4-管式反应器PPT课件
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4-管式反应器
4.2 等温管式反应器的设计
基于催化剂的质量来表示反应速率
催化剂的堆密度
例4.5
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
釜式反应器反应体积的比较方法？ 釜式反应器复合反应目的产物收率的比较方法？
前提条件：
1. 进行相同的反应 2. 采用相同的进料流量和进料浓度 3. 反应温度与最终转化率相同
分三种情况： 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况
重点掌握：
等温管式反应器设计方程的推导和应用 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 广泛了解： 拟均相的含义和模型假定
4.1 理想流动模型
1、基本概念 2、理想流动分类
1、基本概念
流动模型：是反应器中流体流动和返混情况的描 述，这一状况对反应结果有非常重要 的影响
管中两种实际的流动状况 A.层流，Re<2000，其径向流速分布为抛物面状 B.湍流，Re>4000，其径向流速分布为扁平状
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒 子之间的混合，称为返混，也称为轴向混 合或逆向混合
4.1 理想流动模型
2、理想流动分类
（依据流体径向速度分布和返混情况） A 活塞流模型（平推流）
1.基本假定： （1）径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口 向出口运动； （2）径向混合均匀，即无浓度和温度梯度； （3）不存在返混，即流体流动方向上不存在流体混合。 符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器的流体 粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时 间相同 2.特点: 径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化
第四章管式反应器
流体相中的反应物需向面体催化剂表面上传递，生成的反应产 物又需作反方向传递。 与化学反应进行的同时必然产生一定的热效应，于是固体催化 剂与流体间还存在着热量传递。 那么，固体催化剂上反应组分的浓度与流体相将是不同的；固 体催化剂的温度也与流体的温度不同。 如果两者间的传质和传热的速率很大，则两者的浓度及温度的 差异将很小。虽为多相催化反应，若忽略这些差异，则在动力 学表征上与均相反应并无两样。所以，根据这种简化假定而建 立的模型称为拟均相模型。 拟均相模型：忽略相间传递对反应的影响的模型。
已不足以描述整个反应过程，需分别对各关键组分作 物料衡算，以获得管式反应器的设计方程组。 如果在反应器中存在K个独立反应，就需要确定K个 组分来描述反应系统的状态，因此就需要可建立 K个 物料衡算方程。 dFi
Vr 0, Fi Fi 0 , i 1,2,K 同单一反应一样，只要将i组分的摩尔流量与转化速 率变化为转化率的函数，就可积分求出反应器体积。 实际反应过程中更关心反应的收率与选择性。
即所有流体粒子均以相同速度从进口向出口运动，就像一个活
塞一样有序地向前移动，故称之为活塞流。
3
活塞流假设（ Plug (Piston) Flow Reactor 简称PFR ）
返混(Back mixing) ：在反应器中停留时间不同的流体粒子之间的
混合。返混又称逆向混合。 所谓逆向混合指的是时间概念上的逆向，既然活塞流假设径向流速 分布均匀，那么在同一横截面上所有流体粒子的停留时间必然相同， 自然不存在逆向混合。 活塞流模型还假设在流体流动的方向上即轴向上不存在流体的返混， 就整个反应器而言，如符合活塞流假设，则同一时刻进入反应器的 流体粒子必定在另一时刻里同时离开，即所有流体粒子在反应器内 的停留时间相同。（间歇反应器也是如此，因此间歇反应器中也不 存在返混） 活塞流反应器虽然不存在返混，但由于流体的主体流动和发生化学 反应的结果，各个横截面上反应物料的浓度和温度则可以是各不相 同的 。
管式反应器 (2)
管式反应器简介 管式反应器的发展 管式反应器的特点 管式反应器的分类 管式反应器的应用 管式反应器的展望
管式反应器问题为化学反应工程学科中的中心问题 之一。20 世纪40 年代起开始开发应用，反应器呈 管状，长径比很大，属于连续操作反应器。研究本 问题的主要目的在于探求管式反应器内物理因素和 化学因素的相互作用, 寻找最适宜的设计方法和最 佳的操作条件。
4.U形管式反应器 如图6所示，U形管式反应器 的管内设有多孔挡板或搅拌装置， 以强化传热与传质过程。U形管 的直径大，物料停留时间长，可 应用于反应速率较慢的反应，如 带多孔挡板的U 形管反应器被应 用于己内酰胺的聚合反应。带搅 拌装置的U 形管式反应器适用于 非均相物料或液固相悬浮物料， 如甲苯的连续硝化，蒽醌的连续磺化等反应器。
如深圳的许多具有排污及排洪双重作用的河流，由 于沿岸污水不断排入而受到严重污染，给附近居民 的工作、生活带来很大不便，甚至危及健康，同时 严重影响了流域周围环境和城市市容。采用管式电 反应系统对这些河流污水进行了处理研究，COD、 TP、SS 的去除率分别达到了81%、91%和89%。 此外，还有人利用管式电反应系统对五金加工废水 进行了处理，污染物种类为COD、磷酸盐、色度、 总锌，经处理COD、TP、SS、Zn 和色度的去除率 分别达到了94%、99.9%、89%、83%、和90%。
图2.水平管式反应器
2.立管式反应器 如下图所示为立管式反应器，它主要用于液相氨 化反应，液相加氢反应，液相氧化反应等工艺中， 它包括单程式立管反应器，和带中心插入管的立式 反应器，有时也将一束立管安装在一个加热套筒内 以节省地面。
图4.立管式反应器
管式反应器问题为化学反应工程学科中的中心问题 之一。20 世纪40 年代起开始开发应用，反应器呈 管状，长径比很大，属于连续操作反应器。研究本 问题的主要目的在于探求管式反应器内物理因素和 化学因素的相互作用, 寻找最适宜的设计方法和最 佳的操作条件。
4.U形管式反应器 如图6所示，U形管式反应器 的管内设有多孔挡板或搅拌装置， 以强化传热与传质过程。U形管 的直径大，物料停留时间长，可 应用于反应速率较慢的反应，如 带多孔挡板的U 形管反应器被应 用于己内酰胺的聚合反应。带搅 拌装置的U 形管式反应器适用于 非均相物料或液固相悬浮物料， 如甲苯的连续硝化，蒽醌的连续磺化等反应器。
如深圳的许多具有排污及排洪双重作用的河流，由 于沿岸污水不断排入而受到严重污染，给附近居民 的工作、生活带来很大不便，甚至危及健康，同时 严重影响了流域周围环境和城市市容。采用管式电 反应系统对这些河流污水进行了处理研究，COD、 TP、SS 的去除率分别达到了81%、91%和89%。 此外，还有人利用管式电反应系统对五金加工废水 进行了处理，污染物种类为COD、磷酸盐、色度、 总锌，经处理COD、TP、SS、Zn 和色度的去除率 分别达到了94%、99.9%、89%、83%、和90%。
图2.水平管式反应器
2.立管式反应器 如下图所示为立管式反应器，它主要用于液相氨 化反应，液相加氢反应，液相氧化反应等工艺中， 它包括单程式立管反应器，和带中心插入管的立式 反应器，有时也将一束立管安装在一个加热套筒内 以节省地面。
图4.立管式反应器
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
理想管式反应器 ppt课件
其中FA0 CA0v 0
v0 V k
x Af
0
dxA (1 xA )
v0 V k
x Af
0
(1 xA )dxA (1 xA )
代入数据求解
代入数据求解
请思考，忽略反应体积变化，所求得的反应器体积会偏大还是偏小？？
ppt课件 13
本章要点
1、理解连续、理想、管式反应器（PFR）
空时：处理在进口条件下一个反应器体积的物料所需要的时间 空速：单位时间可以处理标准状态下多少个反应器体积的物料
降低空时OR提高空速，提高反应器的生产能力
ppt课件 5
停留时间
停留时间：反应物料从进入反应器开始，到离开反应器为 止，所经历的时间，也可以将其称为寿命。 PFR中所有物料具有相同的停留时间
第四章 理想流动管式反应器
Pipe Flow Reactor (PFR)
管式反应器、理想、连续 由物料衡算得到PFR的设计式及应用
空时、空速、平均停留时间的概念 变容反应的处理方法
ppt课件
1
第一节 PFR的特征
层流
紊流
活塞流
ppt课件 2
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（轴向）上无混合； 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（径向）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；
反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
n=0 n=1 n=2 n级 n≠1
rA k
kt CA0 CA kt CA0 xA kt x A CA CA0 kt C
C A0 kt ln CA
kt ln
v0 V k
x Af
0
dxA (1 xA )
v0 V k
x Af
0
(1 xA )dxA (1 xA )
代入数据求解
代入数据求解
请思考，忽略反应体积变化，所求得的反应器体积会偏大还是偏小？？
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本章要点
1、理解连续、理想、管式反应器（PFR）
空时：处理在进口条件下一个反应器体积的物料所需要的时间 空速：单位时间可以处理标准状态下多少个反应器体积的物料
降低空时OR提高空速，提高反应器的生产能力
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停留时间
停留时间：反应物料从进入反应器开始，到离开反应器为 止，所经历的时间，也可以将其称为寿命。 PFR中所有物料具有相同的停留时间
第四章 理想流动管式反应器
Pipe Flow Reactor (PFR)
管式反应器、理想、连续 由物料衡算得到PFR的设计式及应用
空时、空速、平均停留时间的概念 变容反应的处理方法
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1
第一节 PFR的特征
层流
紊流
活塞流
ppt课件 2
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（轴向）上无混合； 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（径向）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；
反应级数 反应速率 残余浓度式 转化率式
n=0 n=1 n=2 n级 n≠1
rA k
kt CA0 CA kt CA0 xA kt x A CA CA0 kt C
C A0 kt ln CA
kt ln
反应工程 2012-2013 第 4 章 管式反应器 PFR
Chemical Reaction Engineering
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
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
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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
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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
管式反应器
du 4 F 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
设τ=τ时，A转化率为xA，对应的反应混合物的体 积流量为FV，于是
FV = FV 0 + FV 0 y A0 A x A = FV 0 (1 + y A0 A x A )
此时A组份的浓度为CA，所以
n A0 (1 x A ) C A0 (1 x A ) nA CA FV FV 0 (1 y A0 A x A ) 1 y A0 A x A PA0 (1 x A ) PA 所以 1 y A0 A x A PA0 - PA C A0 - C A 或x A xA PA0 (1 y A0 A ) C A0 (1 y A0 A )
第六章
管式反应器6.1物料在反应来自中的流动 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
n = nA0(1-xA)+nB0-bnA0xA/a+snA0xA/a+rnA0xA/a
= nA0+nB0+nA0xA((s+r-b)/a-1)
理想管式反应器
01
02
03
04
反应物进入
原料按一定比例通过进口进入 反应器内。
混合与传质
在反应器内，反应物在混合装 置的作用下充分混合，确保反
应物之间充分接触。
反应进行
在设定的温度和压力条件下， 反应物在反应器内发生化学反
应，转化为目标产物。
产物收集
反应完成后，产物从出口流出 ，进入后续处理工序。
关键参数与性能指标
维护保养策略及周期建议
特殊维护 根据反应器运行情况和原料性质，制定针对性的维护计划。 对于特殊故障或问题，及时联系专业人员进行维修和处理。
06
理想管式反应器的
发展趋势与挑战
技术创新方向预测
高效传热与传质技术
通过改进反应器结构、优化操作条件，提高传热传质效率，实现 反应过程的强化。
智能化控制技术
降较大的问题。
03
与流化床反应器的比较
流化床反应器具有良好的传热、传质性能和较宽的操作范围，但返混程
度较大。与之相比，管式反应器具有较小的返混和较窄的停留时间分布，
但操作弹性相对较小。
04
理想管式反应器的
设计与优化
设计原则与方法
流动特性
确保反应器内流体流动均匀、稳定，避免死 区和短路现象。
传热效率
环保挑战
化工行业对环境的影响不容忽视，反应器技术需要不断向绿色化方向发展。应对策略包括 加强环保法规建设、推广清洁生产技术、开展环保技术研发等。
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均匀混合
反应物在管道内充分混合，确保反应在均匀的环 境中进行。
连续流动
反应物在管道内连续流动，使得反应过程可以持 续进行。
恒定的温度和压力
管式反应器的结构及其应运演示幻灯片
2020/4/13
5
直管式反应器
（2）立管式反应器
（a）单程式
（b）夹套式 立管式反应器
（a）为单程式立管式反应器； （b）为夹套式立管式反应器，其特点是将一束立管安装 在一个加热套筒内，以节省地面。
➢ 立管式反应器被应用于液相氨化反应、液相加氢反应、 液相氧化反应等工艺中。
2020/4/13
6
盘管式反应器
（1±4%）。弯管在机架上的安装方法允许其有足够的伸缩 量，故不再另加补偿器。内管总长（包括弯头弧长）也是8 米。
图3.8 弯管
2020/4/13
13
管式反应器的结构
三，密封环 套管式反应器的密封环为透镜环。透镜环有两种形状。
一种是圆柱形的，另一种是带接管的T形透镜环，如图3.9. 圆柱形透镜环用反应器内管同一材质制成。带接管的T形透 镜环是安装测温、测压元件用的。
2020/4/13
16
管式法生产高压聚乙烯
1933年(英)ICI公司超高压反应研究组在高温高压下制得白色蜡状聚 乙烯，并将其应用作为高频绝缘材料，在1939年建成loot/a中试装置，实 现了高压法工业生产聚乙烯。1942年出现了高压釜式法生产聚乙烯1943美 国 DuPon公司和UCC公开发了管式反应器法。
管式反应器的分类
直管式反应器 D C 盘管式反应器
多管反应器 B A U形管式反应器
2020/4/13
4
直管式反应器
(1)水平管式反应器
(a)
(b)
水平管式反应器
(a)结构类似单程套管换热器； (b)结构由无缝管与U型管连接而成，类似多程套管换热器。
➢ 此类反应器是进行气相或液相均相反应常用的一种管 式反应器，这种结构易于加工制造和检修。
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。
第三章 管式反应器
图31层流反应器的速度分布示意图计算层流反应器的思路是把层流反应器看作由数个环状反应器构成每环中流体的流速相同为活塞流但各环中流体的流速与其它环中流速不同把活塞流反应器的处理原则用于这些环状反应器在每个环状反应器中实现的转化率等于反应时间相同的理想间歇釜式反应器的转化率把所有各环中实现的转化率加和起来求积分即为总转化率即出口平均转化317312活塞流反应器设计计算1
（3-9） ）
上式（ ）、（ ）、（3-8）、（ ）、（3-7）、（ ）、（3-9） 上式（3-6）、（ ）、（ ）、（ ）均为所表达的平推流反应器的性 能方程，它关联了反应速度、转化率、反应体积和进料量四个参数， 能方程，它关联了反应速度、转化率、反应体积和进料量四个参数，从其 中的三个已知量可求得另一个未知量。 中的三个已知量可求得另一个未知量。 讨论： 讨论： （1）比较（2-5）式与连续操作的定义式，二者完全相同。可见 ）比较（ ）式与连续操作的定义式，二者完全相同。可见PFR测 测 的变化，可以表征化学反应动力学。或者说， 得FA对VR的变化，可以表征化学反应动力学。或者说，活塞流反应器中 CA（或xA）对VR（或反应器轴向位置）的变化，符合动力学规律。 或反应器轴向位置）的变化，符合动力学规律。 （2）注意空时表达式与理想间歇反应器设计式 ）
式中 k
k
为正逆反应的反应速率常数，αi，βi
则为正逆
反应对反应组分i的反应级数。 反应对反应组分 的反应级数。 的反应级数
2．轴向扩散模型 ． 该模型的基本假定为: 该模型的基本假定为 流体以恒定的流速u通过系统 通过系统； ① 流体以恒定的流速 通过系统； 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一， ② 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一，即径向混合达 到最大； 到最大； 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散， ③ 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散，仅 发 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数Da表示这些因素的综合作用。 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用。 ），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用 （1）物料衡算式 ）
（3-9） ）
上式（ ）、（ ）、（3-8）、（ ）、（3-7）、（ ）、（3-9） 上式（3-6）、（ ）、（ ）、（ ）均为所表达的平推流反应器的性 能方程，它关联了反应速度、转化率、反应体积和进料量四个参数， 能方程，它关联了反应速度、转化率、反应体积和进料量四个参数，从其 中的三个已知量可求得另一个未知量。 中的三个已知量可求得另一个未知量。 讨论： 讨论： （1）比较（2-5）式与连续操作的定义式，二者完全相同。可见 ）比较（ ）式与连续操作的定义式，二者完全相同。可见PFR测 测 的变化，可以表征化学反应动力学。或者说， 得FA对VR的变化，可以表征化学反应动力学。或者说，活塞流反应器中 CA（或xA）对VR（或反应器轴向位置）的变化，符合动力学规律。 或反应器轴向位置）的变化，符合动力学规律。 （2）注意空时表达式与理想间歇反应器设计式 ）
式中 k
k
为正逆反应的反应速率常数，αi，βi
则为正逆
反应对反应组分i的反应级数。 反应对反应组分 的反应级数。 的反应级数
2．轴向扩散模型 ． 该模型的基本假定为: 该模型的基本假定为 流体以恒定的流速u通过系统 通过系统； ① 流体以恒定的流速 通过系统； 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一， ② 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一，即径向混合达 到最大； 到最大； 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散， ③ 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散，仅 发 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数Da表示这些因素的综合作用。 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用。 ），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用 （1）物料衡算式 ）
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.
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最大。 应该注意的是：理想流动模型是两种极端情况，活
塞流的返混为"零"，而全混流的返混"最大"，实际反 应器中的流动状况介于两者之间。
4.2 等温管式反应器的设计
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）
在定态条件下 ：
FA FAdFA-AdVr
ddFVAr A
FA FA01-XA
4.4 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。
图 4.6 循环反应器
循环反应器的设计方程
Q r ψ Q 0 ψ ＝ Q rQ 0 则设:τ计 Q V r 0 ' 方 X X A A 0(fd -A A 程 X )
Vp<Vm-3<Vm-2<Vm 一般来说，比较正常动力学和反常动力学两种情况讨论；
对于复杂反应，要同时考虑反应体积Fra bibliotek和产物分布，后者
更为重要。复杂反应的收率可以表示为：
Ypf
XAf 0
SdXA
Ypf S0 XAf
S--瞬时选择性 SO--总选择性 Ypf－总收率
选择性随关键组分A转化率的变化关系也有正常和反常
上式可以进一步变成：
τ CA0
XAf 0
dXA (-A)
t CA0
XAf 0
dXA (-A)
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dVr=AdZ， 那么
微元体（管式反应器）
Q 0 C A 0G (d M t2A 4 )w A 0及 drV π 4d t2dZ
wAO－初始质量分率；G－为质量流速，kg/s
Q 0 C A 0d dr A X V A ( A X ) G M A A 0w d dA X Z A ( A X )
带入热量衡算式得：
G pd d C t T Z G A 0 M w ( A H r)Tr d dA X Z 4 d U t(T T c)
二、绝热管式反应器
如与外界无热交换（绝热过程），上式变成 ：
d Tw A 0 ( M A C H prt)Td r A X yA 0 ( C pH tr)Td r A X
由此得到 ：
F A0
dX dV
A r
- A
rA
- dFA dV r
Q 0 C A 0d dr A X V A ( A X ) 4 4 )(r Q 0 C A 00 X A V f d A (A A X X )
假设RA =常数（=XAf下的值），则 ：
Vr
Q0CA0 X A f A(XA－f )－釜式反应器的设计方程
图 4.1 径向流分布
二、 理想流动模型
１. 活塞流模型 ① 径向流速分布均匀； ② 轴向不存在混合。
所有流体粒子在反应器内的停留时间相同，与间歇 釜式反应器中不一样，没有返混问题。（返混是不同 停留时间的流体粒子之间的混合）。
2. 全混流模型（上一章详细描述过） 无论轴向和径向，混合达到最大，C、T均一，返混
Q 0CA0 A
ddX A Z A(X A)
u0CA0ddX Z A A(XA)
对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则
u0 ddC ZA A(XA)
时间变量转化为位置变量。
4.3 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
掌握内容
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。 广泛了解：
拟均相的含义和模型假定。
4.5 变温管式反应器
工业上反应器很少等温下操作 ，原因：
难于作到等温操作
对可逆放热反应，等温并不一定好，有最佳温度分布
对于复杂反应，温度T影响产物分布（PD）
一、 管式反应器的热量衡算
对于等压过程
d H d q
d H [ ( A )Δ H (r) T d r G Z p d tC ] π T 4 ( ) d t 2
Q 0 ' ? 0 'Q Q 0 ψ Q 0 ( 1 ψ )0 Q
XAi?Q 0C A 0ψQ 0C A 0(1XA)i
X Aiψ 1 X ψ Af τ(1 V ψ r )0Q 1 X ψ ψ AX fAf(d -X A A)
→ 0 时， XAi=0 活塞流； → ∞时，XAi →XAf 全混流； 实际上， 当 ＝25时，即可认为反应器达到了全混状态。
Tr-基准温度（与间歇釜式反应器的计算方法相同） TC-换热介质的温度
合并得： d qUc(T T)dtdZ
类似于间歇釜式反应器与热量衡算式（3-81）
G pd d C t T Z ( A ) (Δ H r)T r4 U ( T cT )/ t d
存在的差别： 自变量：t 时间（间歇釜）
距离Z（管式反应器） 衡算范围：整个反应器（间歇釜）
之分，相应的结果完全不同。
Vp<Vm-3<Vm-2<Vm
Vp>Vm-3>Vm-2>Vm
小结
釜式反应器 S0=S
Ypf S0 XAf
间歇釜式 ：S～XA（选择性随转化率变化）
Ypf
XAf 0
SdXA
管式反应器（同间歇反应器 ）S～XA（CA， CB，…），T有关
所以为了改善选择性S，有选择CA，CB的问题 （即选择加料方式）。
4.1 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
空管中, 如图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 。
2. 混合情况的影响
完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C不一样。 这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应的结果 也不一样。 为了描述反应器的流动状况，要建立流动模型，定量描述 反应器中的流动状况。最简单的流动模型是理想流动模型， 包括：活塞流和全混流模型。
塞流的返混为"零"，而全混流的返混"最大"，实际反 应器中的流动状况介于两者之间。
4.2 等温管式反应器的设计
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）
在定态条件下 ：
FA FAdFA-AdVr
ddFVAr A
FA FA01-XA
4.4 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。
图 4.6 循环反应器
循环反应器的设计方程
Q r ψ Q 0 ψ ＝ Q rQ 0 则设:τ计 Q V r 0 ' 方 X X A A 0(fd -A A 程 X )
Vp<Vm-3<Vm-2<Vm 一般来说，比较正常动力学和反常动力学两种情况讨论；
对于复杂反应，要同时考虑反应体积Fra bibliotek和产物分布，后者
更为重要。复杂反应的收率可以表示为：
Ypf
XAf 0
SdXA
Ypf S0 XAf
S--瞬时选择性 SO--总选择性 Ypf－总收率
选择性随关键组分A转化率的变化关系也有正常和反常
上式可以进一步变成：
τ CA0
XAf 0
dXA (-A)
t CA0
XAf 0
dXA (-A)
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dVr=AdZ， 那么
微元体（管式反应器）
Q 0 C A 0G (d M t2A 4 )w A 0及 drV π 4d t2dZ
wAO－初始质量分率；G－为质量流速，kg/s
Q 0 C A 0d dr A X V A ( A X ) G M A A 0w d dA X Z A ( A X )
带入热量衡算式得：
G pd d C t T Z G A 0 M w ( A H r)Tr d dA X Z 4 d U t(T T c)
二、绝热管式反应器
如与外界无热交换（绝热过程），上式变成 ：
d Tw A 0 ( M A C H prt)Td r A X yA 0 ( C pH tr)Td r A X
由此得到 ：
F A0
dX dV
A r
- A
rA
- dFA dV r
Q 0 C A 0d dr A X V A ( A X ) 4 4 )(r Q 0 C A 00 X A V f d A (A A X X )
假设RA =常数（=XAf下的值），则 ：
Vr
Q0CA0 X A f A(XA－f )－釜式反应器的设计方程
图 4.1 径向流分布
二、 理想流动模型
１. 活塞流模型 ① 径向流速分布均匀； ② 轴向不存在混合。
所有流体粒子在反应器内的停留时间相同，与间歇 釜式反应器中不一样，没有返混问题。（返混是不同 停留时间的流体粒子之间的混合）。
2. 全混流模型（上一章详细描述过） 无论轴向和径向，混合达到最大，C、T均一，返混
Q 0CA0 A
ddX A Z A(X A)
u0CA0ddX Z A A(XA)
对于恒容过程 CA=CAO（1-XA）则
u0 ddC ZA A(XA)
时间变量转化为位置变量。
4.3 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
掌握内容
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。 广泛了解：
拟均相的含义和模型假定。
4.5 变温管式反应器
工业上反应器很少等温下操作 ，原因：
难于作到等温操作
对可逆放热反应，等温并不一定好，有最佳温度分布
对于复杂反应，温度T影响产物分布（PD）
一、 管式反应器的热量衡算
对于等压过程
d H d q
d H [ ( A )Δ H (r) T d r G Z p d tC ] π T 4 ( ) d t 2
Q 0 ' ? 0 'Q Q 0 ψ Q 0 ( 1 ψ )0 Q
XAi?Q 0C A 0ψQ 0C A 0(1XA)i
X Aiψ 1 X ψ Af τ(1 V ψ r )0Q 1 X ψ ψ AX fAf(d -X A A)
→ 0 时， XAi=0 活塞流； → ∞时，XAi →XAf 全混流； 实际上， 当 ＝25时，即可认为反应器达到了全混状态。
Tr-基准温度（与间歇釜式反应器的计算方法相同） TC-换热介质的温度
合并得： d qUc(T T)dtdZ
类似于间歇釜式反应器与热量衡算式（3-81）
G pd d C t T Z ( A ) (Δ H r)T r4 U ( T cT )/ t d
存在的差别： 自变量：t 时间（间歇釜）
距离Z（管式反应器） 衡算范围：整个反应器（间歇釜）
之分，相应的结果完全不同。
Vp<Vm-3<Vm-2<Vm
Vp>Vm-3>Vm-2>Vm
小结
釜式反应器 S0=S
Ypf S0 XAf
间歇釜式 ：S～XA（选择性随转化率变化）
Ypf
XAf 0
SdXA
管式反应器（同间歇反应器 ）S～XA（CA， CB，…），T有关
所以为了改善选择性S，有选择CA，CB的问题 （即选择加料方式）。
4.1 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
空管中, 如图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 。
2. 混合情况的影响
完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C不一样。 这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应的结果 也不一样。 为了描述反应器的流动状况，要建立流动模型，定量描述 反应器中的流动状况。最简单的流动模型是理想流动模型， 包括：活塞流和全混流模型。