管式反应器.
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输出量： FA dFA FA0 (1 - ( xA dxA )) 反应量：
FA
rA dVR
于是
FA0 (1 - xA ) FA0 (1 - ( xA dxA )) rAdVR
化简之
FA0 dxA rAdVR
FA0 FV 0CA0
又
其中FV0、CA0为已知的常量，rA为反应速率，等 温时可表达为转化率xA的函数，分离变量后积分
VR FV 0C A0
xA
0
x A dx dx A A FAo 0 rA rA
设在理想臵换管式反应器中进行等温恒容n级不可 逆反应， rA=kCAn 。设 A 的浓度为 CA 时， A 的摩尔 流量为nA，则结合转化率的定义，有 CA=nA/FV0=(nA0(1-xA))/FV0=CA0(1-xA)
xA 0
比较第三章间歇釜式反应器的反应时间
dxA rA
二者右边形式完全一样，是否就可以得出t=τ的结论呢？
6.2.2 管径与管长的确定
在反应体积VR确定后，便可进行管径和管长的设 计，由VR=πd2L/4可知，d、L 可有多解，但应使 Re>104，满足湍流操作。通常有以下几种算法 (1)先规定流体的 Re(>104)，据此确定管径d，再计 算管长L
理想臵换假设的内容是①假定径向流速分布均 匀，即所有的质点以相同的速率从入口流向出 口，就像活塞运动一样，所以理想臵换所对应 的流型又称为活塞流；②轴向上的同截面上浓 度、温度分布均匀 可归纳为①同截面质点流速相等，流经反应器 所用的时间相同，径向混合均匀；②轴向上不 同截面上浓度不同，温度可能也有差异，是化 学反应的结果，而不是返混的结果
第六章
管式反应器
6.1物料在反应器中的流动 6.2等温管式反应器的计算
6.3 变温管式反应器 6.4管式反应器与连续釜式反应器的比较 6.5循环反应器
6.6管式反应器的最佳温度序列
6.1 .1 管式反应器的特点、型式和应用
管式反应器既可用于均相反应又可用于多相反 应。具有结构简单、加工方便、传热面积大、 传热系数高、耐高压、生产能力大、易实现自 动控制等特点
CB=CB0-2CA0xA，所以 rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA)
可常压操作也可加压操作，常用于对温度不敏 感的快速反应。常见型式有水平、立式、盘管、
U型管等
2
图6-1水平管式反应器
3
图6-2几种立式管式反应器
4
图6-3盘管式反应器
图6-4U形管式反应器图
5
管式反应器的加热或冷却方式
• • • • ①套管或夹套传热 ②套筒传热 ③短路电流加热 ④烟道气加热
6-5圆筒式管式炉
6
6.1.2 物料在管式反应器中的流动（理想臵换假设） 流体在管内流动是一种复杂的物理现象，而管 内流动的流体进行化学反应时，其流动状况必 然影响到化学反应的进行。流体在管内的流动 状态通常被概括为层流、过度流、湍流。湍流 时，管内流动主体各点上的流体流速可近似认 为相同。以此为基础，可对管式反应器内流体 的流动模型进行合理的假设
湍流操作 (Re>104) 时，上述假设与实际情况基 本吻合。据此，可对管式反应器进行设计计算
6.2 等温管式反应器的计算
6.2.1 反应体积 在管式反应器内，反应组份浓度、转化率随物料 流动的轴向而变化，故可取微元体积dVR对关键组 份A作物料衡算 输入量： FA0
FA FA0 (1 x A )
xA
• 对于连续操作的反应系统，定义反应体积VR与物 料体积流量 FV 之比接触时间，亦称为停留时间， 用τ表示：
VR 反应体积 = = FV 反应器中物料的体积流 量
• 在操作条件下，进入反应器的物料通过反应体积 所需的时间，称为空时，用τ表示
:
VR 反应体积 = = FV 0 进料的体积流量
所以rA= kCA0n(1-xA)n，代入反应体积的积分式得
FV 0 (1 - (1 - x A ) ) dx A VR FV 0C A0 ∫ n 1 n -1 0 rA k (n - 1)C A0 (1 - x A )
xA
n -1
当n=1时，积分结果为
dx A FV 0 1 VR FV 0C A0 ∫ ln 0 rA k 1 xA
881.0kg/m3 ；混合物粘度为 1.5×10-2Pa· s 。要
求使A的转化率达到0.98，求反应体积，并从
Φ24×6,Φ35×9, Φ43×10三种管材中选择一
种。
解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3 密度ρ=(FVAρA+FVB ρB)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3 反应器任意位臵，CA=CA0(1-xA)
• 空时的倒数为空速，其意义是单位反应体积单位 时间内所处理的物料量，因次为[时间]-1，用SV表 示
FV 0 1 F A0 SV = = = V R C A0V R
12
对于恒容过程
VR = FV
或
VR = FV 0
xA 0
(恒容) ，也就是
C A0
dx A rA
t C A0
4 FV 0 4VR L = 2 或L = u = 2 d d
(4) 对于传热型的管式反应器，可根据热量衡
算得出的传热面积 A ，确定管径 d 和管长 L ，
再检验Re是否>104
A = dL 2 d L 所以 VR = 4 4VR A d= ;L = A d
例6.1 化学反应A+2B→C+D在管式反应器中实 现 ， rA=1.98×10-2CACBkmol/(m3· min) 。 已 知 A 、 B 的进料流量分别为 0.08m3/h 和 0.48m3/h ； 混 合 后 A 、 B 的初浓度分别为 1.2kmol/m3 和 15.5kmol/m3 ； 密 度 分 别 为 1350.0kg/m3 和
du 4 F源自文库V0 由 Re = 其中 u = 2 d 4 FV 0 4VR 所以 d = ;L = 2 Re d
(2)先规定流体流速u，据此确定管径d，再计算 管长L，再检验Re是否>104
L = u ;d =
1 4VR 2 ( )
L
(3)根据标准管材规格确定管径d，再计算管长L， 再检验Re是否>104
FA
rA dVR
于是
FA0 (1 - xA ) FA0 (1 - ( xA dxA )) rAdVR
化简之
FA0 dxA rAdVR
FA0 FV 0CA0
又
其中FV0、CA0为已知的常量，rA为反应速率，等 温时可表达为转化率xA的函数，分离变量后积分
VR FV 0C A0
xA
0
x A dx dx A A FAo 0 rA rA
设在理想臵换管式反应器中进行等温恒容n级不可 逆反应， rA=kCAn 。设 A 的浓度为 CA 时， A 的摩尔 流量为nA，则结合转化率的定义，有 CA=nA/FV0=(nA0(1-xA))/FV0=CA0(1-xA)
xA 0
比较第三章间歇釜式反应器的反应时间
dxA rA
二者右边形式完全一样，是否就可以得出t=τ的结论呢？
6.2.2 管径与管长的确定
在反应体积VR确定后，便可进行管径和管长的设 计，由VR=πd2L/4可知，d、L 可有多解，但应使 Re>104，满足湍流操作。通常有以下几种算法 (1)先规定流体的 Re(>104)，据此确定管径d，再计 算管长L
理想臵换假设的内容是①假定径向流速分布均 匀，即所有的质点以相同的速率从入口流向出 口，就像活塞运动一样，所以理想臵换所对应 的流型又称为活塞流；②轴向上的同截面上浓 度、温度分布均匀 可归纳为①同截面质点流速相等，流经反应器 所用的时间相同，径向混合均匀；②轴向上不 同截面上浓度不同，温度可能也有差异，是化 学反应的结果，而不是返混的结果
第六章
管式反应器
6.1物料在反应器中的流动 6.2等温管式反应器的计算
6.3 变温管式反应器 6.4管式反应器与连续釜式反应器的比较 6.5循环反应器
6.6管式反应器的最佳温度序列
6.1 .1 管式反应器的特点、型式和应用
管式反应器既可用于均相反应又可用于多相反 应。具有结构简单、加工方便、传热面积大、 传热系数高、耐高压、生产能力大、易实现自 动控制等特点
CB=CB0-2CA0xA，所以 rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA)
可常压操作也可加压操作，常用于对温度不敏 感的快速反应。常见型式有水平、立式、盘管、
U型管等
2
图6-1水平管式反应器
3
图6-2几种立式管式反应器
4
图6-3盘管式反应器
图6-4U形管式反应器图
5
管式反应器的加热或冷却方式
• • • • ①套管或夹套传热 ②套筒传热 ③短路电流加热 ④烟道气加热
6-5圆筒式管式炉
6
6.1.2 物料在管式反应器中的流动（理想臵换假设） 流体在管内流动是一种复杂的物理现象，而管 内流动的流体进行化学反应时，其流动状况必 然影响到化学反应的进行。流体在管内的流动 状态通常被概括为层流、过度流、湍流。湍流 时，管内流动主体各点上的流体流速可近似认 为相同。以此为基础，可对管式反应器内流体 的流动模型进行合理的假设
湍流操作 (Re>104) 时，上述假设与实际情况基 本吻合。据此，可对管式反应器进行设计计算
6.2 等温管式反应器的计算
6.2.1 反应体积 在管式反应器内，反应组份浓度、转化率随物料 流动的轴向而变化，故可取微元体积dVR对关键组 份A作物料衡算 输入量： FA0
FA FA0 (1 x A )
xA
• 对于连续操作的反应系统，定义反应体积VR与物 料体积流量 FV 之比接触时间，亦称为停留时间， 用τ表示：
VR 反应体积 = = FV 反应器中物料的体积流 量
• 在操作条件下，进入反应器的物料通过反应体积 所需的时间，称为空时，用τ表示
:
VR 反应体积 = = FV 0 进料的体积流量
所以rA= kCA0n(1-xA)n，代入反应体积的积分式得
FV 0 (1 - (1 - x A ) ) dx A VR FV 0C A0 ∫ n 1 n -1 0 rA k (n - 1)C A0 (1 - x A )
xA
n -1
当n=1时，积分结果为
dx A FV 0 1 VR FV 0C A0 ∫ ln 0 rA k 1 xA
881.0kg/m3 ；混合物粘度为 1.5×10-2Pa· s 。要
求使A的转化率达到0.98，求反应体积，并从
Φ24×6,Φ35×9, Φ43×10三种管材中选择一
种。
解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3 密度ρ=(FVAρA+FVB ρB)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3 反应器任意位臵，CA=CA0(1-xA)
• 空时的倒数为空速，其意义是单位反应体积单位 时间内所处理的物料量，因次为[时间]-1，用SV表 示
FV 0 1 F A0 SV = = = V R C A0V R
12
对于恒容过程
VR = FV
或
VR = FV 0
xA 0
(恒容) ，也就是
C A0
dx A rA
t C A0
4 FV 0 4VR L = 2 或L = u = 2 d d
(4) 对于传热型的管式反应器，可根据热量衡
算得出的传热面积 A ，确定管径 d 和管长 L ，
再检验Re是否>104
A = dL 2 d L 所以 VR = 4 4VR A d= ;L = A d
例6.1 化学反应A+2B→C+D在管式反应器中实 现 ， rA=1.98×10-2CACBkmol/(m3· min) 。 已 知 A 、 B 的进料流量分别为 0.08m3/h 和 0.48m3/h ； 混 合 后 A 、 B 的初浓度分别为 1.2kmol/m3 和 15.5kmol/m3 ； 密 度 分 别 为 1350.0kg/m3 和
du 4 F源自文库V0 由 Re = 其中 u = 2 d 4 FV 0 4VR 所以 d = ;L = 2 Re d
(2)先规定流体流速u，据此确定管径d，再计算 管长L，再检验Re是否>104
L = u ;d =
1 4VR 2 ( )
L
(3)根据标准管材规格确定管径d，再计算管长L， 再检验Re是否>104