管式反应器--化工.

2019/12/181第三章理想反应器--------管式反应器2019/12/182重点掌握的知识点•等温管式反应器设计方程的推导与应用。•管式和釜式反应器的对比。•循环反应器的计算与分析。•返混得基本概念2019/12/1833.10.1平推流反应器工业上的管式反应器其长径比较大的可近似地按平推流反应器处理。（示意图见下图）平推流反应器的特征（1）通过反应器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动，在流动方向上没有返混。（2）所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。（3）同一截面上的物料浓度相同、温度相同。（4）物料的温度、浓度沿管长连续变化。2019/12/184平推流反应器示意图0Z/2Z2019/12/1853.10.2平推流反应器设计平推流反应器的设计方程根据平推流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算（如下图），然后沿管长对整个反应器积分，就可得到平推流反应器的设计基础式。■物料衡算方程0dZZFA0FAfdVRFAFA+dFA2019/12/1862019/12/187FA=FA＋dFA+-rA）dVR+0的积累速度反应器中的反应量单位时间的流出量单位时间的流入量单位时间AAAAAARdFrdV00(1)AAAAAdFdFxFdx0AAARFdxrdV00AfxARAAdxVFr即：积分得2019/12/188或000AfxRAAAVdxCvr001AAAAAACdCxdxCC0AfACACAdCr恒容时：从上式可得出什么结论？平推流反应器基础设计式1平推流反应器基础设计式22019/12/189结论1）恒容过程，平推流反应器与分批釜式反应器的设计方程是完全一致；所以只要反应是等容的，第二章中所导得的积分式均适用。同时也说明，在相同的条件下，完成相同的任务，在间歇式反应釜内所需要的反应时间与在平推流反应器内所需要的空间时间是相等的。请问有哪些不同？2）对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。3）如果反应速率方程过于复杂，往往需要用数值积分或如下图所示的图解法求解。2019/12/1810图平推流反应器的图解计算示意图1/rA面积=τ/CA00xA(a)适用一般场合1/rA面积=τ0CACA0(b)仅适用恒容过程2019/12/1811■平推流反应器的热量衡算由于在平推流反应器内沿轴向存在着反应速率的分布，所以实际上很难实现等温操作。而且多数反应也并不希望在等温下进行，常见的是绝热或变温下操作条件下的管式反应器。下面就此进行探讨。见P742019/12/1812考虑如图所示的平推流反应器，截取—段容积为dVR的微元段，微元段长度为dZ，在微元段内反应转化率的变化为dxA、温度变化为dT，由此对微元体作热量平衡：图平推流反应器的热量衡算示意图0dZdVRZU(T－Tm)πDdZGGTT+dT2019/12/1813设单位截面积反应流体的质量流量为G，管径为D，流体在微元段中恒压比热容为CPt，单位时间内的热量：①.流体流入微元段带入的热量②.流体流出微元段带出的热量③.流体在微元段反应放出的热量※④.从微元段传给换热介质的热量2(/4)PtGDCT2(/4)()PtGDCTdT()AArRrHdV2(/4)RdVDdZ()()mKTTDdZ2019/12/1814带入的热量－带出的热量＋反应放出的热量－传给换热介质的热量=022(/4)(/4)()()()()0PtPtARArmGDCTGDCTdTrdVHKDTTdZ22(/4)(/4)()()()0PtAArmGDCdTrDdZHKDTTdZ即：()4()/AArmPtrHKTTDdTdZGC对微元段的物料衡算为：0AAARFdxrdV2200(/4)(/4)AARAGDFdVDdZM(ωA0：反应器入口处A的质量分率)0AAAAGdxrMdZ管式反应器的轴向温度分布方程2019/12/1815整理得：从上可知管式反应器的轴向温度分布方程，与间歇釜式反应器的热量衡算式的形式甚为相似，差别在于：①自变量的不同，间歇反应器的自变量为时间t，平推流反应器则用轴向距离；②间歇釜式反应器是对整个反应器物料作衡算，平推流反应器是对微元反应体积。04()()AArmAAAPtGKdZHTTMDdxdTdxGC2019/12/18161)绝热操作绝热操作时K=0，系统与外界没有热交换，有若不考虑热容随物料组成及温度的变化，积分上式得：式中：——温度T0～T之间，反应物系的平均比热容0()AArAAPtHdTdxMC00()AATTxx0()ArAPtAHCMPtC2019/12/1817该反应器的绝热方程与间歇反应器在绝热情况推导出的公式完全一样，所以绝热方程适用于各类反应器。以xA对温度T作图可得一条直线，如下图，直线的斜率等于1/λ。若放热反应，λ＞0，直线斜角＜90°若吸热反应，λ＜0，直线斜角＞90°若等温反应，λ＝0，直线斜角＝90°xA等温吸热放热T0T图3.4-4绝热反应过程转化率与温度的关系2019/12/1818不同反应器中，绝热方程在本质上还是有区别的：①平推流反应器：反映的是绝热条件下，不同轴向位置温度与转化率的关系；②间歇反应器：反映的是绝热条件下，不同反应时间温度与转化率的关系；③全混流反应器：反映的是绝热条件下，出口转化率与操作温度关系。2019/12/1819绝热反应器的求解要用下面三个式子联立求解。000()()ArAAAPtAHTTxxCM00AfxARAAdxVFr200(/4)AfxAAAdxDZFr或，0exp[]EkkRT2019/12/18202)非绝热变温管式反应器绝热反应器的不足之处在于：反应器的进出口温差太大。如如果为可逆放热反应，T↑，平衡转化率↓（见P113图4.8）产物分布的控制也不容易作到（不利于提高选择性）对于可逆吸热反应，T↓速率变慢。2019/12/18212)非绝热变温管式反应器很多工业反应器要进行温度控制，与环境有热交换。控制反应器在一定的温度下操作（优化和安全操作）。换热介质的选定：根据所控制的温度范围确定，原则应保持温差不宜过大，以免传热速率太快，操作不稳定。例如：高温--烟道气、熔盐、高压蒸气等；低温--水、空气等。也可以适当安排利用产物的余热来加热原料。非绝热变温管式反应器，由于化学反应与传热同时进行，这就需要保证有一定的传热面积，通常采用列管式反应器。2019/12/18223）管式反应器的最佳温度序列对于不可逆反应和可逆吸热反应，其最佳操作温度序列应遵循先低后高，即管式反应器的反应温度从进口到出口逐渐升高；对于可逆放热反应则刚好相反。2019/12/18233.10.3理想流动反应器的组合与反应器体积的比较理想流动反应器的组合如右图所示。组合的目的是使最终转化率达到最大或使组合后的总的反应器体积最小。2019/12/18243.10.3.1平推流反应器的并联操作例如有N个活塞流反应器并联，当反应温度相同时，若进、出料组成相同，则组合后总的反应器体积与每个反应器的体积有关。000AXARAAdXVVCr12RRRVVV00102VVV01002000AAXXAARAAAAdXdXVVCVCrr2019/12/18253.10.3.1平推流反应器的并联操作要使组合后的反应器体积最小，则必须满足：01020,0,RRVVVV0100200012AAXXAARAAAAdXdXVVCVCrr000012AAXXAAAAAAdXdXCCrr1232019/12/18263.10.3.1平推流反应器的并联操作120102RRVVVV120102RRVVVV即：：：结论：并联操作的多个平推流反应器，只要物料的体积流量按反应器的体积大小分配，就可使组合反应器总的体积最小。同时保证各个反应器的出口组成一致。2019/12/18273.10.3.2循环反应器对于很多反应过程，如合成氨、合成甲醇等过程，由于化学平衡的限制，单程转化率并不高，为了提高原料的利用率，将出口（含有大量的反应物）的物料进行循环。如果将反应器出口的反应产物部份地返回到入口处与原始物料混合，然后再进入反应器去进行反应，这类反应器简称为循环反应器。带分离器和换热器的循环反应器计算方法同于单一反应器的计算，我们只讲下图所示的具有循环操作的平推流反应器。2019/12/18283.10.3.2循环反应器循环反应器的假设：1）反应器内为理想活塞流反应器；2）管线内不发生化学反应；3）整个体系处于定常态操作。2019/12/1829循环反应器的设计方程•循环比的定义：r0QQ循环物料量新鲜原料量注：不同的循环比定义，其含义是不同的。•因此，反应器的物料处理量（即反应器入口处的关键组分的体积流量）：00r0QQQ1Q2019/12/1830现对M点作组分A的物料衡算（是对组分A的物质量进行衡算）：进入M点的物质的量：（量纲：kmol/h）出M点的物质的量：（量纲：kmol/h）∴=→0A0rA0A00A0AfQCQCQCQC1X0A0A01QC1X0A0QC0A00A0AfQCQC1X0A0A01QC1XAfA0XX1+2019/12/1831由于反应流体在反应器内仍呈平推流，所以其设计方程可采用式：fA0R0A0XQCrAXAAdXVf0R0A01QCrAAXAXAdXVfAfXR0A01+V1QCrAXAAdXfAfrXA01+0VCQrAXAAdX这就是循环活塞流管式反应器的设计方程2019/12/1832•当，XA0=0，该循环反应器变为一般的活塞流管式反应器。•当，XAi→XAf，该循环反应器变为一般的全混流釜式反应器。•实际上，当，即可认为反应器达到了全混状态（等浓度操作）。0时时25很大，一般认为时2019/12/18333.10.3.3反应器型式和操作方式的评选本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程经济性的主要因素出发，就单一反应讨论其反应器型式和操作方法的评选。由于不存在副反应，所以，在反应器选型时只需考虑如何有利于反应速率的提高（反应器型式选用和组合的原则）。对于单一反应，反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种性状：2019/12/1834(1)1/(-rA)随xA的增大呈单调上升.如下图所示。对于n＞0的不可逆等温反应均有图示的特征。此时采用平推流反应器或间歇操作的完全混合的反应器所需的反应容积最小，其次是采用多釜串联的全混流反应器，而单一的全混流反应器所需的容积最大。图不同反应器所需的体积(τ=VR/V0)1/rA0xA(b)全混流反应器面积=τ/CA01/rAτ3/CA0τ2/CA0τ1/CA00xA(c)多釜串联全混流反应器1/rA0xA(a)平推流反应器面积=τ/CA02019/12/1835(2)1/rA随xA的增大而单调下降，如下图所示，对于n＜0的不可逆等温反应均具有此性状。采用具有返混的全混流为最佳，多釜串联将导致反应器容积增大，且釜数愈多容积就愈大。平推流将不利于这类反应。••图不同反应器所需的体积(τ=VR/V0)1/rA0xA(a)平推流反应器面积=τ/CA01/rA0xA(b)全混流反应器面积=τ/CA01/rAτ3/CA0τ2/CA0τ1/CA00xA(c)多釜串联全混流反应器2019/12/1836(3)1/（-rA）对xA的曲线上存在着极小值•1/rA对