管式反应器

此反应时间应等于理想管式反应器中的空间时间
即

VR 6 min V0
由题意可知
FA0 V0 c A0 0.684 kmol/min
项目二管式反应器的设计和操作
FA0 0.684 V0 171L / min c A0 0.004
VR V0 171 6 1026L
二、理想置换反应器的特点 ① 稳定流动，各点温度、浓度、反应速率不随 时间而变 ② 沿流动方向，温度、浓度、反应速率随位置 逐渐改变，而在径向上一致。 ③ 稳定状态下，单元时间、微元体积内，反应 物积累量为零。
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④ 各物料质点在反应器内的停留时间相同，返 混程度为零。
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三、理想置换反应器的基础方程 取微元时间、微元体积 dV ，对关键组分 A 组分进行物料衡算：
式中： FA0 ——反应组分A进入反应器的摩尔流量，kmol/h； FA ——反应组分A进入微元体积的摩尔流量，kmol/h。
上式为理想管式流动反应器的基础计算方程式。 将其积分，可以用来求取反应器的有效体积和空间时间。
对整个反应器而言，积分
VR FA0
因为
所以 得
xA
0
dxA (rA )
4VR 4 1026 103 L 2 d 3.14 125 103


2
83.6m
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二、等温变容管式反应器的计算 对于气相反应体系，如果反应过程中气体的总 物质的量发生变化，系统的温度与压力变化对气体 的体积影响较大，所以气相反应常常是变容过程。 对于变容反应体系，反应前和反应后的物料存 在如下关系：
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解：由于 c A0 c B 0 ，并且是等摩尔反应
所以反应速率方程式为
(rA ) kcAcB kc

2 A
反应在理想间歇反应器内所需反应时间为
xA 0.8 360s 6 min 3 kcA0 (1 x A ) 2.7810 4 (1 0.8)
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三、管式反应器工作原理
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四、类型：
直管式、盘管式、多管式、U形管式等。 1. 直管式反应器
(1)水平管式反应器
(a)
水平管式反应器
(b)
(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。
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• 说明： 等温等容过程，相同反应条件下，为达
到相同的转化率，理想间歇釜式器（CA
随 t 而变）需要的反应时间和平推流反
应器（CA随位置而变）需要的空间时间
是相等的。这是由于反应过程中两种反
应器内物料浓度的变化具有相似规律。
但平推流无辅助时间，处理量更大。
项目二管式反应器的设计和操作
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若为一级不可逆反应
则达到一定的转化率所需空时为：
xA 1 y x VR dxA A0 A A c A0 dxA 0 V0 (rA ) k (1 x A )
有效体积为：
VR (1 y A0 A ) ln(1 x A ) y A0 A x A FA0 kcA0
【例1-7】：管式反应器空间时间和反应器体积计算 某工厂用连续操作管式反应器生产醇酸树脂，反应 物己二酸与己二醇投料比为等摩尔比，用硫酸作为催 化剂，在343K下进行缩聚反应。实验测得动力学方程 2 (rA ) kcA ，k=3.28×10-5m3/(kmol.s) ， 式为 己二酸的初始浓度 c A0 4 kmol/ m3，若每天处理2400kg 己二酸，试计算转化率为0.8时所需空间时间和反应器 体积？（已知己二酸分子量M=146）
2.盘管式反应器
盘管式反应器
盘管式反应器是将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑， 节省空间，但检修和清刷管道比较麻烦。 盘管式反应器由许多水平盘管上下重叠串联而成。每一个 盘管是由许多半径不同的半圆形管子相连接成螺旋形式，螺 旋中央留出φ400 mm的空间，便于安装和检修。
项目二管式反应器的设计和操作
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七、适用场合：
具有容积小，比表面大，返混少，反应混
合物连续性变化，易于控制等优点。但对于慢
速反应，需要管子长，压降较大。
主要用于气相或液相连续反应过程。由于管 式反应器能承受较高的压力，故用于加压反应 尤为合适。
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任务二
管式反应器设计
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反应器体积：
VR V0 0.171 8.5 1.45m3
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管式反应器所需管长的计算
【 例 】在容积为2.5 m3的理想间歇反应器中进行 均相反应 A B S ，反应等温下操作，实验测得反 应速率方程式为 (rA ) kcA cB kmol/(L.S)， k=2.78×10-3L/(mol.s)，当反应物A和B的初始浓 度均为4mol/L，而A的转化率为0.8时，该间歇反 应器平均每分钟可处理0.684kmol的反应物A。今 若将反应移到一个管内径为125mm的理想管式反 应器中等温进行，反应温度和间歇反应器内相同， 并且处理量和所要求转化率相等，求所需反应器的 管长。
1.套管传热
2.套筒传热 3.短路电流加热 4.烟道气加热
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六、管式反应器特点：
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．管式反应器的单位反应器体积具有较大的换热 面，特别适用于热效应较大的反应。 3．由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速 快，所以它的生产效率高。 4．管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产， 便于自动化控制。 5．和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较 低的情况下，其管内流体流型接近于理想置换流。
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解：对于二级反应，空间时间

VR xA 0.8 4 3 . 05 10 s 8.5h 5 V0 kcA0 (1 x A ) 3.2810 4 (1 0.8)
物料的处理量：
FA0 2400/ 24 / 146 V0 0.171 m3 / h c A0 4
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若为二级不可逆反应
则空时为：
2 x A (1 y x ) VR dxA AO A A c A0 dxA 2 V0 (rA ) 0 kcA0 (1 x A )
有效体积为：
VR 1 xA 2 2 2 2 [2 y A0 A (1 y A0 A ) ln(1 x A ) y A x ( 1 y ) ] 0 A A A0 A FA0 kcA0 1 xA
则
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任务实施
一、等温等容管式反应器的计算
管式反应器在等温等容过程操作时，可以根据基础计算方程 式结合等温等容条件，就可以计算出达到一定转化率所需要 的反应体积或空间时间。
1.一级不可逆反应，其动力学方程式为 (rA ) kcA 等温条件下k为常数，在等容情况下 c A c A0 (1 x A ) 代入基础计算方程式，得
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4.U形管式反应器
U形管式反应器
上图是一种内部设有搅拌和电阻加热装置的U形管式反应
器。U形管式反应器的管内设有挡板或搅拌装置，以强化传 热与传质过程。 U形管的直径大，物料停留时间增长，可以应用于反应速 率较慢的反应。
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五、管式反应器的传热方式：
相关知识
一、平推流反应器
连续操作管式反应器可近似看成理想置换反应器，简称 PFR。反应物和产物都处于连续流动的状态，物料在反应器内 没有积累，系统中的浓度、温度、压力等参数在一定位置处是 定值，即不随时间而变。但在反应器中不同位置这些参数是不 同的。
操作过程：
反应器内的浓度变化：
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项目二 管式反应器的设计和操作
项目二管式反应器的设计和操作
任务一
一、管式反应器
认识管式反应器
在化工生产中，常常把反应器长度远大于其直 径即高径比大于100的一类反应器，统称为管 式反应器。
二、管式反应器结构
由单管（直管或盘管）连续或多根平行排列的管 子组成。一般设有套管或壳管式换热装置。操作 时，物料自一端连续加入，在管中连续反应，从 另一端连续流出，便达到了要求的转化率。
3.多管反应器
多管反应器 1-反应物料；2-产物；3-换热介质
多管式反应器的传热面积较大，可适用于热效应较大的 均相反应过程。多管式反应器的反应管内还可充填固体 颗粒，以提高液体湍动或促进非均相流体的良好接触， 并可用来贮存热量使反应器温度能够更好的控制，亦可 适用于气-固、液-固非均相催化反应过程
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（2）立管式反应器
（a）单程式 立管式反应器
（b）夹套式
（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。
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若积分下限不为零，则平推流反应器的设计方程为：
x A dx VR A c A0 x A 0 ( r ) V0 A
对于恒容过程：cA＝cA0(1－xA)
dcA＝－dcA0dxA
c A dc c A dc VR A A c A 0 ( r ) c A 0 ( r ) V0 A A
FA0 V0 c A0
VR V0c A0
xA 0
dxA (rA )
x A dx VR A c A0 0 (r ) V0 A
式中 V0 ——物料进口处的体积流量，m3/h；

——连续管式反应器中的空间时间，等容过程为物料 在反应器中的停留时间，h。
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对于等温变容过程而言：
d[n A0 (1 x A )] 1 dnA 1 c A0 dxA (rA ) V dt V0 (1 A x A ) dt 1 A x A dt
c A0 dxA 1 y A0 A x A dt
将动力学方程带入 (rA )dV FA0 dxA 可求得变容过程反应器的空时和有效体积。
Vt V0 (1 y A0 A x A )
1 xA c A c A0 1 y A0 A x A
Ft F0 (1 y A0 A x A )
p A p A0 1 xA 1 y A0 A x A
1 xA y A y A0 1 y A 0 A x A
xA VR dxA c A0 0 kc (1 x ) V0 A0 A
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VR 1 1 ln V0 k 1 x A
V0 1 VR V0 ln k 1 xA
2.二级不可逆反应，其动力学方程式为
2 2 2 (rA ) kcA kcA ( 1 x ) 0 A
平推流反应器物料衡算示意图
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进入量－排出量+反应量 故 因为 所以
dFA (rA )dVR 0
＝ 积累量
FA ( FA dFA ) (rA )dV 0
FA FA0 (1 x A ) dFA FA0 dxA
带入上式得： (rA )dV FA0 dxA
得：
xA VR dxA c A0 0 kc2 (1 x ) 2 V0 A0 A
VR xA V0 kcA0 (1 x A )
V0 x A VR V0 kcA0 (1 x A )
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求解方法：解析法、图解积分法、数值积分法
平推流反应器图解计算示意图