分离工程第四章管式反应器-6

1、第四章第四章 管式反应器管式反应器本章内容本章内容 活塞流假设（活塞流假设（理想流动模型）理想流动模型） 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理想流动模型理想流动模型 流动模型流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的：是反应器中流体流动与返混情况的描述，这一状况对反应结果有非常重要的影响。描述，这一状况对反应结果有非常重要的影响。 返混返混：在流体流动方向上：在流体流动方向上停留时间停留时间不同的流体不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为粒子之间的混合称为返混，也

2、称为逆向混合逆向混合。1.1.基本概念基本概念 活塞流模型（平推流）：活塞流模型（平推流）： 基本假定：基本假定： (1) (1) 径向流速分布均匀，所有粒子以相径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。同的速度从进口向出口运动。 (2) (2) 轴向上无返混轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进入符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时间相同。器，所有粒子在反应器内停留时间相同。 特点：径向上物料的所有参数都相同，特点：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。1

3、.1.基本概念基本概念理想流动模型理想流动模型层流层流湍流湍流活塞流活塞流 全混流模型全混流模型： 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：各处物一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值料均一，均为出口值理想流动模型理想流动模型1.1.基本概念基本概念 管径较小，流管径较小，流速较大的管式速较大的管式反应器反应器可可按活塞流处理按活塞流处理 剧烈搅拌的连剧烈搅拌的连续釜式反应器

4、续釜式反应器可按全混可按全混流处理流处理等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计000AAcQF进入量进入量 = 排出量排出量 + 反应量反应量 + 累积量累积量0)()(riiiidVFdFFiridVdFdzAfXrdV0iFiFiidFF ArAdVdF)1 (0AAAXFF)(0AArAAXdVdXF)(00AArAAXdVdXcQ 单一反应单一反应等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计dzAfXrdV0iFiFiidFF )(00AArAAXdVdXcQAfXAAAArXdXcQV000)(AfXAAAAorXdXcQV00)(AfXAAAAXdXct00)(间歇BRXPFRtA等

5、容，等几种理想反应器设计方程的基本形式几种理想反应器设计方程的基本形式AfXAAAAorXdXcQV00)(AfXAAAAorXdXcQVt00)(PFR：BR：CSTR：)(0AAAfAorXXcQVt与与二者尽管形式上二者尽管形式上相同，但一个是反应相同，但一个是反应时 间时 间 t ， 一 个 空 时， 一 个 空 时 （与所选择的进口状（与所选择的进口状态有关）。另外，间态有关）。另外，间歇釜式反应器总是恒歇釜式反应器总是恒容的。如果管式反应容的。如果管式反应器也在恒容下进行，器也在恒容下进行，则有则有=t；否则，；否则，t。 用连续管式反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每用连续管式反应

6、器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯天生产乙酸乙酯12000kg，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=1:2:1.35，反应液密，反应液密度为度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应速，并假定在反应过程中不变。反应速率方程为率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/K) 。反应温度下。反应温度下k1=4.7610-4L/(molmin)，平衡常数，平衡常数K=2.92。试计。试计算乙酸转化算乙酸转化35%所需的反应体积。所需的反应体积。例例1 1)()()()(2523523RRBAOHHCOOCCHOHHCCOOHCH解：首先计算

7、原料处理量解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量为算出每小时乙酸用量为lmolCS59.171835. 160908. 30lmolCB2 .1046260908. 30lmolCA908. 3155. 423.160hm3155. 4102035. 46023.16hkmol /23.1635. 0248812000原料液各组分起示浓度分别为原料液各组分起示浓度分别为由原料液中各组分质量比可算出原料流量为由原料液中各组分质量比可算出原料流量为由式由式(3.8)可求反应时间，为此需将题给的反应速率可求反应时间，为此需将题给的反应速率方程变换为转化率

8、的函数方程变换为转化率的函数kckCCCCbCCaASABAB11)1 (0000002021)(AAAACcxbxakrAASSAARAABBAAAxCCCxCCxCCCxCC000000)1 (A)其中其中将将(A)式代入式式代入式(3.8)得反应时间为得反应时间为axacbbaxacbbacbCkcxbxadxCktAfAfAxAAAAAf2)4(2)4(ln411222010201由由a,b及及c的定义式知，的定义式知，434. 46575. 061. 24)15. 5(46575. 092. 2/1115. 5)92. 2908. 3/(59.17908. 3/2 .101 61.

9、2908. 3/2 .1022acbcba(B)则所需的反应体积为将有关数值代入式（B）中得到反应时间30227. 8)60/8 .118(155. 4mtQVrmin8 .11861. 2235. 0)434. 415. 5(61. 2235. 0)434. 415. 5(ln434. 4908. 31074. 414t在等容条件下，活塞流反应器的空时与条件相同间在等容条件下，活塞流反应器的空时与条件相同间歇釜式反应器反应时间相等。若不考虑间歇釜式反歇釜式反应器反应时间相等。若不考虑间歇釜式反应器的辅助操作时间，两者的反应体积相等。应器的辅助操作时间，两者的反应体积相等。在活塞流反应器中，于

10、在活塞流反应器中，于923K等温下进行丁烯脱氢等温下进行丁烯脱氢反应以生成丁二烯：反应以生成丁二烯：反应速率方程为反应速率方程为: 原料气为丁烯与水蒸气的混合气，丁烯的摩尔分原料气为丁烯与水蒸气的混合气，丁烯的摩尔分数为数为10%，操作压力为，操作压力为105Pa。973K时，时，k=1.07910-4kmol/(h.m3.Pa).若要求丁烯的转化率若要求丁烯的转化率达达35%，空时是多少？，空时是多少？例例2 2)()()(26484CBAHHCHC)/(3hmkmolkprAA解：将速率方程代入式（解：将速率方程代入式（4.6）即可求空时）即可求空时:)(1 . 01)1 (1)1 (00

11、0CXXCXyXCCAAAAAAAAA)(BRTCpAA)(35. 000AkpdXCAAA丁烯脱氢反应为变容过程，由化学计量关系知丁烯脱氢反应为变容过程，由化学计量关系知:由理想气体定律得由理想气体定律得:所以空时为所以空时为: :35. 0035. 0035. 001 . 0)1 (1ln1 . 11 1 . 0)1 (1 . 11)1 ()1 . 01 (AAAAAAAXXkRTdXXkRTdXXkRTX将有关数据代入上式可得空时为将有关数据代入上式可得空时为1.933 s1.933 s如按恒容计算如按恒容计算: :35. 00898. 1)1 (1ln111SXkRTXdXkRTAAA

12、该方程组初值为：,.,k,iFFViir2100, , 解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。然后将 Fi 和 变为反应变量的函数，即可求解方程组。解时一般用数值法。简单情况可解析求解。jr等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计kirdVdFMjjijiri,.,2 , 1 1 复合反应复合反应对关键组分作物料衡算的结果，得到一对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组常微分方程组0)(21ddnckkVAAr01ddnckVPAr02ddnckVQAr对对A的物料衡算：的物料衡算：系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键系统中只进行两个

13、反应，都是独立的，所以关键组分数为组分数为2 2，因此，此三式中仅二式是独立的。，因此，此三式中仅二式是独立的。（副）（主） AckQrQAAckPrPA2,1,对对P的物料衡算：的物料衡算：对对Q的物料衡算：的物料衡算：等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应0)(21ddcckkAA01ddcckPA02ddcckQA0, 0,00QPAAcccct时，)(exp210kkccAA)(exp1212101kkkkckcAp)(exp1212102kkkkckcAQ等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应QPAkk2101ddcckAA10kAAecc等温

14、管式反应器的设计等温管式反应器的设计 复合反应复合反应0)(21ddcckckPPA)(122101kkAPeekkckc对对A的物料衡算：的物料衡算：对对P的物料衡算：的物料衡算：k1 k2如果计算得到的反应器如果计算得到的反应器太长，可以改用多管并太长，可以改用多管并联的方式。若能保证管联的方式。若能保证管内气体仍呈活塞流，其内气体仍呈活塞流，其产物分布应与上面计算产物分布应与上面计算结果相同。结果相同。但应注意，并联后气但应注意，并联后气体流速降低了，是否体流速降低了，是否仍符合活塞流的假定仍符合活塞流的假定就需要考虑。就需要考虑。列管式反应器列管式反应器4.2.3 拟均相模型拟均相模型

15、拟均相模型条件：拟均相模型条件： 传质、传热速率大传质、传热速率大 浓度、温度的差异小浓度、温度的差异小在管式反应器中进行多相催化反应时，如果在管式反应器中进行多相催化反应时，如果符合拟均相假定，若基于催化剂的质量来表符合拟均相假定，若基于催化剂的质量来表示反应速率：示反应速率： 注意：反应体积注意：反应体积V Vr r对均相反应而言是指进行化学反应对均相反应而言是指进行化学反应的空间，对多相催化反应则为催化剂的堆体积，即催的空间，对多相催化反应则为催化剂的堆体积，即催化剂颗粒本身的体积加上颗粒与颗粒间的空隙体积。化剂颗粒本身的体积加上颗粒与颗粒间的空隙体积。床层体积催化剂质量其中：bMjji

16、jibriKirdWdFdVdF, 2 , 1,1均相和拟均相模型的比较均相和拟均相模型的比较 均相均相拟均相拟均相衡算基准衡算基准反应体积反应体积催化剂质量催化剂质量r的单位的单位mol/(m3.s)mol/(kgs) 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。4.3 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表表4.1 4.1 型式不同的反应器的反应体积型式不同的反应器的反应体积 反应器类型反应器类型管式管式例例4.1釜式釜式单釜单釜间歇例间歇例3

17、.1 单釜单釜连续连续 例例3.4两釜两釜串联例串联例3.6三釜三釜串联例串联例3.6反应体积反应体积m38.2312.388.23+4.15514.6810.889.90 分三种情况分三种情况 1. 1.正常动力学正常动力学 2. 2.反常动力学反常动力学 3. 3.反应速率有极反应速率有极大值的情况大值的情况管式反应器内的浓度变化4.3 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1.1.正常动力学正常动力学AfpXAAAArXdXcQV000)()(00AfAAfArXXcQVM达到相同的转化率，管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器达到相同的转化率，管式反应器所需的反应

18、体积小于釜式反应器AfXAX1AX)(1ARABDEF0KH)()()(1001100AfAAAfAAAAArXXXcQXXcQVM1)()(0AfAAfXAAArrXXXdXVVAfMp4.3 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对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。2.2.反常动力学反常动力学)(1ARAX1AXAfXLGMNP0)(00AfAAfArXXcQVM)()()(1001100AfAAAfAAAAArXXXcQXXcQVMAfpXAAAArXdXcQV000)(4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较管式与釜式反应

19、器反应体积的比较3.3.有极大值情况有极大值情况若若:XAf Vrm若：若：XAf XAm ，则，则 Vrp 与与 Vrm不确定不确定此时，可以：此时，可以：釜式与管式的串联釜式与管式的串联AXAmXAfX0)(1ARAfX4.3 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有极小值情况？有极小值情况？ 在这种特殊条件下，最好的办法是采用两个在这种特殊条件下，最好的办法是采用两个反应器串联（见下图），现采用一个釜式反反应器串联（见下图），现采用一个釜式反应器进行反应，使其转化率达到应器进行反应，使其转化率达到X XAm，然后，然后再送入一管式反应器继续反应至最终转化率再送入一管

20、式反应器继续反应至最终转化率X XAf，这种办法所需的反应体积最小。，这种办法所需的反应体积最小。 至于多个反应，管式与釜式反应器的比较，主要是看在相同的最终转化率下，哪一个的目的产物最终收率大。瞬时选择性与转化率的关系如图3.10所示，有两种情况，一种是S随XA的增加而降低，另一种则是S随XA的增加而增加。由于管式反应器的转化率是沿轴向而增大的，而釜式反应器则始终保持在最终转化率下操作。由式（由式（3.553.55）知，）知，图图3.103.10中矩形面积中矩形面积应等于釜式反应器应等于釜式反应器的最终收率，而曲的最终收率，而曲线下的面积则等于线下的面积则等于管式反应器的最终管式反应器的最终

21、收率。由图收率。由图3.103.10（a a）可见，管式反应器可见，管式反应器的最终收率大于釜的最终收率大于釜式反应器，图式反应器，图3.103.10（b b）的情况则相反，）的情况则相反，所以，关键是瞬时所以，关键是瞬时选择性与转化率的选择性与转化率的关系。关系。图图3.10（a）图图3.10（b）管式与釜式反应器选择性的比较管式与釜式反应器选择性的比较 瞬时选择性与转化率的关系，实质上也是与反应瞬时选择性与转化率的关系，实质上也是与反应组分浓度的关系，如果要求反应物浓度低，以获组分浓度的关系，如果要求反应物浓度低，以获得高的选择性，显然对于此种情况釜式反应器优得高的选择性，显然对于此种情况

22、釜式反应器优于管式，若要求反应物浓度高，则管式好于釜式。于管式，若要求反应物浓度高，则管式好于釜式。根据对反应物浓度的不同要求，可以对管式反应根据对反应物浓度的不同要求，可以对管式反应器采用不同的加料方式。器采用不同的加料方式。（A A）（B B）（C C）要求要求A A和和B B的的浓度都高浓度都高要求要求A A的浓度的浓度高，而高，而B B的浓的浓度低度低要求要求B B的浓度的浓度高，而高，而A A的浓的浓度低度低 管式反应器的加料方式管式反应器的加料方式反应级反应级数大小数大小 对浓度对浓度要求要求 适宜的反应器型式和操作方式适宜的反应器型式和操作方式 CA、CB均高均高 A A、B B

23、同时加入管式反应器、间歇釜式反同时加入管式反应器、间歇釜式反应器或多釜串联反应器应器或多釜串联反应器 CA、CB均低均低 单釜连续反应器单釜连续反应器; ;将将A、B缓缓滴入间歇缓缓滴入间歇釜式反应器釜式反应器; ;使用稀释剂降低使用稀释剂降低CA和和CB CA高高 CB低低 管式反应器，管式反应器，A在进口处连续加入，在进口处连续加入，B沿管沿管长分几处连续加入；半连续釜式反应器，长分几处连续加入；半连续釜式反应器，A一次加入，一次加入，B连续加入；多釜串联反应器连续加入；多釜串联反应器,A在第一釜连续加入，在第一釜连续加入，B分别在各釜连续加入分别在各釜连续加入 CA低低 CB高高 管式反

24、应器，管式反应器，B在进口处连续加入，在进口处连续加入，A沿管沿管长分几处连续加入；半连续釜式反应器，长分几处连续加入；半连续釜式反应器，B一次加入，一次加入，A连续加入；多釜串联反应器连续加入；多釜串联反应器,B在第一釜连续加入在第一釜连续加入,A分别在各釜连续加入分别在各釜连续加入 NoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImage21aa 21bb 21aa 21bb 21aa 21bb 21aa 21bb （1）平行反应）平行反应 设有如下连串反应设有如下连串反应 其反应速度方程式为其反应速度方程式为 则则 SkRkA21

25、R2A1RRCkCkddCr R2SSCkddCr 1CCkkCkCkCkdCdCrrRA21R2R2A1SRSR (2 2) 连串反应连串反应 当当k1、k2一定时，若一定时，若R为目标产物，则应设法使为目标产物，则应设法使CA高、高、CR低，以增大低，以增大 值，提高值，提高R的收率，此时宜采的收率，此时宜采用管式反应器、间歇釜式反应器或多釜串联反应器。用管式反应器、间歇釜式反应器或多釜串联反应器。反之，若反之，若S为目标产物，则应设法使为目标产物，则应设法使CA低、低、CR高，以高，以提高提高S的收率，此时宜采用单釜连续反应器。的收率，此时宜采用单釜连续反应器。 1CCkkRA21 (2

26、 2) 连串反应连串反应 注 意注 意 : : R 生 成 量 增 加 ， 将 有 利 于生 成 量 增 加 ， 将 有 利 于 S 的 生 成 。的 生 成 。因此，若因此，若R为目标产物，则当为目标产物，则当 时，应保持较低的单程转化率；反之，时，应保持较低的单程转化率；反之，当当 时，应保持较高的转化率，这样收率时，应保持较高的转化率，这样收率降低不多，但可大大减轻反应后的分离负荷。降低不多，但可大大减轻反应后的分离负荷。 12kk 21kk 1CCkkRA21 (2 2) 连串反应连串反应 对于复杂反应，控制对于复杂反应，控制反应物浓度反应物浓度是提高目标产是提高目标产物收率的常用方法

27、。物收率的常用方法。 但是同种原料在反应器内的浓度还与但是同种原料在反应器内的浓度还与加料方式加料方式有关。有关。 (2 2) 连串反应连串反应 A、B一起一起 A、B均均 A一次加入一次加入, , 迅速加入迅速加入 慢慢加入慢慢加入 B慢慢加入慢慢加入 (a) CA、CB均大均大 (b) CA、CB均小均小 (c) CA大、大、CB小小 图图 间歇操作时反应物浓度与加料方式的关系间歇操作时反应物浓度与加料方式的关系ABBABA (a) CA、CB均大均大 (b) CA、CB均小均小 图图 连续操作时反应物浓度与加料方式的关系连续操作时反应物浓度与加料方式的关系 ABBAAB (c) CA大、

28、大、CB小小 图图 连续操作时反应物浓度与加料方式的关系连续操作时反应物浓度与加料方式的关系 ABBABBAA产物分分离离器器BA过量过量例例4.6 等温下进行盐酸与辛醇和十二醇混合液的反应等温下进行盐酸与辛醇和十二醇混合液的反应 以以A、B及及C分别代表盐酸，辛醇及十二醇，这两个反应的速分别代表盐酸，辛醇及十二醇，这两个反应的速率方程分别为率方程分别为在操作温度下在操作温度下,k1=1.610-6m3/(mol.min),k2=1.9210-6m3/(mol.min)。反应器进料中盐酸、辛醇及十二醇的浓度分。反应器进料中盐酸、辛醇及十二醇的浓度分别为别为2.3kmol/m3、2.2kmol/

29、m3及及2kmol/m3。进料量等于。进料量等于2m3/h,要求辛醇的转化率达要求辛醇的转化率达30%，试计算反应体积，若该反，试计算反应体积，若该反应器为（应器为（1）管式反应器，（）管式反应器，（2）连续釜式反应器。）连续釜式反应器。 )()()()(226232623BAOHClCHCHCHOHCHCHCHHCl)C()()()(22102321023AOHClCHCHCHOHCHCHCHHClCACBABCCkrCCkr21解：解： （1 1）若为管式反应器，则反应体积）若为管式反应器，则反应体积 盐酸同时参与两个反应，根据题意有盐酸同时参与两个反应，根据题意有 对对B B、C C组分

30、分别可写出组分分别可写出 将两式相除得将两式相除得)()1 ()(03 . 00100BXccAcckdXcQVBBBBABBr)C(000CCBBAAccccccCBCBCABACBckckdcdccckcckdtdcdtdc2121/或CACBABcckdtdccckdtdc21 两边积分得两边积分得 代入式（代入式（C C）得）得 将式（将式（B B）代入上式化简得）代入上式化简得 把式（把式（B B）及式（）及式（E E）代入式（）代入式（A A）得）得 将题给数据代入得将题给数据代入得）（）（或DcccccdckkcdckkBBCCccCCccBBCCBB1200/0021/12/0

31、0000/)(kkBBCBCBAAcccccccc）（3 . 00/000001001)1 (12kkBCBBCABBBBrXcXcccXckdXcQV）（）（）（EXcXcccckkBCBBCAA12/0000133 . 00.2124.0512.22.30)1 (3.820mXXXdXVBBBBr）（2 2、采用连续釜式反应器时，反应体积为：、采用连续釜式反应器时，反应体积为：再将其代入式（再将其代入式（C C）得）得BBBCCXkXkXckc2101)1 ()1 ()()(100100FcckccQcckXcQVBABBBABBr将式（将式（B B）代入上式化简后有：）代入上式化简后有：

32、CACCrcckccQV200)(CACCBABBcckcccckcc2010）（GXkXkXckXcccccBBBCBBCBAA21010000)1 ()1 ()1 ()(将式（将式（B B）及式（）及式（G G）代入式（）代入式（F F）有）有31321010000100293. 96 . 1/3 . 092. 1) 3 . 01 () 3 . 01 (23 . 02 . 223 . 2)3 . 01 (106 . 13 . 0)60/2()1 ()1 ()1 (mXkXkXckXcccXckXcQVBBBCBBCABCBBr 4.4 循环反应器循环反应器 对于单程转化率不高的情况，为提高

33、原料的利对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率，将反应器出口物料中的产品分离后再循环用率，将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口，与新鲜原料一起进行反应。进入反应器入口，与新鲜原料一起进行反应。0Q0AcrV0AXAfXN0QQrReactorMAfXAAArdXcV?0)(?设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：0QQr00)1 (QQQr故故,反应器的物料处理量为：反应器的物料处理量为：在混合点处对在混合点处对A做物料衡算：做物料衡算：)1 ()1 ()1 (0000000AAAfAAXcQXcQcQ10AfAXX化简后得：化简后得：用用

34、(1)Q0 代替代替 Q0，用用 XA0代替代替 0，即，即AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00 循环反应器循环反应器分析：分析：0,00AX 时结果相当于无循环管式反应器结果相当于无循环管式反应器AfAXX0时, 结果相当于恒定转化率下结果相当于恒定转化率下的操作，即的操作，即CSTR反应器反应器10AfAXXAfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00在实际操作中,只要 足够大，如： 则可认为是等浓度操作。25 4.4 循环反应器循环反应器 4.4 循环反应器循环反应器01)1 (11)1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 ()1 (00000000000000000

35、000AAfAAAAfAfAAAfAAAfAAAAfAAfAAxxxxxxxxxxxcQxcQxcQxcQxcQcQ单程转化率全程转化率单程转化率：全程转化率：等温条件很难实现等温条件很难实现 热效应大，难以维持等温；热效应大，难以维持等温； 气固相固定床催化反应，传热效果差气固相固定床催化反应，传热效果差 ； 反应存在最佳温度曲线反应存在最佳温度曲线 可逆放热反应（合成氨、合成甲醇）；可逆放热反应（合成氨、合成甲醇）； 主副反应活化能不同；主副反应活化能不同；4.5 变温管式反应器变温管式反应器1 1. .管式反应器的热量衡算管式反应器的热量衡算假设：假设： 管式反应器内流体流动符合活塞流假

36、定；管式反应器内流体流动符合活塞流假定； 反应器内温度分布：径向均匀，轴向变化反应器内温度分布：径向均匀，轴向变化4.5 变温管式反应器变温管式反应器取微元体积取微元体积dVr作为控制体积，作为控制体积，衡算依据为热力学第一定律：衡算依据为热力学第一定律：dqdH 24)(tptTrrAddTGcdZHdH反应热反应热温变热温变热G为流体的为流体的质量速度质量速度GA=Q0dZATTUdqhC)(tCTrrAptdTTUHdZdTGc/ )(4)-)(/故有：故有：此即管式反应器轴向温度分布方程此即管式反应器轴向温度分布方程4.5 变温管式反应器变温管式反应器1 1. .管式反应器的热量衡算管

37、式反应器的热量衡算令令wA0为组分为组分A的初始质量分数，的初始质量分数，MA为为A的相对分子量的相对分子量,则：则：)(0AAAAAXdZdXMGw)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt管式反应器中反应温度与转化率的关系式管式反应器中反应温度与转化率的关系式)(00AArAAXdVdXcQ 若绝热操作，则若绝热操作，则0)(4CtTTdUAptATrrAdXcMHwdT)(04.5 变温管式反应器变温管式反应器2.2.绝热管式反应器绝热管式反应器)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt 得得AptATrrAXcMHwTT)(00AXT

38、T0ptATrAcMHwr0等温反应，等温反应，T=T0；放热反应，放热反应，TT0；吸热反应，吸热反应， TT0吸热反应，较高的进吸热反应，较高的进料温度有利；料温度有利；放热反应，较低的进放热反应，较低的进料温度有利。料温度有利。4.5 变温管式反应器变温管式反应器2.2.绝热管式反应器绝热管式反应器XA 和和 T的关系图的关系图吸热反应吸热反应等温反应等温反应放热反应放热反应TXA1斜率1斜率 T T0 0AXTT0最优温度曲线最优温度曲线平衡曲线平衡曲线XAfTTA TB TCXA可逆放热反应的转化率与温度的关系4.5 变温管式反应器变温管式反应器2.2.绝热管式反应器绝热管式反应器图

39、中AD、BE和CF分别是管式反应器进料温度为TA、TB和TC时的绝热操作线。从图中可以看出，存在着一最佳的进料温度，所需的反应体积最小。 ABCFED图图 绝热管式反应器的最佳进料温度绝热管式反应器的最佳进料温度图中每条曲图中每条曲线是对一定线是对一定的最终转化的最终转化率而作出的。率而作出的。最终转化率最终转化率越高，则最越高，则最佳进料温度佳进料温度越低。越低。 3. 非绝热变温管式反应器非绝热变温管式反应器 当化学反应的热效应很大时，无论是放热的还当化学反应的热效应很大时，无论是放热的还是吸热的，采用绝热操作将会使反应器进出口是吸热的，采用绝热操作将会使反应器进出口的反应物料的的反应物料

40、的温差太大温差太大,不可能得到较高的转化不可能得到较高的转化率率 在实际化学反应进行的同时必须与环境进行热在实际化学反应进行的同时必须与环境进行热交换，若为放热反应需要将反应器冷却，吸热交换，若为放热反应需要将反应器冷却，吸热反应则要加热，使反应过程的温度控制在要求反应则要加热，使反应过程的温度控制在要求的范围内，以获得较好的转化率和安全地操作。的范围内，以获得较好的转化率和安全地操作。 反应器所用的换热介质根据反应温度的高低反应器所用的换热介质根据反应温度的高低而选定而选定 高温换热介质高温换热介质多用燃烧液体或气体燃料产生多用燃烧液体或气体燃料产生的烟道气、熔盐和高压蒸汽等，的烟道气、熔盐

41、和高压蒸汽等， 常用的常用的低温换热介质低温换热介质为水和空气为水和空气 反应原料也可用作换热介质，既冷却了反应反应原料也可用作换热介质，既冷却了反应器又顶热了原料器又顶热了原料 非绝热变温管式反应器，由于化学反应与传热同非绝热变温管式反应器，由于化学反应与传热同时进行，这就需保证有一定的传热面积，通常是时进行，这就需保证有一定的传热面积，通常是采用列管式反应器以达到此目的即将许多直径采用列管式反应器以达到此目的即将许多直径较小的管式反应器并联操作，这一方面可以保证较小的管式反应器并联操作，这一方面可以保证所需的传热面积，另一方面则可使各个管式反应所需的传热面积，另一方面则可使各个管式反应器的横截面不致太大，以免径向温差过大。器的横截面不致太大，以免径向温差过大。 例例在内径为在内径为 1.22m 的管式反应器中进行乙苯催化的管式反应器中进行乙苯催化脱氢反应进料温度为脱氢反应进料温度为898K ，其余数据和要求同，其余数据和要求同例例 4.5, 反应速率常数与温度的关系为：反应速率常数与温度的关系为：)/(),/10983exp(10452. 35PakgskmolTk 不同温度下的化学平衡常数值可根据下列近似式估不同温度下的化学平衡常数值可根据下列近似式估算：算： 反应混合物的平均比热容为反应混合物的平均比热容为 2. 177kJ / ( kg. K