管式反应器课程学习.pptx
会计学1管式反应器管式反应器第一页，共71页。02:16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(gungfn)了解：拟均相的含义和模型假定。第1页/共70页第二页，共71页。02:16 流体流动是非常复杂的物理现象，影响到系统的反应速率(sl)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（a）(b)内部(nib)各部分流体的停留时间不同，反应速率和最终转化率也不一样。图 4.1 径向(jn xin)流分布4.1 活塞流假设活塞流假设第2页/共70页第三页，共71页。02:162.混合情况的影响完全混合时，C、T在反应器内均一；否则，各处T，C不一样。这两种混合情况对反应过程产生不同的影响，反应的结果也不一样。最简单(jindn)的流动模型是理想流动模型，包括：活塞流和全混流模型。第3页/共70页第四页，共71页。02:16二、理想流动模型 .活塞流模型 径向流速分布(fnb)均匀；轴向不存在混合。无返混 2.全混流模型（上一章详细描述过）混合达到最大，C、T均一，返混最大 应该注意的是：理想流动模型是两种极端(jdun)情况，活塞流的返混为零，而全混流的返混最大，实际反应器中的流动状况介于两者之间。第4页/共70页第五页，共71页。02:161.1.轴向无返混。轴向无返混。2.2.物料质点的物料质点的 相同。相同。3.3.同一截面同一截面(jimin)C(jimin)C、T T相同。相同。4.C4.C、T T沿管长连续变化。沿管长连续变化。假设：反应(fnyng)物料以稳定流量流入反应(fnyng)器，平行向前移动。三、活塞三、活塞(husi)流反应器的特征流反应器的特征第5页/共70页第六页，共71页。02:16 BSTR PFR CSTR1投料 一次加料(起始)连续加料(入口)连续加料(入口)2年龄 年龄相同(某时)年龄相同(某处)年龄不同3寿命 寿命相同(中止(zhngzh)寿命相同(出口)寿命不同(出口)4返混 全无返混 全无返混 返混极大反应器特性反应器特性(txng)分析分析第6页/共70页第七页，共71页。02:164.2 等温管式反应器设计等温管式反应器设计(shj)1.1.活塞流反应器的设计方程活塞流反应器的设计方程 根据活塞流反应器的特点根据活塞流反应器的特点(tdi(tdi n)n)，可取反应器中一微元段，可取反应器中一微元段作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到活塞流作物料衡算，然后沿管长对整个反应器积分，就可得到活塞流反应器的设计基础式。反应器的设计基础式。第7页/共70页第八页，共71页。02:16 F FA A =（F FA A dFdFA A）+r+rA A dV dVR R +0 +0 即：即：第8页/共70页第九页，共71页。02:16积分积分(jfn)(jfn)得得 或或 活塞流反应器基础设计式活塞流反应器基础设计式恒容时恒容时 （间歇(jin xi)反应器）（活塞(husi)流反应器）第9页/共70页第十页，共71页。02:16对于对于(duy)(duy)气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。注意：二者形式同，但一个(y)是t，一个(y)是（与所选择的进口状态有关）；管式反应器恒容时，=t；否则，t。设反应器的截面积为A，则有dVr=AdZ，那么(n me)第10页/共70页第十一页，共71页。02:16对于恒容过程(guchng)CA=CAO（1-XA）则 时间变量转化为位置变量。第11页/共70页第十二页，共71页。02:16图3.4-2 管式反应器的图解(tji)计算示意图2.图解图解(tji)计算计算第12页/共70页第十三页，共71页。02:16【例题【例题(lt)1】在在215215和和5 5大气压下，均相气相反应大气压下，均相气相反应 33在活塞流在活塞流反应器中进行反应器中进行(jnxng)(jnxng)。215215时时,速率式为：速率式为：rA=10-rA=10-2CA0.5(mol/ls)2CA0.5(mol/ls)，原料气中含有原料气中含有5050A A和和5050惰性气体惰性气体(CA0=0.0625mol/l)(CA0=0.0625mol/l)，求转化率为，求转化率为8080时所需的时间。时所需的时间。【解】根据(gnj)题所给出的已知条件有：yA00.5A第13页/共70页第十四页，共71页。02:16图解积分数值积分解析积分rA10-2CA0.510-2CA00.5100CA00.5第14页/共70页第十五页，共71页。02:16 对多相催化反应，如果(rgu)两相间的传质和传热的速率很大，则两者的浓度及温度的差异将很小，可忽略，此时动力学表征上与均相反应相同。此简化模型称为拟均相模型。4.3 拟均相模型(mxng)式中 为催化剂的堆密度Vr催化剂的堆体积(tj)W催化剂的质量第15页/共70页第十六页，共71页。02:164.5 反应器型式反应器型式(xn sh)和操作方式和操作方式的评选的评选 本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程本节仅从反应器生产能力和产品分布这两个影响过程(guchng)(guchng)经济性的主要因素出发，就单一反应和复合反应来分别经济性的主要因素出发，就单一反应和复合反应来分别讨论其反应器型式和操作方法的评选。讨论其反应器型式和操作方法的评选。第16页/共70页第十七页，共71页。02:16一、单一反应一、单一反应 不存在副反应，反应器选型时只需考虑如何不存在副反应，反应器选型时只需考虑如何(rh)有利于反应速率的提高。有利于反应速率的提高。反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种情况：反应速率与反应物浓度的关系可能有下述三种情况：活塞活塞(husi)流反应器体积：流反应器体积：全混流反应器体积全混流反应器体积(tj)：第17页/共70页第十八页，共71页。02:16 (1)1/rA随xA的增大呈单调上升 对于n0的不可逆等温反应均有图示的特征(tzhng)。Q0、CA0、T、xAf相同。Vrp或间 VrM-串0n0的不可逆等温反应的不可逆等温反应(f(f nyng)nyng)均具有此性状。均具有此性状。n n VrpVrp或间或间 VrM-VrM-串串 VrM VrMn n不同反应不同反应(f(f nyng)nyng)器所需的体积器所需的体积(=V/Q0)(=V/Q0)第19页/共70页第二十页，共71页。02:16(3)1/rA对xA的曲线(qxin)上存在着极小值自催化反应和绝热操作(cozu)的放热反应具有这种特征。A.xAVMA.xAVMB.xA=xAf VP=VMB.xA=xAf VP=VM；C.xAxAf VPxAf VPX Af XAf 第46页/共70页第四十七页，共71页。02:16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(fnb)的控制也不容易作到 对于可逆吸热反应，T速率变慢 3.非等温、非绝热操作(cozu)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(ymin)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。第47页/共70页第四十八页，共71页。02:16非等温、非绝热操作，应将物料衡算式、热量衡算式及动力非等温、非绝热操作，应将物料衡算式、热量衡算式及动力学方程联立求解。下面给出两种传热情况的计算方法。学方程联立求解。下面给出两种传热情况的计算方法。热交换速率恒定热交换速率恒定(hngdng)(hngdng)=常数常数 对热量衡算式逐项积分得对热量衡算式逐项积分得 或写成：或写成：用式用式(a)(a)或或 式式(b)(b)可以得反应器内温度随转化率的变化情况。可以得反应器内温度随转化率的变化情况。(a)(b)第48页/共70页第四十九页，共71页。02:16给热系数给热系数U U恒定的情况恒定的情况(qngkung)(qngkung)积分得：积分得：此式的求解只能用试差法此式的求解只能用试差法(或用数值积分法或用数值积分法)。第49页/共70页第五十页，共71页。02:164.6 管式反应器的最佳(zu ji)温度序列单一(dny)反应目标：生产(shngchn)强度最大可逆放热反应，等温操作速率方程为：令可得达到某一转化率时的最佳操作温度。第50页/共70页第五十一页，共71页。02:16可逆放热反应(fn r fn yng)，变温操作按最佳温度(wnd)线操作。不可逆放热反应(fn r fn yng)或可逆吸热反应，等温操作尽可能在充许的高温条件下操作。不可逆放热反应或可逆吸热反应，变温操作温度应逐渐升高。第51页/共70页第五十二页，共71页。02:16复合(fh)反应目标：生产强度(qingd)最大+目标产物收率最大特点：高温(gown)有利于活化能大的反应低温有利于活化能小的反应平行反应目标产物 E1E2目标温度序列：生产强度最大先低后高；目标产物收率最大低温。第52页/共70页第五十三页，共71页。02:16连串反应E1E2低温(dwn)高温(gown)复杂(fz)反应P为目标产物第53页/共70页第五十四页，共71页。02:16三类(sn li)反应器的比较第54页/共70页第五十五页，共71页。02:16结论：(1)等体积下，PFR 的 的 (2)高级数的反应(fnyng)，返混对 影响显著第55页/共70页第五十六页，共71页。02:16第56页/共70页第五十七页，共71页。02:162 2 浓度浓度(nngd)(nngd)分布分布-推动推动力力反应(fnyng)推动力随反应(fnyng)时间逐渐降低反应推动力随反应器轴向长度(chngd)逐渐降低反应推动力不变，等于出口处反应推动力BatchCSTRPFR第57页/共70页第五十八页，共71页。02:16反应器设计反应器设计(shj)的基本方程的基本方程某组分流入量某组分流入量=某组分流出量某组分流出量+某组分反应某组分反应(fnyng)(fnyng)消耗量消耗量+某组分累积量某组分累积量反应(fnyng)消耗累积流入流入流出流出反应单元反应单元反应器反应单元流入量流出量反应量累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态第58页/共70页第五十九页，共71页。02:16热量(rling)衡算方程带入的热焓带入的热焓=带出的热焓带出的热焓+反应热反应热+热量热量(rling)(rling)的累积的累积+传给环境的热量传给环境的热量(rling)(rling)反应热累积(lij)带入带入带出带出反应单元反应单元反应器反应单元带入量带出量反应热累积量间歇式间歇式整个反应器整个反应器00平推流平推流(稳态稳态)微元长度微元长度0全混釜全混釜(稳态稳态)整个反应器整个反应器0非稳态非稳态传给环境传给环境第59页/共70页第六十页，共71页。02:165 理想理想(lxing)流动反应器的组合与反应体积比流动反应器的组合与反应体积比较较平推流全混流(a)(b)反应器体积(tj)相同，一级不可逆反应第60页/共70页第六十一页，共71页。02:16出口(ch ku)浓度Caf：转化率Xaf：第61页/共70页第六十二页，共71页。02:166 理想流动理想流动(lidng)反应器中的多重反应反应器中的多重反应第62页/共70页第六十三页，共71页。02:16两个两个(lin)反应物反应物A+BL(主反应)M(副反应)12间歇(jin xi)操作n1n2,m1m2CA,CB 都高都高a1a2,b1a2,b1b2CA高高,CB低低第63页/共70页第六十四页，共71页。02:16A+BL(主反应)M(副反应)12连续(linx)流动操作a1a2,b1a2,b1a2,b1b2CA,CB 都高都高第64页/共70页第六十五页，共71页。02:16第65页/共70页第六十六页，共71页。02:16一级不可逆连串反应，不论一级不可逆连串反应，不论(bln)(bln)采用哪一种反应器，主产采用哪一种反应器，主产物最大收率与反应物初浓度无关，只与物最大收率与反应物初浓度无关，只与k2/k1k2/k1的比值有关。的比值有关。全混流反应器最佳最佳(zu ji)反应时间反应时间最大出口最大出口(ch ku)浓度浓度最大收率最大收率(*)(*)第66页/共70页第六十七页，共71页。02:161.xA,k2/k1相同相同(xin tn)时，时，BSTR和和PFR比比CSTR好好2.k2/k11,高转化率下操作高转化率下操作第67页/共70页第六十八页，共71页。02:16第68页/共70页第六十九页，共71页。02:16第69页/共70页第七十页，共71页。02:16感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第70页/共70页第七十一页，共71页。
