分離工程第四章管式反應器-6

1、第四章第四章 管式反應器管式反應器本章內容本章內容 活塞流假設（活塞流假設（理想流動模型）理想流動模型） 等溫管式反應器的計算等溫管式反應器的計算 管式與釜式反應器反應體積的比較管式與釜式反應器反應體積的比較 循環(huán)反應器循環(huán)反應器 變溫管式反應器的計算變溫管式反應器的計算理想流動模型理想流動模型 流動模型流動模型：是反應器中流體流動與返混情況的：是反應器中流體流動與返混情況的描述，這一狀況對反應結果有非常重要的影響。描述，這一狀況對反應結果有非常重要的影響。 返混返混：在流體流動方向上：在流體流動方向上停留時間停留時間不同的流體不同的流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為粒子之間的混合稱為返混，也

2、稱為逆向混合逆向混合。1.1.基本概念基本概念 活塞流模型（平推流）：活塞流模型（平推流）： 基本假定：基本假定： (1) (1) 徑向流速分布均勻，所有粒子以相徑向流速分布均勻，所有粒子以相同的速度從進口向出口運動。同的速度從進口向出口運動。 (2) (2) 軸向上無返混軸向上無返混 符合上述假設的反應器，同一時刻進入符合上述假設的反應器，同一時刻進入反應器的流體粒子必同一時刻離開反應反應器的流體粒子必同一時刻離開反應器，所有粒子在反應器內停留時間相同。器，所有粒子在反應器內停留時間相同。 特點：徑向上物料的所有參數都相同，特點：徑向上物料的所有參數都相同，軸向上不斷變化。軸向上不斷變化。1

3、.1.基本概念基本概念理想流動模型理想流動模型層流層流湍流湍流活塞流活塞流 全混流模型全混流模型： 基本假定：基本假定： 徑向混合和軸向返混都達到最大徑向混合和軸向返混都達到最大 符合此假設的反應器，物料的停符合此假設的反應器，物料的停留時間參差不齊留時間參差不齊 特點特點 反應物系的所有參數在徑向上均反應物系的所有參數在徑向上均一，軸向上也均一，即：各處物一，軸向上也均一，即：各處物料均一，均為出口值料均一，均為出口值理想流動模型理想流動模型1.1.基本概念基本概念 管徑較小，流管徑較小，流速較大的管式速較大的管式反應器反應器可可按活塞流處理按活塞流處理 劇烈攪拌的連劇烈攪拌的連續(xù)釜式反應器

4、續(xù)釜式反應器可按全混可按全混流處理流處理等溫管式反應器的設計等溫管式反應器的設計000AAcQF進入量進入量 = 排出量排出量 + 反應量反應量 + 累積量累積量0)()(riiiidVFdFFiridVdFdzAfXrdV0iFiFiidFF ArAdVdF)1 (0AAAXFF)(0AArAAXdVdXF)(00AArAAXdVdXcQ 單一反應單一反應等溫管式反應器的設計等溫管式反應器的設計dzAfXrdV0iFiFiidFF )(00AArAAXdVdXcQAfXAAAArXdXcQV000)(AfXAAAAorXdXcQV00)(AfXAAAAXdXct00)(間歇BRXPFRtA等

5、容，等幾種理想反應器設計方程的基本形式幾種理想反應器設計方程的基本形式AfXAAAAorXdXcQV00)(AfXAAAAorXdXcQVt00)(PFR：BR：CSTR：)(0AAAfAorXXcQVt與與二者盡管形式上二者盡管形式上相同，但一個是反應相同，但一個是反應時 間時 間 t ， 一 個 空 時， 一 個 空 時 （與所選擇的進口狀（與所選擇的進口狀態(tài)有關）。另外，間態(tài)有關）。另外，間歇釜式反應器總是恒歇釜式反應器總是恒容的。如果管式反應容的。如果管式反應器也在恒容下進行，器也在恒容下進行，則有則有=t；否則，；否則，t。 用連續(xù)管式反應器進行乙酸與乙醇的酯化反應，每用連續(xù)管式反應

6、器進行乙酸與乙醇的酯化反應，每天生產乙酸乙酯天生產乙酸乙酯12000kg，其反應式為，其反應式為原料中反應組分的質量比原料中反應組分的質量比 A:B:S=1:2:1.35，反應液密，反應液密度為度為1020kg/m3，并假定在反應過程中不變。反應速，并假定在反應過程中不變。反應速率方程為率方程為rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反應溫度下。反應溫度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常數，平衡常數K=2.92。試計。試計算乙酸轉化算乙酸轉化35%所需的反應體積。所需的反應體積。例例1 1)()()()(2523523RRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH解：首先計算

7、原料處理量解：首先計算原料處理量Q0，根據乙酸乙酯產量可，根據乙酸乙酯產量可算出每小時乙酸用量為算出每小時乙酸用量為lmolCS59.171835. 160908. 30lmolCB2 .1046260908. 30lmolCA908. 3155. 423.160hm3155. 4102035. 46023.16hkmol /23.1635. 0248812000原料液各組分起示濃度分別為原料液各組分起示濃度分別為由原料液中各組分質量比可算出原料流量為由原料液中各組分質量比可算出原料流量為由式由式(3.8)可求反應時間，為此需將題給的反應速率可求反應時間，為此需將題給的反應速率方程變換為轉化率

8、的函數方程變換為轉化率的函數kckCCCCbCCaASABAB11)1 (0000002021)(AAAACcxbxakrAASSAARAABBAAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1 (A)其中其中將將(A)式代入式式代入式(3.8)得反應時間為得反應時間為axacbbaxacbbacbCkcxbxadxCktAfAfAxAAAAAf2)4(2)4(ln411222010201由由a,b及及c的定義式知，的定義式知，434. 46575. 061. 24)15. 5(46575. 092. 2/1115. 5)92. 2908. 3/(59.17908. 3/2 .101 61.

9、2908. 3/2 .1022acbcba(B)則所需的反應體積為將有關數值代入式（B）中得到反應時間30227. 8)60/8 .118(155. 4mtQVrmin8 .11861. 2235. 0)434. 415. 5(61. 2235. 0)434. 415. 5(ln434. 4908. 31074. 414t在等容條件下，活塞流反應器的空時與條件相同間在等容條件下，活塞流反應器的空時與條件相同間歇釜式反應器反應時間相等。若不考慮間歇釜式反歇釜式反應器反應時間相等。若不考慮間歇釜式反應器的輔助操作時間，兩者的反應體積相等。應器的輔助操作時間，兩者的反應體積相等。在活塞流反應器中，于

10、在活塞流反應器中，于923K等溫下進行丁烯脫氫等溫下進行丁烯脫氫反應以生成丁二烯：反應以生成丁二烯：反應速率方程為反應速率方程為: 原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分原料氣為丁烯與水蒸氣的混合氣，丁烯的摩爾分數為數為10%，操作壓力為，操作壓力為105Pa。973K時，時，k=1.07910-4kmol/(h.m3.Pa).若要求丁烯的轉化率若要求丁烯的轉化率達達35%，空時是多少？，空時是多少？例例2 2)()()(26484CBAHHCHC)/(3hmkmolkprAA解：將速率方程代入式（解：將速率方程代入式（4.6）即可求空時）即可求空時:)(1 . 01)1 (1)1 (00

11、0CXXCXyXCCAAAAAAAAA)(BRTCpAA)(35. 000AkpdXCAAA丁烯脫氫反應為變容過程，由化學計量關系知丁烯脫氫反應為變容過程，由化學計量關系知:由理想氣體定律得由理想氣體定律得:所以空時為所以空時為: :35. 0035. 0035. 001 . 0)1 (1ln1 . 11 1 . 0)1 (1 . 11)1 ()1 . 01 (AAAAAAAXXkRTdXXkRTdXXkRTX將有關數據代入上式可得空時為將有關數據代入上式可得空時為1.933 s1.933 s如按恒容計算如按恒容計算: :35. 00898. 1)1 (1ln111SXkRTXdXkRTAAA

12、該方程組初值為：,.,k,iFFViir2100, , 解該方程組時，需首先選定反應變量，可以選關鍵組分的轉化率或收率或各關鍵反應的反應進度。然后將 Fi 和 變?yōu)榉磻兞康暮瘮?，即可求解方程組。解時一般用數值法。簡單情況可解析求解。jr等溫管式反應器的設計等溫管式反應器的設計kirdVdFMjjijiri,.,2 , 1 1 復合反應復合反應對關鍵組分作物料衡算的結果，得到一對關鍵組分作物料衡算的結果，得到一常微分方程組常微分方程組0)(21ddnckkVAAr01ddnckVPAr02ddnckVQAr對對A的物料衡算：的物料衡算：系統(tǒng)中只進行兩個反應，都是獨立的，所以關鍵系統(tǒng)中只進行兩個

13、反應，都是獨立的，所以關鍵組分數為組分數為2 2，因此，此三式中僅二式是獨立的。，因此，此三式中僅二式是獨立的。（副）（主） AckQrQAAckPrPA2,1,對對P的物料衡算：的物料衡算：對對Q的物料衡算：的物料衡算：等溫管式反應器的設計等溫管式反應器的設計 復合反應復合反應0)(21ddcckkAA01ddcckPA02ddcckQA0, 0,00QPAAcccct時，)(exp210kkccAA)(exp1212101kkkkckcAp)(exp1212102kkkkckcAQ等溫管式反應器的設計等溫管式反應器的設計 復合反應復合反應QPAkk2101ddcckAA10kAAecc等溫

14、管式反應器的設計等溫管式反應器的設計 復合反應復合反應0)(21ddcckckPPA)(122101kkAPeekkckc對對A的物料衡算：的物料衡算：對對P的物料衡算：的物料衡算：k1 k2如果計算得到的反應器如果計算得到的反應器太長，可以改用多管并太長，可以改用多管并聯的方式。若能保證管聯的方式。若能保證管內氣體仍呈活塞流，其內氣體仍呈活塞流，其產物分布應與上面計算產物分布應與上面計算結果相同。結果相同。但應注意，并聯后氣但應注意，并聯后氣體流速降低了，是否體流速降低了，是否仍符合活塞流的假定仍符合活塞流的假定就需要考慮。就需要考慮。列管式反應器列管式反應器4.2.3 擬均相模型擬均相模型

15、擬均相模型條件：擬均相模型條件： 傳質、傳熱速率大傳質、傳熱速率大 濃度、溫度的差異小濃度、溫度的差異小在管式反應器中進行多相催化反應時，如果在管式反應器中進行多相催化反應時，如果符合擬均相假定，若基于催化劑的質量來表符合擬均相假定，若基于催化劑的質量來表示反應速率：示反應速率： 注意：反應體積注意：反應體積V Vr r對均相反應而言是指進行化學反應對均相反應而言是指進行化學反應的空間，對多相催化反應則為催化劑的堆體積，即催的空間，對多相催化反應則為催化劑的堆體積，即催化劑顆粒本身的體積加上顆粒與顆粒間的空隙體積?；瘎╊w粒本身的體積加上顆粒與顆粒間的空隙體積。床層體積催化劑質量其中：bMjji

16、jibriKirdWdFdVdF, 2 , 1,1均相和擬均相模型的比較均相和擬均相模型的比較 均相均相擬均相擬均相衡算基準衡算基準反應體積反應體積催化劑質量催化劑質量r的單位的單位mol/(m3.s)mol/(kgs) 前提條件：進行相同的反應；前提條件：進行相同的反應； 采用相同的進料流量與進料濃度；采用相同的進料流量與進料濃度； 反應溫度與最終轉化率相同。反應溫度與最終轉化率相同。4.3 管式與釜式反應器反應體積的比較管式與釜式反應器反應體積的比較表表4.1 4.1 型式不同的反應器的反應體積型式不同的反應器的反應體積 反應器類型反應器類型管式管式例例4.1釜式釜式單釜單釜間歇例間歇例3

17、.1 單釜單釜連續(xù)連續(xù) 例例3.4兩釜兩釜串聯例串聯例3.6三釜三釜串聯例串聯例3.6反應體積反應體積m38.2312.388.23+4.15514.6810.889.90 分三種情況分三種情況 1. 1.正常動力學正常動力學 2. 2.反常動力學反常動力學 3. 3.反應速率有極反應速率有極大值的情況大值的情況管式反應器內的濃度變化4.3 管式與釜式反應器反應體積的比較管式與釜式反應器反應體積的比較1.1.正常動力學正常動力學AfpXAAAArXdXcQV000)()(00AfAAfArXXcQVM達到相同的轉化率，管式反應器所需的反應體積小于釜式反應器達到相同的轉化率，管式反應器所需的反應

18、體積小于釜式反應器AfXAX1AX)(1ARABDEF0KH)()()(1001100AfAAAfAAAAArXXXcQXXcQVM1)()(0AfAAfXAAArrXXXdXVVAfMp4.3 管式與釜式反應器反應體積的比較管式與釜式反應器反應體積的比較對反常動力學情況，結論與正常動力學相反。對反常動力學情況，結論與正常動力學相反。2.2.反常動力學反常動力學)(1ARAX1AXAfXLGMNP0)(00AfAAfArXXcQVM)()()(1001100AfAAAfAAAAArXXXcQXXcQVMAfpXAAAArXdXcQV000)(4.3 管式與釜式反應器反應體積的比較管式與釜式反應

19、器反應體積的比較3.3.有極大值情況有極大值情況若若:XAf Vrm若：若：XAf XAm ，則，則 Vrp 與與 Vrm不確定不確定此時，可以：此時，可以：釜式與管式的串聯釜式與管式的串聯AXAmXAfX0)(1ARAfX4.3 管式與釜式反應器反應體積的比較管式與釜式反應器反應體積的比較有極小值情況？有極小值情況？ 在這種特殊條件下，最好的辦法是采用兩個在這種特殊條件下，最好的辦法是采用兩個反應器串聯（見下圖），現采用一個釜式反反應器串聯（見下圖），現采用一個釜式反應器進行反應，使其轉化率達到應器進行反應，使其轉化率達到X XAm，然后，然后再送入一管式反應器繼續(xù)反應至最終轉化率再送入一管

20、式反應器繼續(xù)反應至最終轉化率X XAf，這種辦法所需的反應體積最小。，這種辦法所需的反應體積最小。 至于多個反應，管式與釜式反應器的比較，主要是看在相同的最終轉化率下，哪一個的目的產物最終收率大。瞬時選擇性與轉化率的關系如圖3.10所示，有兩種情況，一種是S隨XA的增加而降低，另一種則是S隨XA的增加而增加。由于管式反應器的轉化率是沿軸向而增大的，而釜式反應器則始終保持在最終轉化率下操作。由式（由式（3.553.55）知，）知，圖圖3.103.10中矩形面積中矩形面積應等于釜式反應器應等于釜式反應器的最終收率，而曲的最終收率，而曲線下的面積則等于線下的面積則等于管式反應器的最終管式反應器的最終

21、收率。由圖收率。由圖3.103.10（a a）可見，管式反應器可見，管式反應器的最終收率大于釜的最終收率大于釜式反應器，圖式反應器，圖3.103.10（b b）的情況則相反，）的情況則相反，所以，關鍵是瞬時所以，關鍵是瞬時選擇性與轉化率的選擇性與轉化率的關系。關系。圖圖3.10（a）圖圖3.10（b）管式與釜式反應器選擇性的比較管式與釜式反應器選擇性的比較 瞬時選擇性與轉化率的關系，實質上也是與反應瞬時選擇性與轉化率的關系，實質上也是與反應組分濃度的關系，如果要求反應物濃度低，以獲組分濃度的關系，如果要求反應物濃度低，以獲得高的選擇性，顯然對于此種情況釜式反應器優(yōu)得高的選擇性，顯然對于此種情況

22、釜式反應器優(yōu)于管式，若要求反應物濃度高，則管式好于釜式。于管式，若要求反應物濃度高，則管式好于釜式。根據對反應物濃度的不同要求，可以對管式反應根據對反應物濃度的不同要求，可以對管式反應器采用不同的加料方式。器采用不同的加料方式。（A A）（B B）（C C）要求要求A A和和B B的的濃度都高濃度都高要求要求A A的濃度的濃度高，而高，而B B的濃的濃度低度低要求要求B B的濃度的濃度高，而高，而A A的濃的濃度低度低 管式反應器的加料方式管式反應器的加料方式反應級反應級數大小數大小 對濃度對濃度要求要求 適宜的反應器型式和操作方式適宜的反應器型式和操作方式 CA、CB均高均高 A A、B B

23、同時加入管式反應器、間歇釜式反同時加入管式反應器、間歇釜式反應器或多釜串聯反應器應器或多釜串聯反應器 CA、CB均低均低 單釜連續(xù)反應器單釜連續(xù)反應器; ;將將A、B緩緩滴入間歇緩緩滴入間歇釜式反應器釜式反應器; ;使用稀釋劑降低使用稀釋劑降低CA和和CB CA高高 CB低低 管式反應器，管式反應器，A在進口處連續(xù)加入，在進口處連續(xù)加入，B沿管沿管長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應器，長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應器，A一次加入，一次加入，B連續(xù)加入；多釜串聯反應器連續(xù)加入；多釜串聯反應器,A在第一釜連續(xù)加入，在第一釜連續(xù)加入，B分別在各釜連續(xù)加入分別在各釜連續(xù)加入 CA低低 CB高高 管式反

24、應器，管式反應器，B在進口處連續(xù)加入，在進口處連續(xù)加入，A沿管沿管長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應器，長分幾處連續(xù)加入；半連續(xù)釜式反應器，B一次加入，一次加入，A連續(xù)加入；多釜串聯反應器連續(xù)加入；多釜串聯反應器,B在第一釜連續(xù)加入在第一釜連續(xù)加入,A分別在各釜連續(xù)加入分別在各釜連續(xù)加入 NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage21aa 21bb 21aa 21bb 21aa 21bb 21aa 21bb （1）平行反應）平行反應 設有如下連串反應設有如下連串反應 其反應速度方程式為其反應速度方程式為 則則 SkRkA21

25、R2A1RRCkCkddCr R2SSCkddCr 1CCkkCkCkCkdCdCrrRA21R2R2A1SRSR (2 2) 連串反應連串反應 當當k1、k2一定時，若一定時，若R為目標產物，則應設法使為目標產物，則應設法使CA高、高、CR低，以增大低，以增大 值，提高值，提高R的收率，此時宜采的收率，此時宜采用管式反應器、間歇釜式反應器或多釜串聯反應器。用管式反應器、間歇釜式反應器或多釜串聯反應器。反之，若反之，若S為目標產物，則應設法使為目標產物，則應設法使CA低、低、CR高，以高，以提高提高S的收率，此時宜采用單釜連續(xù)反應器。的收率，此時宜采用單釜連續(xù)反應器。 1CCkkRA21 (2

26、 2) 連串反應連串反應 注 意注 意 : : R 生 成 量 增 加 ， 將 有 利 于生 成 量 增 加 ， 將 有 利 于 S 的 生 成 。的 生 成 。因此，若因此，若R為目標產物，則當為目標產物，則當 時，應保持較低的單程轉化率；反之，時，應保持較低的單程轉化率；反之，當當 時，應保持較高的轉化率，這樣收率時，應保持較高的轉化率，這樣收率降低不多，但可大大減輕反應后的分離負荷。降低不多，但可大大減輕反應后的分離負荷。 12kk 21kk 1CCkkRA21 (2 2) 連串反應連串反應 對于復雜反應，控制對于復雜反應，控制反應物濃度反應物濃度是提高目標產是提高目標產物收率的常用方法

27、。物收率的常用方法。 但是同種原料在反應器內的濃度還與但是同種原料在反應器內的濃度還與加料方式加料方式有關。有關。 (2 2) 連串反應連串反應 A、B一起一起 A、B均均 A一次加入一次加入, , 迅速加入迅速加入 慢慢加入慢慢加入 B慢慢加入慢慢加入 (a) CA、CB均大均大 (b) CA、CB均小均小 (c) CA大、大、CB小小 圖圖 間歇操作時反應物濃度與加料方式的關系間歇操作時反應物濃度與加料方式的關系ABBABA (a) CA、CB均大均大 (b) CA、CB均小均小 圖圖 連續(xù)操作時反應物濃度與加料方式的關系連續(xù)操作時反應物濃度與加料方式的關系 ABBAAB (c) CA大、

28、大、CB小小 圖圖 連續(xù)操作時反應物濃度與加料方式的關系連續(xù)操作時反應物濃度與加料方式的關系 ABBABBAA產物分分離離器器BA過量過量例例4.6 等溫下進行鹽酸與辛醇和十二醇混合液的反應等溫下進行鹽酸與辛醇和十二醇混合液的反應 以以A、B及及C分別代表鹽酸，辛醇及十二醇，這兩個反應的速分別代表鹽酸，辛醇及十二醇，這兩個反應的速率方程分別為率方程分別為在操作溫度下在操作溫度下,k1=1.610-6m3/(mol.min),k2=1.9210-6m3/(mol.min)。反應器進料中鹽酸、辛醇及十二醇的濃度分。反應器進料中鹽酸、辛醇及十二醇的濃度分別為別為2.3kmol/m3、2.2kmol/

29、m3及及2kmol/m3。進料量等于。進料量等于2m3/h,要求辛醇的轉化率達要求辛醇的轉化率達30%，試計算反應體積，若該反，試計算反應體積，若該反應器為（應器為（1）管式反應器，（）管式反應器，（2）連續(xù)釜式反應器。）連續(xù)釜式反應器。 )()()()(226232623BAOHClCHCHCHOHCHCHCHHCl)C()()()(22102321023AOHClCHCHCHOHCHCHCHHClCACBABCCkrCCkr21解：解： （1 1）若為管式反應器，則反應體積）若為管式反應器，則反應體積 鹽酸同時參與兩個反應，根據題意有鹽酸同時參與兩個反應，根據題意有 對對B B、C C組分

30、分別可寫出組分分別可寫出 將兩式相除得將兩式相除得)()1 ()(03 . 00100BXccAcckdXcQVBBBBABBr)C(000CCBBAAccccccCBCBCABACBckckdcdccckcckdtdcdtdc2121/或CACBABcckdtdccckdtdc21 兩邊積分得兩邊積分得 代入式（代入式（C C）得）得 將式（將式（B B）代入上式化簡得）代入上式化簡得 把式（把式（B B）及式（）及式（E E）代入式（）代入式（A A）得）得 將題給數據代入得將題給數據代入得）（）（或DcccccdckkcdckkBBCCccCCccBBCCBB1200/0021/12/0

31、0000/)(kkBBCBCBAAcccccccc）（3 . 00/000001001)1 (12kkBCBBCABBBBrXcXcccXckdXcQV）（）（）（EXcXcccckkBCBBCAA12/0000133 . 00.2124.0512.22.30)1 (3.820mXXXdXVBBBBr）（2 2、采用連續(xù)釜式反應器時，反應體積為：、采用連續(xù)釜式反應器時，反應體積為：再將其代入式（再將其代入式（C C）得）得BBBCCXkXkXckc2101)1 ()1 ()()(100100FcckccQcckXcQVBABBBABBr將式（將式（B B）代入上式化簡后有：）代入上式化簡后有：

32、CACCrcckccQV200)(CACCBABBcckcccckcc2010）（GXkXkXckXcccccBBBCBBCBAA21010000)1 ()1 ()1 ()(將式（將式（B B）及式（）及式（G G）代入式（）代入式（F F）有）有31321010000100293. 96 . 1/3 . 092. 1) 3 . 01 () 3 . 01 (23 . 02 . 223 . 2)3 . 01 (106 . 13 . 0)60/2()1 ()1 ()1 (mXkXkXckXcccXckXcQVBBBCBBCABCBBr 4.4 循環(huán)反應器循環(huán)反應器 對于單程轉化率不高的情況，為提高

33、原料的利對于單程轉化率不高的情況，為提高原料的利用率，將反應器出口物料中的產品分離后再循環(huán)用率，將反應器出口物料中的產品分離后再循環(huán)進入反應器入口，與新鮮原料一起進行反應。進入反應器入口，與新鮮原料一起進行反應。0Q0AcrV0AXAfXN0QQrReactorMAfXAAArdXcV?0)(?設循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：設循環(huán)物料與新鮮原料量之比為循環(huán)比：0QQr00)1 (QQQr故故,反應器的物料處理量為：反應器的物料處理量為：在混合點處對在混合點處對A做物料衡算：做物料衡算：)1 ()1 ()1 (0000000AAAfAAXcQXcQcQ10AfAXX化簡后得：化簡后得：用用

34、(1)Q0 代替代替 Q0，用用 XA0代替代替 0，即，即AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00 循環(huán)反應器循環(huán)反應器分析：分析：0,00AX 時結果相當于無循環(huán)管式反應器結果相當于無循環(huán)管式反應器AfAXX0時, 結果相當于恒定轉化率下結果相當于恒定轉化率下的操作，即的操作，即CSTR反應器反應器10AfAXXAfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00在實際操作中,只要 足夠大，如： 則可認為是等濃度操作。25 4.4 循環(huán)反應器循環(huán)反應器 4.4 循環(huán)反應器循環(huán)反應器01)1 (11)1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 (00000000000000000

35、000AAfAAAAfAfAAAfAAAfAAAAfAAfAAxxxxxxxxxxxcQxcQxcQxcQxcQcQ單程轉化率全程轉化率單程轉化率：全程轉化率：等溫條件很難實現等溫條件很難實現 熱效應大，難以維持等溫；熱效應大，難以維持等溫； 氣固相固定床催化反應，傳熱效果差氣固相固定床催化反應，傳熱效果差 ； 反應存在最佳溫度曲線反應存在最佳溫度曲線 可逆放熱反應（合成氨、合成甲醇）；可逆放熱反應（合成氨、合成甲醇）； 主副反應活化能不同；主副反應活化能不同；4.5 變溫管式反應器變溫管式反應器1 1. .管式反應器的熱量衡算管式反應器的熱量衡算假設：假設： 管式反應器內流體流動符合活塞流假

36、定；管式反應器內流體流動符合活塞流假定； 反應器內溫度分布：徑向均勻，軸向變化反應器內溫度分布：徑向均勻，軸向變化4.5 變溫管式反應器變溫管式反應器取微元體積取微元體積dVr作為控制體積，作為控制體積，衡算依據為熱力學第一定律：衡算依據為熱力學第一定律：dqdH 24)(tptTrrAddTGcdZHdH反應熱反應熱溫變熱溫變熱G為流體的為流體的質量速度質量速度GA=Q0dZATTUdqhC)(tCTrrAptdTTUHdZdTGc/ )(4)-)(/故有：故有：此即管式反應器軸向溫度分布方程此即管式反應器軸向溫度分布方程4.5 變溫管式反應器變溫管式反應器1 1. .管式反應器的熱量衡算管

37、式反應器的熱量衡算令令wA0為組分為組分A的初始質量分數，的初始質量分數，MA為為A的相對分子量的相對分子量,則：則：)(0AAAAAXdZdXMGw)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt管式反應器中反應溫度與轉化率的關系式管式反應器中反應溫度與轉化率的關系式)(00AArAAXdVdXcQ 若絕熱操作，則若絕熱操作，則0)(4CtTTdUAptATrrAdXcMHwdT)(04.5 變溫管式反應器變溫管式反應器2.2.絕熱管式反應器絕熱管式反應器)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt 得得AptATrrAXcMHwTT)(00AXT

38、T0ptATrAcMHwr0等溫反應，等溫反應，T=T0；放熱反應，放熱反應，TT0；吸熱反應，吸熱反應， TT0吸熱反應，較高的進吸熱反應，較高的進料溫度有利；料溫度有利；放熱反應，較低的進放熱反應，較低的進料溫度有利。料溫度有利。4.5 變溫管式反應器變溫管式反應器2.2.絕熱管式反應器絕熱管式反應器XA 和和 T的關系圖的關系圖吸熱反應吸熱反應等溫反應等溫反應放熱反應放熱反應TXA1斜率1斜率 T T0 0AXTT0最優(yōu)溫度曲線最優(yōu)溫度曲線平衡曲線平衡曲線XAfTTA TB TCXA可逆放熱反應的轉化率與溫度的關系4.5 變溫管式反應器變溫管式反應器2.2.絕熱管式反應器絕熱管式反應器圖

39、中AD、BE和CF分別是管式反應器進料溫度為TA、TB和TC時的絕熱操作線。從圖中可以看出，存在著一最佳的進料溫度，所需的反應體積最小。 ABCFED圖圖 絕熱管式反應器的最佳進料溫度絕熱管式反應器的最佳進料溫度圖中每條曲圖中每條曲線是對一定線是對一定的最終轉化的最終轉化率而作出的。率而作出的。最終轉化率最終轉化率越高，則最越高，則最佳進料溫度佳進料溫度越低。越低。 3. 非絕熱變溫管式反應器非絕熱變溫管式反應器 當化學反應的熱效應很大時，無論是放熱的還當化學反應的熱效應很大時，無論是放熱的還是吸熱的，采用絕熱操作將會使反應器進出口是吸熱的，采用絕熱操作將會使反應器進出口的反應物料的的反應物料

40、的溫差太大溫差太大,不可能得到較高的轉化不可能得到較高的轉化率率 在實際化學反應進行的同時必須與環(huán)境進行熱在實際化學反應進行的同時必須與環(huán)境進行熱交換，若為放熱反應需要將反應器冷卻，吸熱交換，若為放熱反應需要將反應器冷卻，吸熱反應則要加熱，使反應過程的溫度控制在要求反應則要加熱，使反應過程的溫度控制在要求的范圍內，以獲得較好的轉化率和安全地操作。的范圍內，以獲得較好的轉化率和安全地操作。 反應器所用的換熱介質根據反應溫度的高低反應器所用的換熱介質根據反應溫度的高低而選定而選定 高溫換熱介質高溫換熱介質多用燃燒液體或氣體燃料產生多用燃燒液體或氣體燃料產生的煙道氣、熔鹽和高壓蒸汽等，的煙道氣、熔鹽

41、和高壓蒸汽等， 常用的常用的低溫換熱介質低溫換熱介質為水和空氣為水和空氣 反應原料也可用作換熱介質，既冷卻了反應反應原料也可用作換熱介質，既冷卻了反應器又頂熱了原料器又頂熱了原料 非絕熱變溫管式反應器，由于化學反應與傳熱同非絕熱變溫管式反應器，由于化學反應與傳熱同時進行，這就需保證有一定的傳熱面積，通常是時進行，這就需保證有一定的傳熱面積，通常是采用列管式反應器以達到此目的即將許多直徑采用列管式反應器以達到此目的即將許多直徑較小的管式反應器并聯操作，這一方面可以保證較小的管式反應器并聯操作，這一方面可以保證所需的傳熱面積，另一方面則可使各個管式反應所需的傳熱面積，另一方面則可使各個管式反應器的橫截面不致太大，以免徑向溫差過大。器的橫截面不致太大，以免徑向溫差過大。 例例在內徑為在內徑為 1.22m 的管式反應器中進行乙苯催化的管式反應器中進行乙苯催化脫氫反應進料溫度為脫氫反應進料溫度為898K ，其余數據和要求同，其余數據和要求同例例 4.5, 反應速率常數與溫度的關系為：反應速率常數與溫度的關系為：)/(),/10983exp(10452. 35PakgskmolTk 不同溫度下的化學平衡常數值可根據下列近似式估不同溫度下的化學平衡常數值可根據下列近似式估算：算： 反應混合物的平均比熱容為反應混合物的平均比熱容為 2. 177kJ / ( kg. K