4-管式反应器PPT课件

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
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。
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
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：
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。
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
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V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
源自文库
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 )
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
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）。
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
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
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）
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。