化工设计及过程开发：第三章 管式反应器

1、第三章 管式反应器Piston Flow Reactor管式反应器3.1概述管式反应器是连续操作经常用到的一类反应设备，它具备生产稳定、易于控制、反应中各物料微团停留时间较平均等优点。管式反应器3.2 连续流动均相管式反应器一、均相管式反应器(PFR)的特征平推流： 它是人们设想的一种理想流动，即认为物料在反应器内具有严格均匀的径向速度分布，物料像活塞一样向前流动，反应器内没有返混。亦称为活塞流。 平推流反应器，习惯用PFR表示，即Plug Flow Reactor平推流反应器特点物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化，不随时间变化；任一截面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化；反

2、应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同；返混0管式反应器空时和空速空时：流体流动通过的体积与反应器的体积相等时所需的时间。空速：单位空时流体体积（这个体积与反应器体积相等）。管式反应器3.3恒温恒容液相管式反应器液体在流动过程中保持体积不变。液体具有不可压缩性。等温状态，如果又符合平推流的假设，则可以通过如下讨论，进行工艺计算。流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量0二、平推流均相管式反应器的数学模型1. 等温平推流均相反应器 积分应用上式进行积分时，需代入(rA)V与xA的函数关系。（318）（319）如平推流反应器内进行等温等容过程间歇反应器间歇反应器中的结论完全适用于平推流反应

3、器。平均停留时间m（320）（33）若在等温平推流反应器中，进行等温n级不可逆均相反应代入式（319）若为等容液相过程等温等容过程平推流反应器计算式见表（34）。（321）反应级数反应速率反应器体积转化率式n=0n=1n=2表34 等温等容液相单一不可逆反应平推流反应器计算式管式反应器对于复杂反应，或动力学表示比较复杂的反应，求反应时间的积分形式，难以用解析式表示出来。这时可用图解积分来处理。管式反应器1/rA xA/CA01/rA CA数学上可以面积来表示时间的值，进而讨论反应器的体积 3.3非等温管式反应器此前计算管式反应器反应时间时，假设在转化过程xA0-xAf范围内，反应是处在恒温状态

4、下。实际上沿管式反应器轴向，温度变化比较明显，等温假设常不能满足。更多的是反应过程中，沿反应器轴向不同的位置，温度是变化的。此外环境对反应器也有热量传递引起反应器中的温度变化。假设：流动满足理想排挤；反应器非等温非绝热系统；液体无体积变化。对微元体作物料平衡，公式前已导出微元体反应量等于物质变化量：上式中反应速率rA 随温度变化。rA=f(T,C)对微元体dvr作热量衡算：进入微元体的焓-带出微元体的焓+微元体内反应焓-传出热量=0整理后得到：进出微元体的焓差=微元体内反应焓-传出热量，Ft-进入，离开微元体的总物料流量-进入，离开微元体的平均分子量-进入，离开微元体一定温度范 围平均热容T,

5、 T -进入，离开微元体的物料温度Ts , -环境（载热体）平均温度rHA -以反应物A计算的化学反应热进出微元体的物料、热容变化不太大，以出口数据表示不致引起太大误差。Ft dt = FA0dxA(rHA)A,T K(T-Ts)ddl其中dl为管式反应器的微元长度, ddl为反应器微元体的面积即dA以上方程为多变量微分方程，不易求解，求解时可以差分替代微分。Ft T = FA0 xA(rHA)A,T K(T-Ts )dl考虑到处理方便，把物料平衡方程也以差分形式表示l =FA0/0.875d2(1/rA)均xA在以上式子中(1/rA)均为进出微元体不同温度、不同转化率下平均值=（T0+T1)

6、/2 ; (1/rA)均 =(1/rA0 +1/rA1 )/2解法：以一个微小步长转化率xA为起点，假设一个微元体出口温度T1，随后以物料、热量平衡差分方程式求解，解得T与假设的比较， T= T1- T0，如为真，循环往下，如为否重新假设T1解法：1、进口条件XA=XAo;T=To;l=0；FA=FAo2、取小步长xA，假设T1,以（XAo，To）和（XAo +xA，T1）根据动力学方程式得到（rAo,rA1）3、以（1/r）均， xA通过物料衡算差分式得到l4、由（ l ， xA ）根据热量平衡方程式得到T5、比较T= T1 -To 是，往下否，重新假设T1Ft T = FA0 xA(rHA

7、)A,T K(T-Ts )dl3.4恒温变容PFR1. 恒温气相反应 在恒温恒压的连续系统中发生反应对于液相反应，反应前后物料的体积流量变化不大，一般作为恒容过程。对于气相反应，反应前后物料的体积流量变化较大,一般为变容过程。 反应中众多物质，需要设定A为关键组分。2、恒温变容反应过程体积变化参数分为：膨胀因子和膨胀率1）、膨胀因子 (Chemical expansion factor) 有一气相反应，起始A、B的量分别为nA，0和nB，0在反应时间为时，反应物A的转化率为xAaA + bB r R + sSnA，0nB，000当 = 0 时，反应体系物质的量的总数为： n0= nA，0+ n

8、B，0当 =时当 =时，反应体系物质的量的总数为：当 = 0 时定义 每转化1mol A时，反应混合物增加或减少的物质的量为化学膨胀因子，即：Company Logo气相反应的膨胀因子（或体积的变化系数）为：当 = 0 时反应物A在气相中的摩尔分数为：当 = 时反应物A在气相中的摩尔分数为：对于恒温恒压过程，还可以有：pA，0为反应物的起始分压cA，0为反应物的起始浓度Company Logo3） 组分A的瞬时浓度2） Company Logo例11 计算下列反应的化学膨胀因子1. A+BP+S 2. AP+S 3. A+3B2P解：1. A=(1+1)(1+1) / 1=02. A=(1+1

9、)1) / 1=13. A=2(1+3) / 1=2反应混合物量不变反应混合物量增加反应混合物量减少Company Logo2）、膨胀率A 膨胀率是表征变容过程的另一个参数，它仅适用于物系体积随转化率变化呈线性关系的情况，即： A是以组分A为基准的膨胀率，其物理意义是当反应物A全部转化后，系统体积的变化分数，即：当转化率为xA时，反应物A的浓度为：Company Logo（1）、一级反应 反应速率方程式为：rA=kcA讨论:（2）、二级反应 反应速率方程式为：rA=kcA2Company Logo习题：P40 2.7 ; P75 3.9 P75 3.1 ；3.2补充题：1、过氧化氢异丙苯分解反

10、应。每小时处理物料量为3m3,装料系数0.8,过氧化氢异丙苯初始浓度为3.2 kgmol/m3,终点浓度为0.0064kgmol/m3,分解反应转化率为99.8%,经试验测定为一级反应。当硫酸浓度为0.06 N,反应温度为860C时,其反应速度常数k=8x10-2min-1,采用四釜串联反应器。 求;用代数法计算反应物料在各釜内平均停留时间及反应釜容积。 Company Logo2、 邻硝基氯苯氨解反应的管式反应器工艺计算。已知每小时处理的物料体积570l,转化率98%,氨水浓度310g/ l,反应温度230oC,反应速度常数k=2.04x10-2l/mol.min ,物料从150oC加热到230oC所需时间为9min,物料密度0.8626g/cm3,粘度O.138x10-3N.s/m2,物料在管内呈湍流状态(Re=30000),由于采用过量氨水,故反应过程中氨水浓度不变。求管式反应器容积、管长、管径。 Company Logo 3