第四章管式反应器

第四章管式反应器2023/3/31第一页，共六十一页，2022年，8月28日重点掌握：

·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。2023/3/31第二页，共六十一页，2022年，8月28日

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2023/3/31第三页，共六十一页，2022年，8月28日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。2023/3/31第四页，共六十一页，2022年，8月28日二、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。2023/3/31第五页，共六十一页，2022年，8月28日

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。三、活塞流反应器的特征2023/3/31第六页，共六十一页，2022年，8月28日

BSTRPFRCSTR1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2023/3/31第七页，共六十一页，2022年，8月28日4.2等温管式反应器设计

1.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。2023/3/31第八页，共六十一页，2022年，8月28日

FA=（FA＋dFA）

+rAdVR+0

即：2023/3/31第九页，共六十一页，2022年，8月28日 积分得 或

※活塞流反应器基础设计式※

恒容时 ∴BatchPFR注意：①二者形式同，一个是t，一个是τ；②管式反应器恒容时，τ=t；否则，τ≠t。2023/3/31第十页，共六十一页，2022年，8月28日对于气相变容过程，用含δ表示各个浓度即可。 设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么对于恒容过程CA=CAO（1-XA）则时间变量转化为位置变量。2023/3/31第十一页，共六十一页，2022年，8月28日图3.4-2管式反应器的图解计算示意图2.图解计算2023/3/31第十二页，共六十一页，2022年，8月28日【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＝0.5δA＝2023/3/31第十三页，共六十一页，2022年，8月28日图解积分数值积分解析积分rA＝10-2CA00.5τ＝100CA00.52023/3/31第十四页，共六十一页，2022年，8月28日对多相催化反应，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2023/3/31第十五页，共六十一页，2022年，8月28日§4.5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。

2023/3/31第十六页，共六十一页，2022年，8月28日一、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：全混流反应器体积：2023/3/31第十七页，共六十一页，2022年，8月28日(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=Vr/Q0)2023/3/31第十八页，共六十一页，2022年，8月28日

(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=Vr/Q0)2023/3/31第十九页，共六十一页，2022年，8月28日

(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<xAMVP>VM B.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。2023/3/31第二十页，共六十一页，2022年，8月28日二、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：2023/3/31第二十一页，共六十一页，2022年，8月28日 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。2023/3/31第二十二页，共六十一页，2022年，8月28日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：2023/3/31第二十三页，共六十一页，2022年，8月28日

PFR对产物P总是优于CSTR。图3.5-4活塞流反应器与全混流反应器的比较2023/3/31第二十四页，共六十一页，2022年，8月28日

2.不可逆平行反应

P是目的产物

(1)随CA的增大而单调地增大应选用PFR

(a)PFR最优，多釜串联次之，CSTR最差第二十五页，共六十一页，2022年，8月28日

(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，活塞流最差第二十六页，共六十一页，2022年，8月28日

(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CCSTR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，全混流最差第二十七页，共六十一页，2022年，8月28日四、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2023/3/31第二十八页，共六十一页，2022年，8月28日对M点作物料A的衡算2023/3/31第二十九页，共六十一页，2022年，8月28日时，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。2023/3/31第三十页，共六十一页，2022年，8月28日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。热量衡算式联立求解浓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）2023/3/31第三十一页，共六十一页，2022年，8月28日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、管式反应器的热量衡算式2023/3/31第三十二页，共六十一页，2022年，8月28日 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带入的热量②带出的热量③反应放出的热量

※④传给换热介质的热量2023/3/31第三十三页，共六十一页，2022年，8月28日 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）2023/3/31第三十四页，共六十一页，2022年，8月28日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(C)2023/3/31第三十五页，共六十一页，2022年，8月28日二、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绝热方程适用于各类反应器。绝热温升重要的工程概念2023/3/31第三十六页，共六十一页，2022年，8月28日 三类反应器在绝热条件下操作温度与转化率关系的区别：·PFR--不同位置上的T～XA关系；·Batch--不同时间下的T～XA关系；·CSTR--在等温下操作，出口处XA、T一定。2023/3/31第三十七页，共六十一页，2022年，8月28日以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°2023/3/31第三十八页，共六十一页，2022年，8月28日具体解题步骤：(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：① 2023/3/31第三十九页，共六十一页，2022年，8月28日一般来说，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。2023/3/31第四十页，共六十一页，2022年，8月28日绝热管式反应器的最佳进料温度XAf"

>XAf'>XAf

2023/3/31第四十一页，共六十一页，2022年，8月28日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。2023/3/31第四十二页，共六十一页，2022年，8月28日非等温、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)2023/3/31第四十三页，共六十一页，2022年，8月28日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)。

2023/3/31第四十四页，共六十一页，2022年，8月28日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。2023/3/31第四十五页，共六十一页，2022年，8月28日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。2023/3/31第四十六页，共六十一页，2022年，8月28日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E大的反应 低温有利于E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。2023/3/31第四十七页，共六十一页，2022年，8月28日②连串反应E1E2低温高温③复杂反应P为目标产物2023/3/31第四十八页，共六十一页，2022年，8月28日三类反应器的比较2023/3/31第四十九页，共六十一页，2022年，8月28日1、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BatchCSTRPFR2023/3/31第五十页，共六十一页，2022年，8月28日2、反应器设计的基本方程某组分流入量=某组分流出量+某组分反应消耗量+某组分累积量反应消耗累积流入流出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整个反应器00√√平推流(稳态)微元长度√√√0全混釜(稳态)整个反应器√√√0非稳态√√√√2023/3/31第五十一页，共六十一页，2022年，8月28日热量衡算方程带入的热焓=带出的热焓