第四章-管式反应器.
四PFR反应器.ppt
CA0
xAf
dxA
0 (rA )(1 AxA )
当分子数变大， A 0 ，则 t 当分子数变小， A 0 ，则 t
当分子数不变， A 0 ，则 t
Chemical Reaction Engineering
对n 级不可逆反应A→P
(rA )
k CAn
k
CAn0
( 1
1
xA AxA
s) (a b) p
>0 增大 <0 减小 =0 不变
nt nt0 AnA0 xA
例1：裂解反应 C2H6 C2H4 H2
A 1 nt nt0 nA0 xA
例2. 合成氨
1 3
N2
H2
2 3
NH 3
B
2 3
nt
nt 0
2 3
nB0 xB
Chemical Reaction Engineering
)n
k
CAn0
( 1
1
A
xA yA0
xA
)
n
空时
1
k
Cn1 A0
xAf 0
(1 AxA
1 xA
)n
dxA
停留时间
t
1
k
Cn1 A0
xAf 0
(1 AxA )n1
(1 xA)n
dxA
对气相反应，通常有区别; 对液相反应可不考虑
Chemical Reaction Engineering
某气相一级分解反应A------3P,反应为一级，在等温管 式反应器中进行，加入原料含A50%，惰性物料50%。 停留时间为10min，系统出口的体积流量为原来的1.5倍， 求此时A的转化率及该条件下的反应速率常数。
4-管式反应器
4.2 等温管式反应器的设计
1. 单一反应 2. 复合反应 3. 拟均相模型
原料以流量Q0从顶部连续加入，在底 部流出。反应器为定态操作，管式反应 Q0
器中，物料浓度随轴向位置而变，因此，
取微元体积dVr为控制体积
4.2 等温管式反应器的设计
Q0 进入量=排出量+反应量+累积量
Fi ( Fi dFi ) (i )dVr 0
4.5 变温管式反应器
1、管式反应器的热量衡算式
4.5 变温管式反应器
设流体在dVr中的温变为dT，取Tr为基准温度，则有：
dH A Hr Tr SdZ GCpt SdT
G为反应流体的质量速度 微元体积与环境交换的热量为
反应热 多个反应？ ij rj H r j j 1
P为目的产物
a、E1<E2, E3>E4, 由低到高的温度序列 b、E1>E2, E3>E4, 保持高温 c、E1<E2, E3<E4, 保持低温 d、E1>E2, E3<E4, 由高到低的温度序列
例4.9
理想反应器的组合
理想反应器的组合
理想反应器的组合
理想反应器的组合
理想反应器的组合
本章小结
4.1 理想流动模型
B 全混流模型
1.基本假定: 径向混合和轴向混合都达到最大 2.特点: 反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即在 整个反应器内不存在温度和浓度差
根本区别：活塞流 无返混 全混流 返混程度最大
Plug flow reactor (PFR) Mixed flow reactor (MFR) 或 Continuous stirred tank Reactor(CSTR)
化学反应工程1_7章部分答案
第一章绪论习题1.1 解题思路:（1）可直接由式（1.7）求得其反应的选择性（2）设进入反应器的原料量为100 ，并利用进入原料气比例，求出反应器的进料组成(甲醇、空气、水)，如下表：组分摩尔分率摩尔数根据式（1.3）和式（1.5）可得反应器出口甲醇、甲醛和二氧化碳的摩尔数、和。
并根据反应的化学计量式求出水、氧及氮的摩尔数，即可计算出反应器出口气体的组成。
习题答案:(1) 反应选择性(2) 反应器出口气体组成：第二章反应动力学基础习题2.1 解题思路:利用反应时间与组分的浓度变化数据，先作出的关系曲线，用镜面法求得反应时间下的切线，即为水解速率，切线的斜率α。
再由求得水解速率。
习题答案:水解速率习题2.3 解题思路利用式（2.10）及式（2.27）可求得问题的解。
注意题中所给比表面的单位应换算成。
利用下列各式即可求得反应速率常数值。
习题答案:(1)反应体积为基准(2)反应相界面积为基准(3)分压表示物系组成(4)摩尔浓度表示物系组成习题2.9 解题思路:是个平行反应，反应物A的消耗速率为两反应速率之和，即利用式（2.6）积分就可求出反应时间。
习题答案:反应时间习题2.11 解题思路:（1）恒容过程，将反应式简化为：用下式描述其反应速率方程：设为理想气体，首先求出反应物A的初始浓度，然后再计算反应物A的消耗速率亚硝酸乙酯的分解速率即是反应物A的消耗速率，利用化学计量式即可求得乙醇的生成速率。
（2）恒压过程，由于反应前后摩尔数有变化，是个变容过程，由式（2.49）可求得总摩尔数的变化。
这里反应物是纯A，故有：由式（2.52）可求得反应物A的瞬时浓度，进一步可求得反应物的消耗速率由化学计量关系求出乙醇的生成速率。
习题答案:（1）亚硝酸乙酯的分解速率乙醇的生成速率（2）乙醇的生成速率第三章釜式反应器习题3.1 解题思路:(1)首先要确定1级反应的速率方程式，然后利用式（3.8）即可求得反应时间。
(2)理解间歇反应器的反应时间取决于反应状态，即反应物初始浓度、反应温度和转化率，与反应器的体积大小无关习题答案:(1)反应时间t=169.6min.(2)因间歇反应器的反应时间与反应器的体积无关,故反应时间仍为169.6min.习题3.5 解题思路:（1）因为B过量，与速率常数k 合并成，故速率式变为对于恒容过程，反应物A和产物C的速率式可用式（2.6）的形式表示。
反应工程(总复习)
反应器 P
分离器
Q
产物
转化率是针对反应物而言，收率则是针对生成物而言，定义为：
与转化率一样，收率也有单程收率和全程收率之分 对于单一反应，转化率与收率数值上相等，且无论按那一个反应产物计算的收率，数 值上都相等，当反应系统进行的反应不止一个时，则不相等。
第一章 绪论
转化率、收率和选择性三者的关系：
等转化率曲线。温度较低时，反应速率随温度的升高 而加快，到达某一极大值后，随着温度的继续升高，
反应速率反而下降。
最佳温度
第二章 反应动力学基础
复合反应：在同一个反应体系中进行若干个化学反应时，称为复合反应。 单位时间内单位体积反应混合物中某一组分i的反应量叫做该组分的转化速率 （i为反应物）或生成速率（i为反应产物），并以符号 来表示。
（2）描述温度变化的能量衡算式，或称能量方程； （能量守恒定律）
（3）描述压力变化的动量衡算式，或称动量方程； （动量守恒定律）
（4）综观三种衡算式，根据各自的守恒定律，均符合下列模式：
17
第二章 反应动力学基础
任何化学反应都以一定的速率进行，通常以单位时间内单位体积反应物系中某一反 应组分的反应量来定义反应速率。
第四章 管式反应器
活塞流和全混流的比较：
根本差别：活塞流无返混存在，全混流的返混程度最大，以致反应物料间不存在
浓度差，也不存在温度差。
单一反应等温管式反应器设计方程
以等速率进行 常数
管式反应器连续操作 方程 等容 = ≠ 管式反应器空时 变容
釜式反应器连续操作 方程
釜式反应器的反应时间
第四章 管式反应器
化学反应工程的“三传一反”
动量、热量和质量传递。
反应进度（ ξ ）的定义：任何反应组分的反应量与其化学计量系数的之比恒为定 值，推广到任何反应，并表示为：
第四章管式反应器_反应工程上课简版
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
图分析比较
(a)1/-RA随xA的增大呈单调上升 (b)1/-RA随xA的增大呈单调上升
(c)1/-RA具有极小值
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
比较管式与釜式反应器的收率
(a) 选择性随转化率的增加而减小 (b) 选择性随转化率的增加而增大
习题
4.7 拟设计一等温反应器进行下列液相反应：
A B R, rR k1C AC B
2 2 A S , rS k2C A
目的产物为R，且R与B极难分离。试问： （1）目的产物瞬时选择性表达式？ （2）在原料配比上有何要求？ （3）若采用活塞流反应器，应采用什么样的加料方式？ （4）如用半间歇反应器，应采用什么样的加料方式？
4.4 循环反应器
Vr (1 )Q0c A0 X Af
1
X Af
dX A ( A )
0, XA0 0
, X A0 X Af
当ψ ≥25时，即可认为反应器达到了 全混状态。
4.5 变温管式反应器
活塞流反应器的热量衡算
活塞流反应器的热量衡算示意图 控制体：反应体积为dVr的微元段，微元段长度为dZ， 转化率的变化为dxA、温度变化为dT。
管式反应器的热量衡算
------管式反应器轴向温度分布方程
dT GwA0 (H r )Tr dX A U Gcpt 4 (TC T ) dZ MA dZ dt
------管式反应器中反应温度与转化率的关系
绝热管式反应器
wA0 (H r )Tr dT dX A M Ac pt
Q0C A0 X Af
A
多釜串联全混流反应器体积：
管式-反应器ppt课件
二、管式反应器的结构
反应器的结构可以是单管， 也可以是多管并联；可以是空 管，也可以是在管内填充颗粒 状催化剂的填充管。
它包括直管、弯 管、密封环、法兰及 紧固件、温度补偿器、 传热夹套及联络管和 机架等几部分。
三、特点
• 1、由于反应物的分子在反应器内停留时间 相等，所以在反应器内任何一点上的反应 物浓度和化学反应速度都不随时间而变化， 只随管长变化。
• 2、根据是否存在填充剂可分为空管 和填充管。
• 3、根据管式反应器的连接方式可以 分为串联管式反应器和并联管式反应 器。
• 4、根据反应器放置方式可分为横管 式反应器和竖管式反应器
五、应用
1、多管串联结构的管式反 应器，一般用于气相反应和 气液相反应。例如烃类裂解 反应和乙烯液相氧化制乙醛 反应。
管式裂解炉
用于烃类裂解制乙烯及其相关产品 的一种生产设备，为目前世界上大型 石油化工厂所普遍采用。
目前国际上应用较广的管式裂解炉 有短停留时间炉、超选择性炉、林德西拉斯炉、超短停留时间炉。
大型石油化工厂管式裂解炉
乙烯裂解炉加料控制过程
2、 多管并联结构的管式反应器， 一般用于气固相反应。例如气相氮 和氢混合物在多管并联装有固相铁 催化剂中合成氨，气相氯化氢和乙 炔在多管并联装有固相催化剂中反 应制氯乙烯。
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理想管式反应器
人们设想了一种理想流动，即 假设在反应器内具有严格均匀的 速度分布，且轴向没有任何混合。 这是一种不存在的理想化流动。 管式反应器当管长远大于管径时， 比较接近这种理想流动，通常称 为理想管式反应器。
传热方式
反应工程 2012-2013 第 4 章 管式反应器 PFR
42/20
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
Chemical Reaction Engineering
42/21
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。
Qr 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比： Q0
故,反应器的物料处理量为：
Q0 Qr (1 )Q0
在混合点M处对A做物料衡算：
Q0cA0 Q0cA0 (1 X Af ) (1 )Q0cA0 (1 X A0 )
化简后得： X A0
X Af 4.23 1
0
' X Af
X Am
X Af
XA
此时，可以： 釜式与管式的串联
42/19
Chemical Reaction Engineering
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
在A点保持较高速率进行，先用CSTR进行反 应到XAm，然后送入PFR中到XAf，则VR最小。 对多个反应，二者的比较主要是看在相同的最终转 化率下，哪一个目的产物最终收率大。 So～XA关系见图3-10（a）。 ①反应物CA低，获得高的选择性，选釜式反应器。 ②反应物CA高，则管式反应器优于釜式反应器。
二者的差别： CSTR PFR 返混 返混
最大（∞） 无（0）
都属于理想化流动模型，是返混程度的两个极端。
Chemical Reaction Engineering
42/6
4.2 等温管式反应器的设计
Fi 0
单一反应 进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量
四PFR反应器
V = V0 (1 + ε A x A )
例：A→3P a.纯原料，则 纯原料， 纯原料
含义： 含义：ε A
=
Vx A =1 − Vx A =0 Vx A = 0
3 −1 εA = =2 1
b.原料中含 50%A和 50%惰性气体，则 原料中含 和 惰性气体， 惰性气体
(3 + 1) − (1 + 1) εA = =1 (1 + 1)
FA0 dx A = (−rA )dVR
V0
τP =
FA 0 ∫
x Af
0
dx A ( − rA )
V0
V
t=∫
VR
0
dVR V
=∫
x Af
0
x Af FA0 dx A dx A = C A0 ∫ 0 (− rA )v0 (1 + ε A x A ) (−rA )(1 + ε A x A )
当分子数变大， 当分子数变大，ε A
Chemical Reaction Engineering 间歇反应器恒容时: 间歇反应器恒容时
反应级数 反应速率式
t = C A0 ∫
x Af
xA0
dx A ( − rA )
t = − ∫C
C Af
A0
dC A ( − rA )
残余浓度式
转化率式
零级
(−rA ) = k
kt = C A0 − C A
aA+bB→pP+sS
对A： ： 对P： ：
δ
A
δ
p
( p + s) − (a + b ) = a ( p + s) − (a + b ) = p
反应工程第四章
思考题：
1. 比较恒容条件下进行某一反应，要达到同一转化率，在间歇 釜中经历的时间长，还是平推流？ 2.比较恒容条件下进行某一反应，要在相同的反应时间达到同 一转化率，所需的平推流反应器体积大，还是间歇釜？ （反应器的处理能力）
恒容条件下，
∫ t = − CA dCA (间歇釜) CA0 (−rA )
[2ε A
(1+
εA
) ln(1 −
xA
)
+
ε
2 A
xA
+
(1 +
ε A )2
xA 1− xA
37
(− rA )
=
k P PAn
=
kP
[
y A0 (1 1 +ε
− xA AxA
)
P ]n
反应级数
一级反应 A mp
二级反应 2A mp
二级反应 A＋B mp
反应速率式
(−rA ) = kp PA
(−rA) = kpPA2
二级
二级自 化反应
( − r A ) = kC C A B
C A0 ≠ C B0 M = C B0 − C A0
C A0 ( − r A ) = kC C A P
n级
(− rA )
=
kC
n A
设计式
VR F A0
=
xA k
, F A0
= v0C A0
τ = VR V0
V R = 1 ln
1
F A0
kC A 0
反应均为一级，已知 k1 = 0.30 min−1, k2 = 0.10 min−1 。A的最大进料量
为3 m3 / h ,且不含P与S。试计算P的最大收率和总选择性以及达到最
管式反应器
管式反应器除了上一章的两类理想反应器，管式反应器也是一类理想反应器模型（活塞流模型）。
与间歇釜式反应器不同，全混流和活塞流模型用于流动过程。
根据上一章所学的知识，物料在反应器中的停留时间是决定化学反应转化程度和产物分布的一个重要因素。
全混流和活塞流模型均是根据特定的停留时间分布规律建立起来的（这部分内容将在下一章中详细阐述），是两种极端的情况，是分析许多问题的出发点，也是各种实际反应器设计的理论基础。
本章将涉及到如下的具体内容：活塞流模型的基本假定等温管式反应器设计与分析管式反应器与釜式反应器的性能比较循环管式反应器的分析计算管式反应器的变温操作第一节活塞流假定流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率和转化程度。
一、流动状况对反应过程的影响1. 流动情况影响例1. （1）空管中, 图4.1 （a）(b) 内部各部分流体的停留时间不同，因此反应时间也不一样，反应速率和最终转化率也不一样第二节等温管式反应器的设计一、单一反应在管式反应器中进行的单一反应，取如图4.2所示的微元体（高为dZ）图 4.2 管式反应器示意图在定态条件下，由此得到或∴（4-4）∴（4-5）假设 =常数（=X Af下的值），则--釜式反应器的设计方程式（4-5）可以进一步变成：（间歇釜式的设计的方程为）注意：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。
对于式（4-4），设反应器的截面积为A，则有dV r=Ad Z，那么对于恒容过程 C A=C AO（1-X A）则时间变量转化为位置变量。
例4.1 例4.2 例4.3例4.4例4.5第三节管式与釜式反应器反应体积的比较在处理量、组成、T、XAf相同的条件下进行对比。
对于二级可逆反应，使用不同形式的理想反应器时所需要的反应体积如表4-1所示，即有（本章前面和上一章的例题给出的结果）一般来说，比较按正常动力学和反常动力学两种情况讨论：图 4.3 连续反应器反应体积的比较对于复杂反应，要同时考虑反应体积V和产物分布，后者更为重要。
管式反应器介绍
管式反应器介绍一、结构特点、原理反应器是化学反应工艺中的核心设备，它按结构大致可分管式、釜式、塔式、固定床等，广泛适用于气、液、固相的化学混合反应。
管式反应器强化传热反应器内部结构与静态混合器相仿，能使进入强化传热混合反应器的不同液体互相很好地混合，但与常规的静态混合器内部单元不同，其内部构件不是用板材而是用较细的管材制作，细管内部可以通加热介质也可以通冷却介质，所以内部单元不仅能起到了充分混合，而且能提供很大的传热比表面积。
二、管式反应器用途1、A型强化传热混合反应器专门用于高粘度介质的强化传热过程。
强化传热混合反应器不需要与其它配件相组合，直接与管道联接，对于3千厘泊～45万厘泊的高粘度介质，它的传热分系数可达100～400W/m2℃，与普通的列管式换热强相比提高到4～5倍。
主要用于：(1) 食品工业中油脂的加热和冷却(2) 合纤和塑料工业中熔融树脂的加热，冷却以及聚合物溶液的加热和冷却(3) 日化工业中粘结剂的加热、冷却以及化妆品的加热和冷却(4) 石油工业中熔融沥青、重油、原油、渣油的加热和冷却(5) 炸药工业中乳化炸药的冷却(6) 用作聚苯乙烯的聚合反应(7) 用于苯乙烯丙烯腈共聚物的生产装置(8) 用于丙烯睛丁二烯苯乙烯共聚物的生产装置(9) 用作聚酰胺聚合反应器2、B型强化传热混合反应器对于强放热的液/液反应过程可以采用强化传热混合反应器。
强化传热混合反应器水平安装，并带有SV型静态混合器作为配件，以确保互不相溶的液/液相混合均匀，需要停留时间较长的液/液反应过程，静态混合器的长度也较长，此时各台静态混合器之间可用180°的弯头来互相连接，组成单元反应器。
主要用于：(1) 聚酯熔体的冷却(2) 丙烯腈氨化反应(3) 氯乙酸和氨气的反应3、C型强化传热混合反应器对于强放热的气/液反应过程可以采用强化传热混合反应器。
强化传热混合反应器垂直安装，一般情况下，反应器内气液两相并流向上运动，反应器底部配有专门设计的气体分布器。
管式反应器-化工
80%
不锈钢
具有优良的耐腐蚀性能和机械性 能，广泛应用于化工、制药等领 域。
100%
钛合金
具有优异的耐腐蚀性能和高温性 能，常用于强腐蚀性介质和高温 反应。
80%
镍基合金
具有较好的耐高温和耐腐蚀性能 ，常用于高温、高压和强腐蚀性 场合。
03
管式反应器的操作与控制
操作流程
准备阶段
检查反应器及其附件的完好性，确保无泄漏、无异常声 响；准备好所需的原料和催化剂，确保其质量和数量满 足要求。
结构
管式反应器通常由一组长短不一的管子组成，管内安装催化剂或 其它反应介质，反应物料在管内流动，通过加热或冷却维持反应 所需的温度条件。
特性
01
02
03
04
高效率
管式反应器具有较高的反应效 率，能够实现连续性操作，有 利于大规模生产。
温度控制
管式反应器通过加热或冷却系 统，能够精确控制反应温度， 确保反应的稳定性和安全性。
投料阶段
按照工艺要求将原料和催化剂加入反应器，并确保投料 过程中无杂物进入。
升温阶段
启动加热系统，缓慢升温至反应温度，并保持恒温状态 。
反应阶段
在恒温条件下进行化学反应，观察反应情况，记录相关 数据。
冷却阶段
反应结束后，关闭加热系统，开启冷却水系统，将反应 器内温度降至安全范围。
结束阶段
将产物取出，清理反应器内残留物，关闭相关阀门和电 源，完成整个操作过程。
安全措施
操作人员培训
确保操作人员经过专业培训，熟悉管 式反应器的操作规程和安全注意事项。
安全防护设备
配备必要的安全防护设备，如防护眼 镜、化学防护服、防爆设备等，确保 操作人员的人身安全。
反应工程 第四章 管式反应器
Fi = Fi 0 + ∑ν ijξ j
j =1
3
yi = yi 0 + ∑ν ij
j =1
3
ξj
F0
= yi 0 + ∑ν ij z j
j =1
3
浓度
进料体积流率
Ci =
2010-6-15
P RT
yi
Q0 =
FA 0 CA0
=
F0 y A 0
Py A0 RT
=
RTF0 P
19
版权所有, By 刘海, 北方民族大学化工学院
工业上的管式反应器,当其长径比L/D较大,流体 的粘度较小,流速又较大的场合可近似按平推流反 应器处理.
离开平推流反应器的所有流体质点均具有相同的停 留时间 t ,而这个停留时间就等于反应时间 t . 只有恒容反应过程空时才和反应时间相等.
τ =t =t
概念:空时,反应时间,停留时间,平均停留时间
2010-6-15 版权所有, By 刘海, 北方民族大学化工学院 8
4.2 等温管式反应器设计
定常态操作, 原料以Q0的体积 流率加入反应器中, Fi为第i组 分的摩尔流率, 对反应器中高 为dZ的微元进行物料衡算: 进入: Fi 流出: Fi+dFi 反应: i dVR 累积: 0 进入-流出=反应量 设计方程微分式:2010-6-15dFi = i dVR
( 4.1)
Fi 0 dx A dVR = A
=∫
x Af
0
FA0 dx A Q0 (1 + y A0δ A x A )rA
FA0 = Q0 C A0
= 1.873Sec
可见在这种非恒容过程中,反应时间和空时并 不相等.
化工反应工程答案 第四章
4 管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应：6532664+→+C H CH H C H CH在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度，mol/l ，原料处理量为2kmol/h ，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm ，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：00=T H C C ，则有：0(1)==-T H T T C C C X示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/--⨯⨯===⨯⨯⨯====⨯T T T T p C kmol mRT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.500 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51---==--=⨯=⨯=⨯--⎰⎰⎰TT X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX mX 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=⨯m4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题 3.2中已算出：0275.8/=Q l h 0 1.231/=A C mol l所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X lkC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
管式反应器的结构
dxA ( − rA )
空时，为反应器有效体积与物料初始进料的体积流量的比值，h τC：空时 τ：停留时间，为反应器有效体积与反应器内物料的体积流量的比值。 停留时间 空速，对于均相反应，空速是空时的倒数，h-1 SV：空速
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，只有在恒容过程，称为物料在反应器中的停留时间才是准确的。 即 τ C =τ
微元时间微 + 元体积内反 应物的累积量
FA ∆ τ = ( FA + dFA ) ∆ τ + ( − rA ) ∆ τ dV R + 0
V R = FA 0 ∫
x Af xA0
dx A ( − rA )
τC
V = R = cA0 V0
∫
x Af xA0
管式反应器结构主要有直管式、盘管式、多管式等。
管式反应器的计算 PFR基础设计式 PFR基础设计式
微元时间内 进入微元体 积的反应物量
微元时间内 = 离开微元体 积的反应物量
微元时间微元 + 体积内转化掉 的反应物量
管式反应器的计算应物的累积量元体积内反微元时间微的反应物量体积内转化掉微元时间微元积的反应物量离开微元体微元时间内积的反应物量进入微元体微元时间内
管式反应器的结构 管式反应器的计算
管式反应器的结构 在化工生产中，连续操作的长径比较大的管式反应器可以近似看 成是理想置换流动反应器。 它既适用于液相反应，又适用于气相反应。由于PFR能承受较高的 压力，用于加压反应尤为合适。具有容积小、比表面大、返混少、反 应参数连续变化、易于控制的优点，但对于慢速反应，则有需要管子 长，压降大的不足。
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不同。在反应过程中体积的变化可以忽略不计。
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【解】(1) 全混釜
∵
VR C A 0 x A C A 0 C A C R C R 0 C S C S 0 Q0 rA rA rR rS
rR 2.0C A
2 rS 0.2C A
2 rA rR 2 rS 2.0C A 0.4C A
在215℃和5大气压下，均相气相反应 Ａ─→3Ｒ 在活塞流 反应器中进行。215℃时,速率式为： rA=10-2CA0.5(mol/l· s)， 原料气中含有50％A和50％惰性气体(CA0=0.0625mol/l)，求
转化率为80％时所需的时间。
【解】根据题所给出的已知条件有： yA0＝0.5
3 1 2 δA ＝ 1
b 为催化剂的堆密度
§4.5 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，就单一反应和复合反应来分别讨 论其反应器型式和操作方法的评选。
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活塞流反应器体积：
全混流反应器体积：
Vrp Q0C A0
VrM
xA f
0
dxA A
恒容时
∴
CA xA 1 C A0
dC A dx A C A0
CA f
CA0 CA f
dC A rA dC A rA
（活塞流反应器） （间歇反应器）
t
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CA0
注意：①二者形式同，但一个是t，一个是τ（与所选择的
进口状态有关）； ②管式反应器恒容时，τ=t；否则，τ≠t。
【例题2】在一定的反应温度下Ａ发生下述平行反应：
k1 A R
rR 2.0CA kmol /(m3 h)
2 rS 0.2CA kmol /(m3 h)
k2 2 A S
其中Ｒ是主产物，Ｓ是副产物。反应原料为纯的Ａ，其初 始浓度为10kmol/m3。在反应器出口Ａ的转化率为80％。 比较当上述反应在全混釜和平推流反应器中进行时，Ａ转 化为Ｒ的选择性、Ｒ的收率以及反应物的停留时间有什么
1/rA
1/rA
1/rA
τ 3/CA0
面积=τ /CA0
τ 2/CA0 τ 1/CA0
面积=τ /CA0 0 (a) 活塞注流反应器 xA
0 (b) 全混流反应器 xA
0 xA (c) 多釜串联全混流反应器
图 不同反应器所需的体积(τ=V/Q0)
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•
(2) 1/rA 随xA的增大而单调下降 对于n>0的不可逆等温反应均具有此性状。 Vrp或间> VrM-串> VrM
则两者的浓度及温度的差异将很小，可忽略，此时动力学表
征上与均相反应相同。此简化模型称为拟均相模型。
M dFi b vij rj dVr j 1
M dFi b vij rj dW j 1
i 1, 2,, k
i 1, 2,, k
Vr催化剂的堆体积 W催化剂的质量
式中
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FA = （FA ＋ dFA） + rA dVR + 即：
dFA rAdVR
0
dFA dFA0 (1 xA ) FA0dxA
FA0dxA rAdVR
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积分得
VR FA0
xA f
0
dx A rA
FA0 Q0CA0
或
x A f dx VR A C A0 0 Q rA ※活塞流反应器基础设计式※ NhomakorabeaP
面积=CP CA CA0
CA CA3CA2 CA1 CA0 CA
面积=CP CA0
(a)活塞流最优，多釜串联次之，全混流反应器最差
(2) s随CA的增大而单调地下降，返混，以CSTR为最优。
s
全混流
s
多釜串联全混流
s
活塞流
CP
CA (a)
CA0
CA (b)
CA0
CA
CA0
(b)全混流最优，多釜串联全混流次之，活塞流最差
＝100CA00.5
x Af
x Af
0
1 x A 0.5 [ ] dx A 1 xA
1.3 图解积分 1.331 数值积分 1.328 解析积分
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0
1 xA 0.5 [ ] dxA 1 xA
4.3 拟均相模型
对多相催化反应，如果两相间的传质和传热的速率很大，
∴反应物Ａ转化为Ｒ的选择性：
SR
CR CR 0 2C A 1 1 0.714 C A0 C A 2.0C A 0.4C A 2 1 0.2C A 1 0.2 10 (1 0.8)
Ｒ的收率：
YR xA S R 0.8 0.714 5.71
0.6 -4
-3
-2
-1
0
1
2
3 lgk2/k1
图3.5-4 活塞流反应器与全混流反应器的比较
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2.不可逆平行反应
k1 A P
k2 A S
P是目的产物
P的瞬间选择性与CA之间可能有三种变化形状： (1) 随CA的增大而单调地增大 应选用无返混的活塞流反应器
s 活塞流
全混流 CP s 多釜串联全混流
时间变量转化为位置变量。
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2.图解计算
1/rA
1/rA
xA f 0
C A0
dxA rA
CA f
CA0
dC A rA
面积=τ /CA0 0 (a) 适用一般场合 xA
面积=τ 0 CA CA0 (b) 仅适用恒容过程
图3.4-2 管式反应器的图解计算示意图
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【例题1】
Q0C A0 X Af
A
Vrp VrM
一、单一反应
xA f
0
X Af
dxA A / A
不存在副反应，反应器选型时只需考虑如何有利于反 应速率的提高。 反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种情况：
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(1)1/rA随xA的增大呈单调上升 对于n＞0的不可逆等温反应均有图示的特征。Q0、CA0、 T、xAf相同。 Vrp或间< VrM-串< VrM
§4.1 活塞流假设
第四章 管式反应器
§4.2 等温管式反应器设计 §4.3 管式反应器与釜式反 应器体积的比较
§4.4 循环反应器
§4.5 变温反应器
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重点掌握：
· 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。
· 变温管式反应器的分析与计算，包括：热量衡算方程的建立 、绝热温升和非绝热变温管式反应器的计算等。 深入理解： · 活塞流和全混流模型的基本假设与含义，返混的基本概念。
YS x A S S 0.8 0.286 0.229
C A0 C A C A0 x A 0.8 1.43h (2) 2 2 2 rA 2C A0 (1 xA ) 0.4C A (1 x ) 2(1 0.8) 0.4 10(1 0.8) 0 A C A dC A 活塞流反应器： CA 0 r A
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对于全混流反应器，瞬时选择性与总选择性相同：
从上述讨论看，复合反应的产物分布不仅与反应的
型式、反应动力学特性有关，而且还与反应器的型式
有关。
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1.一级不可逆连串反应
A P S
k1 k2
P是目的产物
对于BSTR或PFR中P的最大浓度：
CP max
k1 C A0 ( ) k2
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rA＝10-2CA0.5＝10-2CA00.5 [ 1 x A τ＝
1 A y A0 x A
]0.5
x Af dx x Af VR dx A A C A0 0.5 0 0 Q0 rA 10 2 C A0 [(1 x A ) (1 A y A0 x A )] 0.5
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。 设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么
Q0 c A0 dX A rA ( X A ) A dZ
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u0 c A 0
dX A rA ( X A ) dZ
对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则
dc A u0 rA ( X A ) dZ
1.活塞流反应器的设计方程 根据活塞流反应器的特点，可取反应器中一微元段 作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得 到活塞流反应器的设计基础式。
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0 FA0 FA
dZ FA+dFA
Z FAf
dVR
单位时间 单位时间 单位时间 反应器中A A的流入量 A的流出量 A的反应量 的积累速度
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三、活塞流反应器的特征
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，平行向前移动。
0 Z/2 Z
1.轴向无返混。 2. 物料质点的相同。
CA CA0
3.同一截面C、T相同。
4.C、T沿管长连续变化。
CAout 管长 Z/2 CA CA0 0 Z/2 Z 时间 图 3.4-1 平推流反应器图示 Z
1/rA
1/rA
1/rA
面积=τ /CA0 0 (A) 活塞流反应器 xA
0
面积=τ /CA0 xA (B) 全混流反应器
τ 1/CA0 0