《管式反应器》课件.ppt

1、第6章：管式反应器，6.1反应器中的物料流动，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变温管式反应器的最佳温度顺序，6.5循环反应器，6.6管式反应器，管式反应器的特点、类型和应用，可用于均相和非均相反应。它具有结构简单、加工方便、传热面积大、传热系数高、耐压高、生产能力大、易于自动控制等特点。它可以在常压或压力下操作，通常用于对温度不敏感的快速反应。常见类型有卧式、立式、盘管式、U型管等。图6-1卧式管式反应器，图6-2几种立式管式反应器，图6-3盘管式管式反应器，图6-4U形管式反应器示意图，图6，管式反应器的加热或冷却方式，通过套管或夹套传热套管的传热短

2、路电流加热烟气，以及图6-5圆筒管式炉6.1.2管式反应器中的物料流动(理想置换假设)，管内流体流动是一种复杂的物理现象，当管内流体流动进行化学反应时，其流动状态必然会影响化学反应。流体在管道中的流动状态一般概括为层流、过流和湍流。在湍流中，管内流体各点的流速可以近似视为相同。在此基础上，可以对管式反应器中的流体流动模型作出合理的假设。理想置换假设的内容是径向速度分布是均匀的，即所有颗粒以相同的速度从入口流向出口，就像活塞运动一样，因此对应于理想置换的流型也称为塞流；轴向相同截面上的浓度和温度分布是均匀的，这可以概括为相同截面上的颗粒速度相等，流经反应器的时间相同，径向混合均匀；不同轴向截面的

3、不同浓度和温度也可能不同，这是化学反应而不是返混的结果。上述假设与湍流运行期间的实际情况基本一致(Re104)。据此，可以设计和计算管式反应器，6.2等温管式反应器计算，6.2.1反应体积。在管式反应器中，反应组分的浓度和转化率随物料流动的轴向而变化。因此，关键组分A可以用微量元素体积dVR计算为物料平衡，输入量：输出量：反应量：FA0，FA，简化。等温下，它可以表示为转化率xA的函数，在分离变量后进行积分。此外，在一个理想的置换管式反应器中进行了等温等体积N级不可逆反应，反应速率常数为1.5。假设a的浓度是CA，a的摩尔流量是nA，结合转化率的定义，有CA=nA/Fv 0=(na0(1-xA

4、)/Fv 0=ca0(1-xA)，所以rA=kCA0n(1-xA)n代入反应体积的积分公式。当n=1时，积分结果也称为停留时间，它由下式表示：在操作条件下，进入反应器的物料通过反应容积所需的时间称为空时间，33，360空小时的倒数为空速，这意味着在单位反应容积时间内处理的物料量，尺寸为时间-1，用SV、表示。对于定容过程，(定容)，即或，比较第3章中的间歇釜反应器。6.2.2管径和长度的确定，在反应体积VR确定后，即可进行管径和长度的设计。从VR=d2L/4可以知道，D和L可以有多个解，但Re104应满足湍流操作。通常有以下算法：(1)先指定流体的Re(104)，然后计算管道长度l，其中，(2

5、)先指定流体速度u，然后计算管道直径d，然后计算管道长度l，然后检查Re是否为104；(3)根据标准管道规格确定管道直径d，然后计算管道长度l，然后检查re是否为104。根据热平衡计算出的传热面积a，确定管径d和管道长度l，然后检查re是否为104。因此，实施例6.1中的化学反应A 2BC D是真实的众所周知，甲和乙的进料流量分别为0.08m3/h和0.48 m3/h。混合后，甲和乙的初始浓度分别为1.2千摩尔/立方米和15.5千摩尔/立方米；分别。密度分别为1350.0千克/立方米和881.0千克/立方米；分别。混合物粘度为1.510-2帕。要求使甲的转化率达到0.98，计算反应体积，选择2

6、46、359和4310管中的一个。解决方案：反应物体积流量FV0=FVAFVB=0.56 m3密度=(fvaafvbb)/(fvafbb)=948.0kg/m3在反应器的任何位置，CA=CA0(1-xA) CB=CB0-2CA0 xA，因此ra=kca CB=CA0(1-Xa)VR=0.134 m3通过替换已知数据获得，分别计算三种管道的管道长度和Re值，并在表中列出。可以看出，三种管道均能满足Re104的要求，但246的管道长度太长，使用4310管道时Re值太小，因此采用359管道的等温变容电抗器。6.2.3 .问题被提出来了。对于液相反应，认为反应物在反应之前和之后。然而，对于在管式反应器

7、中进行的气相反应，这种与实际情况的近似差异通常很大。原因是管式反应器在恒压下运行，化学反应引起的反应体系摩尔数的变化必然会导致反应体积的变化，所以这种情况不能视为恒定体积。例如，对于下面的气相反应，让停留时间为，反应物A的转化率为xA。因此，当Aa BB SSr=0，Na0 Nb0 0 0=nA0(1-xa)Nb0-bna0xa/a SNA0xa/a RNA0xa/a时，可以看出当反应开始时(=0)，反应体系的总摩尔数为n0=nA0 nB0 nA0，nB0分别为a和b的初始摩尔数。反应体系的摩尔数为n=nA0(1-xa)Nb0-bna0xa/a SNA0xa/a RNA0xa/a 或者膨胀因子

8、，它的物理意义是当一摩尔反应物A改变时，当定义为=，反应物A在气相中的摩尔分数为Ya； 当定义为=0时，气相中反应物A的摩尔分数为yA0当设定为=时，的转化率为xA，相应反应混合物的体积流速为FV。因此，此时组分A的浓度是CA，所以组分A在rA=kCAn时的分压可以通过类似的方法获得，所以，或者，速率方程可以表示如下：对于恒定体积的情况，A=0，速率方程简化为ra=k (ca0 (1-xa) n。对于气相反应，如果反应物的初始浓度由分压PA0(摩尔分数)给出，那么根据理想的气体状态方程，P:在压力下操作；组件初始分压；yA0: A组分的原始摩尔分数；R:气体常数；T:操作温度/K，那么，对于n

9、级不可逆反应rA=kCAn，其速率方程可以表示如下，其中，在获得停留时间和转化率之间的关系之后，反应体积可以在理想的置换管式反应器中通过等温二级不可逆反应A BR进行，并且已知气体材料的初始流速为360.0m3/h，并且A和b的初始浓度都为0.8kmol/m3。为了使A的转化率达到0.90，停留时间和反应，溶液：rA=kCACB=kCA2，所以，产品，6.3变温管式反应器中，化学反应往往伴随着热效应，而且有些反应具有较大的热效应，这使得工业上很难实现等温操作；为了获得更好的反应效果，化学反应通常需要在反应过程中适当分配温度。在可变温度操作中，尽管反应器中的材料径向均匀混合，但是材料的浓度和温度

10、沿轴向(材料流动的方向)变化，并且速率常数是温度的函数。因此，为了从数学上描述反应过程，有必要将物质平衡方程(速率方程)与热平衡方程结合起来。为了便于建模，反应温度和关键组分的转化率可以表示为反应器轴向位置的函数。物料平衡方程为：反应器内径为d，反应器入口轴向坐标为l，微量元素的反应体积为(1)物料平衡方程，(2)热平衡方程，Q1和Q4为单位时间内物料带入和带出微量元素体积的热量；Q2代表单位时间内隔墙的传热量；Q3代表单位时间内化学反应产生的热量；热量累积为零。因此，在稳态操作下，热平衡方程为，其中反应的热效应Q3包括反应热QR和物理变化热QP，假设物理变化热QP=0，各热的计算方法如下：该

11、方程的物理意义是材料通过微型元件体积时显热的变化。Ni和CPi分别代表组分I进入微量元素体积的摩尔流量和恒压摩尔热容；DT是材料通过微型元件体积时的温度变化。分区传热，其中k是总传热系数；DA是微量元素体积的传热面积；d是管道的内径；t是反应物温度；Ts是传热介质的温度。化学反应热，其中qr是基于组分a的摩尔反应热；NA0是组分A的初始摩尔流量，将上述具体公式代入热平衡方程，可与物质平衡方程结合，得到xATl之间的关系。特别地，当分隔壁的热传递量Q2为零时，这是一个绝热过程，假设反应器中的材料温度从T0变化到T，忽略反应过程中系统的总摩尔数的变化，上述公式的左端可以积分如下，其中F0是反应物系

12、统的初始摩尔流量；是T0T之间反应物系统的平均恒压热容量。并且让FA0=F0yA0(yA0是反应开始时组分A的摩尔分数)，并且对应于从T0到t的温度变化，组分A的转化率从xA0变化到xA，那么上述公式的右端可以被积分为：因此，即，它被称为绝热温度上升或温度下降，这意味着当反应物中的组分A被完全转化时系统的温度变化程度。这个公式叫做绝热方程，它解释了绝热反应过程中组分A的转化率xA和反应温度t之间的关系。38，上述公式与绝热条件下由间歇反应器和全混流反应器导出的公式完全相同，因此绝热方程适用于所有类型的反应器。通过绘制xA与温度t的关系可以得到一条直线，如下图所示，直线的斜率等于1/。如果放热反

13、应，0，直角90，吸热反应，0，直角90，等温反应，0，直角90，39，虽然绝热方程反映了绝热条件下三种反应器的操作温度和转化率之间的关系，但本质上有所不同：(1)活塞流反应器：反映了绝热条件下不同轴向位置的温度和转化率之间的关系；间歇反应器：它反映了绝热条件下不同反应时间温度与转化率的关系；全混流反应器：它反映了绝热条件下出口转化率与操作温度之间的关系。求解绝热反应器应使用以下三个公式：或、具体步骤如下：(1)给出xAi的公式，求出Ti (2)，由Ti计算ki和rai (3)，由xAi等计算VRi或li的一级反应，转化率要求达到90.0%，分别由单釜连续、两釜等容连续和管式反应器实现。什么是

14、反应时间？解决方案：当一个水壶是连续的，42。当两个等体积釜连续时，当使用管式反应器时，43。问题：从上面的例子可以看出，对于某些化学反应，当物料处理能力、初始浓度和物料的最终转化率恒定时，完成反应所需的反应时间按多釜连续、单釜连续和管式连续反应器的顺序减少。主要原因是，就连续釜的操作方式而言对于复杂的反应，不仅要考虑反应器的大小，还要考虑反应的选择性。副产物的量影响原材料的消耗、分离过程的选择和分离设备的尺寸。因此，反应的选择性往往是复杂反应的主要矛盾。45来实现相同的化学反应。当反应条件、物料处理能力、初始浓度和物料最终转化率相同时，理想置换反应器的反应体积VRP(或停留时间p)与具有返混

15、的反应器的反应体积VRC(或停留时间RC)之比被定义为容积效率，用e. E1表示，其值越小，反应器的容积效率越低，与理想置换反应器的偏差越大。反应器的容积效率随返混程度而变化，返混程度可以理解为衡量单位反应体积反应器生产能力的指标。6.4.1生产能力比较，46。(1)单釜连续反应器的容积效率。在理想的置换反应器中，反应物浓度随着反应的进行而逐渐降低，反应速率也逐渐降低。在理想的混合反应器中，进料中的反应物在出口处被釜中的产物立即稀释到低浓度，并且整个反应总是在低浓度和低速率下进行。47岁。因此，如果在两个反应器中进行相同的化学反应，采用相同的进料组成和反应条件，并获得相同的转化率，理想混合反应

16、器中的反应速率等于理想置换反应器中最慢位置(出口)的反应速率。整个反应在低驱动力下进行，因此完成相同化学反应所需的反应时间较长，反应体积较大，容积效率较低，48。这个结论也可以从图中得出，左对角线的面积是理想混合反应器的反应时间；右对角线的面积是理想置换反应器的反应时间，49，不同反应级数下的容积效率。理想置换反应器和理想混合反应器中反应物的浓度分布不同，但不同级次反应对浓度分布的敏感性不同。因此，讨论反应级数对容积效率的影响对于反应器的设计和分析具有重要的现实意义。零级反应：零级反应的反应速率不受反应物浓度的影响。因此，零级反应的体积效率为1，一级不可逆反应为：理想置换反应器的反应时间为：50，二级不可逆反应为：因此，51，以转换率xA为横坐标，以容积效率E为纵坐标，可以在直角坐标系中绘制e xA曲线。当转化率低时，容积效率接近；当转化率高时，体积效率接近于0，因为反应级数越高，反应速率对浓度的敏感性越高；当转化率低时，理想混合反应器中的反应物浓度接近理想替代物。然而，低转化率操作有其自身的优点和缺点。52，(2)多釜连续反应器的容积