任务5连续管式反应器设计

任务5连续操作管式反应器设计化学反应过程与设备任务6反应器的设计与操作优化任务5管式反应器的计算生产中细长型的连续操作管式流动反应器可近似地看成理想置换反应器，简称PFR。即理想连续操作管式反应器。特征：同一截面上不同径向位置的流体特性（T，CA）是一致的。所有物料在反应器中的停留时间相同,即无返混.操作时，反应器内的状态只随轴向位置变，不随时间变管式反应器内流体的流动属于平推流。即各点物料浓度、温度和反应速度沿流动方向而发生改变。而在与流动方向相垂直的方向上混合均匀2连续操作管式反应器具有以下特点：1.在正常情况下，它是连续定态操作，故在反应器的各处截面上，过程参数不随时间而变化；2.反应器内浓度、温度等参数随轴向位置变化，故反应速率随轴向位置变化；3.由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度分布。一、基础设计方程式3

连续操作管式反应器的基础计算方程式，可由物料衡算式导出。由于连续操作，反应器内流体的流动处于稳定状态，如图所示，没有反应物积累。由于沿流体流动方向物料的浓度、温度和反应速率不断地变化，而反应器内各点的浓度、反应速率都不随时间变化，因此，以反应物A作物料衡算：

衡算范围：PFR基本方程衡算对象：物料衡算反应物A单位时间τ,单位反应器体积V即：Δτ、dvR即因为则将上式代入物料衡算式（5-1）得：式中——反应组分A进入反应器的流量，；

——反应组分A进入微元体积的流量，（5-1）（5-2）6

式（5-2）即为连续操作管式反应器的基础计算方程式。将其积分，可用来求取反应器的有效体积和物料在反应器中的停留时间：（5-3）（5-2）因为，则式（5-3）又可写成：得式中——物料在连续操作管式反应器中的停留时间，h；——物料进口处体积流量，

应当注意，由于反应过程物料的密度可能发生变化，体积流量也将随之变化，则只有在恒容过程，称为物料在反应器中的停留时间才是准确的。（5-4）8二、恒温恒容管式反应器计算连续操作管式反应器在恒温恒容过程操作时，可结合恒温恒容条件，计算出达到一定转化率所需要的反应体积或物料在反应器中的停留时间。如一级不可逆反应，其动力学方程式为在恒温条件下为常数，而恒容条有，并将其代入式（5-4）得：（2-77）（5-4）9对于二级不可逆反应，其动力学方程式为若，同理可得：（5-6）10等容恒温过程与间歇反应器的公式相同

将物料在间歇操作釜式反应器的反应时间与在连续操作管式反应器的停留时间的计算式相比，可以看出在恒温恒容过程时是完全相同的，即在相同的条件下，同一反应达到相同的转化率时，在两种反应器中的时间值相等。11这是因为在这两种反应器内，反应物浓度经历了相同的变化过程，只是在间歇操作釜式反应器内浓度随时间变化，在连续操作管式反应器内浓度随位置变化而已。也可以说，仅就反应过程而言，两种反应器具有相同的效率，只因间歇操作釜式反应器存在非生产时间，即辅助时间，故生产能力低于连续操作管式反应器。12例5-1：在一连续操作管式反应器中生产乙酸乙酯，其操作条件和产量同例2-5，试计算所需反应器有效体积.解：由例2-5知CA0=1.8kmol/h,V0=0.979m3/(kmol.min),xAf=0.5。代入式（5-6）三、恒温变容管式反应器计算反应过程中，因反应温度变化，会发生物料密度的改变，或物料的分子总数改变，导致物料的体积发生变化。通常情况下，液相反应可近似作恒容过程处理。但当反应过程密度变化较大而又要求准确计算时，就要把容积变化考虑进去。

对于气相总分子数变化的反应，容积的变化更应考虑。由它引起的容积、浓度等的变化，可用下述诸式表示：式中——反应系统在操作压力为P、温度为T、反应物的转化率为时物料的总体积流量，m3/s。恒温变容管式反应器计算公式化学反应速率方程计算式AP（零级）-rA=kAP（一级）-rA=kCA2APA+BP（cA0=cB0)（二级）-rA=kCA215例5-2:下述气相反应在恒温下进行：

A+BP物料在连续管式反应器中的初始流量为360m3/h,组分A与B的初始浓度均为0.8kmol/m3,其余惰性物料浓度为2.4kmol/m3,k为8m3/(kmol.min),求组分A的转化率为90%是反应器的有效体积。16由于化学反应都伴随着热效应，有些热效应还相当大，即使采用各种热换方式移走热量或输入热量，对于大的工业反应装置来说都很难保证等温。对于烃类热裂解等均相平推流管式反应器的设计，只有物料衡算是不够的，还要对反应进行热量衡算，特别是工业上常用的绝热反应器更是如此。绝热反应器反应区与环境无热量交换的一种理想反应器。反应区内无换热装置的大型工业反应器，与外界换热可忽略时，可近似看作绝热反应器四、绝热连续管式反应器的设计17四、绝热连续管式反应器的计算基本方程热量衡算：单位时间、单位体积、基准温度Tb=0℃进入反应器的物料带入的热量：反应器内的物料和外界交换的热量：无热量交换0反应器内累积的热量：0发生反应的热效应热量：离开反应器的物料带出的热量：18绝热连续管式反应器的计算基本方程一般情况下：由于衡算范围是单位体积，物衡:（2-79）可简化为19四、绝热连续管式反应器的计算为了便于计算，可将绝热方程简化为：反应在进口温度T0下恒温进行，使转化率从xA0变为xAf。则化学反应热应取温度在T0时的数值△HT反应后的混合物由T0升温到温度T，七升温过程的热量为△Hp,若取cp为T0~T范围内的平均值，则20五、变温管式反应器的计算绝热管式反应器即：积分得：如果反应过程无物质的量的变化，则21任务6反应器的设计与操作优化化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型。设计计算优化是根据给定生产能力确定反应器类型、结构和适宜的尺寸及操作条件。操作优化是指反应器操作根据各种因素变化对操作条件作出调整，使反应器在最优条件下运转，以达到优化的目标。化学反应过程的技术目标有：反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。22任务6反应器的设计与操作优化

不同类型反应的优化目标：对简单反应：只需考虑反应速率（不存在选择性问题）对复杂反应：选择性为主要技术目标，选择性的本质是生成目的产物的主反应速率与生成副产物的副反应速率的比值。所以，应根据反应选择性要求确定优化的温度和浓度条件。23任务三反应器的计算与操作优化优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。化学因素：包括反应类型及动力学特性工程因素：包括

反应器型式：管式、釜式反应器及返混特性操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分批或分段加料等

操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度或温度分布24影响物理过程（流体流动、传质、传热）影响空间和时间上的浓度和温度分布影响对于某个具体反应，选择反应器型式、操作条件、操作方式主要考虑化学反应本身的特征和反应器特征，最终选择的依据将取决于所有过程的经济性。即生产能力和选择性任务5反应器的设计与操作优化影响反应器型式化学反应过程（动力学特性）反应体系25影响影响过程的经济性反应器的大小产物分布（选择性、收率等）单一反应复合反应复合反应任务三反应器的计算与操作优化26（一）简单反应的反应器生产能力的比较简单反应是指只有一个反应方向的过程。其优化目标只需考虑反应速率，而反应速率直接影响反应器生成能力。即：对简单反应，单位时间、单位体积反应器所能得到的产物量，为达到给定生产任务所需反应器体积最小为最好。换句话说，若反应器体积相同，连续操作管式反应器所达到的转化率比连续操作釜式反应器更高。27对间歇操作釜式反应器，其反应时间为：可知τm=τp，也就是在间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器中进行，反应时间是相同的，但是间歇操作需要辅助时间，需要反应器体积比连续操作管式反应器体积要大。1.间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较对连续操作管式反应器，其反应时间为：282.连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较釜式:管式:釜式:管式:29釜式与管式比较:30恒温恒容过程：2.连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较

或用对比时间和对比体积对n、xAf作图，可以看到有效体积比随不同反应达到不同转化率时的变化关系。31

n=0.25n=0.5n=1n=2n=3

10100

N级反应在恒温恒容单个反应器中的性能比较右图可以看出，当转化率很小时，反应器受流动状态的影响较小。当转化率趋于0时，VRC=VRP

随着转化率增加，两种反应器体积比相差愈来愈显著。结论：对高转化率的反应，宜采用连续管式反应器。从连续操作釜式反应器和管式反应器计算公式出发：图不同反应器所需的体积(τ=V/V0)（二）多只串联连续操作釜式反应器32对同一反应达到同一转化率，用下图表明两种反应器体积比。单台连续操作釜式反应器体积大于管式反应器体积图不同反应器所需的体积(τ=V/V0)（二）多只串联连续操作釜式反应器33

多釜串联连续操作釜式反应器：图不同反应器所需的体积(τ=V/V0)（二）多只串联连续操作釜式反应器34

1、多釜串联连续操作釜式反应器的优化当物料处理量、进料组成及最终转化率相同时，如何确定级数m和各级的体积，使总体积最小。考察各级转化率xA1、x­A2、……x­Am和反应器体积VR的关系，最佳分配xA1、xA2、……xAm－1，使VR最小。（三）组合反应器的优化35为使VR最小，将上式分别对xA1、xA2、……xAm－1求偏导数，并令之为零：对于等温等容过程，计算VR，则有从以上共m-1个方程，可解出m-1个待定量(xA1、xA2、……xAm－1)36以一级不可逆反应为例即：化简后：即：可见这时：上式表示：当一级不可逆反应时，各级的体积相等时，总反应体积最小。对于其它级数的反应呢？P7237

382.过程的优化自催化反应是复合反应中的一类。其主要特点是反应产物能对该反应过程起催化作用，加速该反应过程的进行。这类反应在生化反应过程中频繁出现。反应1反应2反应速率方程：(-rA)=K2CACP

自催化反应速率规律2.自催化反应过程的优化

通常k2值远大于k1。在反应初期，尽管反应物的浓度较高，但产物浓度很低，所以总反应速率较低。随着反应的进行，产物P浓度不断增加，反应速率将是增加的。当反应进行到某一时刻时，反应物浓度的降低对反应速率的影响超过了产物浓度增加对反应速率的影响，反应速率开始下降。可见，自催化反应过程基本特征是存在一个最大反应速率。40特性：反应1的动力学方程为：反应2的动力学方程为：A组分的消耗速率为：在整个反应过程中，A组分被反应掉了，但生成了等量的P组分，则A与P的总摩尔数是恒定的，即41A组分的消耗速率为：分离变量积分得：42最大反应速率对应的反应物浓度为：

根据自催化反应存在最大反应速率点的特征，在反应器选型时，根据不同转化率要求，选用不同的反应器及其组合类型以减小反应器体积。432、自催化反应过程的优化以XA对1/(-rA)作图。如果自催化反应所要求的转化率小于等于最大反应速率时的转化率（XA1）,如c图，为达到相同转化率，连续操作釜式反应器比连续操作管式反应器体积小，表明返混是有利因素。44②转化率足够高时，如图(a)所示，返混导致整个反应器处于低的原料浓度，反应速率很低，所以，为达到相同转化率，用连续操作釜式反应器所需体积大于管式反应器。但应注意，自催化反应要求进料中必须保证有一些产物，否则平推流反应器是不适宜的，此时应采用循环反应器。45连续操作釜式反应器与连续操作管式反应器中等转化率时，如图(b)所示，用连续操作釜式反应器和管式反应器体积差别不大。46自催化过程反应器组合的最优化反应器最优组合：为了使得反应器的总体积最小，可选用一个连续操作釜式反应器，使反应器在最高速率点处进行反应。为了充分利用原料，达到高的转化率，在一个连续操作釜式反应器后串联一连续操作管式反应器，控制在最高速率组成下操作，然后接一个连续操作管式反应器。4748反应器最优组合：也可在一个连续操作釜式反应器后接一分离装置，连续操作釜式反应器控制在最高速率点处操作。例：对于具有如图所示反应特征的反应，浓度从1mol/l到0.1mol/l,如何选择合适的反应器组合,使总体积最小？(在图中注明阴影)1/-rA

490.4解题思路：1、上图所示反应特征的反应为自催化反应2、由图可知：反应物A的初始浓度为1mol/l，反应物A的浓度大约为0.4mol/l时反应速率最大，过了0.4mol/l反应速率降低。3、组合方式：（1）先将初始浓度为1mol/l的反应物A加入一CSTR中反应，控制出口处CA为0.4mol/l，使反应在最大速率下进行。（2）再将0.4mol/l的反应物A加入一PFR中反应，使CA转化到0.1为止。50二、复杂反应选择性的比较复杂反应种类很多，其基本反应为平行反应和连串反应，由平行反应和连串反应形成更复杂的反应。在选择反应器类型和操作方法时，对复杂反应必须考虑选择性问题。51二、复杂反应选择性的比较（一）平行反应1.反应为一种反应物，反应后生成一种主产物

和一种副产物。动力学方程式：52二、复杂反应选择性的比较1.反应为一种反应物生成一种主产物和一种副产物。（一）平行反应选择性：浓度的影响：当α1＞α2时，若要选择性↑则CA↑适宜于采用PFR，其次则采用间歇或连续操作多釜串联釜式反应器当α1<α2时，若要选择性↑则CA↓适宜于采用连续操作釜式反应器。当α1=α2时，选择性为常数，与CA无关。结论：增加反应物浓度，对反应级数高的反应有利53可见，增大反应选择性SR，可以得到较多的R.二、复杂反应选择性的比较1.反应为一种反应物后生成一种主产物和一种副产物（一）平行反应选择性：温度的影响：结论：升高温度，总是对活化能大的反应有利。若主反应活化能大，则应升高温度。反之，则应降低温度。增大减小E1>E2E1<E2T升高增大减小54【例】

有一分解反应在一连续流动的管式反应器进行。其中cA0=4.0mol/L,cR0=cS0=0物料的体积流量为5.0L/min，求转化率为80%时，反应器的体积为多少。目的产物R的选择性为多少。解：反应釜的空时为：该分解反应为一复杂反应，反应物A的动力学方程式为：55反应釜的有效体积为：产物R的选择性：56二、复杂反应选择性的比较（一）平行反应2.反应为两种反应物生成一种主产物和一种副产物。

主反应

副反应动力学方程式：57二、复杂反应选择性的比较（一）平行反应2.反应为两种反应物生成一种主产物和一种其副产物

选择性：58动力学特点浓度的要求操作示意图（连续操作）浓度分布图ABABABABABBBAB分离器A二、复杂反应选择性的比较（一）平行反应2.反应为两种反应物生成一种主产物和一种副产物59二、复杂反应选择性的比较（二）连串反应一级连串反应：动力学方程式：选择性：60如R为目的产物，当k1、k2一定时，为使选择性提高，应是CA高，CR低适宜采用连续操作管式反应器、间歇操作釜式反应器和连续多釜串联反应器。61选择性：如S为目的产物，当k1、k2一定时，为使选择性提高，应是CA低，CR高适宜采用连续操作釜式反应器.注意：连串反应R的生成增加，特别是k1<<k2时，有利于S的生成，所以，以R为目的产物时，应保持较低的单程转化率。当k1>>k2，可以保持较高的反应转化率，这样可使选择性降低较少，但反应后分离负荷可大为减轻。二、复杂反应选择性的比较（二）连串反应00.20.40.60.81.00.20.40.60.81.06263连续操作管式反应器选择性高于连续操作釜式反应器。连串反应的选择性随转化率增大而下降。选择性与速率常数比值密切相关，转化率随选择性增大而下降趋势严重。（二）连串反应PFR和CSTR选择率的比较二、复杂反应选择性的比较（二）连串反应64任务10、管式反应器的技能训练一、管式反应器的操作二、管式反应器的实训操作三、管式反应器的仿真操作65管式反应器的操作裂解反应工艺过程66管式反应器的操作点火升温点火顺序升温过程注意事项67升温过程与点火操作要互相配合，同时还要兼顾其它操作。当炉膛温度达到200℃时，要向炉管内通入稀释蒸汽，控制炉管稀释蒸汽流量均匀，防止偏流对炉管造成损坏。当烟道气的温度超过220℃，引适量的稀释蒸汽进入石脑油进料管线，防止炉管损坏。当产生的过热蒸汽温度达到450℃时应通过控制阀注入少量无磷水，将蒸汽温度控制在520℃左右。在整个点火升温过程中，一定要注意控制汽包液位不要超过60％，裂解炉的炉膛负压要维持在－30Mpa、烟道气的氧含量要<4％

68温度控制流量控制能量回收裂解反应控制在830℃左右（炉出口温度）

。主要是通过燃烧器的燃料调节阀来控制的裂解原料流量和稀释水蒸气流量控制。控制控制原料与稀释水蒸气的分子比不发生变化。预热空气、控制空气过剩系数、减少炉膛散热损失。在对流段设置预热盘管操作控制

稳定操作管式反应器的操作69项目名称：石油烃裂解反应要求：1、掌握石油烃裂解反应的生产原理、工艺过程。2、能够确定石油烃裂解反应生产的最佳工艺条件。3、掌握石油烃裂解反应过程控制。4、学会对事故的判断、处理及产品检测。重点：管式反应器的开停车及正常运行操作难点：管式反应器的工艺过程的控制管式反应器的实际操作70子项目学习方法知识讲解技能示范能力训练石油烃裂解1、了解裂解反应的基本原理、工艺条件、工艺过程、及主要生产设备。2、掌握裂解反应过程控制方法。3、掌握不同裂解反应原料对裂解反应产物分布的影响。4、学会对事故的判断、处理及产品检测操作。1、反应原理2、装置组成及反应器结构、3、操作规程4、色谱系统组成及产品检测5、实验数据处理1、运行过程计算机控制及仪表控制，系统检漏、排漏、置换2、反应器的拆卸、清焦及安装3、色谱开机操作、进样操作，色谱工作站操作1、学会绘制化工生产过程工艺流程2、学会化工生产过程控制3、学会最佳反应条件选择4、掌握裂解装置清焦方法5、根据实验结果会分析不同裂解原料对裂解产物分布的影响设备使用名称：计算机控制常压裂解反应实验装置数量：2人/台套：5完好情况：完好耗材使用环己烷、煤油、柴油、石脑油、蒸馏水、电、冷凝水、PVC管等考核评价成绩登录1．形式：原理部分采用逐人抽题，当场回答、当场打分的形式，操作部分采用实操与提问相结合的考核形式。2.考核点：裂解反应原理、系统试漏及补漏的方法、计量泵的校正方法、裂解反应装置的开停车方法、裂解原料对裂解产物分布的影响或最佳反应条件的选择方法、反应器清焦方法、气相色谱使用方法。3.成绩填写组号姓名成绩石油烃裂解项目运行卡71123项目主要内容管式反应器结构及工艺流程石油烃裂解的生产过程产品分析检测、数据处理721、管式反应器的结构及工艺流程短停留常压（低分压）温度760℃（高温）2、石油烃裂解反应过程主反应：副反应（生炭和结焦）：74反应岗位操作规程1）开车前的准备工作检查设备内无杂物，设备、管线、阀门、仪表、电器完好、水系统完好、消防器材到位，关闭所有阀门.2）试漏：将三通阀放在进气位置，进入空气或氮气，卡死出口，冲压至0.05MPa，5分钟不下降为合格。3）开车：①本装置为四段加热控制温度。打开反应器控温和测温，各段加热电流给定不应很大，一般在1.5A左右，开始升温。②在升温的同时给冷却器通水，防止出现过快加热的现象③反应开始后，监测反应条件，每5分钟记录一次；记录表格如下：75反应岗位操作规程以不同的裂解原料在相同的裂解温度下：560℃裂解原料油加入量焦油量（g）裂解气量备注mlgmlg以相同的裂解原料在不同的裂解温度下：石脑油反应温度（℃）油加入量焦油量（g）裂解气量备注mlgmlg以相同的裂解原料相同的裂解温度在不同的烃分压下：石脑油、760℃稀释剂加入量油加入量焦油量（g）裂解气量备注mlgmlg764）停车：①停止进料，在操作条件不变的情况下，只进水不进料，进行烧焦处理。②将电流给定旋钮回至零（或关闭控温温度表），一段时间后停止进水。③当反应器测温温度降至300℃以下后，冷却器停水。④实验结束后要用氮气吹扫和置换反应产物。反应岗位操作规程775）注意事项①一定要熟悉仪器的使用方法：为防止乱动仪表参数，参数调好后可将Loc参数改为新值，即锁住各参数。②升温操作一定要有耐心，不能忽高忽低乱改乱动控温设置。③流量的调节要随时观察及时调节，否则温度容易发生波动，造成反应过程中温度的稳定性下降。④不使用时，应将湿式流量计的水放干净。应将装置放在干燥通风的地方。如果再次使用，一定在低电流（或温度）下通电加热一段时间以除去加热炉保温材料吸附的水分。⑤每次实验后一定要将分离器的液体放净。反应岗位操作规程783、产品分析检测、数据处理裂解气体的分析（气相色谱法）：色谱柱是在氧化铝单体载体上1.5％阿皮松，可分析C1-4.条件是在室温下用