第四章管式反應器2023/6/23第一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五重點掌握：

·等溫管式反應器設計方程的推導與應用?！す苁胶透椒磻鞯膶Ρ?。·循環(huán)反應器的計算與分析。·變溫管式反應器的分析與計算，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器的計算等。

深入理解：

·活塞流和全混流模型的基本假設與含義，返混的基本概念。廣泛了解：

·擬均相的含義和模型假定。2023/6/23第二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

一、流動狀況對反應過程的影響1.流動情況影響（a）(b)內部各部分流體的停留時間不同，反應速率和最終轉化率也不一樣。圖4.1徑向流分布§4.1活塞流假設2023/6/23第三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五2.混合情況的影響完全混合時，C、T在反應器內均一；否則，各處T，C不一樣。這兩種混合情況對反應過程產生不同的影響，反應的結果也不一樣。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。2023/6/23第四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五二、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（上一章詳細描述過）混合達到最大，C、T均一，返混最大

應該注意的是：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"，實際反應器中的流動狀況介于兩者之間。2023/6/23第五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

1.軸向無返混。

2.物料質點的相同。

3.同一截面C、T相同。

4.C、T沿管長連續(xù)變化。假設：反應物料以穩(wěn)定流量流入反應器，平行向前移動。三、活塞流反應器的特征2023/6/23第六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

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)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器特性分析2023/6/23第七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五4.2等溫管式反應器設計

1.活塞流反應器的設計方程根據活塞流反應器的特點，可取反應器中一微元段作物料衡算，然后沿管長對整個反應器積分，就可得到活塞流反應器的設計基礎式。2023/6/23第八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

FA=（FA＋dFA）

+rAdVR+0

即：2023/6/23第九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五 積分得 或

※活塞流反應器基礎設計式※

恒容時 ∴BatchPFR注意：①二者形式同，一個是t，一個是τ；②管式反應器恒容時，τ=t；否則，τ≠t。2023/6/23第十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五對于氣相變容過程，用含δ表示各個濃度即可。 設反應器的截面積為A，則有dVr=AdZ，那么對于恒容過程CA=CAO（1-XA）則時間變量轉化為位置變量。2023/6/23第十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五圖3.4-2管式反應器的圖解計算示意圖2.圖解計算2023/6/23第十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五【例題1】在215℃和5大氣壓下，均相氣相反應Ａ─→3Ｒ在活塞流反應器中進行。215℃時,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)，求轉化率為80％時所需的時間。【解】根據題所給出的已知條件有：yA0＝0.5δA＝2023/6/23第十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五圖解積分數值積分解析積分rA＝10-2CA00.5τ＝100CA00.52023/6/23第十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五對多相催化反應，如果兩相間的傳質和傳熱的速率很大，則兩者的濃度及溫度的差異將很小，可忽略，此時動力學表征上與均相反應相同。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催化劑的質量2023/6/23第十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五§4.5反應器型式和操作方式的評選 本節(jié)僅從反應器生產能力和產品分布這兩個影響過程經濟性的主要因素出發(fā)，就單一反應和復合反應來分別討論其反應器型式和操作方法的評選。

2023/6/23第十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五一、單一反應不存在副反應，反應器選型時只需考慮如何有利于反應速率的提高。反應速率與反應物濃度的關系可能有下述三種情況?；钊鞣磻黧w積：全混流反應器體積：2023/6/23第十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五(1)1/rA隨xA的增大呈單調上升對于n＞0的不可逆等溫反應均有圖示的特征。Q0、CA0、T、xAf相同。Vrp或間<VrM-串<VrM圖不同反應器所需的體積(τ=Vr/Q0)2023/6/23第十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)1/rA

隨xA的增大而單調下降對于n>0的不可逆等溫反應均具有此性狀。

Vrp或間>VrM-串>VrM不同反應器所需的體積(τ=Vr/Q0)2023/6/23第十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

(3)1/rA對xA的曲線上存在著極小值自催化反應和絕熱操作的放熱反應具有這種特征。

A.xA<xAMVP>VM B.xA=xAf‘

VP=

VM；

C.xA>xAf’VP<

VM全混流反應器串聯活塞流反應器最優(yōu)。2023/6/23第二十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五二、復合反應以目的產物選擇性最大為目標函數，由瞬時選擇性的定義：對于BSTR或PFR：2023/6/23第二十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五 對于全混流反應器，瞬時選擇性與總選擇性相同：從上述討論看，復合反應的產物分布不僅與反應的型式、反應動力學特性有關，而且還與反應器的型式有關。2023/6/23第二十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五1.一級不可逆連串反應

P是目的產物 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：2023/6/23第二十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

PFR對產物P總是優(yōu)于CSTR。圖3.5-4活塞流反應器與全混流反應器的比較2023/6/23第二十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

2.不可逆平行反應

P是目的產物

(1)隨CA的增大而單調地增大應選用PFR

(a)PFR最優(yōu)，多釜串聯次之，CSTR最差第二十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)s隨CA的增大而單調地下降，返混，以CSTR為最優(yōu)。

(b)全混流最優(yōu)，多釜串聯全混流次之，活塞流最差第二十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五

(3)s

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

平行反應反應器比較的圖解示意(c)全混流串接活塞流最優(yōu)，活塞流次之，全混流最差第二十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五四、循環(huán)反應器對于很多反應過程，如合成氨、合成甲醇等過程，由于化學平衡的限制，單程轉化率并不高，為了提高原料的利用率，將出口（含有大量的反應物）的物料進行循環(huán)。具有循環(huán)操作的活塞流反應器2023/6/23第二十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五對M點作物料A的衡算2023/6/23第二十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五時，XAi=0活塞流時，XAi→XAf全混流實際上，當時，即可認為反應器達到了全混狀態(tài)。2023/6/23第三十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五4.5變溫管式反應器管式反應器的反應多是在絕熱或變溫條件下操作。熱量衡算式聯立求解濃度分布溫度分布物料衡算式工業(yè)上反應器：難于作到等溫操作對于可逆的熱反應，等溫并不一定好，有最佳溫度分布對于復雜反應，溫度T影響產物分布（PD）2023/6/23第三十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五考慮如圖所示的活塞流反應器，截取—段容積為dVR的微元段，微元段長度為dZ，在微元段內反應轉化率的變化為dxA、溫度變化為dT，由此對微元體作熱量平衡：活塞流反應器的熱量衡算示意圖一、管式反應器的熱量衡算式2023/6/23第三十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五 設單位截面積反應流體的質量流量為G，管徑為dt，流體在微元段中恒壓比熱容為CPt：①帶入的熱量②帶出的熱量③反應放出的熱量

※④傳給換熱介質的熱量2023/6/23第三十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五 帶入的熱量－帶出的熱量＋反應放出的熱量－傳給換熱介質的熱量=0即：(a)——管式反應器—間歇釜式反應器差別在于：自變量：t時間（間歇釜）距離Z（管式反應器）衡算范圍：整個反應器（間歇釜）微元體（管式反應器）2023/6/23第三十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五對微元段的物料衡算為：(ωA0：反應器入口處A的質量分率)

(b)將式(b)代入式(a)整理得：——溫度與轉化率的關系(C)2023/6/23第三十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五二、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U=0，由可得為T0T之間反應物系的平均熱容絕熱方程適用于各類反應器。絕熱溫升重要的工程概念2023/6/23第三十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五 三類反應器在絕熱條件下操作溫度與轉化率關系的區(qū)別：·PFR--不同位置上的T～XA關系；·Batch--不同時間下的T～XA關系；·CSTR--在等溫下操作，出口處XA、T一定。2023/6/23第三十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五以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，λ＞0，直線斜角＜90°

吸熱反應，λ＜0，直線斜角＞90°

等溫反應，λ＝0，直線斜角＝90°2023/6/23第三十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五具體解題步驟：(1).給出XAi用①式求Ti(2).由Ti用③式計算ki,rAi(3).由ΔXAi、ki,rAi等數據用②式計算VRi或zi

②③絕熱反應器的求解要用下面三個式子聯立：① 2023/6/23第三十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五一般來說，絕熱操作為管式反應器對于可逆放熱反應，要具體分析。吸熱反應，XA，T不可逆放熱反應XA，T選擇較高的進料溫度。圖4.8可逆放熱反應的X與T的關系設三個進料溫度TA，TB，TC，其中TB較好（對于XAf而言）。XAf↑，To↓（從圖中可以看到）。存在一最佳反應溫度，使得VR最小。2023/6/23第四十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五絕熱管式反應器的最佳進料溫度XAf"

>XAf'>XAf

2023/6/23第四十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五絕熱反應器的不足之處在于：反應器的進出口溫差太大。 如果為可逆放熱反應，T↑，平衡轉化率↓ 產物分布的控制也不容易作到 對于可逆吸熱反應，T↓速率變慢3.非等溫、非絕熱操作換熱介質的選定：根據所控制的溫度范圍確定，原則應保持溫差不宜過大，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。也可以適當安排利用產物的余熱來加熱原料。2023/6/23第四十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五非等溫、非絕熱操作，應將物料衡算式、熱量衡算式及動力學方程聯立求解。下面給出兩種傳熱情況的計算方法。①熱交換速率恒定

=常數對熱量衡算式逐項積分得

或寫成：用式(a)或式(b)可以得反應器內溫度隨轉化率的變化情況。(a)(b)2023/6/23第四十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五②給熱系數U恒定的情況∵∴積分得：此式的求解只能用試差法(或用數值積分法)。

2023/6/23第四十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五4.6管式反應器的最佳溫度序列4.6.1單一反應目標：生產強度最大①可逆放熱反應，等溫操作速率方程為：令可得達到某一轉化率時的最佳操作溫度。2023/6/23第四十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五②可逆放熱反應，變溫操作按最佳溫度線操作。③不可逆放熱反應或可逆吸熱反應，等溫操作盡可能在充許的高溫條件下操作。④不可逆放熱反應或可逆吸熱反應，變溫操作溫度應逐漸升高。2023/6/23第四十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五4.6.2復合反應目標：生產強度最大+目標產物收率最大特點：高溫有利于E大的反應 低溫有利于E小的反應①平行反應目標產物E1E2目標溫度序列：生產強度最大先低后高；目標產物收率最大低溫。2023/6/23第四十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五②連串反應E1E2低溫高溫③復雜反應P為目標產物2023/6/23第四十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五三類反應器的比較2023/6/23第四十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五1、濃度分布------推動力反應推動力隨反應時間逐漸降低反應推動力隨反應器軸向長度逐漸降低反應推動力不變，等于出口處反應推動力BatchCSTRPFR2023/6/23第五十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五2、反應器設計的基本方程某組分流入量=某組分流出量+某組分反應消耗量+某組分累積量反應消耗累積流入流出反應單元反應器反應單元流入量流出量反應量累積量間歇式整個反應器00√√平推流(穩(wěn)態(tài))微元長度√√√0全混釜(穩(wěn)態(tài))整個反應器√√√0非穩(wěn)態(tài)√√√√2023/6/23第五十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期五熱量衡算方程帶入的熱焓=帶出的熱焓+反應熱