Chemical Reaction Engineering
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4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
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4.4 循环反应器
对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率，将 反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口， 与新鲜原料一起进行反应。
Qr 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： Q0
故,反应器的物料处理量为：
Q0 Qr (1 )Q0
在混合点M处对A做物料衡算：
Q0cA0 Q0cA0 (1 X Af ) (1 )Q0cA0 (1 X A0 )
化简后得： X A0
X Af 4.23 1
0
' X Af
X Am
X Af
XA
此时，可以： 釜式与管式的串联
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4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
在A点保持较高速率进行，先用CSTR进行反 应到XAm，然后送入PFR中到XAf，则VR最小。 对多个反应，二者的比较主要是看在相同的最终转 化率下，哪一个目的产物最终收率大。 So～XA关系见图3-10（a）。 ①反应物CA低，获得高的选择性，选釜式反应器。 ②反应物CA高，则管式反应器优于釜式反应器。
二者的差别： CSTR PFR 返混 返混
最大（∞） 无（0）
都属于理想化流动模型，是返混程度的两个极端。
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4.2 等温管式反应器的设计
Fi 0
单一反应 进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量
Fi
Fi (dFi Fi ) (R i )dVr 0
dVr
dFi Ri dVr
FA FA0 (1 X A )
dFA RA dVr
dz
Fi dFi
FA0
dX A R A ( X A ) dVr
X Af
Q0 c A0
dX A R A ( X A ) dVr
FA0 Q0 c A0
4.4
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4.2 等温管式反应器的设计
Fi 0
Q0 c A0 dX A R A ( X A ) dVr
4.4
Fi
Vr Q0 c A0

X Af
0
dX A [R A ( X A )]
4.5
dz
Fi dFi
dVr
Vr c A0 Qo

X Af
0
dX A [R A ( X A )]
X Af 0
4.6
t间歇 c A0
VrM
Q0 c A0 X A2 [ R A ( X A )]
N
Q0 c A0 X A1 Q0 c A0 ( X A2 X A1 ) VrM [R A ( X A1 )] [R A ( X A2 )]
Vrp Q0 c A0
P
0
X A1
XA
X A2

X A2
0
dX A [ R A ( X A )]
CHAPTER 4
管式反应器(PFR)
（Piston Flow Reactor）
长江大学化工学院 化学工程系
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本章内容
理想流动模型
等温管式反应器的计算
管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器 变温管式反应器的计算

dX A [R A ( X A )]
3.8
X Af
PFR tBR
等容，等X A
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4.2 等温管式反应器的设计
变容:
kc Ao 1 X A rA 1 y Ao A X A
dc A uo A 等容过程： dZ
特点
反应物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
剧烈搅拌的连续釜式 反应器－－可按全 混流处理
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4.1 活塞流假设
CSTR属全混流类的反应器
PFR：不存在返混（轴向混合），效果与间歇釜一样，t-定 时，XA、YA相同.
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
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4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
3.有极大值情况
C
1 ( R A )
若: XAf < XAm ，则 Vrp > Vrm
B
A
若： XAf > XAm ，则 Vrp 可能>、 <或= Vrm
复合反应
dc A (k1 k 2 )c A 0 d
cA cA0 exp[(k1 k2 ) ]
k1c A0 cp {1 exp[(k1 k2 ) ]} k1 k2
dccQ d
0
k 2 c A0 cQ {1 exp[(k1 k2 ) ]} k1 k2
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4.1 活塞流假设
1.基本概念
流动模型：是反应器中流体流动与返混 情况的描述，这一状况对反应结果有非 常重要的影响。
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体 粒子之间的混合称为返混，也称为逆向混合。
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dn P 0 对P的物料衡算： Vr k1c A d
对Q的物料衡算： V k c dnQ 0 r 2 A d 系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键 组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。
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4.2 等温管式反应器的设计
时, X A0 X Af
结果相当于恒定转化率下 的操作，即CSTR反应器
25 则可认为是 在实际操作中,只要 足够大，如： 等浓度操作。
X A0
X Af 1
Vr (1 )Q0c A0 X Af
1
X Af
dX A ( A )
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k1c A0 k2 cP (e e k1 ) k1 k2
k1 k2
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4.2 等温管式反应器的设计
根据空时的定义
对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均 停留时间。
question？
对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均 停留时间？ 原因是管式反应器的瞬时浓度表达式发生变化，
Q0
X A0
M
c A0
Vr
Qr Q0
X Af
Reactor
N
Vr ? c A0

X Af
?
dX A Vr (1 )Q0c A0 ( A )
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X Af
X Af 1
dX A ( A )
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4.4 循环反应器
⑵ 90％乙醛分解所需的反应体积；
⑶ 若为CSTR，则⑴、 ⑵结果如何？
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4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。
分三种情况 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况
4.5 变温管式反应器
1.管式反应器的热量衡算
假设： 管式反应器内流体流动符合活塞流假定； 反应器内温度分布：径向均匀，轴向变化 取微元体积dVr作为控制体积， 衡算依据为热力学第一定律：
dH dq

4 dt
2
dH [( A )( H r )Tr dZ Gc pt dT ]
（4.8）式
（4.9）式
间歇式
dcA A dt
基本差别：对定态的PFR，反应物系的浓度系随轴向 距离而变；与t无关， 而（4.9）式则说明间歇式物 系浓度随时间而变，与位置无关。
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4.2 等温管式反应器的设计
复合反应
对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组
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解时一般用数值法。简单情况可解析求解。
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4.2 等温管式反应器的设计
复合反应
A P, rP k1c A （主） A Q, rQ k 2 c A （副）
dn A 0 对A的物料衡算： Vr ( k1 k 2 )c A d
Vr (1 )Q0c A0 X Af
1
X Af
dX A ( A )
4.24
ψ→0：用(1＋Ψ)Q0
代替 Q0，用 XA0代替 0，即

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4.4 循环反应器
ψ→0：用(1＋Ψ)Q0 代替 Q0，用 XA0代替 0，即

0 时, X A0 0 结果相当于无循环管式反应器（4.5） 分析：
τ≠t