管式反应器-相关计算.pptx

第六章管式反应器、6.1物质在反应器中的流动、6.2等温管式反应器的计算、6.4管式反应器与连续釜式反应器的比较、6.3变温管式反应器、6.5循环反应器、6.6管式反应器的最佳温度序列、2、6.1管式反应器的特征、型式和应用、管式反应器为均匀反应和多具有结构简单、加工容易、传热面积大、传热系数高、抗高压、生产能力大、容易实现自动控制等特点，常用于常压操作和加压操作，对温度不敏感的快速反应。 一般型式为：水平、立式、盘管、u型管等3、图6-1水平管式反应器、4、图6-2几个立式管式反应器、5、图6-3管式反应器、图6-4U管式反应器图、6、管式反应器的加热或冷却方式、套管或套管传热、 6-5圆筒式管式炉6.1.2物质在管式反应器中的流动(理想的置换假说)，虽然流体在管内流动是复杂的物理现象，但在管内流动的流体进行化学反应的情况下，其流动状况必然影响化学反应的进行。 流体在管内的流动状态通常概括为层流、过流和湍流。 可以认为，湍流时，在管内流动的主体各点的流体流速大致相同。 在此基础上，可以合理地假设管式反应器内流体的流动模型，理想的置换假说的内容是半径方向的流速分布均匀，即，假设所有质点都以相同的速度从入口向出口像活塞运动一样流动，因此， 与理想置换对应的流动型也称为活塞流轴方向的同截面上的浓度、温度分布均匀，同截面质点的流速相等，流过反应器的时间相同，径向的混合均匀，轴方向上截面上的浓度不同，温度也有可能不同，是化学反应的结果由此，管式反应器设计计算、6.2等温管式反应器的计算、6.2.1反应体积，在管式反应器内，反应成分浓度、转化率根据材料的流动的轴方向而变化，因此微体积dVR对重要成分a进行材料平衡计算，输入量：输出量：反应量因为可以是FA，所以简单来说，其中FV0、CA0可以表示为已知常数，rA可以表示为反应速度等温时转化率xA的函数，分离变量进行积分，并且用理想的置换管式反应器进行等温定容n级不可逆反应，设定rA=kCAn。 设a的浓度为CA时，设a的摩尔流量为nA，则按照转化率的定义，ca=na/fv0=(na0 (1- xa ) )/fv0=ca0 (1- xa )，因此将反应体积的积分式代入rA=kCA0n(1-xA)n，将n=1的和定义反应体积VR和材料体积流量fv的比接触时间，也称为停留时间，用表示：操作条件下进入反应器的材料通过反应体积所需的时间，也称为空时，用表示的：空时的倒数是空速，其意思是每单位反应体积的时间内处理的材料量，接下来是时间 由于用SV表示，定容过程(定容)，即比较第三章的间歇釜式反应器的反应时间，两者的右形完全相同，可能得到t=的结论，6.2.2管径和管长的确定在决定了反应体积VR后，可以设计管径和管长通常，(1)先规定流体Re(104 )，基于此决定管径d，计算管长l，其中，(2)先规定流体流速u，基于此决定管径d，计算管长l，验证Re是否为104，(3)根据标准管材的规格决定管径d，决定管长d 验证Re是否为104，(4)对于传热型的管式反应器，根据由热平衡计算出的传热面积a，确定管径d和管长l，能够验证Re是否为104，因此例6.1化学反应A 2BC D由管式反应器实现，ra=1.9810-2 cacb km已知a、b的供给流量分别为0.08m3/h和0.48m3/h的混合后的a、b的初始浓度分别为1.2kmol/m3和15.5kmol/m3，密度分别为1350.0kg/m3和881.0kg/m3，混合物的粘度为1.51 使a的转化率为0.98，求出反应体积，要求从246、359、4310三种管中选择一种。 解：反应物的体积流量FV0=FVA FVB=0.56m3密度=(fvaaff VBb )/(fvaffvb )=948.0 kg/m 3反应器的任意位置，在CA=CA0(1-xA)CB=CB0-2CA0 xA下，ra=KC ACB=ca0(代入已知数据VR=0.134m3，分别计算3种管的管长、Re值，结果，3种管能够满足Re104的要求，但在246管长过长，采用4310管的情况下，由于Re值小，所以359管， 采用6.2.3等温可变容量管式反应器，对于液相反应，反应前后反应物的体积不变，即一定容量反应被认为接近于几乎符合实际情况。 但是，关于在管式反应器中进行的气相反应，该近似和实际状况的差异之所以大，是因为管式反应器在定电压下操作，化学反应引起的反应体系的摩尔数的变化必然引起反应体积的变化，因此在这种情况下不能定容。 例如，在下面的气相反应中，设滞留时间为，设反应物a的转化率为xA，在aA bBsS rR=0时nA0nB000=时na0 (1- xa ) nb0-bna0x a/asna0x a/arna0x a/a，在反应开始(=0)时b的起始摩尔数=时，反应体系的总摩尔数被定义为n=na0(1- xa ) nb0- bna0x a/SNA0x a/a arna0x a/a=na0nb0na0x a (Sr-b )/a-1 )，称为a的摩尔膨胀系数或膨胀系数是使反应物a变化1摩尔时发生的反应物系的总摩尔数的变化量，=时，=定义时，反应物a在气相中的摩尔分率定义为yA，=0时，反应物a在气相中的摩尔分率设为yA0，=时，a转化率为xA，对应的反应混合物的体积流量由于此时的a成分的浓度为CA，因此可以用同样的方法将=得到时的a成分的分压设为PA，或者，对于n级不可逆反应rA=kCAn，其速度方程式在定容量的情况下，还原为A=0，速度方程式还原为rA=k(CA0(1-xA)n 当以分压PA0 (摩尔分率)给出反应物初始浓度时，基于理想的气体状态方程式，P:控制压力. yA0:A成分的起始摩尔分数； 由于R:气体常数T:控制温度/K，所以相对于n级不可逆反应rA=kCAn，其速度方程式中，在停留时间得到转化率的关系后，反应体积可以用例6.2理想置换管式反应器进行等温二级不可逆反应A BR，气体材料的开始流量为360 要使可知a和b的初始浓度都为0.8kmol/m3，剩馀的惰性气体的浓度为2.4kmol/m3，速度常数为8.0m3/(kmolmin )的a的转化率为0.90，则求出停留时间和反应体积。 解：由于rA=kCACB=kCA2，积之，并且6.3变温管式反应器，问题的提案化学反应常伴有热效应，一些反应的热效应还很大，很难在工业上实现等温操作化学反应通常根据反应过程适当分布温度，有良好的反应效果改变温度的操作虽然反应器内的材料放射状地均匀混合，但材料的浓度、温度沿轴向(材料流动的方向)变化，速度常数是温度的函数。 因此，为了数学地描述反应过程，联立材料平衡计算方程式(速度方程式)和热平衡方程式.为了容易地建模，能够将反应温度和重要成分的转化率作为反应器的轴方向位置的函数来表现。关于该材料平衡计算式，若设反应器内径为d，设来自反应器入口的轴向坐标为l，则对于微反应体积，(1)材料平衡方程式、(2)热平衡方程式、Q1、Q4分别在单位时间内带来材料微体积的热量，并带出因此，在稳态运行中，热平衡方程式中反应的热效应Q3包括反应热QR和物理变化热QP，并设为物理变化热QP=0，因此，各热量的计算方法如下：该式的物理意义是材料通过微体积时的显热的变化。 ni、CPi分别表示进入微单元体积的成分I的摩尔流量和定压摩尔热容量的dT是材料通过微体积时的温度变化。 间壁传热量，式中k是总传热系数dA是微池体积的传热面积d是管内径t是反应物的温度Ts是热介质温度。 化学反应热，式中qr是以组部a为基准的摩尔反应热； nA0是a成分的开始摩尔流量，将上述具体式代入热平衡方程式中，与材料平衡方程式联合求出xATl的关系，特别是在间壁传热量Q2为0时，即在绝热过程中，在反应器中材料温度从T0变化为t，无视反应过程中的物质系的总摩尔数的变化，上式的左端另外，设FA0=F0yA0(yA0是反应开始时的a成分的摩尔分率)，根据温度从T0到t的变化，成分a的转化率从xA0变化为xA，则上式的右端被称为：即，绝热温度上升或温度下降，其物理意义是反应物中的a成分完全变化时并且，把这个式称为绝热方程式，说明绝热反应过程中a成分的转化率xA和反应温度t的关系。 38、上式与间歇反应器、全混流反应器在绝热状况下导出的式完全相同，所以绝热方程式适用于各反应器。 用xA绘制温度t，得到直线，如下图所示，直线的斜率为1/。 发热反应时，0，直线斜角90吸热反应时， 90等温反应时，=0，直线斜角=90， 39、绝热方程式反映了三种反应器在绝热条件下的操作温度和转化率的关系，本质上有差异：平推流反应器：反映了绝热条件下的轴向位置温度和转化率的关系间歇反应器：绝热条件下，反映不同反应时间的温度和转化率的关系全混流反应器：绝热条件下(1).xai用式求Ti(2)，Ti用式求ki、rAi(3)，xai等用式求VRi或li例6.3、41，例转化率达到90.0%，分别用单釜连续、二等容积釜连续和管式反应器实现，反应时间分别是多少？ 解单釜连续时，42，二等容积釜连续时，采用管式反应器时，43，问题的提出：根据以上例题，对于一定的化学反应，材料处理量、材料的初浓度和终点转化率一定时，完成反应所需的反应时间为多釜连续、单釜连续、管式连续反应器查明原因的主要是釜式连续操作方式，存在材料混合现象，反应物浓度降低，反应推动力降低，结果反应时间长，44，不同形式的反应器主要从两个方面进行了比较：第一，生产能力，即每单位时间、单位体积的反应器得到的生产换句话说，生产能力的比较是在获得同等产量时所需的反应器的体积的比较。 第二，反应的选择性，即主副产物的比例。 对于简单的反应，没有选择性问题，只需要生产能力的比较。对于复杂的反应，不仅要考虑反应器的大小，还必须考虑反应的选择性。 副产品的量影响原料的消耗量、分离过程的选择和分离设备的大小。 因此，反应的选择性往往是复杂反应的主要矛盾。 45、实现相同的化学反应，反应条件、材料处理量、材料的初始浓度和终点转化率相同的情况下，将理想取代型反应器的反应体积VRP (或滞留时间P )与混合反应器的反应体积VRC (或滞留时间RC )之比定义为容积效率，用e表示时，E1、其值越小折回程度不同时，反应器容积效率不同，可以将容积效率理解为测定每单位反应体积反应器的生产能力大小的指标，6.4.1生产能力的比较，46，(1)单釜连续反应器的容积效率，在理想置换反应器内反应器浓度随着反应的进行逐渐降低，反应速度也逐渐降低在理想混合反应器内，供给中反应物立即被釜内的生成物稀释成出口的低浓度，反应整体总是以低浓度、低速度进行，因此在上述两反应器内进行相同的化学反应时，采用相同的供给组成、反应条件，达到相同的转化率，理想混合反应器内的反应速度和理想置换反应器内的速度最大的速度相等的总反应以低推动力进行，因此，完成相同的化学反应所需的反应时间长，反应体积大，容积效率也低，48，从该结论也可看出，左斜线部分的面积是理想的混合反应器的反应时间，右斜线部分的面积是理想取代反应器的反应时间，49， 由于不同反应级数下的容积效率在理想取代和理想混合反应器中反应物的浓度分布不同，不同级数的反应对浓度分布的灵敏度不同，探讨反应级数对容积效率的影响对反应器的设计、分析有重要的现实意义，零级反应：零级反应的反应速度不受反应物浓度的影响零级反应的容积效率为1、一级不可逆反应：理想取代反应器的反应时间：50、二级不可逆反应：因此理想混合反应器的反应时间：理想混合反应器的反应时间：因此51、转化率xA绘制为横轴、容积效率e绘制为纵轴、ExA曲线绘制为直角坐标系时， 可知反应级数越高容积效率越低低转化率时，容积效率比较接近高转化率时，容积效率接近0是因为反应级数越高，对反应速度浓度的灵敏度越高低转化率时，理想混合反应器内的反应物浓度接近理想置换。 但是，低转化率操作本身有缺点，52、(2)多釜连续反应器的容积效率，多釜连续操作的情况下，化学反应在多个反应釜内完成。 随着反应的进行，反应物浓度从第一釜逐渐降低，反应速度也逐渐降低，因此在其他条