电子课件3项目二 管式反应器.pptx

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1、化学反应工程项目二 管式反应器兰州石化职业技术大学 应用化学工程学院 李倩01管式反应器基本结构管式反应器基本结构管式反应器是化工生产中应用较多的一种连续操作反应器。管式反应器的主要特点是：比表面积大，容积小，返混少，且能承受较高的压力，反应操作易于控制；但反应器的压降较大，动力消耗大。管式反应器一般可用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应过程。在化工生产中，常常把反应器长度远大于其直径即高径比大于100的一类反应器，统称为管式反应器。01管式反应器基本结构管式反应器基本结构基基本本结结构构盘管式反应器盘管式反应器立管式反应器立管式反应器水平管式反应器水平管式反应器U形管式反应

2、器形管式反应器01管式反应器基本结构管式反应器基本结构传传热热方方式式套管传热套管传热 套筒传热套筒传热 短路电流加热短路电流加热 烟道气加热烟道气加热 理想置换模型02管式反应器流体流动管式反应器流体流动假设基础：高速湍流特 点：1、由于流体沿同一方向以相同的速度推进，所有流体粒子在反应器内的停留时间相等2、在定态下，沿流体流动方向上，流体的参数（如温度、浓度、压力等）不断变化，而与流动方向相垂直的径向方向上所有的参数均相同3、返混程度为0 平推流；活塞流平推流；活塞流管式反应器内物料特征03管式反应器计算管式反应器计算PFR生产中细长型的连续操作管式流动反应器可近似地看成理想生产中细长型的

3、连续操作管式流动反应器可近似地看成理想置换反应器，简称置换反应器，简称PFRPFR。即理想连续操作管式反应器。即理想连续操作管式反应器。反应器内流体的流动属于反应器内流体的流动属于平推流平推流。1 1、同一截面上不同径向位置的流体特性（、同一截面上不同径向位置的流体特性（T T，CACA）是一致的。）是一致的。2 2、所有物料在反应器中的停留时间相同、所有物料在反应器中的停留时间相同,即无返混。即无返混。3 3、反应器内的状态只随轴向位置变，不随时间变化。、反应器内的状态只随轴向位置变，不随时间变化。物料特征物料特征管式反应器内物料衡算03管式反应器计算管式反应器计算PFRPFR物料衡算物料衡

4、算衡算范围：衡算范围：衡算对象：衡算对象：反应物反应物A单位时间单位时间t,t,单位反应器体积单位反应器体积V V即：即：dt dt、dvdv方程方程:进入进入 离开离开 转化掉转化掉 =累积量累积量 管式反应器内物料衡算03管式反应器计算管式反应器计算因为：因为：所以：所以：PFR空时和体积计算03管式反应器计算管式反应器计算 反应器的有效体积：反应器的有效体积：反应器的空时：反应器的空时：03管式反应器计算管式反应器计算PFR计算解析式PFR计算基本方程等温等容过程一级反应：二级反应：反应速率常数k为定值，例题03管式反应器计算管式反应器计算某工厂用连续操作管式反应器生产醇酸树脂，反应物己

5、二酸与己二醇投料比某工厂用连续操作管式反应器生产醇酸树脂，反应物己二酸与己二醇投料比为等摩尔比，用硫酸作为催化剂，在为等摩尔比，用硫酸作为催化剂，在343K343K下进行缩聚反应。实验测得动力学下进行缩聚反应。实验测得动力学方程式为方程式为k=3.28310k=3.28310-5-5m m3 3/(kmol.s)/(kmol.s)己二酸的初始浓度己二酸的初始浓度C CA0A0=4kmol/m=4kmol/m3 3 若每若每天处理天处理2400kg2400kg己二酸，试计算转化率为己二酸，试计算转化率为0.90.9时所需空间时间和反应器体积？时所需空间时间和反应器体积？（已知己二酸分子量（已知己

6、二酸分子量M=146M=146）例题03解：对于二级反应解：对于二级反应 物料的处理量：物料的处理量：反应器体积：反应器体积：03管式反应器计算管式反应器计算等等温温等等容容图解法：动力学方程无法用函数表达图解法：动力学方程无法用函数表达图解法03管式反应器计算管式反应器计算PFR等温变容计算PFR计算基本方程对于变容反应：对于变容反应：03管式反应器计算管式反应器计算PFR等温变容计算若为一级不可逆反应，则达到一定的转化率所需空时为：若为二级不可逆反应则为：03管式反应器计算管式反应器计算变温管式反应器分析热量衡算：单位时间、单位体积、基准温度Tb=0进入反应器的物料带入的热量：进入反应器的

7、物料带入的热量：反应器内的物料和外界交换的热量：反应器内的物料和外界交换的热量：反应器内累积的热量：反应器内累积的热量：发生反应的热效应热量：发生反应的热效应热量：离开反应器的物料带出的热量：离开反应器的物料带出的热量：004反应器选型及优化反应器选型及优化影响物理过程物理过程（流体流动、传质、传热流体流动、传质、传热）影响影响空间和时间空间和时间上的上的浓度和温度浓度和温度分布分布影响对于某个具体反应，对于某个具体反应，选择反应器型式、操作条件、操作方式选择反应器型式、操作条件、操作方式主要考虑主要考虑化学反应本身的特征和反应器特征化学反应本身的特征和反应器特征，最终选择的依据将，最终选择的

8、依据将取决于所有过取决于所有过程的经济性程的经济性。即。即生产能力和选择性生产能力和选择性影响反应器型式反应器型式化学反应过程化学反应过程（动力学特性）（动力学特性）反应反应体系体系04反应器选型及优化反应器选型及优化影响影响过程的经济性反应器的大小产物分布（选择性、收率等）单一反应复合反应复合反应生产能力04反应器选型及优化反应器选型及优化生产能力：即单位时间、单位体积反应器所能得到的产物量。生产能力的比较也就是指得到同等产物量时，所需反应器体积大小的比较不同型式而体积相同的反应器中所能达到的转化率的大小04反应器选型及优化反应器选型及优化生产能力比较1.1.正常动力学正常动力学达到相同的转

9、化率时：达到相同的转化率时：PFRn-CSTRCSTR04反应器选型及优化反应器选型及优化生产能力比较原因分析：VR CA0 CA注意：思考为什么针对正级数反应反应器内反应器浓度CA：PFRn-CSTRCSTR04反应器选型及优化反应器选型及优化容积效率及生产能力反应器生产能力定性比较结果:达到相同的转化率时：达到相同的转化率时：PFRn-CSTRCSTR容积效率：是指在相同的生产条件下达到一定的转化率时，PFR与CSTR有效体积的比值。04反应器选型及优化反应器选型及优化容积效率及生产能力恒温恒容：定量比较定量比较CSTR:PFR:零级反应：一级反应：二级反应：04反应器选型及优化反应器选型

10、及优化容积效率及生产能力1、n0：xA相同,则VPFRVCSTR vR相同时则X（PFR）X（CSTR）2、当xA低时VPFR/VCSTR1当xA高时VPFR/VCSTR 随xA,返混的影响即过程要求的转化率越高，返混的影响越大3、xA一定时：n VPFR/VCSTR 0级反应,流动状况无影响.单单个个反反应应器器所以：级数越高所以：级数越高,转化率越高转化率越高PFRPFR04反应器选型及优化反应器选型及优化容积效率及生产能力多多釜釜串串联联釜釜式式反反应应器器一级反应：一级反应：结论：结论：1 1、当串联操作段数、当串联操作段数N N时，时，1 1，此时，此时 n-CSTRn-CSTR相当

11、于理想连续操作管式流动相当于理想连续操作管式流动 反应器；反应器；2 2、当、当N N1 1时，时，最小，此时最小，此时n-CSTRn-CSTR相当于相当于 连续操作釜式反应器。连续操作釜式反应器。3 3、随着、随着N N增大，增大，也增大，但增大的速度逐也增大，但增大的速度逐 渐缓慢，渐缓慢，因此通常取串联的釜数为因此通常取串联的釜数为4 4或者小于或者小于4 4 04反应器选型及优化反应器选型及优化复杂反应的选择性选择性的定义：选择性的定义：例例 如：如：主反应 副反应 04反应器选型及优化反应器选型及优化复杂反应的选择性目的产物目的产物R的选择性为：的选择性为：若只是为了比较反应过程中主

12、副反应的竞争，可以用比选择性若只是为了比较反应过程中主副反应的竞争，可以用比选择性的概念：即的概念：即 04反应器选型及优化反应器选型及优化简单平行反应选择性比较简单平行反应简单平行反应 主反应 副反应 动力学方程式动力学方程式反应为一种反应物，反应后生成两种产物反应为一种反应物，反应后生成两种产物 04反应器选型及优化反应器选型及优化简单平行反应选择性比较比选择性：比选择性：分析浓度影响分析浓度影响当当a1a2时，若要时，若要比选择性比选择性则则CA 适宜于采用适宜于采用PFR，其次则采用其次则采用BR或或n-CSTR当当a1 E2E1E2，若要提高的比值则应选择在高温下进行操作。高温操作，

13、若要提高的比值则应选择在高温下进行操作。高温操作 最好选择管式反应器。最好选择管式反应器。（2）若选择管式反应器，为满足对反应物浓度的要求，反应物）若选择管式反应器，为满足对反应物浓度的要求，反应物B从管式反应器的入口加入，而反从管式反应器的入口加入，而反应物应物A则需要沿着管长分几处分别连续加入。则需要沿着管长分几处分别连续加入。04反应器选型及优化反应器选型及优化连串反应选择性分析一级连串反应：一级连串反应：动力学方程式：动力学方程式：比选择性：比选择性：04反应器选型及优化反应器选型及优化连串反应选择性分析比选择性：比选择性：温度温度:当当E1E2时时:T e(E2-E1)/RT SR 浓度：浓度：c cA A c cR R S SR R 采用采用PFRPFR升高温度有利于活化能大的反应。升高温度有利于活化能大的反应。若主反应活化能大，若主反应活化能大，则升高温度。反之亦然。则升高温度。反之亦然。当当E1E2时时:T e(E2-E1)/RT SR 04反应器选型及优化反应器选型及优化连串反应选择性分析连连串串反反应应0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.20.40.60.81.004反应器选型及优化反应器选型及优化连串反应选择性分析PFR和和CSTR选择率的比较选择率的比较连连串串反反应应