华东理工CH4(简化)

1、第四章第四章 理想流动管式反应器理想流动管式反应器4.1、 理想流动管式反应器的特点理想流动管式反应器的特点4.2、理想流动管式反应器的基本方程式理想流动管式反应器的基本方程式4.3、空时、空速和停留时间、空时、空速和停留时间4.4、反应前后分子数变化的气相反应、反应前后分子数变化的气相反应 0 Z/2 Z 4 4.1.1、理想、理想流动流动管式反应器的特点管式反应器的特点1、通过反应器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动通过反应器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动.2、所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。同一截面所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。同一截面上的物料浓度相同、温度相同

2、，不随时间变化。上的物料浓度相同、温度相同，不随时间变化。3、物料的温度、浓度沿管长连续变化。反应速率也随管长物料的温度、浓度沿管长连续变化。反应速率也随管长连续变化。连续变化。衡算体积元：因参数沿轴向位置不断变化，故取反应器中一衡算体积元：因参数沿轴向位置不断变化，故取反应器中一 微元段微元段dLdL作物料衡算。作物料衡算。衡算时间元：因参数不随时间变，取单位时间作衡算。衡算时间元：因参数不随时间变，取单位时间作衡算。 4.2、理想管式反应器的基本方程式理想管式反应器的基本方程式 0 d L L FA 0 FA f d V FA FA+ d FA AA=+AA单位时间 流单位时间 流单位时间

3、微元体单位时间微元入微元体的量出微元体的量内反应掉 的量体内 的积累量 F FA A = F = FA AdFdFA A + + （- -r rA A)dV)dV + 0 + 0即：即：AAdF( r )dV 001AAAAAdFd FxF dx 0()AAAF dxrdV 积分得积分得00()AfxAAAdxVFr 此式为理想管式反应器的基础设计式，上式积分只有在此式为理想管式反应器的基础设计式，上式积分只有在下列两种情况下可直接进行求解：下列两种情况下可直接进行求解：因因 F FA A= = F FA AdFdFA A + +（- -r rA A)dV)dV+ 0+ 0（1）等温等温理想管

4、式反应器理想管式反应器: : 此时此时k k为常数为常数，可可采用解析法直采用解析法直接积分，也可采用数值积分和图解积分。接积分，也可采用数值积分和图解积分。（2）绝热理想管式反应器）绝热理想管式反应器; 反应物料沿管长的温度变化可反应物料沿管长的温度变化可由热量衡算式导出，将由热量衡算式导出，将k表示为表示为xA的函数，通常采用数值积的函数，通常采用数值积分和图解积分。分和图解积分。 对非绝热非等温过程，要结合热量衡算式联立求解，因对非绝热非等温过程，要结合热量衡算式联立求解，因不能将不能将T表示为表示为xA的单一函数，故不能由上式直接积分。的单一函数，故不能由上式直接积分。注：对固定床反应

5、器，只要满足平推流的假定，上式同样注：对固定床反应器，只要满足平推流的假定，上式同样适用。若以单位催化剂质量表示反应速率，则：适用。若以单位催化剂质量表示反应速率，则：00()AfxAAAdxVFr AAA WF dxrdW0() 空时、空速用于连续流动反应器。进料体积流量按反应空时、空速用于连续流动反应器。进料体积流量按反应器入口处温度、压力求取。器入口处温度、压力求取。2、空速：、空速： 空时的倒数。空时的倒数。1、空时、空时 反应器的体积反应器的体积VR与进料的体积流量与进料的体积流量v0之比。之比。4.34.3 、空时、空速和停留时间空时、空速和停留时间0RVh1SVh-1 理想管式反

6、应器内参数不随时间变，度量其生产强度采理想管式反应器内参数不随时间变，度量其生产强度采用空时和空速。用空时和空速。3 3、停留时间：、停留时间： 反应物料从进入反应器始到离开反应器止所用的时间。反应物料从进入反应器始到离开反应器止所用的时间。 在间歇反应器中，所有物料具有相同的停留时间，且在间歇反应器中，所有物料具有相同的停留时间，且等于反应时间。等于反应时间。 对理想管式反应器，所有物料具有相同的停留时间。对理想管式反应器，所有物料具有相同的停留时间。 对非平推流的反应器，物料微团在反应器内的停留时对非平推流的反应器，物料微团在反应器内的停留时间不同，常用平均停留时间来表达。间不同，常用平均

7、停留时间来表达。定义：平均停留时间定义：平均停留时间RVRdVt0= 反反应应器器的的体体积积反反应应器器中中物物料料的的体体积积流流率率注注：对恒容过程对恒容过程,体积流率体积流率v=v0，空时与停留时间相等；空时与停留时间相等； 对变容过程对变容过程v不等于不等于v0，空时不等于停留时间。空时不等于停留时间。对对平推流反应器平推流反应器000AAFCv 代入设计方程代入设计方程AfAfAfxxAARAAAAxRAAAdxdxVFCvrrVdxCvr00000000 ()() (4-12)() 4、平推流的、平推流的与与间歇釜与与间歇釜t的比较的比较AfxAAAdxtCr00() 上式与间歇

8、釜反应时间的计算式形式相同，对恒容过上式与间歇釜反应时间的计算式形式相同，对恒容过程，用程，用代换代换t后在理想间歇反应器中的结论完全适合理想后在理想间歇反应器中的结论完全适合理想管式反应器。见表管式反应器。见表4-14.4、反应前后分子数变化的气相反应、反应前后分子数变化的气相反应工业上进行的液相反应通常视为恒容反应；工业上进行的液相反应通常视为恒容反应；对气相反应恒温、恒压和恒分子数的反应属恒容反应；对气相反应恒温、恒压和恒分子数的反应属恒容反应；在间歇釜内发生分子数变化的气相反应时，由于反应器在间歇釜内发生分子数变化的气相反应时，由于反应器容积恒定，其结果是反应器总压发生了变化，也为恒容

9、过程；容积恒定，其结果是反应器总压发生了变化，也为恒容过程；若在连续管式反应器内进行分子数改变的气相反应，由若在连续管式反应器内进行分子数改变的气相反应，由于系统压力不变，则为变容过程。于系统压力不变，则为变容过程。表征反应前后分子数变化程度的方法有膨胀率法和膨胀表征反应前后分子数变化程度的方法有膨胀率法和膨胀因子法。因子法。4.4.1 膨胀率法膨胀率法定义：膨胀率定义：膨胀率反应物反应物A全部转化后系统体积变化的分率。全部转化后系统体积变化的分率。表示在等温等压下反应，反应混合物的瞬时体积等于表示在等温等压下反应，反应混合物的瞬时体积等于初始体积初始体积加上因反应而引起的反应混合物的体积变化

10、加上因反应而引起的反应混合物的体积变化xxAAAAxVVV100 AAVVx01 用于物系体积随转化率变化呈线性关系的情况。用于物系体积随转化率变化呈线性关系的情况。对反应：对反应： 211 11AAAOAABCFFx 由由 01AAVVx 又又：得：得： 00011 4-1611AAAAAAAAAAFxFxCCVVxx （）xxAAAAxVVV100 注：若反应系统有注：若反应系统有50%的惰性气体，则初始体积为的惰性气体，则初始体积为2，反应，反应后体积为后体积为3，A320.52 aAbBpPsS 对反应对反应011AAAAAxCCx 01AAVVx 00BBAAbFFFxa 00000

11、000011 , 11BAABAABBAAAAPAASAAPSAAAAbbFFxCCxFaaCVVxxpsCCxCCxaaCCxx同理同理其它组分：其它组分：AAAAAOAOAOAAAAAAxxxPCRTPyPxxx111111对气相反应，用分压表示反应速率更为方便。对气相反应，用分压表示反应速率更为方便。 nnAApApnAAAAAAAkrkCk PkRTxPC RTCCx0 1 1 其其中中，BAABAABOAOABOAOABAAAAPOAOAPOAOAPAAAASOAOASOAOASAAAAbCCxaCxbbPPxyyxaaPPxxppPPxyyxaaPPxxssPPxyyxaaPPxx

12、00B=11111 11 对对 组组分分：同同理理：4.4.2、膨胀因子法、膨胀因子法定义：膨胀因子定义：膨胀因子反应掉反应掉1摩尔摩尔A所引起的反应系统总摩所引起的反应系统总摩尔数的改变量。尔数的改变量。aAbBpPsS 对反应对反应 Ap sa ba 膨胀因子：膨胀因子： 0表示反应后分子数增加；表示反应后分子数增加； 0表示反应后分子数减表示反应后分子数减少；少； =0表示反应后分子数不变。膨胀因子的值与进料中有表示反应后分子数不变。膨胀因子的值与进料中有无惰性物料无关。无惰性物料无关。A A A 00000tABPStABPSFFFFFFFFFF 1AAOAFFx BBOAOAbFFF

13、xa ppOAOApFFFxa ssOAOAsFFFxa 1ttOAAOAtOAAOAFFFxFyx 得：得：推导推导 与与 的关系式的关系式:A A Ap sa ba 对恒压过程有：对恒压过程有：1tAAOAtOOFVyxFV 与与 1OAAVVx 比较得：比较得：AAOAy ttOAAOAFFyx1 AAAAOAOAAAAAxxPPPxyx01111BOAOAPOAOABPAAAAAASOAOASAAAbpPPxPPxaaPPyxyxsPPxaPyx000 , 111 4.4.3、变分子数反应过程的反应器计算、变分子数反应过程的反应器计算由理想管式反应器的设计方程由理想管式反应器的设计方程

14、AfxARAOOAdxVFr() 对零级反应：对零级反应：PAk Ark0000AxAARAARAAdxxVFFkkVxFk 速率方程：速率方程：积分得：积分得： 11AAAAAOAAdCxrkCkCdtx 00000000111111ln 1ln 1AAxAARAAAAxAAAAAAAAAAAAAAxVFdxkCxFxdxkCxxFxxxkC 001(1)ln 1RAAAAAAVxxFkC 即：即：对一级不可逆反应对一级不可逆反应PAk对二级不可逆反应对二级不可逆反应速率方程：速率方程：积分得：积分得： 2222(1)(1)AAAAAOAAdCxrkCkCdtx 20220022022002

15、2020(1)(1)12(1)21ln 111AAxAAARAAAxAAAAAAAAAAAAAAAAAAFxVdxkCxFxxdxkCxFxxxkCx 当用分压表示反应速率时，对当用分压表示反应速率时，对n级反应，反应速率式为：级反应，反应速率式为： nA0nAy1= 1AAppAAxrk PkPx ()AfxARAOOAdxVFr 代入代入 积分得表积分得表4-3注：变分子数的气相反应在管式反应器内进行时，物料体注：变分子数的气相反应在管式反应器内进行时，物料体积流量随转化率不断变化，其停留时间不等于空时，可由积流量随转化率不断变化，其停留时间不等于空时，可由下式计算：下式计算： RVRAA

16、AAARAARAdVtvvxvF dxrdVF dxdVr0000 1 物物料料衡衡算算式式：， AAxxAAAAAAAAAAF dxdxtCrvxrx0000011对对n级反应级反应 0101000011111111AAnnnAAAAAAnnxxAAAAAAAnnnnAAAAAAxrkCkCxxdxxdxtCkCkCxxx 001AxAAAAAdxtCrx (4-50)000 (4-12)()AfxRAAAVdxCVr Afnx010001+1 = ()1AfxAAAAAnAAAdxxCdxrkCx (4-49)只有反应前后分子数不变时，空时和平均停留时间才相等。只有反应前后分子数不变时，空

17、时和平均停留时间才相等。 在在215和和5大气压下，均相气相反应大气压下，均相气相反应 A3R在平推流反应在平推流反应器中进行。器中进行。215时，速率式为时，速率式为（-rA）=10-2CA0.5(mol/Ls)，原料，原料气中含有气中含有50A和和50惰性气体惰性气体(CA0=0.0625mol/L)，求转化率为，求转化率为80时所需的空间时间。时所需的空间时间。 式中积分项可用图解积分、数值积分计算，下面依次说明式中积分项可用图解积分、数值积分计算，下面依次说明这些解法。这些解法。2113A 0.520.520.5AAAA0AA0A1x( r )10 C10 C1yx AfAfAfxxR

18、AAA0A00.5000A20.5AA0AA0A0.5x0.5AA0A0AVdxdxCCV( r )1x10 C1yx1x100Cdx1x 【解解】根据题所给出的已知条件有：根据题所给出的已知条件有：yA0=0.5x xA A0.00.00.20.20.40.40.60.60.80.8Y Y1.0001.0001.2771.2771.5281.5282.0002.0003.0003.000 Afx0A5 . 0AAdxx1x1面积面积5 . 0AAx1x1Y 用目测法计算面积得：用目测法计算面积得：面积面积1.700.81.3 令：令：图解积分图解积分 首先计算被积函数值，再作图首先计算被积函数值，再作图Y 3 2 1 XA 0 0.4 0.8 Af0.5x0.5AA0A0A1x100Cdx1x n