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1、第四章管式反应器管式反应器类型管式反应器类型水平管式反应器水平管式反应器立管式反应器立管式反应器U形管式反应器形管式反应器盘管式反应器盘管式反应器多管并联结构多管并联结构本章内容本章内容 活塞流假定活塞流假定 等温管式反应器的计算等温管式反应器的计算 管式与釜式反应器反应体积的比较管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器循环反应器 变温管式反应器的计算变温管式反应器的计算第四章管式反应器3.流动模型流动模型：反应器中流体流动与返混情况的：反应器中流体流动与返混情况的描述。描述。重要的概念重要的概念2.2.返混返混：不同停留时间的流体粒子之间的混合。：不同停留时间的流体粒子之间的混合。1.1.
2、停留时间停留时间：流体粒子进出反应器的时间差。流体粒子进出反应器的时间差。4.1 4.1 活塞流假定活塞流假定 基本假定基本假定 径向混合和轴向返混都达到最大径向混合和轴向返混都达到最大 符合此假设的反应器，物料的停符合此假设的反应器，物料的停 留时间参差不齐。留时间参差不齐。特点特点 反应物系的所有参数在径向上均一，反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：各处物料均一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值。均为出口值。剧烈搅拌的连续釜式反应器剧烈搅拌的连续釜式反应器可按全混流处理可按全混流处理4.1 4.1 活塞流假定活塞流假定重要的概念重要的概念 全混流模型：全混流模型：湍
3、流湍流层流层流4.1 4.1 活塞流假定活塞流假定活塞流活塞流（PFR）基本假定：基本假定：(1)(1)径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。从进口向出口运动。(2)(2)轴向上无返混轴向上无返混 所有粒子在反应器内停留时间相同。所有粒子在反应器内停留时间相同。活塞流活塞流管径较小，流速较大管径较小，流速较大的管式反应器可按活的管式反应器可按活塞流处理塞流处理4.1 4.1 活塞流假定活塞流假定 活塞流模型活塞流模型v 特点：特点：径向上物料的所有参数都相同，径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。轴向上不断变化。反应物流处于湍流状态
4、时，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于空管的长径比大于50；填；填充段长与粒径之比大于充段长与粒径之比大于100(气体气体)或或200（液体），流动（液体），流动视为平推流。视为平推流。三种反应器的比较三种反应器的比较4.1 4.1 活塞流假定活塞流假定类型BRCSTRPFR停留时间相同不同相同返混无有，且达到最大无流动模型-全混流活塞流4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 单一反应单一反应4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计例例4.1活塞流反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯活塞流反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯120
5、00kg12000kg，其反应式为，其反应式为原料中反应组分的质量比原料中反应组分的质量比A:B:S=1:2:1.35A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为，反应液密度为1020kg/m1020kg/m3 3，并假定在反应过程中不变。反应速率方程为：并假定在反应过程中不变。反应速率方程为：反应温度下反应温度下k k1 1=4.7610=4.7610-4-4L/(molL/(molmin)min)，平衡常数，平衡常数K=2.92K=2.92。试计算乙。试计算乙酸转化酸转化35%35%所需的反应体积。所需的反应体积。讨论讨论1.1.相同进料浓度，最终转化率条件下，间歇釜的相同进料浓度，最终转化
6、率条件下，间歇釜的反应时间与活塞流反应器的空时相等？反应时间与活塞流反应器的空时相等？4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计讨论讨论2 2 活塞流反应器与连续釜式反应器？活塞流反应器与连续釜式反应器？4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计正常动力学正常动力学讨论讨论3.3.间歇釜与活塞流反应器的浓度（转化率）间歇釜与活塞流反应器的浓度（转化率）变化规律？变化规律？间歇釜间歇釜：定态操作的活塞流反应器，浓度随轴向距离而变，与定态操作的活塞流反应器，浓度随轴向距离而变，与时间无关。时间无关。间歇釜反应器，浓度随时间而变。间歇釜反应器，浓度随时间而变。4.2 4.
7、2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计活塞流活塞流：4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 平行反应平行反应活塞流活塞流对各组分作物料衡算对各组分作物料衡算平行反应平行反应4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计间歇釜间歇釜间歇釜间歇釜4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 连串反应连串反应4.14 4.14 液相平行反液相平行反应应：目的目的产产物物为为P P。（1）写出瞬写出瞬时选择时选择性性计计算式。算式。（2 2）试试求下列情况下的求下列情况下的总选择总选择性。性。a.活塞流反活塞流反应应器器C CA0A0=C=CB0B0=10
8、kmol/m=10kmol/m3 3,C,CAfAf=C CBfBf=1kmol/m=1kmol/m3 3；b.连续连续釜式反釜式反应应器，器，浓浓度条件同（度条件同（a a）；）；c.活塞流反活塞流反应应器，反器，反应应物物A A和和B B的加入方式如下的加入方式如下图图所示。反所示。反应应物物A A从反从反应应器的一端器的一端连续连续地加入，而地加入，而B B则则从不同位置从不同位置处处分分别连续别连续加入，使得器内加入，使得器内处处处处B B的的浓浓度均等于度均等于1kmol/m1kmol/m3 3,反反应应器器进进出口出口处处A A的的浓浓度分度分别为别为1919和和1kmol/m1k
9、mol/m3 3。4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 拟均相模型拟均相模型多相催化反应过程中，化学反应系在固体催化剂表面上发生，流体多相催化反应过程中，化学反应系在固体催化剂表面上发生，流体相与固体相之间需进行物质与能量的传递，如果两者间传质、传热相与固体相之间需进行物质与能量的传递，如果两者间传质、传热速率大，则两者的速率大，则两者的浓度及温度的差异将很小浓度及温度的差异将很小。如果忽略这些差异，。如果忽略这些差异，则在动力学表征上则在动力学表征上多相与均相多相与均相并无两样。因此，根据这种简化假定并无两样。因此，根据这种简化假定而建立的模型称为拟均相模型。而建立的模型
10、称为拟均相模型。4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计例例4.5在压力在压力0.12MPa,898K等温下进行乙苯的催化脱氢反等温下进行乙苯的催化脱氢反应，乙苯与水蒸气摩尔比应，乙苯与水蒸气摩尔比=1:20，速率方程为：，速率方程为：计算计算乙苯进料量为乙苯进料量为1.710-3kmol/s,最终转化率为最终转化率为60%的催的催化剂用量。化剂用量。4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较 前提条件：进行相同的反应；前提条件：进行相同的反应；采用相同的进料流量与进料浓度；采用相同的进料流量与进料浓度；反应温度与最终转化率相同。反应温度与最终转化率相同。活塞流活塞流全混流单釜全混
11、流单釜全混流多釜串联全混流多釜串联活塞流反应器体积：活塞流反应器体积：全混流反应器体积：全混流反应器体积：多釜串联全混流反应器体积：多釜串联全混流反应器体积：4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较计算比较4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较比较例比较例3.4、例、例3.6和例和例4.1的结果：的结果：反应器管式釜式单釜两釜串联三釜串联反应体积8.22714.6810.889.897可看出管式最小可看出管式最小,单釜最大单釜最大,串联釜数串联釜数N增加增加,Vr降低。降低。计算比较 (a)(a)1/-R1/-RA A随随x xA A的增大呈单调上升的增大呈单调上升图分析比较4.3 管式与釜式反
12、应器反应体积的比较 (b)(b)1/-R1/-RA A随随x xA A的增大呈单调上升的增大呈单调上升(c)1/-RA具有极小值比较比较管式与釜式反应器的收率管式与釜式反应器的收率 (a)(a)选择性随转化率的增加而减小选择性随转化率的增加而减小 (b)(b)选择性随转化率的增加而增大选择性随转化率的增加而增大4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较4.7 4.7 拟设计一等温反应器进行下列液相反应：拟设计一等温反应器进行下列液相反应：目的产物为目的产物为R R，且，且R R与与B B极难分离。试问：极难分离。试问：（1 1）目的产物瞬时选择性表达式？）目的产物瞬时选择性表达式？（2 2）在原料
13、配比上有何要求？）在原料配比上有何要求？（3 3）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？（4 4）如用半间歇反应器，应采用什么样的加料方式？）如用半间歇反应器，应采用什么样的加料方式？习题习题 4.4 4.4 循环反应器循环反应器当当2525时，即可认为反应器达到了时，即可认为反应器达到了全混状态。全混状态。活塞流反应器的热量衡算示意图活塞流反应器的热量衡算示意图活塞流反应器的热量衡算活塞流反应器的热量衡算控制体控制体：反应体积为：反应体积为dVrdVr的微元段，微元段长度为的微元段，微元段长度为dZdZ，转化率的变化为转化率的变化为dxdx
14、A A、温度变化为、温度变化为dTdT。4.5 4.5 变温管式反应器变温管式反应器-管式反应器轴向温度分布方程管式反应器轴向温度分布方程管式反应器的热量衡算管式反应器的热量衡算-管式反应器中反应温度与转化率的关系管式反应器中反应温度与转化率的关系绝热管式反应器绝热管式反应器绝热温升绝热温升-不同位置上的不同位置上的TXA关系关系-不同时间下的不同时间下的TXA关系关系-在等温下操作，在出口处在等温下操作，在出口处的的XA一定、温度一定、温度T也一定也一定讨论讨论1.1.三种反应器的绝热热量衡算式三种反应器的绝热热量衡算式PFR：BR：CSTR：等温反应，等温反应，T=T0；放热反应，放热反应
15、，TT0；吸热反应，吸热反应，TT0XA和和T的关系图的关系图吸热反吸热反应应等温反等温反应应放热反应放热反应TXA讨论讨论2.2.绝热操作温度绝热操作温度讨论讨论2.2.绝热操作温度绝热操作温度绝热管式反应器的最佳进料温度XAf X Af XAf 讨论讨论3.3.绝热反应器最绝热反应器最佳进料温度佳进料温度 讨论讨论4.4.绝热管式反应器设计绝热管式反应器设计4.6 4.6 管式反应器的最优温度序列管式反应器的最优温度序列 单一反应单一反应复合反应复合反应1.不可逆反应2.可逆吸热3.可逆放热1.平行反应2.连串反应3.反应网络目的产物收率最大目的产物收率最大最好兼顾生产强度最好兼顾生产强度生产强度最大生产强度最大生产强度：生产强度：单位时间单位反应体积单位时间单位反应体积的产品产量。的产品产量。