管式反应器

管式反应器
除了上一章的两类理想反应器，管式反应器也是一类理想反应器模型（活塞流模型）。

与间歇釜式反应器不同，全混流和活塞流模型用于流动过程。

根据上一章所学的知识，物料在反应器中的停留时间是决定化学反应转化程度和产物分布的一个重要因素。

全混流和活塞流模型均是根据特定的停留时间分布规律建立起来的（这部分内容将在下一章中详细阐述），是两种极端的情况，是分析许多问题的出发点，也是各种实际反应器设计的理论基础。

本章将涉及到如下的具体内容：
活塞流模型的基本假定
等温管式反应器设计与分析
管式反应器与釜式反应器的性能比较
循环管式反应器的分析计算
管式反应器的变温操作
第一节活塞流假定
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
例1. （1）空管中, 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
第二节等温管式反应器的设计
一、单一反应
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）
图 4.2 管式反应器示意图
在定态条件下，
由此得到
或
∴（4-4）
∴（4-5）假设 =常数（=X Af下的值），则
--釜式反应器的设计方程
式（4-5）可以进一步变成：
（间歇釜式的设计的方程为）
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dV r=Ad Z，那么
对于恒容过程 C A=C AO（1-X A）则
时间变量转化为位置变量。

例4.1 例4.2 例4.3例4.4例4.5
第三节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
（本章前面和上一章的例题给出的结果）
一般来说，比较按正常动力学和反常动力学两种情况讨论：
图 4.3 连续反应器反应体积的比较
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：
S--瞬时选择性
S O--总选择性
--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之分，相应的结果完全不同。

"小结"
釜式反应器 S O=S
（矩形面积）
间歇釜式
S～X A（选择性随转化率变化）
管式反应器（同间歇反应器）
S～X A（C A，C B，…），T有关
∴ 为了改善选择性S，有选择CA，CB的问题（即选择加料方式）。

例4.6
第四节循环反应器
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
那么
那
∴
时， X Ai=0 活塞流
时，X Ai→X Af全混流
实际上，当时，即可认为反应器达到了全混状态。

第五节变温管式反应器(1)
工业上反应器：
难于作到等温操作
对于可逆的热反应，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）
∴工业化反应器很少等温下操作
一、管式反应器的热量衡算
对于等压过程，
T r-基准温度（与间歇釜式反应器的计算方法相同）
T C-换热介质的温度
类似于间歇釜式反应器与热量衡算式（3-81）
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）
微元体（管式反应器）
∵ w AO－初始质量分率（G为质量流速，kg/s）
∴物料衡算式为（4-4）
（4-28）二、绝热管式反应器
如与外界无热交换（绝热过程），式（4,28）变成
如果不考虑C pt随组成和温度变化，则
T－T o=λ（X A-X AO）
（4-30）
与式（3-89）和式（3-84）完全一样，但式（3-84）用于间歇釜式反应器；而式（3-89）用于连续釜式反应器。

注意：尽管形式上完全一样，但实质上有很大区别。

转化率与温度的关
系可以用图4-7表示。

图 4.7 绝热反应过程转化率与温度的关系
第五节变温管式反应器(2)
区别在于：
∙管式反应器--不同位置上的T～XA关系；
∙间歇釜式反应器--不同时间下的T～XA关系；
∙连接釜式反应器--在等温下操作，在出口处的XA一定、温度T也一定。

一般来说，绝热操作为管式反应器，选择较高的进料温度。

对于吸热反应，这一点很明显，但对于可逆放热反应，要具体分析。

图4.8可逆放热反应的转化率与温度的关系
设三个进料温度T A，T B，T C，其中TB较好（对于X Af而言）。

X Af↑，T o↓（从图中可以看到）。

例4-7
注意：
前lm反应段，转化率高达42.5%；而后1m反应段，转化率仅为4.4%（相差10倍）。

原因：在后1m反应段① 反应物的浓度大大下降；
② 温度大大下降。

上述现象是综合作用的结果。

三、非绝热变温管式反应器
绝热反应器的不足之处在于：反应器的进出口温差太大。

∙如果为可逆放热反应，T↑，平衡转化率↓
∙产物分布的控制也不容易作到
∙对于可逆吸热反应，T↓速率变慢
很多工业反应器要进行温度控制，与环境有热交换。

控制反应器在一定的温度下操作（优化和安全操作）。

换热介质的选定：根据所控制的温度范围确定，原则应保持温差不宜过大，以免传热速
率太快，操作不稳定。

例如：
高温--烟道气、熔盐、高压蒸气等；
低温--水、空气等。

也可以适当安排利用产物的余热来加热原料。

例4-8
第四章管式反应器
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。