第四章管式反应器_反应工程上课简版
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第四章 管式反应器
管式反应器类型
水平管式反应器
立管式反应器
盘管式反应器
U形管式反应器
多管并联结构
第四章 管式反应器
本章内容
活塞流假定 ❖ 等温管式反应器的计算 管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器 变温管式反应器的计算
4.1 活塞流假定
重要的概念
1. 停留时间： 流体粒子进出反应器的时间差。
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
计算比较
比较例3.4、例3.6和例4.1的结果：
4.2 等温管式反应器的设计
例4.5 在压力0.12MPa, 898K等温下进行乙苯的催化脱氢反 应，乙苯与水蒸气摩尔比=1:20，速率方程为：
rAkP AK p P SP Rkm/kogsl
计算乙苯进料量为1.7×10-3 kmol/s ,最终转化率为60%的 催化剂用量。
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
4.2 等温管式反应器的设计
讨论1. 相同进料浓度，最终转化率条件下，间歇釜的 反应时间与活塞流反应器的空时相等？
PF RQ VrocA00XAf[R dA(X X AA)]
tBRcA0
XA 0
f dXA [RA(XA)]
4.2 等温管式反应器的设计
讨论2 活塞流反应器与连续釜式反应器？
PF RQ VrocA00XAf[R dA(X X AA)]
4.2 等温管式反应器的设计
拟均相模型
多相催化反应过程中，化学反应系在固体催化剂表面上发生，流体 相与固体相之间需进行物质与能量的传递，如果两者间传质、传热 速率大，则两者的浓度及温度的差异将很小。如果忽略这些差异， 则在动力学表征上多相与均相并无两样。因此，根据这种简化假定 而建立的模型称为拟均相模型。
前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。
活塞流
全混流单釜
全混流多釜串联
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
计算比较
活塞流反应器体积：
VrpQ0CA0
xAf 0
dxA A
全混流反应器体积：
VrM
Q0CA0XAf A
多釜串联全混流反应器体积：
2. 返混：不同停留时间的流体粒子之间的混合。
3. 流动模型：反应器中流体流动与返混情况的 描述。
4.1 活塞流假定
重要的概念
全混流模型： 基本假定
Q0
Q
ci0
ci
径向混合和轴向返混都达到最大
Vr
符合此假设的反应器，物料的停
留时间参差不齐。 ❖ 特点
剧烈搅拌的连续釜式反应器 －可按全混流处理
反应物系的所有参数在径向上均一，
全混流
活塞流
4.2 等温管式反应器的设计
Fi0
Fi
dz
dV r
Fi dFi
X Af
单一反应
FA0
dXA dVr
RA(XA)
Q0cA0ddXVrA RA(XA)
VrQ0cA0
XAf dX A 0 [R A(XA)]
Q VrocA00XA
f dX A [R A(XA)]
4.2 等温管式反应器的设计
4.2 等温管式反应器的设计
平行反应
AP rP k1cA AQ rQ k2cA
对各组分作物料衡算
间歇釜
(k1k2)cAddcAt 0
kΒιβλιοθήκη BaiducA
dcP dt
0
k c2 AccQP
d k1
cQ
k2dt
0
t 1 ncA0 k1k2 cA
cAcA 0e[ (k1 k2)t]
cpkk 11 cA k02 1e[(k1k2)t] cQkk12 cA k02 1e[(k1k2)t]
管径较小，流速较大 的管式反应器－可按活 塞流处理
活塞流
反应物流处于湍流状态时， 空管的长径比大于50；填 充段长与粒径之比大于100 (气体)或200（液体），流动 视为平推流。
4.1 活塞流假定
三种反应器的比较
类 型 BR 停留时间 相同
返混 无
流动模 ----型
CSTR 不同
PFR 相同
有，且达到 无 最大
轴向上也均一，即：各处物料均一，
均为出口值。
4.1 活塞流假定
层流 湍流
活塞流
（PFR）
4.1 活塞流假定
活塞流模型
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) 轴向上无返混 所有粒子在反应器内停留时间相同。
❖ 特点： 径向上物料的所有参数都相同， 轴向上不断变化。
例 4.1
活塞流反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯 12000kg，其反应式为
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3， 并假定在反应过程中不变。反应速率方程为：
反应温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。试计算 乙酸转化35%所需的反应体积。
4.2 等温管式反应器的设计
连串反应
A k1 P k2 Q
k1cA
dcA
d
0
k1cAk2cP
dcP
d
1 ln cA0
k1 cA
cAcA0ek1
cPkk11 cAk02(ek2 ek1)
cQcA0[1k2ekk11 kk2 1ek2]
4.14 液相平行反应：
目的产物为P。 （1）写出瞬时选择性计算式。 （2）试求下列情况下的总选择性。
CSTR Q Vro
cA0XAf RA(XAf)
正常动力学
4.2 等温管式反应器的设计
讨论3.间歇釜与活塞流反应器的浓度（转化率） 变化规律？
活塞流：
定态操作的活塞流反应器，浓度随轴向距离而变，与 时间无关。
间歇釜：
间歇釜反应器，浓度随时间而变。
4.2 等温管式反应器的设计
平行反应
AP, rP k1cA （主） 活塞流
AQ, rQ k2cA （副）
(k1k2)cAddA c0
k1cA
d cP
d
0
k2cA
dcQ
d
0
1 lncA0
k1 k2 cA
c A c A 0 ex ( k 1 p k 2 )[]
cpkk11 cA k02{1exp (k1[k2)]} cQkk12 cA k02{1exp (k1[k2)]}
a. 活塞流反应器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3； b. 连续釜式反应器，浓度条件同（a）； c. 活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示。反应 物A从反应器的一端连续地加入，而B则从不同位置处分别连 续加入，使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出 口处A的浓度分别为19和1kmol/m3。
管式反应器类型
水平管式反应器
立管式反应器
盘管式反应器
U形管式反应器
多管并联结构
第四章 管式反应器
本章内容
活塞流假定 ❖ 等温管式反应器的计算 管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器 变温管式反应器的计算
4.1 活塞流假定
重要的概念
1. 停留时间： 流体粒子进出反应器的时间差。
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
计算比较
比较例3.4、例3.6和例4.1的结果：
4.2 等温管式反应器的设计
例4.5 在压力0.12MPa, 898K等温下进行乙苯的催化脱氢反 应，乙苯与水蒸气摩尔比=1:20，速率方程为：
rAkP AK p P SP Rkm/kogsl
计算乙苯进料量为1.7×10-3 kmol/s ,最终转化率为60%的 催化剂用量。
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
4.2 等温管式反应器的设计
讨论1. 相同进料浓度，最终转化率条件下，间歇釜的 反应时间与活塞流反应器的空时相等？
PF RQ VrocA00XAf[R dA(X X AA)]
tBRcA0
XA 0
f dXA [RA(XA)]
4.2 等温管式反应器的设计
讨论2 活塞流反应器与连续釜式反应器？
PF RQ VrocA00XAf[R dA(X X AA)]
4.2 等温管式反应器的设计
拟均相模型
多相催化反应过程中，化学反应系在固体催化剂表面上发生，流体 相与固体相之间需进行物质与能量的传递，如果两者间传质、传热 速率大，则两者的浓度及温度的差异将很小。如果忽略这些差异， 则在动力学表征上多相与均相并无两样。因此，根据这种简化假定 而建立的模型称为拟均相模型。
前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。
活塞流
全混流单釜
全混流多釜串联
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
计算比较
活塞流反应器体积：
VrpQ0CA0
xAf 0
dxA A
全混流反应器体积：
VrM
Q0CA0XAf A
多釜串联全混流反应器体积：
2. 返混：不同停留时间的流体粒子之间的混合。
3. 流动模型：反应器中流体流动与返混情况的 描述。
4.1 活塞流假定
重要的概念
全混流模型： 基本假定
Q0
Q
ci0
ci
径向混合和轴向返混都达到最大
Vr
符合此假设的反应器，物料的停
留时间参差不齐。 ❖ 特点
剧烈搅拌的连续釜式反应器 －可按全混流处理
反应物系的所有参数在径向上均一，
全混流
活塞流
4.2 等温管式反应器的设计
Fi0
Fi
dz
dV r
Fi dFi
X Af
单一反应
FA0
dXA dVr
RA(XA)
Q0cA0ddXVrA RA(XA)
VrQ0cA0
XAf dX A 0 [R A(XA)]
Q VrocA00XA
f dX A [R A(XA)]
4.2 等温管式反应器的设计
4.2 等温管式反应器的设计
平行反应
AP rP k1cA AQ rQ k2cA
对各组分作物料衡算
间歇釜
(k1k2)cAddcAt 0
kΒιβλιοθήκη BaiducA
dcP dt
0
k c2 AccQP
d k1
cQ
k2dt
0
t 1 ncA0 k1k2 cA
cAcA 0e[ (k1 k2)t]
cpkk 11 cA k02 1e[(k1k2)t] cQkk12 cA k02 1e[(k1k2)t]
管径较小，流速较大 的管式反应器－可按活 塞流处理
活塞流
反应物流处于湍流状态时， 空管的长径比大于50；填 充段长与粒径之比大于100 (气体)或200（液体），流动 视为平推流。
4.1 活塞流假定
三种反应器的比较
类 型 BR 停留时间 相同
返混 无
流动模 ----型
CSTR 不同
PFR 相同
有，且达到 无 最大
轴向上也均一，即：各处物料均一，
均为出口值。
4.1 活塞流假定
层流 湍流
活塞流
（PFR）
4.1 活塞流假定
活塞流模型
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) 轴向上无返混 所有粒子在反应器内停留时间相同。
❖ 特点： 径向上物料的所有参数都相同， 轴向上不断变化。
例 4.1
活塞流反应器进行乙酸与乙醇的酯化反应，每天生产乙酸乙酯 12000kg，其反应式为
原料中反应组分的质量比 A:B:S=1:2:1.35，反应液密度为1020kg/m3， 并假定在反应过程中不变。反应速率方程为：
反应温度下k1=4.76×10-4L/(mol•min)，平衡常数K=2.92。试计算 乙酸转化35%所需的反应体积。
4.2 等温管式反应器的设计
连串反应
A k1 P k2 Q
k1cA
dcA
d
0
k1cAk2cP
dcP
d
1 ln cA0
k1 cA
cAcA0ek1
cPkk11 cAk02(ek2 ek1)
cQcA0[1k2ekk11 kk2 1ek2]
4.14 液相平行反应：
目的产物为P。 （1）写出瞬时选择性计算式。 （2）试求下列情况下的总选择性。
CSTR Q Vro
cA0XAf RA(XAf)
正常动力学
4.2 等温管式反应器的设计
讨论3.间歇釜与活塞流反应器的浓度（转化率） 变化规律？
活塞流：
定态操作的活塞流反应器，浓度随轴向距离而变，与 时间无关。
间歇釜：
间歇釜反应器，浓度随时间而变。
4.2 等温管式反应器的设计
平行反应
AP, rP k1cA （主） 活塞流
AQ, rQ k2cA （副）
(k1k2)cAddA c0
k1cA
d cP
d
0
k2cA
dcQ
d
0
1 lncA0
k1 k2 cA
c A c A 0 ex ( k 1 p k 2 )[]
cpkk11 cA k02{1exp (k1[k2)]} cQkk12 cA k02{1exp (k1[k2)]}
a. 活塞流反应器CA0=CB0=10kmol/m3,CAf=CBf=1kmol/m3； b. 连续釜式反应器，浓度条件同（a）； c. 活塞流反应器，反应物A和B的加入方式如下图所示。反应 物A从反应器的一端连续地加入，而B则从不同位置处分别连 续加入，使得器内处处B的浓度均等于1kmol/m3,反应器进出 口处A的浓度分别为19和1kmol/m3。