第四章管式反应器.ppt
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第四章第四章 管式反应器管式反应器§4.1 活活塞流假设塞流假设 §4.2 等温管式反应器设计等温管式反应器设计 §4.3 管式反应器管式反应器与釜式反与釜式反应器体积的比较应器体积的比较§4.4 循环反应器循环反应器§4.5 变温反应器变温反应器9/14/2024 重点掌握： ·等温管式反应器设计方程的推导与应用 ·管式和釜式反应器的对比 ·循环反应器的计算与分析 ·变温管式反应器的分析与计算，包括：热量衡算方程的建立、绝热温升和非绝热变温管式反应器的计算等 深入理解： ·活塞流和全混流模型的基本假设与含义，返混的基本概念广泛了解： ·拟均相的含义和模型假定9/14/2024 流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率和转化程度一、 流动状况对反应过程的影响 1. 流动情况影响 （a）(b) 内部各部分流体的停留时间不同，反应速率和最终转化率也不一样图 4.1 径向流分布§4.1 活塞流假设活塞流假设9/14/2024 2. 混合情况的影响 完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C不一样这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应的结果也不一样。
最简单的流动模型是理想流动模型，包括：活塞流和全混流模型9/14/2024 二、 理想流动模型 １.活塞流模型 ① 径向流速分布均匀； ② 轴向不存在混合 ③ 无返混 2.全混流模型（上一章详细描述过） 混合达到最大，C、T均一，返混最大 应该注意的是：理想流动模型是两种极端情况，活塞流的返混为"零"，而全混流的返混"最大"，实际反应器中的流动状况介于两者之间9/14/2024 1.轴向无返混2. 物料质点的相同3.同一截面C、T相同4.C、T沿管长连续变化假设：反应物料以稳定流量流入反应器，平行向前移动反应物料以稳定流量流入反应器，平行向前移动三、活塞流反应器的特征三、活塞流反应器的特征9/14/2024 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始) 连续加料(入口) 连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时) 年龄相同(某处) 年龄不同3寿命 寿命相同(中止) 寿命相同(出口) 寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极大反应器特性分析反应器特性分析9/14/2024 4.2 等温管式反应器设计等温管式反应器设计 1.活塞流反应器的设计方程活塞流反应器的设计方程 根据活塞流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到活塞流反应器的设计基础式。
9/14/2024 FA = （FA ＋ dFA） + rA dVR + 0 即： 9/14/2024 积分得 或 ※活塞流反应器基础设计式※恒容时 ∴（间歇反应器）（活塞流反应器）9/14/2024 对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可注意：①二者形式同，但一个是t，一个是τ（与所选择的进口状态有关）；②管式反应器恒容时，τ=t；否则，τ≠t设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么9/14/2024 对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则 时间变量转化为位置变量9/14/2024 图3.4-2 管式反应器的图解计算示意图2.图解计算图解计算9/14/2024 【例题1】 在215℃和5大气压下，均相气相反应 Ａ─→3Ｒ 在活塞流反应器中进行。
215℃时,速率式为： rA=10-2CA0.5(mol/l·s)， 原料气中含有50％A和50％惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为80％时所需的时间 【解】根据题所给出的已知条件有： yA0＝0.5 δA＝ 9/14/2024 图解积分数值积分解析积分rA＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5τ＝＝100CA00.59/14/2024 对多相催化反应，如果两相间的传质和传热的速率很大，则两者的浓度及温度的差异将很小，可忽略，此时动力学表征上与均相反应相同此简化模型称为拟均相模型 4.3 拟均相模型式中 为催化剂的堆密度Vr催化剂的堆体积W催化剂的质量9/14/2024 §4.5 反应器型式和操作方式的评选反应器型式和操作方式的评选 本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程经济性的主要因素出发，就单一反应和复合反应来分别讨论其反应器型式和操作方法的评选 9/14/2024 一、单一反应一、单一反应 不存在副反应，反应器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高 反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种情况：活塞流反应器体积：活塞流反应器体积：全混流反应器体积：全混流反应器体积：9/14/2024 (1)1/rA随xA的增大呈单调上升 对于n＞0的不可逆等温反应均有图示的特征。
Q0、CA0、T、xAf相同 Vrp或间< VrM-串< VrM图 不同反应器所需的体积(τ=V/Q0)9/14/2024 • (2) 1/rA 随xA的增大而单调下降 对于n>0的不可逆等温反应均具有此性状 Vrp或间> VrM-串> VrM不同反应器所需的体积(τ=V/Q0)9/14/2024 (3) 1/rA对xA的曲线上存在着极小值自催化反应和绝热操作的放热反应具有这种特征A. xA< xAM VP>VMB. xA=xAf ‘ VP= VM；C. xA>xAf’ VP< VM 全混流反应器串联活塞流反应器最优9/14/2024 二、复合反应以目的产物选择性最大为目标函数，由瞬时选择性的定义：对于BSTR或PFR：9/14/2024 对于全混流反应器，瞬时选择性与总选择性相同： 从上述讨论看，复合反应的产物分布不仅与反应的型式、反应动力学特性有关，而且还与反应器的型式有关9/14/2024 1.一级不可逆连串反应 P是目的产物对于BSTR或PFR中P的最大浓度： 对于CSTR中P的最大浓度： 将上面两式相除，并以 对 作图：9/14/2024 活塞流反应器对产物P来说总是优于全混流反应器。
图3.5-4 活塞流反应器与全混流反应器的比较9/14/2024 2.不可逆平行反应 P是目的产物 P的瞬间选择性与CA之间可能有三种变化形状： (1) 随CA的增大而单调地增大 应选用无返混的活塞流反应器 (a)活塞流最优，多釜串联次之，全混流反应器最差9/14/2024 (2) s随CA的增大而单调地下降，返混，以CSTR为最优 (b)全混流最优，多釜串联全混流次之，活塞流最差9/14/2024 (3) s ～CA曲线存在最大值 反应前期返混有利，后期不利，应采用CSTR后串接PFR为最优 平行反应 反应器比较的图解示意(c)全混流串接活塞流最优，活塞流次之，全混流最差9/14/2024 【例题2】在一定的反应温度下Ａ发生下述平行反应： 其中Ｒ是主产物，Ｓ是副产物反应原料为纯的Ａ，其初始浓度为10kmol/m3。
在反应器出口Ａ的转化率为80％比较当上述反应在全混釜和平推流反应器中进行时，Ａ转化为Ｒ的选择性、Ｒ的收率以及反应物的停留时间有什么不同在反应过程中体积的变化可以忽略不计 9/14/2024 【解】(1) 全混釜 9/14/2024 9/14/2024 9/14/2024 9/14/2024 四、循环反应器四、循环反应器 对于很多反应过程，如合成氨、合成甲醇等过程，由于化学平衡的限制，单程转化率并不高，为了提高原料的利用率，将出口（含有大量的反应物）的物料进行循环具有循环操作的活塞流反应器9/14/2024 对M点作物料A的衡算9/14/2024 时， XAi=0 活塞流 时，XAi→XAf 全混流实际上，当 时，即可认为反应器达到了全混状态9/14/2024 4.5 变温管式反应器管式反应器的反应多是在绝热或变温条件下操作管式反应器的反应多是在绝热或变温条件下操作热量衡算式联立求解联立求解浓度分布浓度分布温度分布温度分布物料衡算式工业上反应器： 难于作到等温操作 对于可逆的热反应，等温并不一定好，有最佳温度分布 对于复杂反应，温度T影响产物分布（PD）9/14/2024 考虑如图所示的活塞流反应器，截取—段容积为dVR的微元段，微元段长度为dZ，在微元段内反应转化率的变化为dxA、温度变化为dT，由此对微元体作热量平衡：活塞流反应器的热量衡算示意图一一、、管式反应器的热量衡算式管式反应器的热量衡算式9/14/2024 设单位截面积反应流体的质量流量为G，管径为dt，流体在微元段中恒压比热容为CPt：①流体流入微元段带入的热量 ②流体流出微元段带出的热量 ③流体在微元段反应放出的热量 ※④从微元段传给换热介质的热量 9/14/2024 带入的热量－带出的热量＋反应放出的热量－传给换热介质的热量=0即： (a)——管式反应器—间歇釜式反应器差别在于： 自变量：t时间（间歇釜） 距离Z（管式反应器） 衡算范围：整个反应器（间歇釜） 微元体（管式反应器）9/14/2024 对微元段的物料衡算为： (ωA0：反应器入口处A的质量分率) (b) 将式(b)代入式(a)整理得： ——温度与转化率的关系 对多个反应：(C)9/14/2024 二、绝热操作 若不考虑热容随物料组成及温度的变化，积分上式得：绝热操作时U=0，由可得为T0T之间反应物系的平均热容上式与间歇反应器、全混流反应器在绝热情况推导出的公式完全一样，所以绝热方程适用于各类反应器。
绝热温升绝热温升重要的工程概念重要的工程概念9/14/2024 虽然上式反映了三类反应器在绝热条件下操作温度与转化率的关系，但本质上还是有区别的：·管式反应器--不同位置上的T～XA关系； ·间歇釜式反应器--不同时间下的T～XA关系； ·连接釜式反应器--在等温下操作，在出口处的XA一定、温度T也一定 9/14/2024 具体解题步骤：(1).给出XAi用①式求Ti(2).由Ti用③式计算ki , rAi(3).由ΔXAi 、ki , rAi等数据用②式计算VRi或 zi ②③ 绝热反应器的求解要用下面三个式子联立： ①9/14/2024 以xA 对温度T作图可得一条直线，直线的斜率等于1/λ 放热反应，λ＞0，直线斜角＜90 ° 吸热反应，λ＜0，直线斜角＞90° 等温反应，λ＝0，直线斜角＝90°9/14/2024 一般来说，绝热操作为管式反应器对于可逆放热反应，要具体分析。
吸热反应，XA，T不可逆放热反应XA，T 选择较高的进料温度图4.8 可逆放热反应的X与T的关系设三个进料温度TA，TB，TC，其中TB较好（对于XAf而言）XAf↑，To↓（从图中可以看到）存在一最佳反应温度，使得VR最小9/14/2024 绝热管式反应器的最佳进料温度XAf " >X Af '>XAf 9/14/2024 绝热反应器的不足之处在于：反应器的进出口温差太大 如果为可逆放热反应，T↑，平衡转化率↓ 产物分布的控制也不容易作到 对于可逆吸热反应，T↓速率变慢 3.非等温、非绝热操作 换热介质的选定：根据所控制的温度范围确定，原则应保持温差不宜过大，以免传热速率太快，操作不稳定例如： 高温--烟道气、熔盐、高压蒸气等； 低温--水、空气等也可以适当安排利用产物的余热来加热原料9/14/2024 非等温、非绝热操作，应将物料衡算式、热量衡算式及动力学方程联立求解下面给出两种传热情况的计算方法 ①热交换速率恒定 =常数 对热量衡算式逐项积分得 或写成：用式(a)或 式(b)可以得反应器内温度随转化率的变化情况。
a)(b)9/14/2024 ②给热系数U恒定的情况∵ ∴积分得： 此式的求解只能用试差法(或用数值积分法) 9/14/2024 4.6 管式反应器的最佳温度序列4.6.1 单一反应目标：生产强度最大①可逆放热反应，等温操作速率方程为：令可得达到某一转化率时的最佳操作温度9/14/2024 ②可逆放热反应，变温操作按最佳温度线操作③不可逆放热反应或可逆吸热反应，等温操作尽可能在充许的高温条件下操作④不可逆放热反应或可逆吸热反应，变温操作温度应逐渐升高9/14/2024 4.6.2 复合反应目标：生产强度最大+目标产物收率最大特点：高温有利于活化能大的反应低温有利于活化能小的反应①平行反应目标产物 E1E2目标温度序列：生产强度最大先低后高；目标产物收率最大低温9/14/2024 ②连串反应E1E2低温高温③复杂反应P为目标产物9/14/2024 三类反应器的比较9/14/2024 结论：(1) 等体积下，PFR 的 的 (2) 高级数的反应，返混对 影响显著9/14/2024 9/14/2024 2 浓度分布 ------ 推动力反应推动力随反应时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等于出口处反应推动力BatchCSTRPFR9/14/2024 反应器设计的基本方程某组分流入量某组分流入量= =某组分流出量某组分流出量+ +某组分反应消耗量某组分反应消耗量+ +某组分累积量某组分累积量反应消耗累积流入流入流出流出反应单元反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00√√平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度√√√0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器√√√0非稳态非稳态√√√√9/14/2024 热量衡算方程带入的热焓带入的热焓= =带出的热焓带出的热焓+ +反应热反应热+ +热量的累积热量的累积+ +传给环境的热量传给环境的热量反应热累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00√√平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度√√√0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器√√√0非稳态非稳态√√√√传给环境传给环境9/14/2024 5 理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合与反应体积比较平推流全混流(a)(b)反应器体积相同，一级不可逆反应9/14/2024 出口浓度Caf ：转化率Xaf ：9/14/2024 6 理想流动反应器中的多重反应理想流动反应器中的多重反应9/14/2024 两个反应物两个反应物A+BL(主反应)M(副反应)12间歇操作n1>n2, m1>m2CA, CB 都高都高a1
的比值有关全混流反应器最佳反应时间最佳反应时间最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率(*)(*)9/14/2024 1.xA,k2/k1相同时，相同时，BSTR和和PFR比比CSTR好好2.k2/k1<<1, 低转化率下操作低转化率下操作3.k2/k1>>1, 高转化率下操作高转化率下操作9/14/2024 9/14/2024 9/14/2024 。
