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文档简介
1、Ch4.Ch4. PFRPFR反应器反应器 理想置换反应器理想置换反应器是指通过反应器的物是指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动,料沿同一方向以相同速度向前流动,像活塞一样在反应器中向前平推,故像活塞一样在反应器中向前平推,故又称为活塞流或平推流反应器,英文又称为活塞流或平推流反应器,英文名称为名称为Plug (Piston) Flow ReactorPlug (Piston) Flow Reactor,简称,简称PFRPFR。PFR的特性的特性由于流体沿同一方向,以相同速度向由于流体沿同一方向,以相同速度向前推进,在前推进,在反应器内没有物料的返混反应器内没有物料的返混,所有物料在
2、反应器中的停留时间都,所有物料在反应器中的停留时间都是相同的;是相同的;在垂直于流动方向上的同一截面,在垂直于流动方向上的同一截面,不不同径向位置的流体特性(组成、温度同径向位置的流体特性(组成、温度等)是一致的等)是一致的;在定常态下操作,在定常态下操作,反应器内状态只随反应器内状态只随轴向位置改变轴向位置改变,不随时间改变。,不随时间改变。PFRPFR的设计方程的设计方程F FA0A0,C CA0A0, ,v v0 0X XA0A0=0=0F FA A,C CA A, ,v vX XA AdVdVR R=SxdL=SxdLF FA A+dF+dFA AX XA A+dX+dXA AF FA
3、 AX XA AL LdLdL 进进-出出+生成生成=累积累积 或或 进进-出出-反应反应=累积累积 AARrdFdVRAAdVdFr由于由于 F FA A=F=FA0A0(1-X(1-XA A) )微分微分 dFdFA A=-F=-FA0A0dXdXA A所以所以 F FA0A0dXdXA A=r=rA AdVdVR R 或或取反应器任一截面对取反应器任一截面对A A作物料衡算,作物料衡算,F FA A-(-(F FA A+d+dF FA A)-)-r rA Ad dV VR R=0=0,化简,得到化简,得到PFRPFR设计方程:设计方程:AAARrdXFdV0得到以得到以X XA A表达的
4、微分表达的微分形式的形式的PFRPFR设计方程设计方程积分:积分:ARXAAAVRrdXFdV000AAXAAARXAAARrdXCvVrdXFV00000PFR最后得体积表最后得体积表达式达式V VR R(X XA A):):或空时表达式或空时表达式AXAAARrdXCvV000注意:如果是多级反应器,进口转注意:如果是多级反应器,进口转化率不等于化率不等于0,即积分下限不为,即积分下限不为0.PFR计算例题计算例题 Case 1Case 1,恒容,恒容1 1级反应的情形级反应的情形在在PFRPFR中进行中进行ABAB的反应,其速率方程为的反应,其速率方程为r=kCr=kCA A,A,A的的
5、转化率为转化率为90%,90%,若若k=0.5mink=0.5min-1-1,C,CA0A0=2mol/L,=2mol/L,且且v v0 0=4Lmin,=4Lmin,求停留时间和反应器的容积。求停留时间和反应器的容积。解:解:)11ln(1)1 (000000AXAAAAXAAARXkXkCdXCrdXCvVAAmin61. 4)9 . 011ln(5 . 01)11ln(1AXk停留时间(停留时间(PFR恒容时停留时间恒容时停留时间=空时)空时)所以反应器体积所以反应器体积VR=v0 x=4x4.61=18.4(L)=4x4.61=18.4(L) 上例中,若用上例中,若用CSTR(min)
6、199 . 019 . 05 . 01110AAAAAXXkrXC)(721840LvV 说明在同样反应在相同转化率下,说明在同样反应在相同转化率下,PFR比比 CSTR的应器体积小。停留时间短。但对反常的应器体积小。停留时间短。但对反常动力学,则情形不同。动力学,则情形不同。 Case 2Case 2,PFRPFR中恒容中恒容2 2级反应的情形级反应的情形在在PFRPFR中进行中进行ABAB的反应,其速率方程为的反应,其速率方程为r=kCr=kCA A2 2,A,A的转化率为的转化率为90%,90%,若若k=0.5mink=0.5min-1-1,C,CA0A0=2mol/L,=2mol/L,
7、且且v v0 0=4Lmin,=4Lmin,求停留时间和反应器的容积。求停留时间和反应器的容积。解:解:(min)911)1 (002200000AAAXAAAAXAAARXXkCXkCdXCrdXCvVAAV VR R=v=v0 0 x x=4x9=36(L)=4x9=36(L)恒容下恒容下PFRPFR与间歇釜反应器比较与间歇釜反应器比较 在在PFRPFR中物料停留时间中物料停留时间=V=VR R/v/v0 0=z/u,=z/u,离开反应离开反应器的时间是器的时间是L/u,L/u,这是物料在反应器中的全这是物料在反应器中的全部停留时间部停留时间PFTRPFTR=t=tbatchbatch。
8、PFRPFR实际是被假设成所有参数不随时间改变实际是被假设成所有参数不随时间改变的定常态(但它们随位置变化)。而间歇的定常态(但它们随位置变化)。而间歇反应器假设参数的空间均匀性,只随时间反应器假设参数的空间均匀性,只随时间变化。变化。 间歇反应器和间歇反应器和PFRPFR的表现是相同的,的表现是相同的,PFRPFR行行为像间歇反应器,而全混流反应器看着像为像间歇反应器,而全混流反应器看着像间歇反应器。间歇反应器。PFR内内变容反应变容反应 Case 3Case 3,PFRPFR内变容反应空时与停留时间的内变容反应空时与停留时间的比较。比较。 一气相合成反应在一气相合成反应在PFRPFR中进行
9、。若已知反应中进行。若已知反应 A+BCA+BC 在在450450、常压下进行,、常压下进行,k=0.1524L/(molk=0.1524L/(mols)s)。反应物以等摩尔配比加入反应器,试计算转反应物以等摩尔配比加入反应器,试计算转化率为化率为10%10%所需的空时所需的空时和停留时间和停留时间t t。解:这是一个恒温恒压变容反应,且解:这是一个恒温恒压变容反应,且y yA0A0=y=yB0B0=1/2=1/2A A=1-1-1=-1=1-1-1=-1A A=y=yA0A0A A=(1/2)x(-1)=-1/2=(1/2)x(-1)=-1/2P=1atmP=1atmT=723.15KT=7
10、23.15Kk=0.1524L/(molk=0.1524L/(mols)s)R=0.082atmR=0.082atmL/(molL/(molK)K)C CA0A0=Py=PyA0A0/(RT)/(RT)=(1x1/2)/(0.082x723.15)=(1x1/2)/(0.082x723.15) =8.432x10 =8.432x10-3-3mol/Lmol/Lv=vv=v0 0 (1+(1+A AX XA A) () (体积流率)体积流率)C CA A=C=CB B=C=CA0A0(1-X(1-XA A)/(1+)/(1+A AX XA A) )r rA A=kC=kCA AC CB B=kC
11、=kCA0A02 2(1-X(1-XA A) )2 2/(1+/(1+A AX XA A) )2 21)1 ()1ln()1 (21)1 ()1 (1)1)1 (22002200222000AAAAAAAAAAXAAAAXAAAAAARXXXXkCdXXXkCXXkCdXCvVAA代入已知数据得代入已知数据得=82.04s=82.04s11ln111)1 ()1 (1)1 (00200000AAAAAAAXAAAAVAAAAAVRXXXkCdXXXkCXvrdXFvdVtARR停留时间停留时间代入已知数据得代入已知数据得t=84.2st=84.2s 计算表明,对于体系体积缩小的反应,停计算表明
12、,对于体系体积缩小的反应,停留时间比空时长。留时间比空时长。 反过来,对于体积膨胀系统,停留时间比反过来,对于体积膨胀系统,停留时间比空时短。空时短。 计算表明,对于体系体积缩小的反应,停计算表明,对于体系体积缩小的反应,停留时间比空时长。留时间比空时长。 反过来,对于体积膨胀系统,停留时间比反过来,对于体积膨胀系统,停留时间比空时短。空时短。 HW. Assign.HW. Assign.作业作业习题习题 4.14.11 1、基元液相反应、基元液相反应A+BCA+BC在在500L500L反应器内进行,反应器内进行,进口浓度都是进口浓度都是2mol/L2mol/L,k=0.01L/(molk=0
13、.01L/(molmin).min).(1 1)计算间歇反应器中转化率达)计算间歇反应器中转化率达90%90%时的反应时时的反应时间。间。 如果化学计量的如果化学计量的A A(10mol/min)10mol/min)加入流动反应加入流动反应器,在转化率达器,在转化率达90%90%时,试计算下列反应器的体时,试计算下列反应器的体积和空时。积和空时。(2 2)一个)一个CSTRCSTR(3 3)一个)一个PFRPFR2 2、已知一级反应在、已知一级反应在PFRPFR中进行,出口转化率为中进行,出口转化率为0.90.9,现将该反应移到,现将该反应移到CSTRCSTR中进行,如果两反应中进行,如果两反
14、应器的体积相同,且操作条件保持不变,在器的体积相同,且操作条件保持不变,在CSTRCSTR的出口处转化率是多少的出口处转化率是多少? ?习题4.1 解答 等分子反应-恒容反应 注意:由于此处题目用T代表了甲苯。 初始总摩尔流量用F0,total代表示而不用FT0(代表了T的初始摩尔流量)6532664C H CHHC HCHTHBM000,00001.51.500.950.95001.51.50000.5,10.51/0.278/0.5 1/0.082/10730.00568/(1)(1)1.5(1)1.5(1)0.2781. .5.THTtotalTTTTTHTTTCTTTTPFRTTTCT
15、TyFFkmol hmol sCy P RTmol LCCXCCXrrCXdXdXVFFrCCX( 1.5 1)1.532(1 0.95)1(0.00568)( 1.5 1)432.9 6.9443006( )3()/3/(0.053.14/ 4)153.0).(. .PFRLmLVSm HW. Assign.HW. Assign.作业解答作业解答1 1、基元液相反应、基元液相反应A+BCA+BC,V VR R=500L=500L,C CA0A0=C=CB0B0=2mol/L=2mol/L,k=0.01L/(molk=0.01L/(molmin).min).(1 1)计算间歇反应器中转化率达)
16、计算间歇反应器中转化率达90%90%时的反应时时的反应时解:解:A,BA,B等等molmol进料,所以进料,所以r rA A=kC=kCA AC CB B=kC=kCA0A02 2(1-X(1-XA A) )2 2对间歇反应器内的液相反应,由前面推导的方程得对间歇反应器内的液相反应,由前面推导的方程得hXXkCtrdXCtAAAXAAAA5 .7(min)4509 .019 .0201.01)1(10001 1、基元液相反应、基元液相反应A+BCA+BC,V VR R=500L=500L,C CA0A0=C=CB0B0=2mol/L=2mol/L,k=0.01L/(molk=0.01L/(mo
17、lmin).min). 如果化学计量的如果化学计量的A A(10mol/min)10mol/min)加入流动反应器,在加入流动反应器,在转化率达转化率达90%90%时,试计算下列反应器的体积和空时。时,试计算下列反应器的体积和空时。(2 2)CSTRCSTR体积体积解:对解:对CSTRCSTR反应器,由前面推导的方程得反应器,由前面推导的方程得30002205.22225002/104500)/(75(min)4500)9.01(9.0201.01)1(1mLCFvVhXXkCAARAAA1 1、基元液相反应、基元液相反应A+BCA+BC,V VR R=500L=500L,C CA0A0=C=
18、CB0B0=2mol/L=2mol/L,k=0.01L/(molk=0.01L/(molmin).min). 如果化学计量的如果化学计量的A A(10mol/min)10mol/min)加入流动反应器,加入流动反应器,在转化率达在转化率达90%90%时,试计算下列反应器的体积和空时,试计算下列反应器的体积和空时。时。(3 3)PFRPFR的体积的体积解:对解:对PFRPFR反应器,反应器,30000220000025. 2)(22502/10450/(min)4509 . 019 . 0201. 0111)1 (mLCFVXXkCXkCdXCrdXCvVAARAAAXAAAAXAAARAA 2.2. 解答:解答:PFRPFR CSTR CSTR AXAAARXkrdXCvVA11ln1000CSTRACSTRAACSTRAAXXkrXC,011CSTRACSTRACSTRXXkvvV,001ARXkvvV11ln00 由于由于V VR R=V=VCSTRCSTR 得到得到303. 29 . 011ln11ln1,ACSTRACSTRA
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