化学反应工程第四章

1、第四章第四章 管式反应器管式反应器天津大学化工学院天津大学化工学院反应工程教学组反应工程教学组2 理想流动模型理想流动模型 等温管式反应器设计等温管式反应器设计 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 变温管式反应器计算变温管式反应器计算本章内容本章内容34.1 理想流动模型理想流动模型 流动模型：反应器中流体流动与返混情况的描述。流动模型：反应器中流体流动与返混情况的描述。 返混：在流体流动方向上返混：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，也称为逆向混合逆向混合。 (1) (1)

2、径向流速分布均匀径向流速分布均匀 (2) (2) 轴向上无返混轴向上无返混 活塞流模型（平推流）活塞流模型（平推流）层流层流湍流湍流活塞流活塞流 (1) (1)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 (2) (2)轴向上不断变化轴向上不断变化基本基本假定假定特点特点4l 管径较小，流速较大的管式反应器可按管径较小，流速较大的管式反应器可按活塞流处理活塞流处理4.1 理想流动模型理想流动模型 全混流模型全混流模型 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反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上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，均为出口值也

3、均一，即：各处物料均一，均为出口值基本假定基本假定特点特点 l 剧烈搅拌的连续釜式反应器可按剧烈搅拌的连续釜式反应器可按全混流处理全混流处理54.2 4.2 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iFiridVdFRdzAfXrdV0iFiFiidFF ArAdVdFR)1 (0AAAXFF)(0AArAAXdVdXFR)(00AArAAXdVdXcQR4.2.14.2.1单一反应单一反应0)(iiFdF ridV)R(AfXAAAAorXdXcQV00)( RAfXAAAAXdXct00)( R间歇单一反应单

4、一反应比较比较6,.,k,iFFViir2100, , kirdVdFMjjijiri,.,2 , 11 R4.2.2 4.2.2 复合复合反应反应4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计l平行反应平行反应AAckkdVrdF)(21APckdVrdF1 2 , 1 ,AckQrQAAckPrPAAAckkddc)(21APckddc1恒容过程恒容过程000PAAFFFVr7,.,k,iFFViir2100, , kirdVdFMjjijiri,.,2 , 11 R4.2.2 4.2.2 复合复合反应反应4.2 4.2 等温管式反应器的设计等温管式反应器的设计l连串反应连串反应

5、恒容过程恒容过程000PAAcccQPAkk21AAckddc1PAPckckddc2110kAAecc)(122101kkAPeekkckck1 k28例：例：4.24.2在活塞流反应器（在活塞流反应器（PFRPFR）中，于）中，于923923K K等温下进行丁等温下进行丁烯脱氢反应生产丁二烯：烯脱氢反应生产丁二烯： C4H8 C4H6+H2C4H8 C4H6+H2原料气为丁烯与水蒸汽的混合气，丁烯的摩尔分数原料气为丁烯与水蒸汽的混合气，丁烯的摩尔分数10%10%，操作压力为，操作压力为10105 5 PaPa，973K973K时，时，k=1.079k=1.0791010-4 -4 kmol

6、/(hkmol/(h. .m m3.3.Pa)Pa)若要丁烯的转化率达若要丁烯的转化率达35%35%，空时为多少？，空时为多少？hkprAA3kmol/m 解解AfAAAfAAXkpdXAXrdXAcc0000AAAAAAAAAXXRTcXyXpp1 . 01)1 (1)1 (000s933. 1s898. 19例例4.4 4.4 管式，管式，4.054.05MPa,936KMPa,936K下进行如下反应下进行如下反应5011G DHT1.HTkcckr 5022G MHD2.HDkcckr K)/cccc(ckr.HGN.HM505033G NHMs/molm1066. 5 , 50.51.

7、561kKs/molm10052. 2, s/molm10866. 50.51.5430.51.562kkyT0=25,yH075,流速流速0.1m/s,求求XTf=80%时时所需的反应器长度所需的反应器长度二甲基萘、一甲基萘及萘的收率二甲基萘、一甲基萘及萘的收率独立反应数？独立反应数？关键组分？关键组分？解解T T、D D、MM105 . 025 . 010HDHTrDcckcckdVdcQ)/(5 . 05 . 035 . 020HGNHMHDrMKccccckcckdVdcQ5 . 010HTrTcckdVdcQ恒恒容容设计设计方程方程HXkddXTT)1 (1HYkXkddYDTD21

8、)1 ( )23)(032KHYYXYYXcHYkHYkddYMDTMDTTMDM速率方速率方程变换程变换( XT,YD,YM)MTMDTDTTTYccYccXcc000 )1 (MDTTHHYYXccc2300)(0MDTTNYYXcc)23(0MDTTGYYXcc )23( 2100MDTTHYYXccH0, 0MDTYYX11YX,051015200.00.20.40.60.81.0s/103( (反应器长度反应器长度) )s17042m2 .17040uzTXDYNYMY00uzQVr124.2.3 4.2.3 拟均相模型拟均相模型KirvdVdFMjjijbri, 2 , 1 ,1M

9、jjijirvdWdF1例例4.5 0.124.5 0.12MPa,898K,MPa,898K,乙苯脱氢乙苯脱氢C6H5C2H5CHCH2H2C6H5+ASHskmol/kg /pHSAAKpppkr乙苯乙苯/ /水蒸气水蒸气1:20, X1:20, XA A=60%, =60%, 催化剂用量催化剂用量=?=?AArdWdF解解AfAfXpHSAAAXAAAKpppkdXFrdXFW0000/AHSAXppp,kg1725W134.3 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2000)(ApXAAAArXdXcQVR)(R2200AAAA

10、rXXcQVM相同条件下，相同条件下，PFR所需的所需的反应体积小于反应体积小于CSTR和和BR2AXAX1AX)(1ARABDEFOKHC)(R)()(R212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVMCSTR单釜单釜CSTR两釜串两釜串PFR或或BR144.3 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2.2.反常动力学反常动力学)(1ARAX1AX2AXLGMNPOKQ2000)(ApXAAAArXdXcQVR)(R2200AAAArXXcQVM)(R)()(R212001100AAAAAAAAArXXXcQXXcQVMCSTR单釜单釜CSTR两釜串

11、两釜串PFR或或BR结论？结论？153.3.有极大值情况有极大值情况4.3 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AXAmXAfXO)(1ARAfXABCDEF16例：例：4.6 等温下进行如下反应：等温下进行如下反应：CACBABcckrcckr21 ,操作温度下平衡常数已知，且进料浓度给定，求当操作温度下平衡常数已知，且进料浓度给定，求当辛醇转化率达辛醇转化率达30%时，计算反应体积。（时，计算反应体积。（PFR和和CSTR）HCl(A)+CH3(CH2)6CH2OH(B) CH3(CH2)6CH2Cl+H2OHCl(A)+CH3(CH2)10CH2OH(C)

12、 CH3(CH2)10CH2Cl+H2O（1 1）PFRPFR反应器反应器解解BfXBBBBrXdXcQV000)(3 . 00100BABBcckdXcQ)1 (0BBBXcc)()(000CCBBAAccccccBABcckddc1/CACcckddc2/设计方程（设计方程（B B、C C）12/00)/(kkBBCCcccc 3024. 5mVr 17（2）采用）采用CSTR反应器反应器BABBrcckXcQV100CACCBABBcckcccckcc2010设计方程（设计方程（B B、C C）CBCBAAcccccc000BAAXcc 3293. 9mVr 180Q0AcrV0AXAf

13、XN0QQrReactorM0Q4.4 4.4 循环反应器循环反应器AfAXXAAArdXcQV0)(00AfAfXXAAArdXcQV1)()1 (00321000)1 (QQQQr)1 ()1 ()1 (0000000AAAfAAXcQXcQcQ10AfAXX? 0194.5 变温管式反应器变温管式反应器4.5.1 管式反应器的热量衡算管式反应器的热量衡算反应器内流体流动符反应器内流体流动符合活塞流假定合活塞流假定反应器内温度分布径反应器内温度分布径向均匀，轴向变化向均匀，轴向变化控制体积控制体积dHdq 基本基本假设假设热力学第热力学第一定律一定律dVrdzAfX0iFiFiidFF r

14、dVAdXz2024)(tptTrrAddTGcdZHdH TrrrArrptrptHdVdHTdTTAGcHTTAGcH)(21rdHHHdH21sJ /dZdTTUdqtC)(tCTrrAptdTTUHdZdTGc/ )(4)(/（4.26）dzTdTT AAdXX rdVAXG反应热反应热温度变温度变dHdq 21),(TXdVdFAArAtCTrrAptdTTUHdZdTGc/ )(4)(/),(TXdZdXAAAAAMGw0)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrApt单单一一反反应应复合反应？复合反应？),(TXdVdFAArA224.5.2 绝热管式反应器绝

15、热管式反应器)(4)(0TTdUdZdXMHGwdZdTGcCtAATrrAptAptATrrAdXcMHwdT)(0AptATrrAXcMHwTT)(00AXTT0ptTrrAcHc00)(ptAAATrrAcXyHy001)(绝热绝热23AXTT0吸热吸热反应反应等温等温反应反应放热放热反应反应ABC1tZZAZBZCCBAtBtctABRCSTR PFRT,XAABCXAXA1XA2XA3T0TATBTCTO24图图4.8 可逆放热反应温度与转化率关系可逆放热反应温度与转化率关系25图图4.9 绝热管式反应器最佳进料温度绝热管式反应器最佳进料温度26Pa,/14520exp1096. 3

16、11TKPPakgskmol/,/10983exp10452. 35TktAAptdyFC,00（1 1）催化剂用量）催化剂用量（2 2）反应器轴向温度与转化率分布）反应器轴向温度与转化率分布例例4.7 4.7 绝热管式反应器计算绝热管式反应器计算27 KCHyXyCHyptTrrAAAAptTrrA1371000 等等温温过过程程225521102 . 1211102 . 1AAAAAXKXXXkr),(0TXrdZdXAFAAbAA0, 0AXZ)(0AAbAAXrdZdXAF0, 0AXZ绝绝热热过过程程AXTT 0AX137898280.00.51.01.52.02.53.03.50.

17、00.10.20.30.40.50.60.7 T/KXAZ/m800820840860880900 管式反应器绝热操作温度与浓度分布图管式反应器绝热操作温度与浓度分布图294.5.3 非绝热变温管式反应器非绝热变温管式反应器Pa,/14520exp1096. 311TKPPakgskmol/,/10983exp10452. 35TktAAptdyFC,00（1 1）催化剂用量）催化剂用量（2 2）反应器轴向温度与转化率分布）反应器轴向温度与转化率分布例例4.4.8 8 非绝热管式反应器计算非绝热管式反应器计算30225521102 . 1211102 . 1AAAAAXKXXXkr)(0AAb

18、AAXrdZdXAF0, 0AXZ)(0AAbAAXrdZdXAF0, 0AXZ)(4)(0TTdUdZdXAHFdZdTACFCtATrrAptA等等温温过过程程绝热绝热过程过程非绝热非绝热变变温温过程过程00TTZ310.00.51.01.52.02.53.03.54.00.00.10.20.30.40.50.60.70.8 T/KXAZ/m800820840860880900 过程过程等温等温T=898K绝热绝热T0=898K非绝热非绝热T0=898K催化剂用量催化剂用量/Kg 172549493135XAf=60%时催化剂用量时催化剂用量324.6 管式反应器的最佳温度序列管式反应器的最佳温度序列4.6.1 单一反应单一反应0AfXrTVl等温操作等温操作l变温操作变温操作l不可逆或可逆吸热反应不可逆或可逆吸热反应? ?l可逆放热反应可逆放热反应? ?单一反应：生产强度最大单一反应：生产强度最大复合反应：目的产物的收率（选择性）最大复合反应：目的产物的收率（选择性）