第四章管式反应器_反应工程上课简版
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管式反应器的结构及其应运 ppt课件
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19
管式法生产高压聚乙烯
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20
管式法生产高压聚乙烯
为了降低壁量，提高传热效率，防止局部过热，实际 生产中采取以下各种措施。
（1）为适应高温高压操作，反应管的壁很厚，使传热阻 力增加。为了提高传热效率，应使物料维持很高的流速， 一般可达到每秒十几米。另一方面提高流速可使物料在管 中的流速分布趋于平坦，流型更接近与平推流。因而使径 向浓度与温度分布更趋均匀，粘壁物减少，产品质量提高。
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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。
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6
盘管式反应器
盘管式反应器
反应器预热段夹套管内通蒸汽加热进行反应，反应段和冷却 段通热水移去反应热或冷却。所以在夹套管两端开了孔，并装有 连接法兰，以便和相邻夹套管相连通。为安装方便，在整管中间 部位装有支座。
图3.7直管
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12
管式反应器的结构
二，弯管 弯管结构与直管基本相同（见图3.8）。弯头半径R≥5D
（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。
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φ 400 mm的空间，便于安装和检修。
理想管式反应器2011
二级
(rA )
kC
2 A
二级
二级自 催化反应
(rA ) kC AC B
C A0 CB0 M CB0 C A0
C A0 (rA ) kC AC P
n级
(rA )
kC
n A
设计式
VR FA0
xA k
Байду номын сангаас, FA0
v0C A0
VR V0
VR 1 ln
1
FA0
kC A0
(1 x A )
VR 1
非恒容过程：v v0 空时≠停留时间
11
12
基本方程的图解积分
1
dx xAf
A
CA0 xA0 (rA )
(rA)
CA dCA
CA0 (rA ) 1 (rA)
xAf
CA
CA0
13
等温等容理想管式反应器中简单反应 的结果
反应级数
反应速率式
零级 ( rA ) k
一级
(rA ) kC A
xA
FA0
kC
2 A0
(1 xA
)
VR
1
FA0
kC
2 A0
M
ln 1 M x A (1 M )(1 x A )
VR
1
FA0
kC A0CT 0
ln C A0 ( CT 0 C A ) C A ( CT 0 C A0 )
VR FA0
1
kC
n A0
(n
[(1 1)
xA )1 n
1]
14
4.4 变容过程
液相反应
恒容
气相反应
反应前后分子数不变
《化工反应原理与设备》课件—03管式反应器
结论：（ 图3-8）
单 1、n>0：xA相同,则VPFR<VCSTR
个
vR相同时则XＡ（PFR）＞XＡ（CSTR）
反 2、当xA低时VPFR/VCSTR→1
应
当xA高时VPFR/VCSTR ↓ 随xA↑,返混的影响↑
器
即过程要求的转化率越高，返混的影响越大
3、 xA一定时：n ↑ VPFR/VCSTR→ ↓
dxA (rA )
dc c A f
A
cA0 (rA )
等 解析法:
容
一级反应:
c
11 ln
k 1 xAf
1 ln cA0 k cAf
VR V0 c
二级反应: c
xAf
1( 1
kcA0 (1 xAf ) k cAf
1) cA0
等温管式反应器的计算
图解法：动力学方程无法用函数表达
等 温 等
c
，
程
Ft MCpdT (rA)(Hr )A,T KdA(T TS ) 0
物衡:
(rA )dVR FA0dxA
FtMCpdT FA0dxA(Hr )A,T KdA(T TS ) 0
变温管式反应器的计算
绝热操作即与外界没有热交换。则：KdA(T TS ) 0
绝
Ft MCpdT FA0dxA(Hr )A,T
解：对于二级反应
c
VR V0
x Af kcA0 (1 xAf )
0.9 3.283105 4 (1 0.9)
6.85104 s 19.04h
物料的处理量：
V0
FA0 c A0
2400 / 24 /146 4
0.171m3 / h
反应器体积： VR V0 C 0.171 19.04 3.26m3
第四章 管式反应器 化学反应工程 教学课件
❖ 特点
反响物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
管径较小，流 速较大的管式 反响器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反响器 －－可按全混 流处理
等温管式反响器的设计
Fi0
Fi
dz
dV r
Fi dFi
X Af
单一反响 进入量 = 排出量 + 反响量 + 累积量
Vrp
Q0cA0
XA2 dXA 0 [RA(XA)]
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
管式与釜式反响器反响体积的比较
1 (R A )
0X
' Af
X Am
XA
假设:
XAf > XAm ，那么 Vrp > Vrm
假设：
XAf < XAm ，那么 Vrp < X Af Vrm 此时，可以：
釜式与管式的串联
理想流动模型
1.根本概念
流动模型：是反响器中流体流动与返混 情况的描述，这一状况对反响结果有非 常重要的影响。
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，也称为逆向混合。
理想流动模型
1.根本概念
活塞流模型〔平推流〕：
根本假定：
(1) 径向流速分布均匀，所有粒子以相 层流 同的速度从进口向出口运动。
乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳：
C3H CH O C4H CO
的乙醛蒸汽在MPa于管式反响器〔PFR)内分解， 反响对乙醛为二级不可逆反响，3/kmol s，计 算： ⑴ 35％乙醛分解所需的反响体积； ⑵ 90％乙醛分解所需的反响体积； ⑶ 假设为CSTR，那么⑴、 ⑵结果如何？
反响物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
管径较小，流 速较大的管式 反响器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反响器 －－可按全混 流处理
等温管式反响器的设计
Fi0
Fi
dz
dV r
Fi dFi
X Af
单一反响 进入量 = 排出量 + 反响量 + 累积量
Vrp
Q0cA0
XA2 dXA 0 [RA(XA)]
对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。
管式与釜式反响器反响体积的比较
1 (R A )
0X
' Af
X Am
XA
假设:
XAf > XAm ，那么 Vrp > Vrm
假设：
XAf < XAm ，那么 Vrp < X Af Vrm 此时，可以：
釜式与管式的串联
理想流动模型
1.根本概念
流动模型：是反响器中流体流动与返混 情况的描述，这一状况对反响结果有非 常重要的影响。
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，也称为逆向混合。
理想流动模型
1.根本概念
活塞流模型〔平推流〕：
根本假定：
(1) 径向流速分布均匀，所有粒子以相 层流 同的速度从进口向出口运动。
乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳：
C3H CH O C4H CO
的乙醛蒸汽在MPa于管式反响器〔PFR)内分解， 反响对乙醛为二级不可逆反响，3/kmol s，计 算： ⑴ 35％乙醛分解所需的反响体积； ⑵ 90％乙醛分解所需的反响体积； ⑶ 假设为CSTR，那么⑴、 ⑵结果如何？
管式反应器课程设计
管式反应器课程设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN化学化工学院化工专业课程设计设计题目：管式反应器设计化工系化工专业课程设计——设计文档质量评分表（100分）评委签名: 日期：目录绪论 ...................................................................................................................错误!未定义书签。
1设计内容与方法介绍.....................................................................................错误!未定义书签。
反应器设计概述 ......................................................................................错误!未定义书签。
设计内容 ..................................................................................................错误!未定义书签。
生产方法介绍 ..........................................................................................错误!未定义书签。
反应器类型特点 ......................................................................................错误!未定义书签。
反应器选择及操作条件说明...................................................................错误!未定义书签。
李绍芬版本 反应工程 课后习题全解 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：0.51.5,/.=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：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/--⨯⨯===⨯⨯⨯====⨯T T T T p C kmol mRT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.500 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51---==--=⨯=⨯=⨯--⎰⎰⎰TT X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX mX 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=⨯m4.2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：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X lkC 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。
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
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
化学反应工程 第四章 非理想流动
今用分散模型关联，求
数。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
解：
换算为无量纲时标，
则得下表数据。
将实验数据标绘成曲线，然后读取
等间隔时的诸E值
见下表。
化学反应工程
4.2.1 常见的几反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
③化学反应的计算 定态情况下平推流管式反应器的物料衡算式为：
流， ；对一般实际流况， 。
；对平推
所以，用
来评价分布的分散程度比较方便。
化学反应工程
4.1.4 用对比时间θ表示的概率函数
例4-1 今有某一均相反应器中测定的下列一组数据（见 ，示踪加入 下表第一栏和第二栏），实验采用
量Q=4.95g，实验完毕时测得反应器内存料量V=1785mL，求 解：
（详见教材P92）
对定态系统的非理想流动，同样可作微元段的物料衡算而得：
若用无量纲参数表示并注意到：
这样式（4-32）便变为：
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
对一级反应可得解析解：
对于二级反应，用数值法求得的结果，表示在图（4-17）
和图（4-18）中。
化学反应工程
4.2.1 常见的几种流动模型
（４）组合模型
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
在一个稳定的连续流动系统中，当在某一瞬间同时进 入系统的一定量流体，其中各流体粒子将经历不同的停留 时间后依次自系统中流出。如果把函数 用曲线表示，
则图4-2（a）中所示阴影部分的面积值也就是停留时间介 于t和t＋dt之间的流体分率。
化学反应工程
4.1.1 非理想流动与停留时间分布
化学反应工程
反应工程第四章
思考题：
1. 比较恒容条件下进行某一反应，要达到同一转化率，在间歇 釜中经历的时间长，还是平推流？ 2.比较恒容条件下进行某一反应，要在相同的反应时间达到同 一转化率，所需的平推流反应器体积大，还是间歇釜？ （反应器的处理能力）
恒容条件下，
∫ t = − CA dCA (间歇釜) CA0 (−rA )
[2ε A
(1+
εA
) ln(1 −
xA
)
+
ε
2 A
xA
+
(1 +
ε A )2
xA 1− xA
37
(− rA )
=
k P PAn
=
kP
[
y A0 (1 1 +ε
− xA AxA
)
P ]n
反应级数
一级反应 A mp
二级反应 2A mp
二级反应 A＋B mp
反应速率式
(−rA ) = kp PA
(−rA) = kpPA2
二级
二级自 化反应
( − r A ) = kC C A B
C A0 ≠ C B0 M = C B0 − C A0
C A0 ( − r A ) = kC C A P
n级
(− rA )
=
kC
n A
设计式
VR F A0
=
xA k
, F A0
= v0C A0
τ = VR V0
V R = 1 ln
1
F A0
kC A 0
反应均为一级，已知 k1 = 0.30 min−1, k2 = 0.10 min−1 。A的最大进料量
为3 m3 / h ,且不含P与S。试计算P的最大收率和总选择性以及达到最
工业化学反应过程.ppt
第四章 工业化学反应过程 及反应器
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
第四章 工业化学反应过程及反应器
三传一反
第一节 概述
第二节 理想反应器及其计算
本章主要内容：
1. 简要介绍化学反应工程学研究的内容和方法、反应器的 分类、理想流动模型和理想反应器的概念；
2. 重点介绍几种理想均相反应器的特性和基础设计方 程，以及反应时间、反应器体积和转化率的计算；
分类特征 反应特征
反应 过 程 简单的，复杂的（平行的、连串的等）
热力学特征 相态 时间特征 控制步骤
可逆的，不可逆的
均相的（气、液），非均相的（气－液、气－固、 液－液、液－固、气－液－固）
定态，非定态
化学反应控制，外部扩散控制，内部扩散控制， 吸附或脱附控制
化学反应器的分类：
均相反应器 （1）按反应物料的相态分类：
2. 反应级数 和 的值由实验确定，它与反应机理无
直接关系，也不等于各组分的计量系数。只有当化 学计量方程与实际反应的机理式一致时，反应级数 才会与计量系数相等， 这一类反应称为基元反应。
3. k 为反应速率常数，它与温度T 之间遵循阿累尼乌
斯方程： k Ae E / RT
转化率：它表明反应的深度，即反应物料转化的百分率。
② 串联的各反应器内，物料的组成和温度均匀一致， 但各级反应器之间是突变的。
③ 随着串联反应器数目的增多，其性能愈接近活塞 流反应器。
四、物料在反应器内的流动模型（理想流动模型） 1. 理想置换
基本特征： ① 在垂直于反应物料总的流动方向截面上，所有的 物性都是均匀的。（温度、浓度、压力、速度） ② 流体所有粒子在反应器中的停留时间都相同，即 等于流体流过该反应器所需的时间。
催应化条剂件反
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.
化学反应工程 第四章
V V 'RA V 'RB
在t时对出口处的示踪物B作物料衡算：
所以，
VC V 'RA 0 V 'RB C0
C V 'RB C0 V
＝停留时间≤t的示踪物溶液体积所占分率最后得：F(t)(
C C0
)
s
3.脉冲法
1）实验步骤
（1）物料保持稳定流动
（2）在一瞬间注入示踪剂B，总量是M，在体积流量V中的
t tm＝t
则
2 t
t2E(t)dt
2
t
0
0
对离散型测定值，
t2E(t)
2 t
0
tm2
E(t)
0
三、对比时间 为了方便起见，常用对比时间作为变量。 对比时间的定义
t
tm
1.平均对比停留时间
tm 1
tm
2. E( )
3. F ( )
E( )
dF ( ) d
dF ( )
d( t )
浓度为Co 。数学描述为 0 t 0
C C0 0 t t0
0 t t0
c(∞)
C0
C(t)
t0
V ( M )Ccp(t)
0
0
t=0
t
（３）以t＝0为计时基准，检测出口处的B浓度C。
响应t 曲线 t
（４）标绘
V
( M
)C p
~
t
曲线
２）( V
M
)Cp
?
在出口处作示踪物B的物料衡算：
V C dt Mt
在实际 反应器中，物料可能是由固体颗粒、液滴、气泡或者 分子团块等聚集体组成的，称之为微团。微团之间的混合程度 有三种情况，
在t时对出口处的示踪物B作物料衡算：
所以，
VC V 'RA 0 V 'RB C0
C V 'RB C0 V
＝停留时间≤t的示踪物溶液体积所占分率最后得：F(t)(
C C0
)
s
3.脉冲法
1）实验步骤
（1）物料保持稳定流动
（2）在一瞬间注入示踪剂B，总量是M，在体积流量V中的
t tm＝t
则
2 t
t2E(t)dt
2
t
0
0
对离散型测定值，
t2E(t)
2 t
0
tm2
E(t)
0
三、对比时间 为了方便起见，常用对比时间作为变量。 对比时间的定义
t
tm
1.平均对比停留时间
tm 1
tm
2. E( )
3. F ( )
E( )
dF ( ) d
dF ( )
d( t )
浓度为Co 。数学描述为 0 t 0
C C0 0 t t0
0 t t0
c(∞)
C0
C(t)
t0
V ( M )Ccp(t)
0
0
t=0
t
（３）以t＝0为计时基准，检测出口处的B浓度C。
响应t 曲线 t
（４）标绘
V
( M
)C p
~
t
曲线
２）( V
M
)Cp
?
在出口处作示踪物B的物料衡算：
V C dt Mt
在实际 反应器中，物料可能是由固体颗粒、液滴、气泡或者 分子团块等聚集体组成的，称之为微团。微团之间的混合程度 有三种情况，
天津大学 反应工程复试 4 管式反应器PPT教学课件
系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键 组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。
等温管式反应器的设计
复合反应
(k1k2)cAddA c0
c A c A 0 ex (k 1 p k 2 [ )]
k1cAddcP 0 cpk k 1 1 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
轴向上不断变化。
活塞流
理想流动模型
1.基本概念
全混流模型：
基本假定：
径向混合和轴向返混都达到最大
符合此假设的反应器，物料的停 留时间参差不齐
❖ 特点
反应物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
管径较小，流 速较大的管式 反应器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反应器 －－可按全混 流处理
Q0cA0d dX rV AR A(XA) 7
等温管式反应器的设计
复合反应 对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组
d driV FR i jM 1ijrj i1,2,..k.,
该方程组初值为： V r 0,F i F i0,i 1 ,2 ,...,k 解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组 分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。
k2cAddcQ 0 cQk k 12 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
t 0 时 c A c ， A 0 ,c P 0 ,c Q 0
等温管式反应器的设计
复合反应
A k1 P k2 Q
对A的物料衡算：
k1cA
dcA
d
0
cAcA0ek1
对P的物料衡算：(k1cAk2cP)ddP c0
釜式与管式的串联
等温管式反应器的设计
复合反应
(k1k2)cAddA c0
c A c A 0 ex (k 1 p k 2 [ )]
k1cAddcP 0 cpk k 1 1 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
轴向上不断变化。
活塞流
理想流动模型
1.基本概念
全混流模型：
基本假定：
径向混合和轴向返混都达到最大
符合此假设的反应器，物料的停 留时间参差不齐
❖ 特点
反应物系的所有参数在径向上均 一，轴向上也均一，即：各处物 料均一，均为出口值
管径较小，流 速较大的管式 反应器－－可 按活塞流处理
剧烈搅拌的连 续釜式反应器 －－可按全混 流处理
Q0cA0d dX rV AR A(XA) 7
等温管式反应器的设计
复合反应 对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组
d driV FR i jM 1ijrj i1,2,..k.,
该方程组初值为： V r 0,F i F i0,i 1 ,2 ,...,k 解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组 分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。
k2cAddcQ 0 cQk k 12 cA k 0 2{ 1ex (p k1 [k2)]}
t 0 时 c A c ， A 0 ,c P 0 ,c Q 0
等温管式反应器的设计
复合反应
A k1 P k2 Q
对A的物料衡算：
k1cA
dcA
d
0
cAcA0ek1
对P的物料衡算：(k1cAk2cP)ddP c0
釜式与管式的串联
最新化学反应工程许志美课后习精品ppt课件
xA
பைடு நூலகம்
1
(
k1
)
k1 k2 k1
k2
0.744
第4章 理想管式反应器
4-4 丙烷热裂化为乙烯的反应 C 3H 8 C 2H 4C H 4，反应在
772oC等温条件下进行，其反应动力学方程式为 (rA)kcA
式中k=0.4h-1，若采用理想管式反应器，p=0.1MPa,进料流
量 0 800L/h，当转化率 x A =0.5时，求所需反应器的体积
试求反应器体积是多少？
考虑1kmol气体进入反应器，并设在反应器某一位置生成的NO2为x kmol，得：
组分 NO NO2 O2 N2 total
进口处 kmol 0.09 0.01 0.08 0.82 1.00
某一位置 kmol 0.09-x 0.01+x 0.08-0.5x 0.82 1.00-0.5x
k2 =1.25104 s 1
3-23* 在等温间歇釜式反应器中进行下列液相反应：
AB P rp2cAkm ol/(m 3h) 2A R rR0.5c2Akm ol/(m 3h)
A和B的初浓度均为2kmol/m^3,P为目的产物，试计算反应 为2h的A的转化率和产物P的收率。
(rA)1 rp 2cA (rA)2 2rR c2A
rAkcAcBkcA0(1xA)(cB0cA0xA)kcA20(1xA)(ccBA00 xA)kcA20(1xA)(xA)
(令cB0 )
cA0
当1时tcA0
xA 0
dx kcA20(1xA)2
1 kcA0
xA (1xA)
txA0.5 5.31h, txA0.9 47.7h，txA0.99 524.4h
管式反应器反应工程上课简版
4.2 等温管式反应器旳设计
例4.5 在压力0.12MPa, 898K等温下进行乙苯旳催化脱氢反 应，乙苯与水蒸气摩尔比=1:20，速率方程为：
rA
kPA PS
Kp
PR
kmol
/
kg
s
计算乙苯进料量为1.7×10-3 kmol/s ,最终转化率为60%旳 催化剂用量。
4.3 管式与釜式反应器反应体积旳比较
4.4 循环反应器
Vr
(1 )Q0cA0
X Af
X Af 1
dX A (A )
0, XA0 0
, X A0 X Af
当ψ≥25时，即可以为反应器到达了
全混状态。
4.5 变温管式反应器
活塞流反应器旳热量衡算
活塞流反应器旳热量衡算示意图 控制体：反应体积为dVr旳微元段，微元段长度为dZ，
转化率旳变化为dxA、温度变化为dT。
管式反应器旳热量衡算
------管式反应器轴向温度分布方程
Gc pt
dT dZ
GwA0 (H r )Tr MA
dX A dZ
U 4
dt
(TC
T)
------管式反应器中反应温度与转化率旳关系
绝热管式反应器
dT
wA0 (H r )Tr M Ac pt
dX A
2. 返混：不同停留时间旳流体粒子之间旳混合。
3. 流动模型：反应器中流体流动与返混情况旳 描述。
4.1 活塞流假定
主要旳概念
全混流模型： 基本假定
Q0
Q
ci 0
ci
径向混合和轴向返混都到达最大
Vr
符合此假设旳反应器，物料旳停
留时间参差不齐。 ❖ 特点
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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。
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。
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
k1cA
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]
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
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，
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：
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)]
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
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)]}
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
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。
4.2 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。
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
连串反应
A k1 P k2 Q
k1cA
dcA
d
0
பைடு நூலகம்
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。
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。