分离工程第四章管式反应器

分离工程第四章管式反应器第一页，共六十六页，编辑于2023年，星期五本章内容活塞流假设（理想流动模型）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循环反应器变温管式反应器的计算第二页，共六十六页，编辑于2023年，星期五理想流动模型流动模型：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。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.基本概念第三页，共六十六页，编辑于2023年，星期五活塞流模型（平推流）：基本假定：(1)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。(2)轴向上无返混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，轴向上不断变化。1.基本概念理想流动模型层流湍流活塞流第四页，共六十六页，编辑于2023年，星期五全混流模型：基本假定：径向混合和轴向返混都达到最大符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐特点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，均为出口值理想流动模型1.基本概念

管径较小，流速较大的管式反应器－－可按活塞流处理剧烈搅拌的连续釜式反应器－－可按全混流处理第五页，共六十六页，编辑于2023年，星期五等温管式反应器的设计进入量=排出量+反应量+累积量单一反应第六页，共六十六页，编辑于2023年，星期五等温管式反应器的设计第七页，共六十六页，编辑于2023年，星期五几种理想反应器设计方程的基本形式PFR：BR：CSTR：t与τ二者尽管形式上相同，但一个是反应时间t，一个空时τ（与所选择的进口状态有关）。另外，间歇釜式反应器总是恒容的。如果管式反应器也在恒容下进行，则有τ=t；否则，τ≠t。第八页，共六十六页，编辑于2023年，星期五用连续管式反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯12000kg，其反应式为原料中反应组分的质量比A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3，并假定在反应过程中不变。反应速率方程为rA=k1(cAcB-cRcS/K)

。反应温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。试计算乙酸转化35%所需的反应体积。例1第九页，共六十六页，编辑于2023年，星期五解：首先计算原料处理量Q0，根据乙酸乙酯产量可算出每小时乙酸用量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第十页，共六十六页，编辑于2023年，星期五由式(3.8)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的函数(A)其中第十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期五将(A)式代入式(3.8)得反应时间为

由a,b及c的定义式知，(B)第十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期五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应器的辅助操作时间，两者的反应体积相等。第十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期五在活塞流反应器中，于923K等温下进行丁烯脱氢反应以生成丁二烯：反应速率方程为:原料气为丁烯与水蒸气的混合气，丁烯的摩尔分数为10%，操作压力为105Pa。973K时，k=1.079×10-4kmol/(h.m3.Pa).若要求丁烯的转化率达35%，空时是多少？例2第十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期五解：将速率方程代入式（4.6）即可求空时: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:第十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期五所以空时为:将有关数据代入上式可得空时为1.933s如按恒容计算:第十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期五该方程组初值为：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。等温管式反应器的设计复合反应对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组第十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期五对A的物料衡算：系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。对P的物料衡算：对Q的物料衡算：等温管式反应器的设计复合反应第十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期五等温管式反应器的设计复合反应第十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期五等温管式反应器的设计复合反应对A的物料衡算：对P的物料衡算：k1

k2第二十页，共六十六页，编辑于2023年，星期五如果计算得到的反应器太长，可以改用多管并联的方式。若能保证管内气体仍呈活塞流，其产物分布应与上面计算结果相同。但应注意，并联后气体流速降低了，是否仍符合活塞流的假定就需要考虑。列管式反应器第二十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期五4.2.3拟均相模型拟均相模型条件：传质、传热速率大浓度、温度的差异小第二十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期五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示反应速率：注意：反应体积Vr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，即催化剂颗粒本身的体积加上颗粒与颗粒间的空隙体积。第二十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期五均相和拟均相模型的比较

均相拟均相衡算基准反应体积催化剂质量r的单位mol/(m3.s)mol/(kg·s)第二十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

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；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表4.1型式不同的反应器的反应体积

反应器类型管式例4.1釜式单釜间歇例3.1

单釜连续例3.4两釜串联例3.6三釜串联例3.6反应体积m38.2312.388.23+4.15514.6810.889.90第二十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期五分三种情况1.正常动力学2.反常动力学3.反应速率有极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第二十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期五1.正常动力学达到相同的转化率，管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器4.3管式与釜式反应器反应体积的比较第二十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期五对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。2.反常动力学04.3管式与釜式反应器反应体积的比较第二十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期五3.有极大值情况若:XAf<XAm，则Vrp>Vrm若：XAf>XAm

，则Vrp

与Vrm不确定此时，可以：釜式与管式的串联4.3管式与釜式反应器反应体积的比较有极小值情况？第二十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期五在这种特殊条件下，最好的办法是采用两个反应器串联（见下图），现采用一个釜式反应器进行反应，使其转化率达到XAm，然后再送入一管式反应器继续反应至最终转化率XAf，这种办法所需的反应体积最小。第三十页，共六十六页，编辑于2023年，星期五至于多个反应，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（3.55）知，图3.10中矩形面积应等于釜式反应器的最终收率，而曲线下的面积则等于管式反应器的最终收率。由图3.10（a）可见，管式反应器的最终收率大于釜式反应器，图3.10（b）的情况则相反，所以，关键是瞬时选择性与转化率的关系。图3.10（a）图3.10（b）管式与釜式反应器选择性的比较第三十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期五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，以获得高的选择性，显然对于此种情况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。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。第三十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期五（A）（B）（C）要求A和B的浓度都高要求A的浓度高，而B的浓度低要求B的浓度高，而A的浓度低管式反应器的加料方式第三十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期五反应级数大小

对浓度要求

适宜的反应器型式和操作方式

CA、CB均高

A、B同时加入管式反应器、间歇釜式反应器或多釜串联反应器

CA、CB均低

单釜连续反应器;将A、B缓缓滴入间歇釜式反应器;使用稀释剂降低CA和CB

CA高CB低

管式反应器，A在进口处连续加入，B沿管长分几处连续加入；半连续釜式反应器，A一次加入，B连续加入；多釜串联反应器,A在第一釜连续加入，B分别在各釜连续加入

CA低CB高

管式反应器，B在进口处连续加入，A沿管长分几处连续加入；半连续釜式反应器，B一次加入，A连续加入；多釜串联反应器,B在第一釜连续加入,A分别在各釜连续加入

（1）平行反应

第三十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期五设有如下连串反应其反应速度方程式为

则

(2)连串反应第三十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

当k1、k2一定时，若R为目标产物，则应设法使CA高、CR低，以增大值，提高R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。反之，若S为目标产物，则应设法使CA低、CR高，以提高S的收率，此时宜采用单釜连续反应器。

(2)连串反应第三十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

注意:R生成量增加，将有利于S的生成。因此，若R为目标产物，则当时，应保持较低的单程转化率；反之，当时，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。

(2)连串反应第三十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

对于复杂反应，控制反应物浓度是提高目标产物收率的常用方法。但是同种原料在反应器内的浓度还与加料方式有关。

(2)连串反应第三十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

A、B一起

A、B均

A一次加入,

迅速加入慢慢加入B慢慢加入

(a)CA、CB均大

(b)CA、CB均小

(c)CA大、CB小

图

间歇操作时反应物浓度与加料方式的关系第三十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

(a)CA、CB均大

(b)CA、CB均小

图

连续操作时反应物浓度与加料方式的关系

第四十页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

(c)CA大、CB小

图

连续操作时反应物浓度与加料方式的关系

第四十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期五例4.6等温下进行盐酸与辛醇和十二醇混合液的反应

以A、B及C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在操作温度下,k1=1.6×10-6m3/(mol.min),k2=1.92×10-6m3/(mol.min)。反应器进料中盐酸、辛醇及十二醇的浓度分别为2.3kmol/m3、2.2kmol/m3及2kmol/m3。进料量等于2m3/h,要求辛醇的转化率达30%，试计算反应体积，若该反应器为（1）管式反应器，（2）连续釜式反应器。第四十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期五解：（1）若为管式反应器，则反应体积

盐酸同时参与两个反应，根据题意有对B、C组分分别可写出将两式相除得第四十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期五两边积分得代入式（C）得将式（B）代入上式化简得

把式（B）及式（E）代入式（A）得

将题给数据代入得第四十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期五2、采用连续釜式反应器时，反应体积为：再将其代入式（C）得将式（B）代入上式化简后有：将式（B）及式（G）代入式（F）有第四十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

4.4循环反应器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进入反应器入口，与新鲜原料一起进行反应。Reactor第四十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期五设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：故,反应器的物料处理量为：在混合点处对A做物料衡算：化简后得：用(1＋Ψ)Q0

代替Q0，用XA0代替0，即循环反应器第四十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期五分析：结果相当于无循环管式反应器结果相当于恒定转化率下的操作，即CSTR反应器在实际操作中,只要足够大，如：则可认为是等浓度操作。

4.4循环反应器第四十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期五

4.4循环反应器第四十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期五实际反应过程多是变温过程等温条件很难实现热效应大，难以维持等温；气固相固定床催化反应，传热效果差；

反应存在最佳温度曲线可逆放热反应（合成氨、合成甲醇）；主副反应活化能不同；4.5变温管式反应器第五十页，共六十六页，编辑于2023年，星期五1.管式反应器的热量衡算假设：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4.5变温管式反应器取微元体积dVr作为控制体积，衡算依据为热力学第一定律：反应热温变热G为流体的质量速度GA=Q0ρ第五十一页，共六十六页，编辑于2023年，星期五故有：此即管式反应器轴向温度分布方程4.5变温管式反应器1.管式反应器的热量衡算令wA0为组分A的初始质量分数，MA为A的相对分子量,则：管式反应器中反应温度与转化率的关系式第五十二页，共六十六页，编辑于2023年，星期五若绝热操作，则4.5变温管式反应器2.绝热管式反应器得第五十三页，共六十六页，编辑于2023年，星期五等温反应，T=T0；放热反应，T＞T0；吸热反应，T＜T0吸热反应，较高的进料温度有利；放热反应，较低的进料温度有利。4.5变温管式反应器2.绝热管式反应器XA和T的关系图吸热反应等温反应放热反应TXA

T0第五十四页，共六十六页，编辑于2023年，星期五－最优温度曲线－平衡曲线XAfTTATBTCXA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2.绝热管式反应器图中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第五十五页，共六十六页，编辑于2023年，星期五图

绝热管式反应器的最佳进料温度图中每条曲线是对一定的最终转化率而作出的。最终转化率越高，则最佳进料温度越低。

第五十六页，共六十六页，编辑于2023年，星期五3.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温差太大,不可能得到较高的转化率．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。第五十七页，共六十六页，编辑于2023年，星期五反应器所用的换热介质根据反应温度的高低而选定．高温换热介质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，常用的低温换热介质为水和空气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．第五十八页，共六十六页，编辑于2023年，星期五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。第五十九页，共六十六页，编辑于2023年，星期五例在内径为1.22m的管式反应器中进行乙苯催化脱氢反应．进料温度为898K，其余数据和要求同例4.5,反应速率常数与温度的关系为：不同温度下的化学平衡常数值可根据下列近似