第四章-管式反应器.pptx

01:41第四章第四章 管式反应器管式反应器4.1 活活塞流假设塞流假设 4.2 等温管式反应器设计等温管式反应器设计 4.3 管式反应器管式反应器与釜式反与釜式反应器体积的比较应器体积的比较4.4 循环反应器循环反应器4.5 变温反应器变温反应器01:41重点掌握：等温管式反应器设计方程的推导与应用。管式和釜式反应器的对比。循环反应器的计算与分析。变温管式反应器的分析与计算，包括：热量衡算方程的建立、绝热温升和非绝热变温管式反应器的计算等。深入理解：活塞流和全混流模型的基本假设与含义，返混的基本概念。广泛了解：拟均相的含义和模型假定。01:41 流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率和转化程度。一、流动状况对反应过程的影响1.流动情况影响（a）(b)内部各部分流体的停留时间不同，反应速率和最终转化率也不一样。图 4.1 径向流分布4.1 活塞流假设活塞流假设01:412.混合情况的影响完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C不一样。这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应的结果也不一样。最简单的流动模型是理想流动模型，包括：活塞流和全混流模型。01:41二、理想流动模型 .活塞流模型 径向流速分布均匀；轴向不存在混合。无返混 2.全混流模型（上一章详细描述过）混合达到最大，C、T均一，返混最大 应该注意的是：理想流动模型是两种极端情况，活塞流的返混为零，而全混流的返混最大，实际反应器中的流动状况介于两者之间。01:411.轴向无返混。2.物料质点的相同。3.同一截面C、T相同。4.C、T沿管长连续变化。假设：反应物料以稳定流量流入反应器，平行向前移动。反应物料以稳定流量流入反应器，平行向前移动。三、活塞流反应器的特征三、活塞流反应器的特征01:41 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命 寿命相同(中止)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极大反应器特性分析反应器特性分析01:414.2 等温管式反应器设计等温管式反应器设计 1.活塞流反应器的设计方程活塞流反应器的设计方程 根据活塞流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到活塞流反应器的设计基础式。01:41 FA =（FA dFA）+rA dVR +0 即：01:41积分得 或 活塞流反应器基础设计式恒容时 （间歇反应器）（活塞流反应器）01:41对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。注意：二者形式同，但一个是t，一个是（与所选择的进口状态有关）；管式反应器恒容时，=t；否则，t。设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么01:41对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则 时间变量转化为位置变量。01:41图3.4-2 管式反应器的图解计算示意图2.图解计算图解计算01:41【例题1】在215和5大气压下，均相气相反应 3在活塞流反应器中进行。215时,速率式为：rA=10-2CA0.5(mol/ls)，原料气中含有50A和50惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为80时所需的时间。【解】根据题所给出的已知条件有：yA00.5A01:41图解积分数值积分解析积分rA10-2CA0.510-2CA00.5100CA00.501:41 对多相催化反应，如果两相间的传质和传热的速率很大，则两者的浓度及温度的差异将很小，可忽略，此时动力学表征上与均相反应相同。此简化模型称为拟均相模型。4.3 拟均相模型式中 为催化剂的堆密度Vr催化剂的堆体积W催化剂的质量01:414.5 反应器型式和操作方式的评选反应器型式和操作方式的评选 本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程经济性的主要因素出发，就单一反应和复合反应来分别讨论其反应器型式和操作方法的评选。01:41一、单一反应一、单一反应 不存在副反应，反应器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高。反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种情况：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：01:41 (1)1/rA随xA的增大呈单调上升 对于n0的不可逆等温反应均有图示的特征。Q0、CA0、T、xAf相同。Vrp或间 VrM-串0的不可逆等温反应均具有此性状。Vrp或间 VrM-串 VrM不同反应器所需的体积(=V/Q0)01:41(3)1/rA对xA的曲线上存在着极小值自催化反应和绝热操作的放热反应具有这种特征。A.xAVMB.xA=xAf VP=VM；C.xAxAf VPX Af XAf 01:41绝热反应器的不足之处在于：反应器的进出口温差太大。如果为可逆放热反应，T，平衡转化率 产物分布的控制也不容易作到 对于可逆吸热反应，T速率变慢 3.非等温、非绝热操作 换热介质的选定：根据所控制的温度范围确定，原则应保持温差不宜过大，以免传热速率太快，操作不稳定。例如：高温-烟道气、熔盐、高压蒸气等；低温-水、空气等。也可以适当安排利用产物的余热来加热原料。01:41非等温、非绝热操作，应将物料衡算式、热量衡算式及动力学方程联立求解。下面给出两种传热情况的计算方法。热交换速率恒定 =常数 对热量衡算式逐项积分得 或写成：用式(a)或 式(b)可以得反应器内温度随转化率的变化情况。(a)(b)01:41给热系数U恒定的情况 积分得：此式的求解只能用试差法(或用数值积分法)。01:414.6 管式反应器的最佳温度序列4.6.1 单一反应目标：生产强度最大可逆放热反应，等温操作速率方程为：令可得达到某一转化率时的最佳操作温度。01:41可逆放热反应，变温操作按最佳温度线操作。不可逆放热反应或可逆吸热反应，等温操作尽可能在充许的高温条件下操作。不可逆放热反应或可逆吸热反应，变温操作温度应逐渐升高。01:414.6.2 复合反应目标：生产强度最大+目标产物收率最大特点：高温有利于活化能大的反应低温有利于活化能小的反应平行反应目标产物 E1E2目标温度序列：生产强度最大先低后高；目标产物收率最大低温。01:41连串反应E1E2低温高温复杂反应P为目标产物01:41三类反应器的比较01:41结论：(1)等体积下，PFR 的 的 (2)高级数的反应，返混对 影响显著01:4101:412 浓度分布-推动力反应推动力随反应时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度逐渐降低反应推动力不变，等于出口处反应推动力BatchCSTRPFR01:41反应器设计的基本方程某组分流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+某组分反应消耗量某组分反应消耗量+某组分累积量某组分累积量反应消耗累积流入流入流出流出反应单元反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态01:41热量衡算方程带入的热焓带入的热焓=带出的热焓带出的热焓+反应热反应热+热量的累积热量的累积+传给环境的热量传给环境的热量反应热累积带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境01:415 理想流动反应器的组合与反应体积比较理想流动反应器的组合与反应体积比较平推流全混流(a)(b)反应器体积相同，一级不可逆反应01:41出口浓度Caf：转化率Xaf：01:426 理想流动反应器中的多重反应理想流动反应器中的多重反应01:42两个反应物两个反应物A+BL(主反应)M(副反应)12间歇操作n1n2,m1m2CA,CB 都高都高a1a2,b1a2,b1b2CA高高,CB低低01:42A+BL(主反应)M(副反应)12连续流动操作a1a2,b1a2,b1a2,b1b2CA,CB 都高都高01:4201:42一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物一级不可逆连串反应，不论采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与最大收率与反应物初浓度无关，只与k k2 2/k/k1 1的比值有关。的比值有关。全混流反应器最佳反应时间最佳反应时间最大出口浓度最大出口浓度最大收率最大收率(*)(*)01:421.xA,k2/k1相同时，相同时，BSTR和和PFR比比CSTR好好2.k2/k11,高转化率下操作高转化率下操作01:4201:42