化学反应工程第四章

第四章管式反应器天津大学化工学院反应(fǎnyìng)工程教学组1精品资料理想流动模型等温管式反应(fǎnyìng)器设计管式与釜式反应(fǎnyìng)器反应(fǎnyìng)体积的比较循环反应(fǎnyìng)器变温管式反应(fǎnyìng)器计算本章(běnzhānɡ)内容2精品资料4.1理想流动(liúdòng)模型流动模型：反应器中流体(liútǐ)流动与返混情况的描述。返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为逆向混合。

(1)径向流速分布均匀(2)轴向上无返混活塞流模型（平推流）层流湍流活塞流(1)径向上物料的所有参数都相同(2)轴向上不断变化基本假定特点3精品资料管径较小，流速较大(jiàodà)的管式反应器可按活塞流处理4.1理想流动(liúdòng)模型全混流模型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，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值基本假定特点

剧烈搅拌的连续釜式反应器可按全混流处理4精品资料4.2等温管式反应器的设计(shèjì)进入量=排出(páichū)量+反应量+累积量4.2.1单一反应单一反应比较5精品资料4.2.2复合(fùhé)反应4.2等温管式反应器的设计(shèjì)平行反应恒容过程6精品资料4.2.2复合(fùhé)反应4.2等温管式反应器的设计(shèjì)连串反应恒容过程k1

k27精品资料例：4.2在活塞流反应器（PFR）中，于923K等温下进行丁烯脱氢反应生产丁二烯：C4H8C4H6+H2原料气为丁烯与水蒸汽的混合气，丁烯的摩尔分数10%，操作压力(yālì)为105Pa，973K时，k=1.079×10-4kmol/(h.m3.Pa)若要丁烯的转化率达35%，空时为多少？解8精品资料例4.4管式，4.05MPa,936K下进行如下(rúxià)反应yT0=25％,yH075％,流速(liúsù)0.1m/s,求XTf=80%时所需的反应器长度二甲基萘、一甲基萘及萘的收率独立反应数？关键组分？解T、D、M9精品资料恒容设计(shèjì)方程速率方程变换(XT,YD,YM)10精品资料051015200.00.20.40.60.81.0(反应器长度(chángdù))11精品资料4.2.3拟均相模型(móxíng)例4.50.12MPa,898K,乙苯脱氢ASH乙苯/水蒸气＝1:20,XA=60%,催化剂用量=?解12精品资料4.3管式与釜式反应器反应体积(tǐjī)的比较1.正常(zhèngcháng)动力学相同条件下，PFR所需的反应体积小于CSTR和BRCSTR单釜CSTR两釜串PFR或BR13精品资料4.3管式与釜式反应(fǎnyìng)器反应(fǎnyìng)体积的比较2.反常(fǎncháng)动力学OCSTR单釜CSTR两釜串PFR或BR结论？14精品资料3.有极大值情况(qíngkuàng)4.3管式与釜式反应(fǎnyìng)器反应(fǎnyìng)体积的比较15精品资料例：4.6等温下进行如下反应：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30%时，计算反应体积。（PFR和CSTR）HCl(A)+CH3(CH2)6CH2OH(B)CH3(CH2)6CH2Cl+H2OHCl(A)+CH3(CH2)10CH2OH(C)CH3(CH2)10CH2Cl+H2O（1）PFR反应器解设计(shèjì)方程（B、C）16精品资料（2）采用(cǎiyòng)CSTR反应器设计(shèjì)方程（B、C）17精品资料ReactorM4.4循环(xúnhuán)反应器32118精品资料4.5变温管式反应器

4.5.1管式反应器的热量(rèliàng)衡算反应器内流体流动符合活塞(huósāi)流假定反应器内温度分布径向均匀，轴向变化控制体积基本假设热力学第一定律dVr19精品资料Δ

Δ

（4.26）反应热温度(wēndù)变20精品资料单一(dānyī)反应复合(fùhé)反应？21精品资料4.5.2

绝热管式反应器绝热22精品资料吸热反应等温反应(fǎnyìng)放热反应(fànɡrèfǎnyìng)ABCtZZAZBZCtBtctABRCSTRPFRT,XAABCXAXA1XA2XA3T0TATBTCTO23精品资料图4.8可逆放热反应(fànɡrèfǎnyìng)温度与转化率关系24精品资料图4.9绝热管式反应器最佳(zuìjiā)进料温度25精品资料（1）催化剂用量（2）反应器轴向温度(wēndù)与转化率分布例4.7绝热管式反应器计算(jìsuàn)26精品资料等温过程绝热过程(juérèɡuòchénɡ)27精品资料管式反应器绝热操作温度与浓度(nóngdù)分布图28精品资料4.5.3

非绝热变温管式反应器（1）催化剂用量（2）反应器轴向温度(wēndù)与转化率分布例4.8非绝热管式反应器计算(jìsuàn)29精品资料等温过程绝热过程(juérèɡuòchénɡ)非绝热变温过程(guòchéng)30精品资料过程等温T=898K绝热T0=898K非绝热T0=898K催化剂用量/Kg172549493135XAf=60%时催化剂用量31精品资料4.6管式反应器的最佳(zuìjiā)温度序列4.6.1单一(dānyī)反应等温操作变温操作不可逆或可逆吸热反应?可逆放热反应?单一反应：生产强度最大复合反应：目的产物的收率（选择性）最大可逆放热反应32精品资料4.6.2复合(fùhé)反应平行反应生产(shēngchǎn)强度最大P选择性最大先低温后高温低温E1<E2E1>E2?连串反应1.等温反应，不存在最佳温度

若E1