管式反應(yīng)器課件

第四章管式反應(yīng)器長度遠大于其直徑的一類反應(yīng)器，統(tǒng)稱管式反應(yīng)器。管式反應(yīng)器可用于均相反應(yīng)，也可用于多相反應(yīng)。廣泛用于氣固相催化反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，也可看作是管式反應(yīng)器；所以，這里所說的管式反應(yīng)器是廣義的。管式反應(yīng)器多數(shù)采用連續(xù)操作。

14·1活塞流假設(shè)（流動模型）

流體在連續(xù)反應(yīng)器中的流動是一種極其復(fù)雜的物理現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象又直接影響到反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)進行的速率和程度。例如反應(yīng)器內(nèi)存在流體的流速分布。流體在管內(nèi)的徑向流速分布是不均勻的，中心處的流速最大，靠壁處最小;如圖所示流體呈層流時，其徑向流速分布為拋物面狀，而呈湍流時則隨湍動的程度不同流速分布變得扁平。顯然，中心部分的流體在反應(yīng)器內(nèi)的留時間短，靠近管璧處的流體停留時間則長。停留時間不同，反應(yīng)程度自然就不一樣。2活塞流假設(shè)（流動模型）除了流速分布外，反應(yīng)器內(nèi)流體的混合也是一個極其重要因素。因為流體混合的形式和程度直接影響到反應(yīng)器內(nèi)各處流體的濃度和溫度，而這兩者又是決定反應(yīng)速率的主要因素。正因為這種流動現(xiàn)象錯綜復(fù)雜，互為因果，就有必要對其作出合理的簡化，不失真地建立起描述管內(nèi)流動狀況的物理模型，即流動模型。流動模型：流體流過反應(yīng)器時的流動狀況及返混程度?；钊髂Ｐ褪亲罨镜囊环N流動模型。其基本假定是徑向流速分布均勻，如圖所示：即所有流體粒子均以相同速度從進口向出口運動，就像一個活塞一樣有序地向前移動，故稱之為活塞流。3全混流模型假設(shè)(連續(xù)釜式反應(yīng)器）對于連續(xù)釜式反應(yīng)器，假定反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)物料濃度與溫度均一，正是另一種流動模型的必然結(jié)果，這種流動模型叫做完全混合流模型，簡稱全混流模型。全混流模型的基本假定是無論徑向混合還是軸向混合程度都達到最大。最大的徑向混合保證了同一橫截面上物系參數(shù)如溫度、濃度等的均一，而最大的軸向混合，則消除了各個橫截面間溫度及濃度的差異，從而達到整個反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物料的濃度均一、溫度均一。因此，全混流模型的返混程度最大。5活塞流模型與全混流模型的區(qū)別根據(jù)活塞流模型與全混流模型的基本假定可明顯看出，活塞流和全混流的根本差別是，前者無返混存在，后者的返混程度則達到最大，以致反應(yīng)物料間不存在濃度差，也不存在溫度差。活塞流和全混流都屬于理想化了的流動，所以這兩種模型又稱為理想流動模型。從返混程度看這又屬于兩種理想狀態(tài)情況，一是無返混，另一則返混最大。所有真實（實際）反應(yīng)器的返混程度均介于二者之間。凡是能用活塞流模型來描述其流動狀況的反應(yīng)器，不論其結(jié)構(gòu)如何，均稱之為活塞流反應(yīng)器；同樣，凡是符合全混流假定的反應(yīng)器則稱之為全混流反應(yīng)器。真實反應(yīng)器的描述將在第五章研究。64·2等溫管式反應(yīng)器設(shè)計

管式反應(yīng)器如圖所示，原料以流量Q0從反應(yīng)器頂部連續(xù)加入，而從底部流出。對于定態(tài)操作的活塞流反應(yīng)器，如果反應(yīng)器中進行等溫反應(yīng)，那么反應(yīng)器設(shè)計的首要任務(wù)之一是根據(jù)原料的處理量及組成，計算達到規(guī)定的轉(zhuǎn)化率所需的反應(yīng)體積，然后以此為依據(jù)作進一步的設(shè)計。第一步是要建立適宜的設(shè)計方程，即物料衡算方程（變溫反應(yīng)時，還需熱量衡算方程）

7單一反應(yīng)

由于管式反應(yīng)器的物料濃度系隨軸向而變，故取微元體積dV作為控制體積(見圖)。根據(jù)活塞流的假定，對此微元體作任意反應(yīng)組分i的物料衡算，當(dāng)過程達到定態(tài)時得：化簡后有這就是基于活塞流模型管式反應(yīng)器的設(shè)計方程。這里組分i是任意的，可以是反應(yīng)物，也可以是反應(yīng)產(chǎn)物。8單一反應(yīng)因為Vr=0時，XA=0;Vr=Vr時，XA=Xaf，積分后得到：由于連續(xù)釜式反應(yīng)器是在等反應(yīng)速率條件下進行，因此其反應(yīng)器體積的計算為一個特例：10管式反應(yīng)器與間歇反應(yīng)器的比較根據(jù)空時的定義τ＝Vr/Q0得：對于間歇反應(yīng)器：兩式的右邊形式完全一樣，但未必可以得出的結(jié)論，只有在均相恒容條件下二者才相等。即管式反應(yīng)器在等容下反應(yīng)達到一定的轉(zhuǎn)化率所需的空時與相同溫度下間歇釜式反應(yīng)器達到相同的轉(zhuǎn)化率所需的時間相等，由此溝通了連續(xù)反應(yīng)與間歇反應(yīng)間的關(guān)系。在此情況下，間歇反應(yīng)所得到的結(jié)論亦適用活塞流反應(yīng)器。11例4.1

(將例3.1的間歇反應(yīng)器改用活塞流反應(yīng)器)

用活塞流反應(yīng)器進行乙酸和乙醇的酯化反應(yīng)，每天生產(chǎn)乙酸乙醋12000kg，其化學(xué)反應(yīng)式為CH3COOH十C2H5OHCH3COOC2H5十H2O(A)(B)(R)(S)原料中反應(yīng)組分的質(zhì)量比為:A:B:S=l:2:1.35，反應(yīng)液的密度為1020㎏/m3，并假定在反應(yīng)過程中不變。反應(yīng)在1OO℃下等溫操作,其反應(yīng)速率方程如下的反應(yīng)器體積為多少?13例4.1解解:由于乙酸與乙醇的反應(yīng)為液相反應(yīng)，故可認(rèn)為是等容均相過程。等容下活塞流反應(yīng)器的空時與條件相同的間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間相等。在例3·1里已求出達到題給要求所需的反應(yīng)時間為118.8min。改用活塞流反應(yīng)器連續(xù)操作，如要達到同樣要求空時也同樣應(yīng)為118.8min。原料處理量為Q0=4.155m3/h,因此，反應(yīng)體積

Vr=Q0τ=4.155(118.8/60)=8.227m3而例3·1算得間歇反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積為12.38m3，大于活塞流反應(yīng)器，其原因是間歇操作還需考慮裝料、卸料及清洗等輔助時間的緣故，如不考慮這些，兩者的反應(yīng)體積應(yīng)相等。從這點看，連續(xù)操作要比間歇操作優(yōu)越(生產(chǎn)效率高）。14例4.215多個反應(yīng)

（復(fù)合反應(yīng)）當(dāng)反應(yīng)器同時進行數(shù)個反應(yīng)時，一個反應(yīng)變量的變化已不足以描述整個反應(yīng)過程，需分別對各關(guān)鍵組分作物料衡算，以獲得管式反應(yīng)器的設(shè)計方程組。如果在反應(yīng)器中存在K個獨立反應(yīng)，就需要確定K個組分來描述反應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)，因此就需要可建立K個物料衡算方程。同單一反應(yīng)一樣，只要將i組分的摩爾流量與轉(zhuǎn)化速率變化為轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，就可積分求出反應(yīng)器體積。實際反應(yīng)過程中更關(guān)心反應(yīng)的收率與選擇性。17活塞流反應(yīng)器中進行平行反應(yīng)對于平行反應(yīng)，已討論的結(jié)果是：溫度：E1>E2時，升高溫度有利于提高反應(yīng)選擇性；E1<E2時，降低溫度有利于提高反應(yīng)選擇性。溫度升高對活化能大的反應(yīng)有利。濃度：當(dāng)某反應(yīng)組分在主反應(yīng)中的濃度級數(shù)大于其在副反應(yīng)中的級數(shù)，為提高反應(yīng)選擇性應(yīng)盡量在高濃度下操作，即選用平推流或間歇反應(yīng)器；若主反應(yīng)級數(shù)小于副反應(yīng)級數(shù)，應(yīng)盡量在低濃度下操作，即選用全混流反應(yīng)器。18活塞流反應(yīng)器中復(fù)合反應(yīng)選擇性與收率的計算活塞流反應(yīng)器與間歇反應(yīng)器的中復(fù)合反應(yīng)選擇性與收率的計算基本相同。平行反應(yīng)：連串反應(yīng)：194·3管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較

在原料處理量及組成、反應(yīng)溫度以及最終轉(zhuǎn)化率均相同的情況下，比較管式與釜式反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積。例3·4、例3·6及例4·1曾對生產(chǎn)乙酸乙酯時采用不同的反應(yīng)器所需的反應(yīng)器體積進行了計算，型式不同的反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積匯總于下表中。由表中可見，以管式反應(yīng)器所需的反應(yīng)體積最小，而單釜為最大。多釜串聯(lián)則介于兩者之間，且串聯(lián)的釜數(shù)越多，所需的反應(yīng)體積越小。這僅僅是從一個具體問題的計算結(jié)果作出的結(jié)論，是否有普遍意義?21管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較單釜與多釜串聯(lián)的比較在第三章中已作了普遍性的討論。這里著重在與管式反應(yīng)器的比較。由活塞流反應(yīng)器體積計算式與全混流反應(yīng)器體積計算式的比為：由該式可以看出，影響反應(yīng)器體積之比的參數(shù)有：22管式與釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積的比較出口轉(zhuǎn)化率；反應(yīng)速率（正級數(shù)反應(yīng)、負(fù)級數(shù)反應(yīng)、自催化反應(yīng)等）。對于正級數(shù)反應(yīng)，VRP<兩級串聯(lián)的VRM<單級的VRP;即返混程度的增加使得反應(yīng)器體積增加；對于負(fù)級數(shù)反應(yīng)，則與正級數(shù)反應(yīng)的結(jié)果恰好相反；對于自催化反應(yīng)，則要進行恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器組合。在這種特殊情況下，最好的辦法是采用兩個反應(yīng)器串聯(lián)，先采用一個釜式反應(yīng)器進行反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化率達到XAm，然后再送入一管式反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)至最終轉(zhuǎn)化率XAf,這種辦法所需的反應(yīng)體積最小。

23活塞流反應(yīng)器加料方式選擇在選用活塞流反應(yīng)器時，加料方式也要進行適當(dāng)選擇。需要濃度高時，從入口進入；需要濃度低時，從側(cè)線進入。例4.6自己看254·4循環(huán)反應(yīng)器

工業(yè)上有些反應(yīng)過程，如合成氨、合成甲醇以及乙烯水合生產(chǎn)乙醇等，由于化學(xué)平衡的限制以至單程轉(zhuǎn)化率不高，為了提高原料的利用率，通常是將反應(yīng)器流出的物料中的產(chǎn)品分離后再循環(huán)至反應(yīng)器的入口，與新鮮原料一道進入反應(yīng)器再行反應(yīng)，這類反應(yīng)器叫做循環(huán)反應(yīng)器。圖為循環(huán)反應(yīng)器的示意圖。設(shè)該反應(yīng)器符合活塞流的假定，則該反應(yīng)器的反應(yīng)體積可按活塞流反應(yīng)器體積公式計算，但是需首先解決兩個問題，一是反應(yīng)器的物料處理量，另一是反應(yīng)器的入口轉(zhuǎn)化率XA0。26內(nèi)循環(huán)無梯度反應(yīng)器29外循環(huán)無梯度反應(yīng)器

活塞線圈單向閥反應(yīng)器304·5變溫管式反應(yīng)器

在工業(yè)生產(chǎn)中絕大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)過程是在變溫條件下進行。這一方面由于化學(xué)反應(yīng)過程都伴隨著熱效應(yīng)，有些熱效應(yīng)還相當(dāng)大，即便采用各種換熱方式移走熱量(放熱反應(yīng))或者輸入熱量(吸熱反應(yīng))，對于工業(yè)反應(yīng)器都難以維持等溫。特別是氣固相固定床催化反應(yīng)器，要想達到等溫更為困難。另一方面許多反應(yīng)過程等溫操作的效果并不好，而要求有一最佳溫度分布。如工業(yè)上進行合成氨，合成甲醇之類的可逆放熱反應(yīng)，便屬于這種情況。再者，對于一些復(fù)雜反應(yīng)、其主、副反應(yīng)的活化能大小不同，溫度的高低對主、副反應(yīng)速率的影響也不同。所以，可通過改變溫度的方法來改變產(chǎn)物的分布，使目的產(chǎn)物的收率最大?？傊捎谏鲜龇N種原因，工業(yè)反應(yīng)器極少情況下是等溫的，絕大多數(shù)都是在變溫條件下操作。

31管式反應(yīng)器的熱量衡算式

設(shè)管式反應(yīng)器內(nèi)流體的流動符合活塞流假定，且垂直于流動方向的任何截面上溫度均勻，僅隨軸向位置而變。取微元反應(yīng)體積dV，為控制體積作熱量衡算，即得管式反應(yīng)器的熱量衡算式。

由熱力學(xué)第一定律知，對于等壓過程有dH=dq

設(shè)反應(yīng)流體的質(zhì)量速度為G，管式反應(yīng)器的直徑為dt，則dVr=(/4)dt2dZ。若反應(yīng)流體在微元反應(yīng)體積中的溫度變化為dT，定態(tài)下的焓變?yōu)椋菏街蠺r為基準(zhǔn)溫度。該微元體積與環(huán)境交換的熱量為：

dq=U(Tc一T)dtdZ式中Tc為換熱介質(zhì)的溫度。將dH及dq代入熱衡算式，整理后得32不同形式反應(yīng)器的比較管式反應(yīng)器的軸向溫度分布方程與間歇釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的形式甚為相似，差別在于自變量的不同，間歇反應(yīng)器以時間為自變量；定態(tài)操作的管式反應(yīng)器則用軸向距離為自變量;另一個差別是間歇釜式反應(yīng)器是對全釜物料作衡算，而管式反應(yīng)器則是針對微元反應(yīng)體積。

33復(fù)合反應(yīng)系統(tǒng)的熱量衡算在復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)放出的熱量是各個反應(yīng)放出的反應(yīng)熱之和。移出系統(tǒng)的熱量仍分為兩部分，即流體本身帶出系統(tǒng)的熱量與通過換熱裝置移出的熱量。這與反應(yīng)器中進行的反應(yīng)個數(shù)無關(guān)。因此，只要將單一反應(yīng)的熱量衡算式中的反應(yīng)熱與反應(yīng)組分反應(yīng)量的乘積,改為各個反應(yīng)的反應(yīng)熱與各組分反應(yīng)量的乘積之和，便得到了反應(yīng)雜系統(tǒng)的熱量衡算式。（書中4.29式）34絕熱管式反應(yīng)器

若反應(yīng)是在絕熱條件下進行，則與外界交換的熱量為0，因此絕熱管式反應(yīng)器的熱量衡算式可簡化為：如果不考慮熱容隨物料組成及溫度而變，當(dāng)入口處T=T0，XA=0，且Tr=T0，為T0與T之間的反應(yīng)物系平均比熱容，積分上式得：

T-T0=λXA

此式即稱為：絕熱操作線，式中λ成為絕熱溫升。定義：在絕熱條件下，系統(tǒng)中關(guān)鍵組份完全反應(yīng)時，體系溫度的升高值。35反應(yīng)器的熱量衡算從管式反應(yīng)器的熱量衡算結(jié)果看，與釜式反應(yīng)器、間歇式反應(yīng)器的結(jié)果完全一樣，均反映了絕熱反應(yīng)過程中溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。所以絕熱操作線方程式可適用于各類反應(yīng)器。雖然絕熱操作線方程反映了這三類反應(yīng)器在絕熱條件下操作溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，但值得注意的是，在本質(zhì)上仍然是有區(qū)別的。用于管式反應(yīng)器時，它反映了不同的軸向位置上溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。用于間歇式反應(yīng)器時則反映不同時間下反應(yīng)物料的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系。用于連續(xù)釜式反應(yīng)器無論是否與環(huán)境進行熱交換，均為等溫操作，所以，絕熱方程式反映的是絕熱條件下與連續(xù)釜式反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率相對應(yīng)的操作溫度。36反應(yīng)器的熱量衡算由絕熱操作線方程可知：以轉(zhuǎn)化率XA對操作溫度T作圖可得一直線，如圖所示：該直線的斜率為l/λ。若為放熱反應(yīng)，λ>0，直線的斜角小于90o;吸熱反應(yīng)，λ<0，斜角大于90o。等溫反應(yīng)時，λ=O，斜角等于90o。

由圖可見，絕熱條件下進行吸熱反應(yīng)時，反應(yīng)溫度隨轉(zhuǎn)化率的增加而下降，進行不可逆放熱反應(yīng)時則相反，反應(yīng)溫度隨轉(zhuǎn)化率的增加而升高。所以，在絕熱管式反應(yīng)器中進行吸熱反應(yīng)時，一般情況下選擇較高的進料溫度是有利的。而對于可逆放熱反應(yīng)還需作具體分析。37絕熱反應(yīng)器的熱量衡算在絕熱反應(yīng)器中進行放熱反應(yīng)時，存在確定的最佳溫度曲線。對于一定的轉(zhuǎn)化率，當(dāng)反應(yīng)溫度低于最佳溫度時，反應(yīng)速率總是隨溫度的升高而增加，高于最佳溫度時則隨溫度的升高而降低。按BE線操作，其平均反應(yīng)速率要大于AD線操作，但是再提高進料溫度至Tc，按CF線操作并不見得比BE線好，因為反應(yīng)后期太接近平衡了，所以存在著一最佳的進料溫度，使得所需的反應(yīng)體積最小。

38絕熱反應(yīng)器的熱量衡算在一定的出口轉(zhuǎn)化率和原料流量的要求條件下，不同的進口溫度時，完成任務(wù)所需的反應(yīng)器體積是不同的。反應(yīng)體積與進料溫度的關(guān)系見示意圖，圖中每條曲線是對一定的最終轉(zhuǎn)化率而作出的。當(dāng)反應(yīng)體積一定時，在不同的進口溫度時，所達到的最終轉(zhuǎn)化率是不同的，最終轉(zhuǎn)化率越高，則最佳進料溫度越低。

39例4·7在內(nèi)徑為1·22m的絕熱管式反應(yīng)器中進行乙苯催化脫氫反應(yīng)。進料溫度為898K，其余數(shù)據(jù)和要求同例4·5。反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系為:k=3.452×l0-5exp(一10983/T),kmol/(s·kg·Pa)不同溫度下的化學(xué)平街常數(shù)值可根據(jù)下列近似式估算:K=3.96×1011exp(一1450/T)，l/Pa反應(yīng)混合物的平均比熱容為2.177kJ/(kg·K)，反應(yīng)熱等于1.39×l05，J/mol。催化劑床層的堆密度為1440kg/m3。40例4·7試計算:(1)催化劑用量;(2)反應(yīng)器的軸向溫度及轉(zhuǎn)化率分布。解:例4·5已將乙苯轉(zhuǎn)化速率變成轉(zhuǎn)化率的函數(shù)，結(jié)果為:41例4·742例4·7進行數(shù)值積分，也可按其他數(shù)值法求解式(D)。這里用龍格-庫塔-吉爾法，用計算機求解的結(jié)果列于表4B中。43例4·7結(jié)果討論由于絕熱反應(yīng)過程的溫度與轉(zhuǎn)化率成線性關(guān)系，由式(C)便可算出給定轉(zhuǎn)化率下的溫度，表4B中為列出的相應(yīng)的計算結(jié)果。根據(jù)表4B中的數(shù)據(jù)，分別以XA對Z及以T對Z作圖，如圖4B所示。圖中的兩條曲線即為軸向溫度分布曲線及軸向轉(zhuǎn)化率分布曲線。反應(yīng)初期反應(yīng)速率甚快，反應(yīng)氣體通過1m高的床層后，轉(zhuǎn)化率即達到42.53%，而反應(yīng)后期在lm高的床層內(nèi)乙苯的凈轉(zhuǎn)化率只有0.6084－0.5647=0.0437或4·37%，反應(yīng)速率要比反應(yīng)前期慢得多。44例4·7結(jié)果討論反應(yīng)先快后慢的原因一是反應(yīng)物濃度減小而反應(yīng)產(chǎn)物濃度增加；另一則是反應(yīng)溫度降低了，這兩者均使反應(yīng)速率大幅度地下降。由于乙苯脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，絕熱反應(yīng)必然使反應(yīng)溫度不斷降低，從這一點看，絕熱反應(yīng)器是不可取的。但是，反應(yīng)器的操作條件并不是由一個因素決定的，需要從多方面去考慮，作出合理的決策。

45例4·7結(jié)果討論為了求出轉(zhuǎn)化率達60%所需的催化劑量，需要決定相應(yīng)的床層高度。但是，表4B沒有轉(zhuǎn)化率剛好等于60%的計算結(jié)果，根據(jù)與60%相接近的數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插，不會帶來大的誤差。于是，轉(zhuǎn)化率達60%時的床層高度為：催化劑用量：

Vr=/4×l.222×2.94=3.437m3=3.437×1440kg=4949kg

46例4·7結(jié)果討論由例4.5可知，乙苯脫氫制苯乙烯的反應(yīng)，在898K等溫下操作達到相同的轉(zhuǎn)化率時，例4·5計算所需的催化劑雖為1725kg，約為絕熱操作的1/3。原因很明顯，就是因為該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，并且絕熱反應(yīng)器除了在入口處外，其他地方的操作溫度都低于898K，催化劑用量相應(yīng)要增多是不言而喻的。

47非絕熱變溫管式反應(yīng)器

當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)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(yīng)器進出口的反應(yīng)物料的溫差太大。對于放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度沿軸向而升高，這對于不可逆反應(yīng)來說，問題不大，但由于其他原因反應(yīng)溫度一定要控制在一定范圍內(nèi)時，絕熱反應(yīng)器的應(yīng)用就會受到限制；如果反應(yīng)是可逆的，溫度升高則平衡轉(zhuǎn)化率降低，應(yīng)用絕熱反應(yīng)器就不可能得到較高的轉(zhuǎn)化率。在絕熱反應(yīng)器中進行吸熱反應(yīng)時，無論是可逆還是不可逆的，反應(yīng)溫度總是沿軸向而降低；使反應(yīng)速率越來越慢，若反應(yīng)是可逆的，還使平衡轉(zhuǎn)化率下降，從而不可能獲得高的轉(zhuǎn)化率。

48非絕熱變溫管式反應(yīng)器在很多種情況下，要在化學(xué)反應(yīng)進行的同時必須與環(huán)境進行熱交換，使反應(yīng)過程的溫度控制在要求的范圍以獲得較好的轉(zhuǎn)化率和安全地操作。若為吸熱反應(yīng)則要隨著反應(yīng)進行不斷的加熱，以維持適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速率。若為放熱反應(yīng)則需要將反應(yīng)器冷卻，特別是那些溫度過高會發(fā)生爆炸，或者會損壞催化劑或設(shè)備的反應(yīng)，及時是出反應(yīng)放出的熱量非常重要。反應(yīng)器所用的換熱介質(zhì)根據(jù)反應(yīng)溫度的高低而選定。高溫?fù)Q熱介質(zhì)多用燃燒液體或氣體燃料產(chǎn)生的煙道氣、熔鹽和高壓蒸汽等，常用的低溫?fù)Q熱介質(zhì)為水和空氣。反應(yīng)原料也可用作換熱介質(zhì)，既冷卻了反應(yīng)器又預(yù)熱了原料（自熱過程）。49非絕熱變溫管式反應(yīng)器非絕熱變溫管式反應(yīng)器，由于化學(xué)反應(yīng)與傳熱同時進行，這就需保證有一定的傳熱面積，通常是采用列管式反應(yīng)器以達到此目的。即將許多直徑較小的管式反應(yīng)器并聯(lián)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(yīng)器的橫截面不致太大，以免徑向溫差過大。

設(shè)計多管并聯(lián)反應(yīng)器時，一般可以認(rèn)為各管的情況相同，所以只對一根管作考察即能反映整個反應(yīng)器工況。設(shè)計此類反應(yīng)器同樣是從物料衡算式和熱量衡算出發(fā)，與絕熱反應(yīng)器不同之處是熱量衡算式，需把與外界交換的熱量考慮在內(nèi)。通過改變管徑及與換熱介質(zhì)的換熱速率，使反應(yīng)器內(nèi)維持在所要求的溫度水平上。例如苯氧化反應(yīng)是一強放熱反應(yīng)，但用以冷卻反應(yīng)器的卻是溫度高達300多度的熔鹽，其目的就是使反應(yīng)器內(nèi)外的溫度差不致太大，以免傳熱速率過快而使溫度急劇下降。50例4·8采用144根直徑為0.101m的反應(yīng)管并聯(lián)操作，以代替例4·7中直徑為1.22m的絕熱管式反應(yīng)器進行乙苯催化脫氫反應(yīng)。這些反應(yīng)管外用溫度恒定為1100K的煙道氣加熱，煙道氣與反應(yīng)管內(nèi)反應(yīng)氣體間的總傳熱系數(shù)為2.85W/(m2·K)。其他條件和要求同例4.7。試計算反應(yīng)器的軸向轉(zhuǎn)化率及溫度分布，以及乙苯轉(zhuǎn)化率達60%時所需的催化劑量。

51例4·8解:由題意知此反應(yīng)器為非絕熱變溫管式反應(yīng)器。144根反應(yīng)管并聯(lián)，只考察一根反應(yīng)管即可。因為144根并聯(lián)反應(yīng)管的總橫截面積正好與例4·7申直徑為1.22m的絕熱反應(yīng)器的橫截面積相等，所以兩者都是在同一質(zhì)量速度下操作，且進料組成又相同，因而例4·7由物料衡算所建立的軸向轉(zhuǎn)化率分布方程式(D)亦適用于本題。差別只在于反應(yīng)溫度T與轉(zhuǎn)化率XA不再成線性關(guān)系，可將該式改寫成如下形式：52例4·853例4·8結(jié)果在相同條件下操作的絕熱管式反應(yīng)器的軸向轉(zhuǎn)化率及溫度分布曲線也繪于圖4C上(根據(jù)例4·7的計算結(jié)果)，即圖中以虛線表示的那兩條曲線。由圖可見：在反應(yīng)器的任何軸向位置上，非絕熱變溫操作的轉(zhuǎn)化率均大于絕熱操作。

54例4·8結(jié)果及討論換熱后反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相應(yīng)提高的原因是在相同的軸向位置上，前者的溫度都高于后者的緣故，理由很明顯:換熱時環(huán)境不斷向反應(yīng)器提供熱量，而絕熱則無熱量提供。正是這個緣故，絕熱操作的吸熱反應(yīng)器軸向溫度分布曲線是單調(diào)下降的。非絕熱變溫操作時，反應(yīng)溫度是先下降，達一極小值后又開始上升。這是由于反應(yīng)前期反應(yīng)速率快，環(huán)境向反應(yīng)器提供的熱量小于反應(yīng)消耗的熱量，因而溫度降低，反應(yīng)后期反應(yīng)速率慢消耗熱量少，而環(huán)境向反應(yīng)器提供的熱量多，以致反應(yīng)物料溫度持續(xù)上升。但要注意，軸向溫度分布曲線的極小點不是任何情況下都存在的?？v使和環(huán)境有熱交換，只要供熱速率永遠大于反應(yīng)耗熱速率，則軸向溫度是單調(diào)上升的，反之則單調(diào)下降。

55例4·8結(jié)果及討論達到60%轉(zhuǎn)化率時所需的催化劑量，可按例4·7所用的方法，即線性內(nèi)插法來確定床高后即可求定。根據(jù)表4G的數(shù)據(jù)可求得床高為:因之催化劑用量為:Vr=144×(/4)(0.1016)2×1.865=2.177m3=2.177×1440kg=3135kg與例4·6的結(jié)果相比較可知，非絕熱變溫操作的催化劑用量較絕熱操作少，這是可以意料的，因為外界供熱使反應(yīng)溫度普遍地高于絕熱操作，比較圖4C中的曲線C與D也就清楚了。只要兩者的進料組成和溫度以及質(zhì)量速度相同，這一結(jié)論普遍成立，除非該反應(yīng)的速率與溫度的關(guān)系反常。564.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列溫度對于化學(xué)反應(yīng)是一個最敏感的因素。因此正確選擇操作溫度是管式反應(yīng)器設(shè)計的一個十分重要的內(nèi)容。對于單一反應(yīng)，通常是根據(jù)生產(chǎn)強度最大來確定操作溫度，所謂生產(chǎn)強度是指單位時間單位反應(yīng)體積的產(chǎn)品產(chǎn)量。而對于復(fù)合反應(yīng)往往還以目的產(chǎn)物的收率最大為目標(biāo)。

57單一反應(yīng)

對于等溫管式反應(yīng)器，要考察在什么溫度下操作，生產(chǎn)強度最大。對于不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)速率越快，顯然，溫度越高，反應(yīng)器的生產(chǎn)強度也越大。因此，高溫操作有利。實際上能夠采用多高的操作溫度，還受到反應(yīng)器的構(gòu)成材料、能源、催化劑的耐熱性能等方面的限制，需要結(jié)合這些因素來考慮。至于可逆放熱反應(yīng)，就不是操作溫度越高，反應(yīng)器的生產(chǎn)強度越大了。設(shè)反應(yīng)AP為一級可逆放熱反應(yīng)，其速率方程為：58可逆放熱反應(yīng)的最佳溫度反應(yīng)速率常數(shù)k1和化學(xué)平衡常數(shù)K均為溫度的函數(shù)。對于一定的物料處理量Q0及一定的最終轉(zhuǎn)化率XAf，當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)速率常數(shù)k1增加而反應(yīng)平衡常數(shù)K減小，上式右邊的對數(shù)值增大，但該對數(shù)前面的因子值則減小。因此，兩者的乘積，即所需的反應(yīng)體積Vr隨著反應(yīng)溫度的升高可能增大，也可能減小。從而可知必存在一最佳操作溫度，此時H需反應(yīng)體積最小?；蛑f當(dāng)反應(yīng)體積及處理物料雖一定時，達到的最終轉(zhuǎn)化率最大。

59可逆放熱反應(yīng)的最佳溫度從另一角度來分析這個問題。即在反應(yīng)初期及中期，提高反應(yīng)溫度可以加快反應(yīng)速率，然而可逆放熱反應(yīng)的后期，溫度越高，越接近于平衡，則反應(yīng)的凈速率越小。因此存在最佳操作溫度，使反應(yīng)過程以最大的平均反應(yīng)速率進行。如果反應(yīng)的速率方程以及反應(yīng)速率常數(shù)和化學(xué)平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系已知，則不難求出Vr與T的關(guān)系式，令dVr/dT=O，即可求出最佳操作溫度。那么，對于非等溫過程，溫度的確定就比較困難了。60不可逆反應(yīng)與可逆吸熱反應(yīng)的溫度序列實際上大多數(shù)管式反應(yīng)器均屬變溫操作，這就需要確定最佳操作溫度序列，即反應(yīng)器的最佳軸向溫度分布。對于不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng)，其最佳操作溫度序列應(yīng)遵循先低后高這一原則。也就是說管式反應(yīng)器的反應(yīng)溫度從進口到出口逐漸升高，這是因為反應(yīng)過程中由于反應(yīng)物濃度逐漸降低而導(dǎo)致反應(yīng)速率下降，如果保持反應(yīng)過程的溫度逐漸上升，則可補償由于濃度降低而引起的反應(yīng)速率減小，這樣可使過程的平均反應(yīng)速率最大，自然就能獲得較大的生產(chǎn)強度。另一方面，從可逆吸熱反應(yīng)的情況看，只有保持反應(yīng)器出口的溫度較高，才有可能獲得較大的平衡轉(zhuǎn)化率，否則最終轉(zhuǎn)化率將受到化學(xué)平衡的約束而不能提高。61可逆放熱反應(yīng)的溫度序列在管式反應(yīng)器中進行的是可逆放熱反應(yīng)時，其最佳操作溫度序列則是由高溫到低溫，與不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng)的情況正好相反。可逆放熱反應(yīng)存在最佳溫度，此溫度隨著轉(zhuǎn)化率的增加而降低。按此關(guān)系來控制管式反應(yīng)器的反應(yīng)溫度，將可保證其生產(chǎn)強度最大。因為反應(yīng)器內(nèi)每一點都以最大的反應(yīng)速率進行，總的結(jié)果也必然最大。當(dāng)然，要完全按最佳溫度曲線操作，實行起來會困難不少，但應(yīng)力圖接近。62絕熱管式反應(yīng)器對于反應(yīng)的適應(yīng)性絕熱管式反應(yīng)器由于其自身的特點反應(yīng)溫度總是單調(diào)地改變。對于放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度單調(diào)上升，吸熱反應(yīng)則單調(diào)下降。顯然，除不可逆放熱反應(yīng)外，這與上述的最佳操作溫度序列的要求相反，就這一點而言，絕熱管式反應(yīng)器對這些類型的反應(yīng)是不合適的。但要注意，反應(yīng)器的型式及操作條件需要通過多方案計算和評比之后方能確定，而不能根據(jù)個別的不足而全盤否定。另一方面，絕熱管式反應(yīng)器的反應(yīng)溫度序列隨著進入反應(yīng)器的物料溫度而改變，因此,正確選定進口溫度是獲得適宜的反應(yīng)溫度條件的關(guān)鍵。63復(fù)合反應(yīng)系統(tǒng)溫度的確定單一反應(yīng)最佳溫度序列的討論，是以生產(chǎn)強度最大為出發(fā)點。

對于復(fù)合反應(yīng)，除考慮生產(chǎn)強度以外還可以目的產(chǎn)物收率最大作為目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)不同，最佳溫度對策往往也不同。平行反應(yīng)：

設(shè)P為目的產(chǎn)物，且第一個反應(yīng)（主反應(yīng)）的活化能E1小于第二個反應(yīng)的活化能E2。64平行反應(yīng)系統(tǒng)溫度的確定如從生產(chǎn)強度最大的觀點看，應(yīng)先低溫后高溫。（不可逆反應(yīng)）原因是低溫有利于P的生成，反應(yīng)前期采用低溫可以生成更多的P，后期由于反應(yīng)物濃度下降而導(dǎo)致反應(yīng)速率降低，采用高溫則可以抵償而不致反應(yīng)速率太慢。當(dāng)然副產(chǎn)物Q的量相應(yīng)也增加了。這是使單位時間單位反應(yīng)體積