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管式反应器


管式反应器
所规定的条件和给定数据, 改用活塞流反应器生产乙二醇, 4.2 根据习题 3.2 所规定的条件和给定数据, 改用活塞流反应器生产乙二醇, 试计算所需的反应体积,并与间歇釜式反应器进行比较。 试计算所需的反应体积,并与间歇釜式反应器进行比较。 题给条件说明该反应为液相反应,可视为恒容过程, 解:题给条件说明该反应为液相反应,可视为恒容过程,在习题 3.2 中已

算出: 算出:

Q0 = 275.8l / h
所以,所需反应器体积: 所以, 所需反应器体积:

C A 0 = 1.231mol / l

Vr = Q0C A0 ∫ =

XA

0

dX A kC A0 (1 ? X A )(C B 0 ? C A0 X A )

Q0 XA 275.8 0.95 = = 818.6l kC A0 1 ? X A 5.2 × 1.231 1 ? 0.95

由计算结果可知,活塞流反应器的反应体积小,间歇釜式反应器的反应体积大, 由计算结果可知,活塞流反应器的反应体积小,间歇釜式反应器的反应体积大, 这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯: 4.4 在内径为 76.2mm 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯:

C2 H 6 ? C2 H 4 + H 2
2.026× 815℃ 50%(mol)C 反应压力及温度分别为 2.026×105Pa 及 815℃。进料含 50%(mol)C2H6,其余为水 蒸汽。 0.178kg/s。反应速率方程如下: 蒸汽。进料量等于 0.178kg/s。反应速率方程如下:

?

dpA = kpA dt
?1

式 中 pA 为 乙 烷 分 压 。 在 815 ℃ 时 , 速 率 常 数 k = 1.0 s

,平衡常数

K = 7.49 × 104 Pa ,假定其它副反应可忽略,试求: 假定其它副反应可忽略,试求:
此条件下的平衡转化率; (1) (1) 此条件下的平衡转化率; ) 50%时 所需的反应管长。 (2) (2) 乙烷的转化率为平衡转化率的 50%时,所需的反应管长。 ) (1 乙烷, 乙烯, 解: 1)设下标 A—乙烷,B—乙烯,H—氢。此条件下的平衡转化率可按平 ( 衡式求取: 衡式求取:

Kp =

pB p H pA

νi p X ν A A0 A pi = 1 + y A 0δ A X A ν y i 0 ? i y A0 X A νA yi = , 1 + y A0δ A X A
pi 0 ? y A0 = 0.5 ,δ A= yA

pi = y i P

1 + 1-1 =1 1 y ? y A0 X A 0.5( 1 ? X A e ) = A0 = 1 + y A0δ A X A 1 + 0 .5 X A e

yB = yH 0?

νB y X ν A A0 A = 1 + y A 0δ A X A
y B0 ? 1 * 0 .5 * X A e 0 .5 * X A e ?1 = 1 + 0 .5 X A e 1 + 0 .5 X A e

=

K=

0 .5 X 2 pB pH y y P2 Ae = B H = P = 7.49 * 14 4 pA yAP ( 1 + 0.5 X Ae )( 1 ? X Ae )

X Ae = 0.61

为基准,反应前后各组分的含量如下: 若以 1 摩尔 C2H6 为基准,反应前后各组分的含量如下:

C 2 H 6 ? C 2 H 4 + H 2 , H 2O , ∑
反应前 1 0 平衡时 1- Xe Xe 因此,平衡时各组分分压为: 因此,平衡时各组分分压为: 0 Xe 1 2 1 2+ Xe

pB =

P1 X e PX P (1 ? X e ) , pH = 1 e , p A = 1 2 + Xe 2 + Xe 2 + Xe

将其代入平衡式有: 将其代入平衡式有:

Xe 2 1 ? Xe ) × 2.026 × 105 / = 7.49 × 104 2 + Xe 2 + Xe 解此一元二次方程得: 解此一元二次方程得: X e = 0.61 (
(2) (2) 所需的反应管长:首先把反应速率方程变为 ) ) 所需的反应管长:

?

d ( pA / RT ) kp A = , kmol / m 3 . s dt RT

以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知: 以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知:

FA0 = X Af

0.178 × 0.5 = 0.0037kmol / s 30 × 0.5 + 18 × 0.5 = 0.5 X Ae = 0.305

代入物料衡算式有

Vr = FA0 ∫

X Af

0

dX A 1 ? X A P1 k( ) 2 + X A RT

=

0.0037 × 8.314 × 103 × 1088 0.305 2 + X A 3 5 ∫0 1 ? X A dX A = 0.13m 1 × 2.026 × 10

其反应管长: 其反应管长:

L=

0.13 = 28.8m (0.0762)2 × 3.14 / 4

4.8 在管式反应器中 400℃等温下进行气相均相不可逆吸热反应,该反应的 400℃等温下进行气相均相不可逆吸热反应, 39.77kJ/mol。现拟在反应器大小, 活化能等于 39.77kJ/mol。现拟在反应器大小,原料组成及出口转化率均保持不 变的前提下(采用等温操作) ,增产 5%,请你拟定一具体措施(定量说明) 。设 变的前提下(采用等温操作) 增产 35%,请你拟定一具体措施(定量说明) 设 , 。 气体在反应器内呈活塞流。 气体在反应器内呈活塞流。 题意要求在反应器大小,原料组成和出口转化率均保持不变,由下式: 解:题意要求在反应器大小,原料组成和出口转化率均保持不变,由下式:

Vr / Q0 = C A0 ∫

XA

0

dX A kf ( X A )

可知, 与反应速率常数成正比, 有关,所以, 可知,Q0 与反应速率常数成正比,而改变反应温度又只与 k 有关,所以,提高反 应温度可使其增产。具体值为: 应温度可使其增产。具体值为:
?

Q02 / Q01 = k2 / k1 =

Ae Ae

39770 8.314T2

39770 ? 8.314×673

=

1 + 0.35 = 1.35 1

解此式可得: =702.7K。 下操作, 35%。 解此式可得:T2=702.7K。即把反应温度提高到 702.7K 下操作,可增产 35%。 所给定的条件和数据,改用活塞流反应器, 4.9 根据习题 3.8 所给定的条件和数据,改用活塞流反应器,试计算苯酚的 产量,并比较不同类型反应器的计算结果。 产量,并比较不同类型反应器的计算结果。 用活塞流反应器: 解:用活塞流反应器:

Vr / Q0 = C A0 ∫

XA

0

dX A 1 1 = ln kC A0 (1 ? X A ) k 1 ? X A

将已知数据代入得: 将已知数据代入得:

0.3 1 1 = ln Q0 0.08 1 ? 0.989
解得: 所以苯酚产量为 产量为: 解得: Q0 = 0.319m / min ,所以苯酚产量为:
3

FA0 X A = Q0C A0 X A = 0.319 × 3.2 × 0.989 = 1.01kmol / min = 1.09 × 94kg / min = 94.99kg / min
的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量, 由计算可知改用 PFR 的苯酚产量远大于全混流反应器的苯酚产量,也大于间歇 式反应器的产量。但间歇式反应器若不计辅助时间,其产量与 PFR 的产量相同 式反应器的产量。 但间歇式反应器若不计辅助时间, 当然要在相同条件下比较) (当然要在相同条件下比较) 。


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