管式反应器的放大注意事项

1、物料衡算式
qn, A (qn, A dqn, A ) rA dVR
qn, A (qn, A dqn, A ) rA dVR
qn, A qn, A,0 (1 xA )
上式进行积分得
x A dx VR A x A, 0 r qn , A , 0 A
dxA rA VR d( ) qn , A, 0
由
qn, A,0 qV ,0cA,0 得
x A dx VR A c A, 0 x A, 0 r qV , 0 A
2、热量衡算式 对于绝热非等温系统，应考虑温度改变对反应速率所 产生的影响。通过热量衡算可以求出如下反应物料的转化 率变化与温度变化的关系：
管式反应器的放大注意事项
1
管式反应器的概念
2
管式反应器的分类
3
管式反应器传热方式
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4
管式反应器的特点
5
管式反应器的数学模型
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管式反应器放大应注意的问题
一、管式反应器的概念
管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续 操作反应器。
这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器 管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可 以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也 可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进 行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常， 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），物料的流动可近似地视为平推流。
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2.3多管并联管式反应器
2.4盘管式反应器 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。
2.5U形管式反应器
U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强 化传热与传质过程。U形管的直径大，物料停留时间长，可 应用于反应速率较慢的反应。
三、管式反应器传热方式
3.1套管传热：
套管一般由钢板焊接而成，它是套在反应器筒体外面能够 形成密封空间的容器，套管内通入载热体进行传热。
3.2套筒传热：
把一系列管束构成的管式反应器放置于套筒内进行传热。
3.3短路电流加热： 将低压的交流电直接通到管壁上，利用短路电流产生的 热量进行高温加热。 3.4烟道气加热：
当反应的温度要求较高时，一般利用煤气，天然气，石油 加工废气或燃料油等燃烧时产生的高温烟道气作为热源通 过辐射传热直接加热管式反应器，可达到生产过程需要的 数百度高温。
dp u 2 du 2 f u dZ d dZ
在空管内物料呈层流运动时：
16 f Re
在空管内物料呈湍流运动时： f 0.046Re 0.2 式中，f是摩擦因子，Re是雷诺数
综上所述，管式反应器的计算，如：

（1）为恒温系统而反应系统压强变化很小时，只用物料 衡算式计算即可； （2）为变温系统，则用物料衡算式和热量衡算式联立求 解； （3）反应管很长，阻力损失较大，以致产生不可忽略的 压强变化，则应将物料衡算式、热量衡算式和动量衡算 式联立求解。
T T0
y A,0 (H r ) C p ,m
(T ) ad
( x A x A, 0 )
y A,0 (H r ) C p ,m
T T0 (T )ad ( xA xA,0 )
3、动量衡算式 如果物料在管内流动产生较大的压力降时，则应考虑压 强的变化对于化学反应速率的影响。 对于空管，如果位差的影响可以忽略，则用范宁公式计算：
R
V ,0

4. 对于气相反应，当反应管的管长远大于管径，而产生 的压强变化又影响到反应器的总压强时。除了保证放大 前后两反应系统具有相同的平均停留时间和相同的停留 时间分布函数外，还必须保证压强的变化值相同。要满 足这一要求，则不一定能满足大小两反应系统的几何相 似条件，此时可以暂时不考虑几何相似。
五、管式反应器放大应注意的问题

1、为了保持反应器内物料的流动状况在放大后与放大前 相同，无论是作层流还是作湍流流动，都应保持两系统 物料流动的雷诺数相等；
注：雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数， 雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大意味着惯性力 影响越显著。

2、在保持大小两反应系统几何相似的前提下，应使两反 应系统内物料流动的停留时间分布函数相同； 3. 反应器内物料流动所产生的压强变化与总压相比，如 能忽略不计，则放大后的平均停留时间可用 t V / q 计算；
二、管式反应器的分类
2.1水平管式反应器
如右图所示为一种进行气相
或均液相反应常用的水平管 式反应器，它由无缝管与U
形管连接而成。这种结构易
于加工制造和检修。
2.2立管式反应器 主要用于液相氨化反应，液相加氢反应，液相氧化反应等 工艺中，它包括单程式立管反应器，和带中心插入管的立 式反应器，有时也将一束立管安装在一个加热套筒内以节 省地面。


进行一个特定的化学反应 , 采用数学模拟法完成反应器的放 大设计后, 还需结合反应特点通过对反应器的性能进行比较而选 择适宜的反应器型式和操作方式 。比较的依据为 : 第一, 生产能 力 , 即单位时间单位体积反应器所能得到的产物量 , 也就是在得 到同等产物量时所需反应器体积大小的比较 。第二, 反应的选择 性 , 即主副反应产物的比例 。副产物的多少影响着原料的消耗量、 分离流程的选择及分离设备的大小 , 因此应选择能提高主反应产 物的操作方式。反应的选择性往往是复杂反应的主要矛盾 , 采用 数学模拟法可使这一反复过程变得相对简单些 。 必须指出 , 采用数学模拟法并不是说可以完全脱离实验数据, 相反 , 它需要更为精确的实验数据验证模拟计算过程和结果正确 性, 只是需要的实验量较小 , 可大大节省人力物力财力。
此外，管式反应器可实现分段温度控制。其主要缺点是，反 应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。

四、管式反应器的数学模型
管式反应器设计的基本内容是:选择合适的反应器型式 ; 确定最佳的工艺条件;计算需要的反应器体积 。设计计算中 所应用的基本方程式是物料衡算式 、热量衡算式。反应过 程如有较大的压力降并影响反应速度时 , 还要加上动量衡算 式 。管式反应器的设计计算也就是上述方程组的求解 。
四、管式反应器的特点
（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）管式反应器具有容积小、比表面大、单位容积的传热 面积大，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 以它的生产能力高。 （4）管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。 （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与理想流体。 （6）管式反应器既适用于液相反应，又适用于气相反应。 用于加压反应尤为合适。