4管式反应器

特点：径向上物料的所有参数都相同，
轴向上不断变化。
活塞流
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二、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
设的反应器中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，整个反应
深入理解： 1、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： 1、拟均相的含义和模型假定。
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4.1 理想流动模型
流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的描述，这一 状况对反应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。 理想流体分类：流体径向速度分布和轴向返混情况

r
该方程组初值为：
Vr 0
Fi Fi 0
Hale Waihona Puke Baidu
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。然后将 Fi和 r j 变为反应变量的函数，即可求解方程组。解时一般用数 值法。
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《反应工程》 管式反应器 ※ 若气体符合理想气体状态方程，则浓度和摩尔流率的 关系可用： pi Pyi P Fi Ci (4.11) N RT RT RT Fi
代入式（4.26）得：
dT GWA0 H r Tr dX A U Gc pt 4 TC T dZ MA dZ dt
（4.28）
此即为单一反应时温度与转化率的关系式。
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4.5.2 绝热管式反应器
4U TC T 0 若为绝热，则 dt WA0 H r T r （式4.28）可简化为： dT dX A M Ac pt
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4.5 变温管式反应器
工业上大多数化学反应过程是在变温下进行的。主要原因 有： 1. 等温困难 2. 存在最佳温度分布 3. 温度对选择性S有影响
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4.5.1 管式反应器的热量衡算
基本假设： ※管式反应器内流体流动符合活塞流假 定 ※反应器内温度分布：径向均匀，轴向 变化 取微元体积 dVr 作为控制体积，忽略动 能和位能变化及轴功，由热力学第一定 律得：
的操作。 P116，例4.8非绝热管式反应器计算及绝热条件下（4.7） 的比较 dX dT
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第四章管式反应器
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重点掌握： 1、等温管式反应器设计方程的推导与应用。 2、管式和釜式反应器的对比。 3、循环反应器的计算与分析。 4、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。
《反应工程》 一、活塞流模型（平推流）：
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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、径向混合均匀，即无浓度和温度梯度 3、无轴向返混 符合上述假设的反应器内，同一时刻 层流
进入反应器的流体粒子必同一时刻离开
反应器，所有粒子在反应器内停留时间 相同。
湍流
上式分母加和项为总摩尔数：
i 1
Ft Fi
i 1
N
若反应前后物系的总摩尔数不变，则
Ft Ft0 Fi
i 1
N
即任何时刻反应混合物的摩尔流量均为定值，等于反应进 口处物料的总流量 Ft0 。
P105例4.3变容活塞流反应器的设计计算方法（平行反应） P106例4.4恒容活塞流反应器的设计计算方法（连串反应）
Vr 1 Q c
X Af 0 A0 X Af 1

分析上式知：
dX A A
0时， X A0 =0
X ∞时， A0
X Af
结果相当于无循环管式反应器
结果相等于恒定转化率下的操作，即CSTR反应器。
在实际操作中，只要 足够大，如 ≥25则可认为是等浓 度操作。
M 以催化剂质量表示 dFi ij rj , i 1,2,, K dW j 1
(4.17)
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4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
釜式反应器反应体积的比较方法 釜式反应器复合反应目的产物收率的比较方法 ◎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也相同。 ◎分三种情况： 1.正常动力学
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dX A Q0cA0 A X A （4.4） dVr
u0 为反应器进
口处流体的流速
XA～Z
dX A u0c A0 A X A （4.7） dZ
等容过程 定态操作的活塞流反应器，反应 （4.8） 物系的浓度随轴向距离而变，与 时间无关 （4.9）间歇釜式反应器，反应物系的浓 度随时间而变，与位置无关
t cA0
X Af
0
dX A A X A
（3.8）
间歇釜式反应器的反应时间
结论：相同温度下，在等容过程中，达到相同的转化率， 间歇釜式反应器所需的时间与管式反应器所需的空时相 等。
P103，例4.1 活塞流反应器恒容下反应体积的计算及与间 歇釜式反应器的比较。
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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一部分产品再循环进入反应器入口，
与新鲜原料混合后进行反应。
《反应工程》 设循环物料与新鲜原料量之比为循环比
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Qr Q0
故，反应器的物料处理量为：
Q0 Qr 1 Q0 在混合点处对A做物料衡算：
对关键组分A： dFA （4.2） A
dVr
FA FA0 1 X A
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dX A FA0 A X A dVr
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（4.3）
FA0 Q0cA0
dX A （4.4） Q0cA0 A X A dVr 积分式（4.4）得反应体积： X Af dX A Vr Q0cA0 （4.5） 0 A X A
• 反应器选型、设计和优化的基础——反应器中的流体 流动与返混研究，即反应器流动模型研究。
平推流
完全没有返混 返混为极大值
流动 模型
理想流动模型
全混流
非理想流动模型 对实际工业反应器中流体流动状况
对理想流动偏离的描述。
《反应工程》 4.2 等温管式反应器的设计
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原料以流量F0从顶部连续加入，在 底部流出，反应器为定态操作。管 式反应器中，物料浓度随轴向位置 而变，因此，取微元体积 dVr 为控制 体积。
Fi 0 Q0ci 0
（3-91）
《反应工程》 管式反应器 4.2.1 单一反应（等温） 单一反应，在微元体内对某一组分作物料衡算
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进入量=排出量+反应量+累计量 即：
Fi dFi Fi i dVr 0
dFi i （4.1） dVr
定态
化简得：
活塞流模型管式反应器的设计方程
Gc pt dT dZ A H r T 4U TC T dt
r
（4.26） 此即管式反应器轴向温度分布方程。
《反应工程》 管式反应器 M 令WA0 为组分A的初始质量分数， A为A的相对分子量，则 式（4.4）可转化为：
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FA0 A
GWA0 dX A A X A M A dZ
dc A u0 A dZ dc A A dt
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4.2.2 复合反应 在管式反应器中进行复合反应时的处理方法和釜式反 应器一样，即分别对各关键组分作物料衡算，得到一常微 分方程组： M dFi i=1,2, …K (4.10) i vij rj j=1,2, …M dV j 1
若反应等速率进行，则 A 为常数 Q0c A0 X Af Vr A X Af
（3.43）
连续釜式反应器的设计方程
《反应工程》 积分式（4.5）得反应空时：
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X Af Vr dX A c A0 0 Q0 A X A
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（4.6）
管式反应器
r
kJ / mol
等温反应， T=T0 ； 放热反应， T ＞ T0； 吸热反应， T ＜ T0；
吸热反应，较高 的进料温度有利； 放热反应，较低 的进料温度有利。
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4.5.3 非绝热变温管式反应器 ◎管式反应器变温操作的必要性 1.若反应热效应过大，则绝热操作使得进出口反应物料温 差过大 2.采用非绝热变温操作，化学反应和传热同时进行，使得 反应温度控制在要求范围内，以获得较好的转化率和安全
2. 反常动力学
3. 反应速率有极大值的情况
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1.正常动力学
达到相同的转化率， 管式反应器所需的反 应体积小于连续釜式 反应器。
Vr ＞ Vr ＞ Vr
M M-2
P
当无限多个釜串联 时，总反应体积与 管式反应器的反应 体积相等。
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达到相同的转 化率，管式反应 器所需的反应体 积大于连续釜式 反应器。
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• 以上讨论的是单一反应情况，仅仅从总反应体积最小 进行讨论(恒温恒容过程) • 对复杂反应, 主要是产物分布比较, 即达到相同的转化 率下, 目的产物的最终收率大, 见第三章的讨论, • 若要求高反应物浓度, 管式反应器有利
• 若要求是一种高,另一种低的情况, 对要求低浓度的反 应物可用分段加入的方式
Q0 c A0 Q0 c A0 1 X Af 1 Q0c A0 1 X A0
化简后得：
X A0
X Af 1
《反应工程》 管式反应器 用 1 Q0 代替 Q0 ，用X A0 代替0，代入式（4.5）即得循 环反应器反应体积：
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2.反常动力学
Vr ＜ Vr ＜Vr ＜ Vr
M M-2 M-3
P
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3.有极大值情况
若XAf＜ XAm，则Vr ＞Vr
p
M
若XAf＜ X ，则？
Am
最佳方案：两反应器串 联，釜式反应器反应至 其转化率为若XAm，再用 一管式反应器继续反应 至其转化率为则XAf
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将 c pt 看为常数，以 c pt 代入积分有：
T T0
WA0 H r T M Ac pt
r
XA
T T0 X A

WA0 H r T M Ac pt
绝热温升
r
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r

c A0 H r T
c pt

y A0 H r T c ' pt
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4.2.3 拟均相模型 • 拟均相假定: 在气固相催化反应中，若忽略传递的阻力 (即忽略传质和传热造成的影响)，则在动力学的表征上 与均相一致. • 管式反应器中进行气固相催化反应，若符合拟均相假 设，则上面讨论的式子仍可用。此时反应体积Vr指催 化剂的堆体积，反应速度常常使用单位催化剂重量作 为基准 M dFi b ijrj , i 1,2,, K (4.16) dVr j 1
dq dH
《反应工程》 管式反应器 设流体在 dVr 中的温变为dT,取 Tr 为基准温度，则有：
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dH A H r T dZ Gc pt dT dt2 r 4 G为流体的 反应热 温度变 质量速度 多个反应？ GA Q0

dq U TC T Ah dZ
器内不存在温度和浓度差。 所以，管径较小，流速较大的管式反应器 － － － －按活塞流处理 剧烈搅拌的连续釜式反应器 － － － － 按全混流处理
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含示踪剂流体C0 Q 流体
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Q
检测C
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• 化学反应器中流体流动状况影响反应速率和反应选择 性，直接影响反应结果。