 / ( ) − =  − =   =  360 6min 2.78 0.004 1 0.8) 0.8 (1 ) 1 0 = =   − = − = s c x x k t A A A ( 等容过程此反应时间应等于理想流动管式反应器中的空时, 即 = 6min 。 令 FA0为摩尔进料流率,按题意可知 FA0 = 0.684kmol/ min 0 A0 FA0 v c = 171 / min 0.004 0.684 0 0 0 L c F v A A = = =

Chemical Reaction Engineering 反应器体积为: 'R=%t=171×6=1026L 管长 L==1026×10 =8360cm=83.6m TDx12.52 4 41 (2)当物料A的转化率为80%时,有 △T=上△Hka=1256x4×1000=646K PCP 1800×4.2 则反应器出口温度 T=T+ATax4=348+66.46×0.8=401.17K

Chemical Reaction Engineering 反应器体积 VR为: VR = v0  =1716 =1026L 管长 cm m D V L t R 8360 83.6 12.5 4 1026 10 4 2 3 2 = =    =  = (2)当物料 A 的转化率为 80%时,有 ( ) K c H c T P A a d 66.46 1800 4.2 0 125.6 4 1000 =    = −   =  则反应器出口温度 T=T 348 66.46 0.8 401.17 0 +  = +  = T x K ad A

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