4 管式反应器

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：

0.5

1.5,/.=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：

533

00330000.5 1.01310 5.6810/8.314101073

2/21/0.27810/−−××===×××====×T T T T p C kmol m RT F Q C kmol h kmol s

所以，所需反应器体积为：

00000.5 1.5

0 2.50.95

3

3

3 1.5 1.50

1.5 1.5(10.95)10.27810

0.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51

−−−==−−=×=×=

×−−∫∫∫

T T X X T T

r T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX m X 所以，反应器的长度为：2

3.006

1531.10.05 3.14/4

=×m 4.2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：

000

00000(1)()

275.80.95818.61 5.2 1.23110.95

=−−===−×−∫

A

X A

r A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X l kC 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。

4.31.013×105Pa 及20℃下在反应体积为0.5m 3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：

2

24

322

22 1.410,/.+→=×NO NO O NO O NO r C C kmol m s

式中的浓度单位为kmol/m 3。进气组成为10%NO,1%NO 2,9%O 2,80%N 2,若进气流量为0.6m 3/h （标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。

解：由NO 氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为：

2

0400 1.410=×∫A X r A

A A B

V dX C Q C C （A ）

示中A,B 分别代表NO 和O 2。由题意可知，若能求得出口转化率，由（2.54）式得：

0001−

=

+i

i A A A

i A A A

y y X y y X ννδ便可求出反应器出口气体组成。已知：

00343020233

0233

1

,0.10,0.09

2

0.6(27320)/2730.644/ 1.788810/0.6

2.67710/22.4

2.677100.1 4.15910/0.644

2.677100.09

3.74310/0.644

−−−−−−==−===+==×==×××==×××==×∑i

A

A B A

i A B y y Q m h m s F kmol h C kmol m C kmol m νδν所以，反应速率为：

22

0042

2

34

3

1(1)()21.410(10.05)(10.05)

(1)(3.743 2.078)101.410(10.05)−−−=×−−−−×=×−A A B A A A A A A A

A C X C C X r X X X X X 再将有关数据代入（A ）式：

334200.514 4.15910(10.05)1.78910(1)(3.743 2.078)

−−×××−=×−−∫A X A A

A A X dX X X （

B ）

用数值积分试差求得：99.7%=A X 因此，

22000.1(10.997)

0.032%

10.0510.050.997

1

0.090.10.997

2 4.227%10.050.997

2

0.10.10.997

211.546%10.050.9970.8

84.197%

10.050.997

−−=

==−−×−××=

=−×+××==−×==−×A A A A A B NO N y y X y X y y y 另：本题由于惰性气体N 2占80%，故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会有太大的误差。

4.4在内径为76.2mm 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯：

26242

⇔+C H C H H 反应压力及温度分别为2.026×105Pa 及815℃。进料含50%(mol)C 2H 6,其余为水蒸汽。进料量等于0.178kg/s 。反应速率方程如下：

−

=A

A dp kp dt

式中p A 为乙烷分压。在815℃时，速率常数1

1.0−=k s

，平衡常数

47.4910=×K Pa ，假定其它副反应可忽略，试求：

（1）此条件下的平衡转化率；

（2）乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。

解：（1）设下标A—乙烷，B—乙烯，H—氢。此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：

=

B H

p A

p p K p