化学反应工程第四章课件.ppt

第四章第四章 管式反管式反应器器天津大学化工学院天津大学化工学院反反应工程教学工程教学组1.第四章 管式反应器天津大学化工学院1.理想流理想流动模型模型 等温管式反等温管式反应器器设计 管式与釜式反管式与釜式反应器反器反应体体积的比的比较 循循环反反应器器 变温管式反温管式反应器器计算算本章内容本章内容2.理想流动模型本章内容2.4.1 理想流理想流动模型模型 流流动模型：反模型：反应器中流体流器中流体流动与返混情况的描述与返混情况的描述返混：在流体流返混：在流体流动方向上方向上停留停留时间不同的流体不同的流体粒子之粒子之间的混合称的混合称为返混，也称返混，也称为逆向混合逆向混合1)(1)径向流速分布均匀径向流速分布均匀 (2)(2)轴向上无返混向上无返混 活塞流模型（平推流）活塞流模型（平推流）层流流湍流湍流活塞流活塞流(1)(1)径向上物料的所有参数都相同径向上物料的所有参数都相同(2)(2)轴向上不断向上不断变化化基本基本假定假定特点特点3.4.1 理想流动模型 流动模型：反应器中流体流动与返混情况l管径管径较小，流速小，流速较大的管式反大的管式反应器可按器可按活塞流活塞流处理理4.1 理想流理想流动模型模型 全混流模型全混流模型 径向混合和径向混合和轴向返混都达到最大向返混都达到最大反反应物系的所有参数在径向上均一，物系的所有参数在径向上均一，轴向上向上也均一，即：各也均一，即：各处物料均一，均物料均一，均为出口出口值基本假定基本假定特点特点 l剧烈烈搅拌的拌的连续釜式反釜式反应器可按器可按全混流全混流处理理4.管径较小，流速较大的管式反应器可按活塞流处理4.1 理想流动4.2 4.2 等温管式反等温管式反应器的器的设计进入量入量=排出量排出量+反反应量量+累累积量量4.2.14.2.1单一反一反应单一反一反应比比较5.4.2 等温管式反应器的设计进入量=排出量+反应量 4.2.2 4.2.2 复合复合反反应4.2 4.2 等温管式反等温管式反应器的器的设计l平行反平行反应恒容恒容过程程6.4.2.2 复合反应4.2 等温管式反应器的设计平行反应恒容4.2.2 4.2.2 复合复合反反应4.2 4.2 等温管式反等温管式反应器的器的设计l连串反串反应恒容恒容过程程k1 k27.4.2.2 复合反应4.2 等温管式反应器的设计连串反应恒容例：例：4.24.2在活塞流反在活塞流反应器（器（PFRPFR）中，于）中，于923923K K等温下等温下进行丁行丁烯脱脱氢反反应生生产丁二丁二烯：C4H8 C4H6+H2C4H8 C4H6+H2原料气原料气为丁丁烯与水蒸汽的混合气，丁与水蒸汽的混合气，丁烯的摩的摩尔分数分数10%10%，操作，操作压力力为10105 5 PaPa，973K973K时，k=1.07910k=1.07910-4-4 kmol/kmol/(h(h.m m3.3.Pa)Pa)若要丁若要丁烯的的转化率达化率达35%35%，空，空时为多少？多少？解解8.解8.例例4.4 4.4 管式，管式，4.054.05MPa,936KMPa,936K下下进行如下反行如下反应yT0=25,yH075,流速流速0.1m/s,求求XTf=80%时(1)所需的反所需的反应器器长度度(2)二甲基二甲基萘、一甲基、一甲基萘及及萘的收率的收率独立反独立反应数？数？关关键组分？分？解解T T、D D、M M9.例4.4 管式，4.05MPa,936K下进行如下反应yT0恒恒容容设计方程方程速率方速率方程程变换(XT,YD,YM)10.恒容设计方程速率方程变换(XT,YD,YM)10.051015200.00.20.40.60.81.0(反反应器器长度度)11.051015200.00.20.40.60.81.0(反应器4.2.3 4.2.3 拟均相模型均相模型例例4.5 0.124.5 0.12MPa,898K,MPa,898K,乙苯脱乙苯脱氢ASH乙苯乙苯/水蒸气水蒸气1:20,X1:20,XA A=60%,=60%,催化催化剂用量用量=?=?解解12.4.2.3 拟均相模型例4.5 0.12MPa,898K4.3 4.3 管式与釜式反管式与釜式反应器反器反应体体积的比的比较1.1.正常正常动力学力学相同条件下，相同条件下，PFR所需的所需的反反应体体积小于小于CSTR和和BRCSTR单釜釜CSTR两釜串两釜串PFR或或BR13.4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较1.正常动力学相同条件4.3 4.3 管式与釜式反管式与釜式反应器反器反应体体积的比的比较2.2.反常反常动力学力学OCSTR单釜釜CSTR两釜串两釜串PFR或或BR结论？14.4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较2.反常动力学OCST3.3.有极大有极大值情况情况4.3 4.3 管式与釜式反管式与釜式反应器反器反应体体积的比的比较15.3.有极大值情况4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较15.例：例：4.6 等温下等温下进行如下反行如下反应：操作温度下平衡常数已知，且操作温度下平衡常数已知，且进料料浓度度给定，求当定，求当辛醇辛醇转化率达化率达30%时，计算反算反应体体积。

PFR和和CSTR）HCl(A)+CH3(CH2)6CH2OH(B)CH3(CH2)6CH2Cl+H2OHCl(A)+CH3(CH2)10CH2OH(C)CH3(CH2)10CH2Cl+H2O（1 1）PFRPFR反反应器器解解设计方程（方程（B B、C C）16.例：4.6 等温下进行如下反应：操作温度下平衡常数已知，且（2）采用）采用CSTR反反应器器设计方程（方程（B B、C C）17.（2）采用CSTR反应器设计方程（B、C）17.ReactorM4.4 4.4 循循环反反应器器32118.ReactorM4.4 循环反应器32118.4.5 变温管式反温管式反应器器4.5.1 管式反管式反应器的器的热量衡算量衡算反反应器内流体流器内流体流动符符合活塞流假定合活塞流假定反反应器内温度分布径器内温度分布径向均匀，向均匀，轴向向变化化控制体控制体积基本基本假假设热力学第力学第一定律一定律dVr19.4.5 变温管式反应器4.5.1 管式反应器的热量衡算（4.26）反反应热温度温度变20.（4.26）反应热温度变20.单一一反反应复合反复合反应？21.单一反应复合反应？21.4.5.2 绝热管式反管式反应器器绝热22.4.5.2 绝热管式反应器绝热22.吸吸热反反应等温等温反反应放放热反反应ABCtZZAZBZCtBtctABRCSTR PFRT,XAABCXAXA1XA2XA3T0TATBTCTO23.吸热反应等温反应放热反应ABCtZZAZBZCtBtctAB图4.8 可逆放可逆放热反反应温度与温度与转化率关系化率关系24.图4.8 可逆放热反应温度与转化率关系24.图4.9 绝热管式反管式反应器最佳器最佳进料温度料温度25.图4.9 绝热管式反应器最佳进料温度25.（1 1）催化）催化剂用量用量（2 2）反）反应器器轴向温度与向温度与转化率分布化率分布例例4.7 4.7 绝热管式反管式反应器器计算算26.（1）催化剂用量例4.7 绝热管式反应器计算26.等等温温过程程绝热过程程27.等温过程绝热过程27.管式反管式反应器器绝热操作温度与操作温度与浓度分布度分布图28.管式反应器绝热操作温度与浓度分布图28.4.5.3 非非绝热变温管式反温管式反应器器（1 1）催化）催化剂用量用量（2 2）反）反应器器轴向温度与向温度与转化率分布化率分布例例4.4.8 8 非非绝热管式反管式反应器器计算算29.4.5.3 非绝热变温管式反应器（1）催化剂用量例4.8 等等温温过程程绝热过程程非非绝热变温温过程程30.等温过程绝热过程非绝热变温过程30.过程程等温等温T=898K绝热T0=898K非非绝热T0=898K催化催化剂用量用量/Kg 172549493135XAf=60%时催化催化剂用量用量31.过程等温T=898K绝热非绝热催化剂用量/Kg17254944.6 管式反管式反应器的最佳温度序器的最佳温度序列列4.6.1 单一反一反应l等温操作等温操作l变温操作温操作l不可逆或可逆吸不可逆或可逆吸热反反应?l可逆放可逆放热反反应?单一反一反应：生：生产强度最大度最大复合反复合反应：目的：目的产物的收率（物的收率（选择性）最大性）最大可逆放可逆放热反反应32.4.6 管式反应器的最佳温度序列4.6.1 单一反应等温4.6.2 复合反复合反应平行反平行反应生生产强度最大度最大P选择性最大性最大先低温后高温先低温后高温低温低温E1E2?连串反串反应1.等温反等温反应，不存在最佳温度，不存在最佳温度 若若E E1 1EEE2 2,则温度越高越好温度越高越好2.非等温反非等温反应若若E1E2,则温度温度应先高后低先高后低33.4.6.2 复合反应平行反应生产强度最大P选择性最大先低例例4.9：等温操作等温操作时最最优操作温度的操作温度的计算算最最优化目化目标：P收率最大收率最大Topt设计方程方程34.例4.9：等温操作时最优操作温度的计算最优化目标：P收率最大。