《化学反应工程》课程教学资源（课件讲稿）第4章 流动管式反应器（Ideal Tubular Reactor）

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 CAo,Yo FA F+dF →CA'0 取微元dW=Sdl d 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-x4) → 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： Fodx=(-ra)dv 恒容 适用等温、变温、等容、 变容等 积分式 V-Faf dx (-rA) :F0=,CA0 V Vo

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      A f 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 与同版应器样；，-号 -c高 积分关系：（恒容、等温时，以n=0,1,2级为例） (-r)=k kt=Ca0-CA kt=CA0XA (-ra)=kC4 k In C k In CA 1-X4 (-A)=kC2 1 kt= kt= XA C C40(1-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 反应热量 (-ra)dv T+dT 带入的热 带出的热始 =VoCaodxa ↓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) (-r△H)d 0 U(T-T)Adl 5e6停0-d dT 绝热时 dT=Cao(-AH) cH=△Taad pCp T=To+ATadXa

Chemical Reaction Engineering 热量衡算 A a d A P A dx T dx c c dT      绝热时 0 ( H） a d 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 的热妈 Fodx=(-ra)dv=vochodx=(-ra)nd'dl A=(-r4)d2 vocAo dl %ac是停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 dxA  (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),5.2X104exp(-13840/) 当反应物A和B的初始浓度c。=co=4m01/L,而A的转化率x=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 0.8时反应器的出口温度。 混合物密度p=1800kg/m,比热为c,=4.2kJ1(g·K),△H=-125.6kJ/mol

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c。c,且是等摩尔反应，所以反应速率方程为 （-r4)=kc4cB=kc 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)=2.78×103L/(mol·s)=2.78L1(kmol-s) 1X4 t= 0.8 =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t=6min。 令F为摩尔进料流率，按题意可知 Fo=0.684kmoll min YoCA0=F40 F0=0.684 o= =171L/min C400.004

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='g=1026×10 =8360cm=83.6m D:x12.5 4 4 (2)当物料A的转化率为80%时，有 △T=上△Hka=125.6x4×1000=646K pCp 1800×4.2 则反应器出口温度 T-T+△Tax4=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