任务5连续管式反应器设计

化学反应过程与设备
任务5 连续操作管式反应器设计 任务6 反应器的设计与操作优化
任务5 管式反应器的计算
生产中细长型的连续操作管式流动反应器可近似地看 成理想置换反应器，简称PFR。即理想连续操作管式 反应器。
管式反应器内流体的流动属于平推流。即各点物料 浓度、温度和反应速度沿流动方向而发生改变。而在 与流动方向相垂直的方向上混合均匀
特征：同一截面上不同径向位置的流体特性（T，CA） 是一致的。所有物料在反应器中的停留时间相同, 即 无返混.操作时，反应器内的状态只随轴向位置变， 不随时间变
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一、 基础设计方程式
连续操作管式反应器具有以下特点： 1.在正常情况下，它是连续定态操作，故在反应
器的各处截面上，过程参数不随时间而变化； 2.反应器内浓度、温度等参数随轴向位置变化，
c A0V0
dx xAf
A
xA0 (rA )
得 式中
VR V0
cA0
dx xAf
A
xA0 (rA )
（5-4）
——物料在连续操作管式反应器中的停留时间，h；
V0 ——物料进口处体积流量， m3 / h
应当注意，由于反应过程物料的密度可能发生变 化，体积流量也将随之变化，则只有在恒容过程，称
基 一般情况下：由于衡算范围是单位体积
本
T " T dT
方
Ft/ M Cp Ft MCp
程
物衡:
(rA ，)dVR FA0dxA
（2-79）可简化为
Ft MCpdT FA0dxA(HA)Tb
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四、绝热连续管式反应器的计算
为了便于计算，可将绝热方程简化为：反应在进口 温度T0下恒温进行，使转化率从xA0变为xAf。则化 学反应热应取温度在T0时的数值△HT
HT FA0 (xAf xA0 )(H A )T 0
反应后的混合物由T0升温到温度T，七升温过程的热 量为△Hp, 若取cp为T0~T范围内的平均值，则
Hp Ft M cp (T0 T ) 对于绝热过程
H H p HT 0
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五、变温管式反应器的计算
即：
绝 Ft MCp (T T0 ) FA0 (xAf xA0 )(HA)T 0 热
VR
V0 c A0V0
xAf
dxA
0 kcA20 (1 x A ) 2
V0
x Af kcA0 (1
x Af
)
（5-6）
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等容恒温过程
VR V0
CA0
xAf 0
dxA rA
与间歇反应器 的公式相同
将物料在间歇操作釜式反应器的反应时间与在 连续操作管式反应器的停留时间的计算式相比， 可以看出在恒温恒容过程时是完全相同的，即在 相同的条件下，同一反应达到相同的转化率时， 在两种反应器中的时间值相等。
0.0174 601.8 (1 0.5)
0.521(m3 )
三、 恒温变容管式反应器计算
反应过程中，因反应温度变化，会发生物料密度的改变，或 物料的分子总数改变，导致物料的体积发生变化。通常情况下 ，液相反应可近似作恒容过程处理。但当反应过程密度变化较 大而又要求准确计算时，就要把容积变化考虑进去。
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这是因为在这两种反应器内，反应物浓度经历了 相同的变化过程，只是在间歇操作釜式反应器内 浓度随时间变化，在连续操作管式反应器内浓度 随位置变化而已。
也可以说，仅就反应过程而言，两种反应器具有 相同的效率，只因间歇操作釜式反应器存在非生 产时间，即辅助时间，故生产能力低于连续操作 管式反应器。
故反应速率随轴向位置变化； 3.由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在
径向不存在浓度分布。
3
连续操作管式反应器的基础计算方程式，可由物料衡算式 导出。由于连续操作，反应器内流体的流动处于稳定状态，如 图所示，没有反应物积累。由于沿流体流动方向物料的浓度、 温度和反应速率不断地变化，而反应器内各点的浓度、反应速 率都不随时间变化，因此，以反应物A作物料衡算：
管式:
p
xAf
CA0
0
dxA (rA )
管式:
VRp
xAf
V0CA0
0
dxA (rA )
釜式与管式比较:
x Af
c VRc rA
p
VRp
dx xAf
A
0 rA
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2.连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较 恒温恒容过程：
绝热反应器 反应区与环境无热量交换的一种 理想反应器。反应区内无换热装置的大型工业 反应器，与外界换热可忽略时，可近似看作绝 热反应器
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四、绝热连续管式反应器的计算
热量衡算：单位时间、单位体积、基准温度Tb=0℃
进入反应器的物料带入的热量：Ft/MCp (T Tb)
基 本
离开反应器的物料带出的热量：Ft MCp"T (T " Tb )
为物料在反应器中的停留时间才是准确的。
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二、 恒温恒容管式反应器计算
连续操作管式反应器在恒温恒容过程操作时，可结合恒 温恒容条件，计算出达到一定转化率所需要的反应体积或物 料在反应器中的停留时间。
如一级不可逆反应，其动力学方程式为 (rA ) kcA
在恒温条件下 为k 常数，而恒容条有
代入式（5-4）得：
转化率为 x时A 物料的总体积流量，m3/s。
y A0
nA0 nt 0
为A组分占反应开始时总物
质的摩尔分数
恒温变容管式反应器计算公式
化学反应
速率方程
计算式
A
P（零级） -rA=k
VR xA
FA0
kA
A
P（一级） -rA=kCA
VR (1 A yA0 ) ln(1 xA ) A yA0 xA
管 式
积分得：
T
T0
FA0 (H A )T 0 Ft M cp
( x Af
xA0 )
反 如果反应过程无物质的量的变化，则
应 器
T
T0
FA0 (H A )T 0 F0 M cp
xAf
或
xAf
F0 M cp (T T0 ) FA0 (H A )T 0
M cp (T T0 )
y
（
A0
H
）
A T 021
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四、绝热连续管式反应器的设计
由于化学反应都伴随着热效应，有些热效应还 相当大，即使采用各种热换方式移走热量或输 入热量，对于大的工业反应装置来说都很难保 证等温。对于烃类热裂解等均相平推流管式反 应器的设计，只有物料衡算是不够的，还要对 反应进行热量衡算，特别是工业上常用的绝热 反应器更是如此。
FA
(FA dFA ) (rA )dVR 0
FAd (FA dFA )d (rA )dVRd 0
即
dFA (rA )dVR 0
（5-1）
因为
FA FA0 (1 xA )
则
dFA FA0dxA
将上式代入物料衡算式（5-1）得：
(rA )dVR FA0dxA
式中
FA0 ——反应组分A进入反应器的流量，
任务6 反应器的设计与操作优化
化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优化两种类型 。
设计计算优化是根据给定生产能力确定反应器类型、结构和 适宜的尺寸及操作条件。
操作优化是指反应器操作根据各种因素变化对操作条件作出 调整，使反应器在最优条件下运转，以达到优化的目标。
化学反应过程的技术目标有： 反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。 选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。 能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。
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任务6 反应器的设计与操作优化
不同类型反应的优化目标： 对简单反应：只需考虑反应速率（不存在选择 性问题） 对复杂反应： 选择性为主要技术目标，选择性 的本质是生成目的产物的主反应速率与生成副 产物的副反应速率的比值。 所以，应根据反应 选择性要求确定优化的温度和浓度条件。
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任务三 反应器的计算与操作优化
反应器型式
影响
空间和时间上的 浓度和温度分布
影响
反应 体系
影响
化学反应过程 （动力学特性）
对于某个具体反应，选择反应器型式、操作条件、操作方式主要考虑化学反应 本身的特征和反应器特征，最终选择的依据将取决于所有过程的经济性。即生 产能力和选择性
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任务三 反应器的计算与操作优化
复合反应
反应器 的大小
对于气相总分子数变化的反应，容积的变化更应考虑。由它 引起的容积、浓度等的变化，可用下述诸式表示：
Ft
Vt
F0 (1
V0 (1
yA0 A xA
y
)
A0
A xA
cA
)
cA0
1
1 xA
yA0 A
xA
式中
(rA )
1 V
dnA
d
1
cA0
yA0 A xA
dxA
d
Ft ——反应系统在操作压力为P、温度为T、反应物的
（5-2）
kmol/ h ；
FA ——反应组分A进入微元体积的流量，
kmol/ h
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（5-2）
式（5-2）即为连续操作管式反应器的基础 计算方程式。将其积分，可用来求取反应器的 有效体积和物料在反应器中的停留时间：
VR FA0
dx xAf
A
xA0 (rA )
（5-3）
因为
V FA0 cA0V0 ，则式（5-3）又可写成： R
FA0
Kc A0
2A
P
-rA=kCA2
A+B
P
（cA0=cB0)（二级）
VR FA0
k
1 cA2 0
[2
A
yA0
(1
A
yA0
)
ln(1
xA
)
2 A
y
2 A
xA
(1
A
y
A
)2
1
xA x
A
}
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例5-2:下述气相反应在恒温下进行：
A+B P
物料在连续管式反应器中的初始流量为 360m3/h,组分A与B的初始浓度均为 0.8kmol/m3,其余惰性物料浓度为 2.4kmol/m3,k为8m3/(kmol.min), 求组分A的转 化率为90%是反应器的有效体积。
优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。 化学因素：包括反应类型及动力学特性 工程因素：包括
反应器型式：管式、釜式反应器及返混特性 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方式的分 批或分段加料等 操作条件：物料的初始浓度、转化率、反应温度 或温度分布
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任务5 反应器的设计与操作优化
物理过程
影响
（流体流动、传质、传热）
影响
过程的 经济性
影响
产物分布 （选择性、收率等）
单一பைடு நூலகம்应
复合反应
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（一）简单反应的反应器生产能力的比较
简单反应是指只有一个反应方向的过程。其优化目 标只需考虑反应速率，而反应速率直接影响反应 器生成能力。
即：对简单反应，单位时间、单位体积反应器所能 得到的产物量，为达到给定生产任务所需反应器 体积最小为最好。
可知τm=τp，也就是在间歇操作釜式反应器和连续操 作管式反应器中进行，反应时间是相同的，但是间 歇操作需要辅助时间，需要反应器体积比连续操作 管式反应器体积要大。
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2.连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较
釜式:
c
CA0
xAf (rA )
釜式:
VRc
VocA0 xAf rA
FA0 xAf rA
PFR基本方程
衡算对象： 反应物A
衡算范围：单位时间τ,单位反应器体积V即：Δτ、dvR
c A0
dV
cA
物
FA0 x A0
料
V0
FA
FA dFA
FA
xA
xA dxA
xA
dl
V
衡 微元时间内 微元时间内 微元时间微元 微元时间微
算 进入微元体
离开微元体
体积内转化掉
元体积内反
积的反应物量 积的反应物量 的反应物量 应物的累积量
VR V0
cA0
dx xAf
A
xA0 (rA )
cA c，Ao 并(1 将x其A )
（5-4）
VR V0 cA0V0
xAf
dxA
xA0 kcA0 (1 xA )
V0 ln 1 xA0 k 1 xAf
（2-77）
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对于二级不可逆反应，其动力学方程式为
(rA ) kcA2
若xA0 0 ，同理可得：
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例5-1：在一连续操作管式反应器中生产乙 酸乙酯，其操作条件和产量同例2-5，试计 算所需反应器有效体积.
解：由例2-5知
CA0=1.8kmol/h,V0=0.979m3/(kmo l.min),
xAf=V0R.5 。V0 代kc入A0 (式x1Af（x5Af -)6）
0.979
0.5
换句话说，若反应器体积相同，连续操作管式反应 器所达到的转化率比连续操作釜式反应器更高。
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1.间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较
对间歇操作釜式反应 器，其反应时间为：
对连续操作管式反应 器，其反应时间为：
m
CA0
xAf 0
dxA rA
p
VRp V0
xAf
CA0
0
dxA (rA )
方 发生反应的热效应热量： (rA )(Hr )Tb dVR
程
反应器内的物料和外界交换的热量：无热量交换 0
反应器内累积的热量：0
Ft/MCp (T Tb） FtMCp"(T" Tb) (rA)(HA)Tb dVR 0
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绝热连续管式反应器的计算
Ft/MCp (T Tb) FtMCp"(T" Tb) (rA)(HA)Tb dVR 0