第六章管式反应器ppt课件
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第六章 管式反应器
6.1物料在反应器中的流动 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 可常压操作也可加压操作，常用于对温度不敏 感的快速反应。常见型式有水平、立式、盘管、 U型管等
6.2.2 管径与管长的确定
在反应体积VR确定后，便可进行管径和管长的设 计，由VR=πd2L/4可知，d、L 可有多解，但应使 Re>104，满足湍流操作。通常有以下几种算法
(1)先规定流体的Re(>104)，据此确定管径d，再计
算管长L
由 Re
=
du
其中
u=
4FV 0
d 2
所以 d=4FVR0e;L=4V dR2
所以rA= kCA0n(1-xA)n，代入反应体积的积分式得
∫ V RF V 0 C A 00 xAd rA Ax k(F n V -0 1 ()1 C -(A n 1 0 1 -(1 xA -)x n A -1 ))n -1
当n=1时，积分结果为
∫ V RF V0C A 00 xAd rA AxF k V0ln 1 1xA
解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3
密度ρ=(FVAρA+FVB ρB)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3
反应器任意位置，CA=CA0(1Hale Waihona Puke BaiduxA)
CB=CB0-2CA0xA，所以
rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA)
VR
FV0CA0
xA 0
dxA rA
2
图6-1水平管式反应器
3
图6-2几种立式管式反应器
4
图6-3盘管式反应器 图6-4U形管式反应器图
5
管式反应器的加热或冷却方式
• ①套管或夹套传热 • ②套筒传热 • ③短路电流加热 • ④烟道气加热
6-5圆筒式管式炉
6
6.2 等温管式反应器的计算
6.2.1 反应体积
在管式反应器内，反应组份浓度、转化率随物料 流动的轴向而变化，故可取微元体积dVR对关键组 份A作物料衡算
d/m 0.012 0.017 0.023
L/m Re×10-4 1184.8 10.4 590.4 7.4 322.5 5.4
可见，三种管材均可满足Re>104的要求，但采用 Φ24×6管长太长，而采用Φ43×10管材时，Re值 偏小，所以采用Φ35×9管材.
6.2.3 等温变容管式反应器
问题的提出
• 对于连续操作的反应系统，定义反应体积VR与物
料体积流量FV之比接触时间，亦称为停留时间，
用τ表示：
= VR FV
反应体积 = 反应器中物料的体量 积流
• 在操作条件下，进入反应器的物料通过反应体积
所需的时间，称为空时，用τ表示 :
=
VR FV0
反应体积 = 进料的体积流量
• 空时的倒数为空速，其意义是单位反应体积单位
F V0 0xAk(1xA)C d (BA 0x -2CA0xA)
F V0 ln 1-xA
k(2C A 0-C B0) 1-2C A 0xA/C B0
代入已知数据得VR=0.134m3 分别计算三种管材的管长、Re值列入表中
管材 Φ24×6 Φ35×9 Φ43×10
VR/m3 0.134
其中FV0、CA0为已知的常量，rA为反应速率，等 温时可表达为转化率xA的函数，分离变量后积分
VRF V0CA00xAdrAAxFAo0xAdrAAx
设在理想置换管式反应器中进行等温恒容n级不可 逆反应，rA=kCAn。设A的浓度为CA时，A的摩尔 流量为nA，则结合转化率的定义，有 CA=nA/FV0=(nA0(1-xA))/FV0=CA0(1-xA)
时间内所处理的物料量，因次为[时间]-1，用SV表
示
SV
=FV0 VR
=1=CF A0AV 0R
12
对于恒容过程
= VR FV
或
= VR
FV 0
(恒容) ，也就是
CA0
xA 0
dxA rA
比较第三章间歇釜式反应器的反应时间
t
CA0
xA 0
dxA rA
二者右边形式完全一样，是否就可以得出t=τ的结论呢？
A=dL
d 2L
VR = 4 所以
d=4VR A
A
;L=d
例6.1 化学反应A+2B→C+D在管式反应器中实 现 ， rA=1.98×10-2CACBkmol/(m3·min) 。 已 知 A、B的进料流量分别为0.08m3/h和0.48m3/h； 混 合 后A 、 B 的初 浓 度 分 别 为 1.2kmol/m3 和 15.5kmol/m3 ； 密 度 分 别 为 1350.0kg/m3 和 881.0kg/m3；混合物粘度为1.5×10-2Pa·s。要 求使A的转化率达到0.98，求反应体积，并从 Φ24×6,Φ35×9, Φ43×10三种管材中选择一种。
对于液相反应，认为反应物在反应前后的体积 不变，即恒容反应，是符合绝大多数实际情况 的近似。但对于管式反应器中进行的气相反应， 这种近似与实际情况的出入往往很大，其原因 是管式反应器在恒压下操作，由化学反应而导 致反应体系摩尔数的变化必然引起反应体积的 变化，故这种情况不能作为恒容处理.
例如下列气相反应，设停留时间为τ，反应物A的 转化率为xA，于是
(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=(4VLR)12
(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
L=4V dR 2或 L=u=4F d V2 0
(4)对于传热型的管式反应器，可根据热量衡 算得出的传热面积A，确定管径d和管长L， 再检验Re是否>104
输入量：
FA0
FAFA0(1xA)
FA
输出量：
F A dA F F A 0(1 -(xA dA )x)
反应量：
rAdVR
于是
F A 0 ( 1 -x A ) F A 0 ( 1 -(x A d A )x ) r A dRV
化简之
FA0dA xrAdV R
又
FA0FV0CA0
6.1物料在反应器中的流动 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 可常压操作也可加压操作，常用于对温度不敏 感的快速反应。常见型式有水平、立式、盘管、 U型管等
6.2.2 管径与管长的确定
在反应体积VR确定后，便可进行管径和管长的设 计，由VR=πd2L/4可知，d、L 可有多解，但应使 Re>104，满足湍流操作。通常有以下几种算法
(1)先规定流体的Re(>104)，据此确定管径d，再计
算管长L
由 Re
=
du
其中
u=
4FV 0
d 2
所以 d=4FVR0e;L=4V dR2
所以rA= kCA0n(1-xA)n，代入反应体积的积分式得
∫ V RF V 0 C A 00 xAd rA Ax k(F n V -0 1 ()1 C -(A n 1 0 1 -(1 xA -)x n A -1 ))n -1
当n=1时，积分结果为
∫ V RF V0C A 00 xAd rA AxF k V0ln 1 1xA
解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3
密度ρ=(FVAρA+FVB ρB)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3
反应器任意位置，CA=CA0(1Hale Waihona Puke BaiduxA)
CB=CB0-2CA0xA，所以
rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA)
VR
FV0CA0
xA 0
dxA rA
2
图6-1水平管式反应器
3
图6-2几种立式管式反应器
4
图6-3盘管式反应器 图6-4U形管式反应器图
5
管式反应器的加热或冷却方式
• ①套管或夹套传热 • ②套筒传热 • ③短路电流加热 • ④烟道气加热
6-5圆筒式管式炉
6
6.2 等温管式反应器的计算
6.2.1 反应体积
在管式反应器内，反应组份浓度、转化率随物料 流动的轴向而变化，故可取微元体积dVR对关键组 份A作物料衡算
d/m 0.012 0.017 0.023
L/m Re×10-4 1184.8 10.4 590.4 7.4 322.5 5.4
可见，三种管材均可满足Re>104的要求，但采用 Φ24×6管长太长，而采用Φ43×10管材时，Re值 偏小，所以采用Φ35×9管材.
6.2.3 等温变容管式反应器
问题的提出
• 对于连续操作的反应系统，定义反应体积VR与物
料体积流量FV之比接触时间，亦称为停留时间，
用τ表示：
= VR FV
反应体积 = 反应器中物料的体量 积流
• 在操作条件下，进入反应器的物料通过反应体积
所需的时间，称为空时，用τ表示 :
=
VR FV0
反应体积 = 进料的体积流量
• 空时的倒数为空速，其意义是单位反应体积单位
F V0 0xAk(1xA)C d (BA 0x -2CA0xA)
F V0 ln 1-xA
k(2C A 0-C B0) 1-2C A 0xA/C B0
代入已知数据得VR=0.134m3 分别计算三种管材的管长、Re值列入表中
管材 Φ24×6 Φ35×9 Φ43×10
VR/m3 0.134
其中FV0、CA0为已知的常量，rA为反应速率，等 温时可表达为转化率xA的函数，分离变量后积分
VRF V0CA00xAdrAAxFAo0xAdrAAx
设在理想置换管式反应器中进行等温恒容n级不可 逆反应，rA=kCAn。设A的浓度为CA时，A的摩尔 流量为nA，则结合转化率的定义，有 CA=nA/FV0=(nA0(1-xA))/FV0=CA0(1-xA)
时间内所处理的物料量，因次为[时间]-1，用SV表
示
SV
=FV0 VR
=1=CF A0AV 0R
12
对于恒容过程
= VR FV
或
= VR
FV 0
(恒容) ，也就是
CA0
xA 0
dxA rA
比较第三章间歇釜式反应器的反应时间
t
CA0
xA 0
dxA rA
二者右边形式完全一样，是否就可以得出t=τ的结论呢？
A=dL
d 2L
VR = 4 所以
d=4VR A
A
;L=d
例6.1 化学反应A+2B→C+D在管式反应器中实 现 ， rA=1.98×10-2CACBkmol/(m3·min) 。 已 知 A、B的进料流量分别为0.08m3/h和0.48m3/h； 混 合 后A 、 B 的初 浓 度 分 别 为 1.2kmol/m3 和 15.5kmol/m3 ； 密 度 分 别 为 1350.0kg/m3 和 881.0kg/m3；混合物粘度为1.5×10-2Pa·s。要 求使A的转化率达到0.98，求反应体积，并从 Φ24×6,Φ35×9, Φ43×10三种管材中选择一种。
对于液相反应，认为反应物在反应前后的体积 不变，即恒容反应，是符合绝大多数实际情况 的近似。但对于管式反应器中进行的气相反应， 这种近似与实际情况的出入往往很大，其原因 是管式反应器在恒压下操作，由化学反应而导 致反应体系摩尔数的变化必然引起反应体积的 变化，故这种情况不能作为恒容处理.
例如下列气相反应，设停留时间为τ，反应物A的 转化率为xA，于是
(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=(4VLR)12
(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
L=4V dR 2或 L=u=4F d V2 0
(4)对于传热型的管式反应器，可根据热量衡 算得出的传热面积A，确定管径d和管长L， 再检验Re是否>104
输入量：
FA0
FAFA0(1xA)
FA
输出量：
F A dA F F A 0(1 -(xA dA )x)
反应量：
rAdVR
于是
F A 0 ( 1 -x A ) F A 0 ( 1 -(x A d A )x ) r A dRV
化简之
FA0dA xrAdV R
又
FA0FV0CA0