第四章-管式反應(yīng)器

00:34第四章管式反應(yīng)器§4.1活塞流假設(shè)

§4.2等溫管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)

§4.3管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器體積的比較§4.4循環(huán)反應(yīng)器§4.5變溫反應(yīng)器00:34重點(diǎn)掌握：

·等溫管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程的推導(dǎo)與應(yīng)用。

·管式和釜式反應(yīng)器的對比。

·循環(huán)反應(yīng)器的計(jì)算與分析。

·變溫管式反應(yīng)器的分析與計(jì)算，包括：熱量衡算方程的建立、絕熱溫升和非絕熱變溫管式反應(yīng)器的計(jì)算等。

深入理解：

·活塞流和全混流模型的基本假設(shè)與含義，返混的基本概念。廣泛了解：

·擬均相的含義和模型假定。00:34

流體流動是非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象，影響到系統(tǒng)的反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化程度。一、流動狀況對反應(yīng)過程的影響

1.流動情況影響（a）(b)內(nèi)部各部分流體的停留時(shí)間不同，反應(yīng)速率和最終轉(zhuǎn)化率也不一樣。圖4.1徑向流分布§4.1活塞流假設(shè)00:342.混合情況的影響完全混合時(shí)，C、T在反應(yīng)器內(nèi)均一；否則，各處T，C不一樣。這兩種混合情況對反應(yīng)過程產(chǎn)生不同的影響，反應(yīng)的結(jié)果也不一樣。最簡單的流動模型是理想流動模型，包括：活塞流和全混流模型。00:34二、理想流動模型１.活塞流模型①徑向流速分布均勻；②軸向不存在混合。

③無返混

2.全混流模型（上一章詳細(xì)描述過）

混合達(dá)到最大，C、T均一，返混最大

應(yīng)該注意的是：理想流動模型是兩種極端情況，活塞流的返混為"零"，而全混流的返混"最大"，實(shí)際反應(yīng)器中的流動狀況介于兩者之間。00:34 1.軸向無返混。

2.物料質(zhì)點(diǎn)的

相同。

3.同一截面C、T相同。

4.C、T沿管長連續(xù)變化。假設(shè)：反應(yīng)物料以穩(wěn)定流量流入反應(yīng)器，平行向前移動。三、活塞流反應(yīng)器的特征00:34

BSTRPFRCSTR1投料一次加料(起始)連續(xù)加料(入口)連續(xù)加料(入口)2年齡年齡相同(某時(shí))年齡相同(某處)年齡不同3壽命壽命相同(中止)壽命相同(出口)壽命不同(出口)4返混全無返混全無返混返混極大反應(yīng)器特性分析00:344.2等溫管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)1.活塞流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程根據(jù)活塞流反應(yīng)器的特點(diǎn)，可取反應(yīng)器中一微元段作物料衡算，然后沿管長對整個(gè)反應(yīng)器積分，就可得到活塞流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)式。00:34

FA=（FA＋dFA）

+rAdVR+0

即：00:34

積分得 或

※活塞流反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式※

恒容時(shí) ∴（間歇反應(yīng)器）（活塞流反應(yīng)器）00:34對于氣相變?nèi)葸^程，用含膨脹因子的式子表示各個(gè)濃度即可。注意：①二者形式同，但一個(gè)是t，一個(gè)是τ（與所選擇的進(jìn)口狀態(tài)有關(guān)）； ②管式反應(yīng)器恒容時(shí)，τ=t；否則，τ≠t。

設(shè)反應(yīng)器的截面積為A，則有dVr=AdZ，那么00:34對于恒容過程CA=CAO（1-XA）則

時(shí)間變量轉(zhuǎn)化為位置變量。00:34圖3.4-2管式反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖2.圖解計(jì)算00:34【例題1】

在215℃和5大氣壓下，均相氣相反應(yīng)Ａ─→3Ｒ在活塞流反應(yīng)器中進(jìn)行。215℃時(shí),速率式為：rA=10-2CA0.5(mol/l·s)，原料氣中含有50％A和50％惰性氣體(CA0=0.0625mol/l)，求轉(zhuǎn)化率為80％時(shí)所需的時(shí)間?！窘狻扛鶕?jù)題所給出的已知條件有：yA0＝0.5

δA＝00:34圖解積分?jǐn)?shù)值積分解析積分rA＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5τ＝＝100CA00.500:34

對多相催化反應(yīng)，如果兩相間的傳質(zhì)和傳熱的速率很大，則兩者的濃度及溫度的差異將很小，可忽略，此時(shí)動力學(xué)表征上與均相反應(yīng)相同。此簡化模型稱為擬均相模型。4.3擬均相模型式中為催化劑的堆密度Vr催化劑的堆體積W催化劑的質(zhì)量00:34§4.5反應(yīng)器型式和操作方式的評選

本節(jié)僅從反應(yīng)器生產(chǎn)能力和產(chǎn)品分布這兩個(gè)影響過程經(jīng)濟(jì)性的主要因素出發(fā)，就單一反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)來分別討論其反應(yīng)器型式和操作方法的評選。

00:34一、單一反應(yīng)不存在副反應(yīng)，反應(yīng)器選型時(shí)只需考慮如何有利于反應(yīng)速率的提高。反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系可能有下述三種情況：活塞流反應(yīng)器體積：全混流反應(yīng)器體積：00:34(1)1/rA隨xA的增大呈單調(diào)上升對于n＞0的不可逆等溫反應(yīng)均有圖示的特征。Q0、CA0、T、xAf相同。

Vrp或間<VrM-串<VrM圖不同反應(yīng)器所需的體積(τ=V/Q0)00:34(2)1/rA

隨xA的增大而單調(diào)下降對于n>0的不可逆等溫反應(yīng)均具有此性狀。

Vrp或間>VrM-串>VrM不同反應(yīng)器所需的體積(τ=V/Q0)00:34

(3)1/rA對xA的曲線上存在著極小值自催化反應(yīng)和絕熱操作的放熱反應(yīng)具有這種特征。 A.xA<xAMVP>VM B.xA=xAf‘

VP=

VM；

C.xA>xAf’VP<

VM全混流反應(yīng)器串聯(lián)活塞流反應(yīng)器最優(yōu)。00:34二、復(fù)合反應(yīng)以目的產(chǎn)物選擇性最大為目標(biāo)函數(shù)，由瞬時(shí)選擇性的定義：對于BSTR或PFR：00:34

對于全混流反應(yīng)器，瞬時(shí)選擇性與總選擇性相同：從上述討論看，復(fù)合反應(yīng)的產(chǎn)物分布不僅與反應(yīng)的型式、反應(yīng)動力學(xué)特性有關(guān)，而且還與反應(yīng)器的型式有關(guān)。00:341.一級不可逆連串反應(yīng)

P是目的產(chǎn)物 對于BSTR或PFR中P的最大濃度：

對于CSTR中P的最大濃度： 將上面兩式相除，并以對作圖：00:34

活塞流反應(yīng)器對產(chǎn)物P來說總是優(yōu)于全混流反應(yīng)器。圖3.5-4活塞流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較2.不可逆平行反應(yīng)

P是目的產(chǎn)物

P的瞬間選擇性與CA之間可能有三種變化形狀：

(1)隨CA的增大而單調(diào)地增大應(yīng)選用無返混的活塞流反應(yīng)器

(a)活塞流最優(yōu)，多釜串聯(lián)次之，全混流反應(yīng)器最差

(2)s隨CA的增大而單調(diào)地下降，返混，以CSTR為最優(yōu)。

(b)全混流最優(yōu)，多釜串聯(lián)全混流次之，活塞流最差

(3)s

～CA曲線存在最大值反應(yīng)前期返混有利，后期不利，應(yīng)采用CSTR后串接PFR為最優(yōu)。

平行反應(yīng)反應(yīng)器比較的圖解示意(c)全混流串接活塞流最優(yōu)，活塞流次之，全混流最差00:34【例題2】在一定的反應(yīng)溫度下Ａ發(fā)生下述平行反應(yīng)：其中Ｒ是主產(chǎn)物，Ｓ是副產(chǎn)物。反應(yīng)原料為純的Ａ，其初始濃度為10kmol/m3。在反應(yīng)器出口Ａ的轉(zhuǎn)化率為80％。比較當(dāng)上述反應(yīng)在全混釜和平推流反應(yīng)器中進(jìn)行時(shí)，Ａ轉(zhuǎn)化為Ｒ的選擇性、Ｒ的收率以及反應(yīng)物的停留時(shí)間有什么不同。在反應(yīng)過程中體積的變化可以忽略不計(jì)。00:34【解】(1)全混釜00:3400:3400:3400:34四、循環(huán)反應(yīng)器

對于很多反應(yīng)過程，如合成氨、合成甲醇等過程，由于化學(xué)平衡的限制，單程轉(zhuǎn)化率并不高，為了提高原料的利用率，將出口（含有大量的反應(yīng)物）的物料進(jìn)行循環(huán)。具有循環(huán)操作的活塞流反應(yīng)器00:34對M點(diǎn)作物料A的衡算00:34

時(shí)，XAi=0活塞流時(shí)，XAi→XAf

全混流實(shí)際上，當(dāng)時(shí)，即可認(rèn)為反應(yīng)器達(dá)到了全混狀態(tài)。00:344.5變溫管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器的反應(yīng)多是在絕熱或變溫條件下操作。熱量衡算式聯(lián)立求解濃度分布溫度分布物料衡算式工業(yè)上反應(yīng)器：難于作到等溫操作對于可逆的熱反應(yīng)，等溫并不一定好，有最佳溫度分布對于復(fù)雜反應(yīng)，溫度T影響產(chǎn)物分布（PD）00:34考慮如圖所示的活塞流反應(yīng)器，截取—段容積為dVR的微元段，微元段長度為dZ，在微元段內(nèi)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的變化為dxA、溫度變化為dT，由此對微元體作熱量平衡：活塞流反應(yīng)器的熱量衡算示意圖一、管式反應(yīng)器的熱量衡算式00:34

設(shè)單位截面積反應(yīng)流體的質(zhì)量流量為G，管徑為dt，流體在微元段中恒壓比熱容為CPt：①流體流入微元段帶入的熱量②流體流出微元段帶出的熱量③流體在微元段反應(yīng)放出的熱量

※④從微元段傳給換熱介質(zhì)的熱量00:34

帶入的熱量－帶出的熱量＋反應(yīng)放出的熱量－傳給換熱介質(zhì)的熱量=0即：(a)——管式反應(yīng)器—間歇釜式反應(yīng)器差別在于：自變量：t時(shí)間（間歇釜）距離Z（管式反應(yīng)器）衡算范圍：整個(gè)反應(yīng)器（間歇釜）微元體（管式反應(yīng)器）00:34對微元段的物料衡算為：(ωA0：反應(yīng)器入口處A的質(zhì)量分率)

(b)

將式(b)代入式(a)整理得：——溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

對多個(gè)反應(yīng)：(C)00:34二、絕熱操作若不考慮熱容隨物料組成及溫度的變化，積分上式得：絕熱操作時(shí)U=0，由可得為T0T之間反應(yīng)物系的平均熱容上式與間歇反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器在絕熱情況推導(dǎo)出的公式完全一樣，所以絕熱方程適用于各類反應(yīng)器。絕熱溫升重要的工程概念00:34

雖然上式反映了三類反應(yīng)器在絕熱條件下操作溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，但本質(zhì)上還是有區(qū)別的：·管式反應(yīng)器--不同位置上的T～XA關(guān)系；·間歇釜式反應(yīng)器--不同時(shí)間下的T～XA關(guān)系；·連接釜式反應(yīng)器--在等溫下操作，在出口處的XA一定、溫度T也一定。00:34具體解題步驟：(1).給出XAi用①式求Ti(2).由Ti用③式計(jì)算ki,rAi(3).由ΔXAi、ki,rAi等數(shù)據(jù)用②式計(jì)算VRi或zi

②③

絕熱反應(yīng)器的求解要用下面三個(gè)式子聯(lián)立：① 00:34以xA

對溫度T作圖可得一條直線，直線的斜率等于1/λ。放熱反應(yīng)，λ＞0，直線斜角＜90°

吸熱反應(yīng)，λ＜0，直線斜角＞90°

等溫反應(yīng)，λ＝0，直線斜角＝90°00:34一般來說，絕熱操作為管式反應(yīng)器對于可逆放熱反應(yīng)，要具體分析。吸熱反應(yīng)，XA

，T不可逆放熱反應(yīng)XA

，T選擇較高的進(jìn)料溫度。圖4.8可逆放熱反應(yīng)的X與T的關(guān)系設(shè)三個(gè)進(jìn)料溫度TA，TB，TC，其中TB較好（對于XAf而言）。XAf↑，To↓（從圖中可以看到）。存在一最佳反應(yīng)溫度，使得VR最小。00:34絕熱管式反應(yīng)器的最佳進(jìn)料溫度XAf"

>XAf'>XAf

00:34絕熱反應(yīng)器的不足之處在于：反應(yīng)器的進(jìn)出口溫差太大。 如果為可逆放熱反應(yīng)，T↑，平衡轉(zhuǎn)化率↓ 產(chǎn)物分布的控制也不容易作到 對于可逆吸熱反應(yīng)，T↓速率變慢3.非等溫、非絕熱操作

換熱介質(zhì)的選定：根據(jù)所控制的溫度范圍確定，原則應(yīng)保持溫差不宜過大，以免傳熱速率太快，操作不穩(wěn)定。例如：高溫--煙道氣、熔鹽、高壓蒸氣等；低溫--水、空氣等。也可以適當(dāng)安排利用產(chǎn)物的余熱來加熱原料。00:34非等溫、非絕熱操作，應(yīng)將物料衡算式、熱量衡算式及動力學(xué)方程聯(lián)立求解。下面給出兩種傳熱情況的計(jì)算方法。①熱交換速率恒定

=常數(shù)對熱量衡算式逐項(xiàng)積分得

或?qū)懗桑河檬?a)或式(b)可以得反應(yīng)器內(nèi)溫度隨轉(zhuǎn)化率的變化情況。(a)(b)00:34②給熱系數(shù)U恒定的情況∵∴積分得：此式的求解只能用試差法(或用數(shù)值積分法)。

00:344.6管式反應(yīng)器的最佳溫度序列4.6.1單一反應(yīng)目標(biāo)：生產(chǎn)強(qiáng)度最大①可逆放熱反應(yīng)，等溫操作速率方程為：令可得達(dá)到某一轉(zhuǎn)化率時(shí)的最佳操作溫度。00:34②可逆放熱反應(yīng)，變溫操作按最佳溫度線操作。③不可逆放熱反應(yīng)或可逆吸熱反應(yīng)，等溫操作盡可能在充許的高溫條件下操作。④不可逆放熱反應(yīng)或可逆吸熱反應(yīng)，變溫操作溫度應(yīng)逐漸升高。00:344.6.2復(fù)合反應(yīng)目標(biāo)：生產(chǎn)強(qiáng)度最大+目標(biāo)產(chǎn)物收率最大特點(diǎn)：高溫有利于活化能大的反應(yīng) 低溫有利于活化能小的反應(yīng)①平行反應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)物E1E2目標(biāo)溫度序列：生產(chǎn)強(qiáng)度最大先低后高；目標(biāo)產(chǎn)物收率最大低溫。00:34②連串反應(yīng)E1E2低溫高溫③復(fù)雜反應(yīng)P為目標(biāo)產(chǎn)物00:34三類反應(yīng)器的比較00:34結(jié)論：(1)等體積下，PFR的的

(2)高級數(shù)的反應(yīng)，返混對影響顯著00:3400:342濃度分布------推動力反應(yīng)推動力隨反應(yīng)時(shí)間逐漸降低反應(yīng)推動力隨反應(yīng)器軸向長度逐漸降低反應(yīng)推動力不變，等于出口處反應(yīng)推動力BatchCSTRPFR00:34反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應(yīng)消耗量+某組分累積量反應(yīng)消耗累積流入流出反應(yīng)單元反應(yīng)器反應(yīng)單元流入量流出量反應(yīng)量累積量間歇式整個(gè)反應(yīng)器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(