管式反應(yīng)器--化工

1、2022-2-231第三章第三章理理 想想 反反 應(yīng)應(yīng) 器器 -2022-2-232重點(diǎn)掌握的知識點(diǎn) 等溫管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程的推導(dǎo)與應(yīng)用。等溫管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程的推導(dǎo)與應(yīng)用。 管式和釜式反應(yīng)器的對比。管式和釜式反應(yīng)器的對比。 循環(huán)反應(yīng)器的計(jì)算與分析。循環(huán)反應(yīng)器的計(jì)算與分析。 返混得基本概念返混得基本概念 2022-2-233 工業(yè)上的管式反應(yīng)器其長徑比較大的可近似地按平推流反應(yīng)器處理。（示意圖見下圖）平推流反應(yīng)器的特征平推流反應(yīng)器的特征（1）通過反應(yīng)器的物料質(zhì)點(diǎn)，沿同一方向以同一流速流動(dòng)，在流動(dòng)方向上沒有返混。（2）所有物料質(zhì)點(diǎn)在反應(yīng)器中的停留時(shí)間都相同。（3）同一截面上的物料濃度相同、溫度相

2、同。（4）物料的溫度、濃度沿管長連續(xù)變化。2022-2-234 0 Z/2 Z 2022-2-235平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程 根據(jù)平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)，可取反應(yīng)器中一微元段作物料衡算（如下圖），然后沿管長對整個(gè)反應(yīng)器積分，就可得到平推流反應(yīng)器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)式。 物料衡算方程物料衡算方程 0 dZ Z FA0 FAf dVR FA FA+dFA 2022-2-2362022-2-237 FA = FAdFA +-rA） dVR + 0的積累速度反應(yīng)器中的反應(yīng)量單位時(shí)間的流出量單位時(shí)間的流入量單位時(shí)間AAAAAARdFrdV 00(1)AAAAAdFdFxF dx 0AAARF dx

3、rdV 00A fxARAAdxVFr即：積分得2022-2-238或000A fxRAAAVdxCvr001AAAAAACdCxdxCC 0A fACACAdCr 恒容時(shí)：從上式可得出什么結(jié)論？ 平推流反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式1平推流反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)式 22022-2-239結(jié)論結(jié)論1）恒容過程，平推流反應(yīng)器與分批釜式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程是完全一致；所以只要反應(yīng)是等容的，第二章中所導(dǎo)得的積分式均適用。同時(shí)也說明，在相同的條件下，完成相同的任務(wù)，在間歇式反應(yīng)釜內(nèi)所需要的反應(yīng)時(shí)間與在平推流反應(yīng)器內(nèi)所需要的空間時(shí)間是相等的。請問有哪些不同？ 2）對于氣相變?nèi)葸^程，用含膨脹因子的式子表示各個(gè)濃度即可。3）如果反應(yīng)

4、速率方程過于復(fù)雜，往往需要用數(shù)值積分或如下圖所示的圖解法求解。2022-2-2310圖 平推流反應(yīng)器的圖解計(jì)算示意圖 1/rA 面積=/CA0 0 xA (a) 適用一般場合 1/rA 面積= 0 CA CA0 (b) 僅適用恒容過程 2022-2-2311 由于在平推流反應(yīng)器內(nèi)沿軸向存在著反應(yīng)速率的分布，所以實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)等溫操作。而且多數(shù)反應(yīng)也并不希望在等溫下進(jìn)行，常見的是絕熱或變溫下操作條件下的管式反應(yīng)器。下面就此進(jìn)行探討。見P74考慮如圖所示的平推流反應(yīng)器，截取段容積為dVR的微元段，微元段長度為dZ，在微元段內(nèi)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的變化為dxA、溫度變化為dT，由此對微元體作熱量平衡：圖 平推

5、流反應(yīng)器的熱量衡算示意圖 0 dZ dVR Z U (T Tm) D dZ G G T T + dT 2022-2-2313 設(shè)單位截面積反應(yīng)流體的質(zhì)量流量為G，管徑為D，流體在微元段中恒壓比熱容為CPt ， 單位時(shí)間內(nèi)的熱量：.流體流入微元段帶入的熱量 .流體流出微元段帶出的熱量 .流體在微元段反應(yīng)放出的熱量 .從微元段傳給換熱介質(zhì)的熱量 2(/4)PtGD C T2( /4)()PtGD CTdT()AArRrHdV2( /4)RdVD dZ()()mK TTD dZ2022-2-2314帶入的熱量帶出的熱量反應(yīng)放出的熱量傳給換熱介質(zhì)的熱量=0 22(/4)(/4)()()()()0PtP

6、tARArmGD C TGD CTdTr dVHKD TTdZ22(/4)(/4)()()()0PtAArmGD C dTrD dZHKD TTdZ即： ()4()/AArmPtrHK TTDdTdZGC對微元段的物料衡算為： 0AAARF dxrdV 2200(/4)(/4)AARAGDFdVD dZM(A0：反應(yīng)器入口處A的質(zhì)量分率) 0AAAAGdxrMdZ管式反應(yīng)器的軸向溫度分布方程2022-2-2315 整理得： 從上可知管式反應(yīng)器的軸向溫度分布方程，與間歇釜式反應(yīng)器的熱量衡算式的形式甚為相似，差別在于： 自變量的不同，間歇反應(yīng)器的自變量為時(shí)間t，平推流反應(yīng)器則用軸向距離； 間歇釜式

7、反應(yīng)器是對整個(gè)反應(yīng)器物料作衡算，平推流反應(yīng)器是對微元反應(yīng)體積。04()()AArmAAAPtGKdZHTTMDdxdTdxGC2022-2-23161)絕熱操作 絕熱操作時(shí)K=0，系統(tǒng)與外界沒有熱交換，有若不考慮熱容隨物料組成及溫度的變化，積分上式得：式中： 溫度T0T之間，反應(yīng)物系的平均比熱容0()AArAAPtHdTdxM C00()AATTxx0()ArAPtAHC MPtC xA 等溫 吸熱 放熱 T0 T 圖3.4-4 絕熱反應(yīng)過程轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系 2022-2-2318 不同反應(yīng)器中，絕熱方程在本質(zhì)上還是有不同反應(yīng)器中，絕熱方程在本質(zhì)上還是有區(qū)別的：區(qū)別的： 平推流反應(yīng)器：反映的

8、是絕熱條件下，不同軸向位置溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系； 間 歇 反應(yīng)器：反映的是絕熱條件下，不同反應(yīng)時(shí)間溫度與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系； 全混流反應(yīng)器：反映的是絕熱條件下，出口轉(zhuǎn)化率與操作溫度關(guān)系。2022-2-2319 絕熱反應(yīng)器的求解要用下面三個(gè)式子聯(lián)立求解。000()()ArAAAPtAHTTxxC M00A fxARAAdxVFr200(/4)A fxAAAdxD ZFr或，0expEkkRT2022-2-23202) 非絕熱變溫管式反應(yīng)器非絕熱變溫管式反應(yīng)器 絕熱反應(yīng)器的不足之處在于：反應(yīng)器的進(jìn)出口溫差太大。如 如果為可逆放熱反應(yīng)，T，平衡轉(zhuǎn)化率 （見P113圖4.8）產(chǎn)物分布的控制也不容易作到 （不利

9、于提高選擇性）對于可逆吸熱反應(yīng)，T速率變慢 。2022-2-23212) 非絕熱變溫管式反應(yīng)器非絕熱變溫管式反應(yīng)器很多工業(yè)反應(yīng)器要進(jìn)行溫度控制，與環(huán)境有熱交換?？刂品磻?yīng)器在一定的溫度下操作（優(yōu)化和安全操作）。換熱介質(zhì)的選定：根據(jù)所控制的溫度范圍確定，原則應(yīng)保持溫差不宜過大，以免傳熱速率太快，操作不穩(wěn)定。 例如：高溫-煙道氣、熔鹽、高壓蒸氣等；低溫-水、空氣等。也可以適當(dāng)安排利用產(chǎn)物的余熱來加熱原料。非絕熱變溫管式反應(yīng)器，由于化學(xué)反應(yīng)與傳熱同時(shí)進(jìn)行，這就需要保證有一定的傳熱面積，通常采用列管式反應(yīng)器。 2022-2-23223）管式反應(yīng)器的最佳溫度序列 對于不可逆反應(yīng)和可逆吸熱反應(yīng)，其最佳操作溫

10、度序列應(yīng)遵循先低后高，即管式反應(yīng)器的反應(yīng)溫度從進(jìn)口到出口逐漸升高；對于可逆放熱反應(yīng)則剛好相反。2022-2-23233.10.3 理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合與反應(yīng)器體積的比較與反應(yīng)器體積的比較 理想流動(dòng)反應(yīng)器的組合如右圖所示。 組合的目的是使最終轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大或使組合后的總的反應(yīng)器體積最小。2022-2-23243.10.3.1 平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作n例如有N個(gè)活塞流反應(yīng)器并聯(lián)，當(dāng)反應(yīng)溫度相同時(shí)，若進(jìn)、出料組成相同，則組合后總的反應(yīng)器體積與每個(gè)反應(yīng)器的體積有關(guān)。000AXARAAdXVV Cr12RRRVVV00102VVV01002000AAXXAARAAAAdXdXVV C

11、V Crr2022-2-23253.10.3.1 平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作n要使 組合后的反應(yīng)器體積最小，則必須滿足：01020,0,RRVVVV0100200012AAXXAARAAAAdXdXVV CV Crr000012AAXXAAAAAAdXdXCCrr1232022-2-23263.10.3.1 平推流反應(yīng)器的并聯(lián)操作120102RRVVVV120102RRVVVV即：結(jié)論：并聯(lián)操作的多個(gè)平推流反應(yīng)器，只要物料的體積流量按反應(yīng)器的體積大小分配，就可使組合反應(yīng)器總的體積最小。同時(shí)保證各個(gè)反應(yīng)器的出口組成一致。2022-2-23273.10.3.2 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器 對于很多反應(yīng)過程，

12、如合成氨、合成甲醇對于很多反應(yīng)過程，如合成氨、合成甲醇等過程，由于化學(xué)平衡的限制，單程轉(zhuǎn)化率并等過程，由于化學(xué)平衡的限制，單程轉(zhuǎn)化率并不高，為了提高原料的利用率，將出口（含有不高，為了提高原料的利用率，將出口（含有大量的反應(yīng)物）的物料進(jìn)行循環(huán)。大量的反應(yīng)物）的物料進(jìn)行循環(huán)。 如果將反應(yīng)器出口的反應(yīng)產(chǎn)物部份地返回如果將反應(yīng)器出口的反應(yīng)產(chǎn)物部份地返回到入口處與原始物料混合，然后再進(jìn)入反應(yīng)器到入口處與原始物料混合，然后再進(jìn)入反應(yīng)器去進(jìn)行反應(yīng)，這類反應(yīng)器簡稱為循環(huán)反應(yīng)器。去進(jìn)行反應(yīng)，這類反應(yīng)器簡稱為循環(huán)反應(yīng)器。帶分離器和換熱器的循環(huán)反應(yīng)器計(jì)算方法同于帶分離器和換熱器的循環(huán)反應(yīng)器計(jì)算方法同于單一反應(yīng)器的

13、計(jì)算，我們只講下圖所示的具有單一反應(yīng)器的計(jì)算，我們只講下圖所示的具有循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器。循環(huán)操作的平推流反應(yīng)器。2022-2-23283.10.3.2 循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器的假設(shè)：循環(huán)反應(yīng)器的假設(shè)：1）反應(yīng)器內(nèi)為理想活塞流反應(yīng)器；2）管線內(nèi)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；3）整個(gè)體系處于定常態(tài)操作。2022-2-2329循環(huán)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程 循環(huán)比的定義：r0QQ循環(huán)物料量新鮮原料量注：不同的循環(huán)比定義，其含義是不同的。 因此，反應(yīng)器的物料處理量（即反應(yīng)器入口處的關(guān)鍵組分因此，反應(yīng)器的物料處理量（即反應(yīng)器入口處的關(guān)鍵組分的體積流量）：的體積流量）：00r0QQQ1Q 2022-2-2330現(xiàn)對現(xiàn)

14、對M點(diǎn)作組分點(diǎn)作組分A的物料衡算（是對組分的物料衡算（是對組分A的物質(zhì)量的物質(zhì)量進(jìn)行衡算）：進(jìn)行衡算）：進(jìn)入進(jìn)入M點(diǎn)的物質(zhì)的量：點(diǎn)的物質(zhì)的量： （量綱：（量綱：kmol/h） 出出M 點(diǎn)的物質(zhì)的量：點(diǎn)的物質(zhì)的量： （量綱：（量綱：kmol/h） = 0A0rA0A00A0AfQ CQCQ CQ C1 X0A0A01Q C1 X0A0Q C 0A00A0AfQ CQ C1 X0A0A01Q C1 XAfA0XX1+2022-2-2331由于反應(yīng)流體在反應(yīng)器內(nèi)仍呈平推流，所以其設(shè)計(jì)方程可采用式：fA0R0A0XQ CrAXAAdXV f0R0A01Q CrAAXAXAdXVfAfXR0A01+V1

15、Q CrAXAAdXfAfrXA01+0VCQrAXAAdX這就是循環(huán)活塞流管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程2022-2-2332 當(dāng) ， XA0=0 ，該循環(huán)反應(yīng)器變?yōu)橐话愕幕钊鞴苁椒磻?yīng)器。 當(dāng) ，XAiXAf ，該循環(huán)反應(yīng)器變?yōu)橐话愕娜炝鞲椒磻?yīng)器。 實(shí)際上，當(dāng) ，即可認(rèn)為反應(yīng)器達(dá)到了全混狀態(tài)（等濃度操作）。0 時(shí)時(shí)25很大，一般認(rèn)為時(shí)2022-2-23333.10.3.3 反應(yīng)器型式和操作方式的評選反應(yīng)器型式和操作方式的評選 本節(jié)僅從反應(yīng)器生產(chǎn)能力和產(chǎn)品分布這兩個(gè)影響過程經(jīng)濟(jì)性的主要因素出發(fā)，就單一反應(yīng)討論其反應(yīng)器型式和操作方法的評選。 由于不存在副反應(yīng)，所以，在反應(yīng)器選型時(shí)只需考慮如何有利于反

16、應(yīng)速率的提高（反應(yīng)器型式選用和組合的原則）。對于單一反應(yīng)，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系可能有下述三種性狀：2022-2-2334 (1) 1/(-rA )隨xA的增大呈單調(diào)上升. 如下圖所示。對于n0的不可逆等溫反應(yīng)均有圖示的特征。此時(shí)采用平推流反應(yīng)器或間歇操作的完全混合的反應(yīng)器所需的反應(yīng)容積最小，其次是采用多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器，而單一的全混流反應(yīng)器所需的容積最大。 圖 不同反應(yīng)器所需的體積(=VR/V0) 1/rA 0 xA (b) 全混流反應(yīng)器 面積=/CA0 1/rA 3/CA0 2/CA0 1/CA0 0 xA (c) 多 釜 串 聯(lián) 全 混 流 反 應(yīng) 器 1/rA 0 xA (a)

17、 平推流反應(yīng)器 面積=/CA0 2022-2-23351/rA 隨xA的增大而單調(diào)下降， 如下圖所示，對于n0的不可逆等溫反應(yīng)均具有此性狀。采用具有返混的全混流為最佳，多釜串聯(lián)將導(dǎo)致反應(yīng)器容積增大，且釜數(shù)愈多容積就愈大。平推流將不利于這類反應(yīng)。 圖 不同反應(yīng)器所需的體積(=VR/V0) 1/rA 0 xA (a) 平推流反應(yīng)器 面積=/CA0 1/rA 0 xA (b) 全 混 流 反 應(yīng) 器 面 積 = /CA0 1/rA 3/CA0 2/CA0 1/CA0 0 xA (c) 多 釜 串 聯(lián) 全 混 流 反 應(yīng) 器 2022-2-2336(3) 1/ （-rA ）對）對xA的曲線上存在著極小

18、值的曲線上存在著極小值 1/rA對xA的曲線上存在著極小值，如下圖a、b、c、d所示。具體處理時(shí)，可將其分解為單調(diào)上升或單調(diào)下降，然后根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行反應(yīng)器的選擇或組合。 自催化反應(yīng)和絕熱操作的放熱反應(yīng)具有這種征。 當(dāng)反應(yīng)器出口轉(zhuǎn)化率（XAf）小于相應(yīng)于最大反應(yīng)速率的（XAM）時(shí)，此時(shí)同反常動(dòng)力學(xué)，選全混流反應(yīng)器最佳，而平推流反應(yīng)器所需的反應(yīng)容積最大，如下圖a的 左半部分。2022-2-2337 1/rA 0 xAM xA (a) 全混流+平推流 1/CA0 2/CA0 1/rA 0 xA (b) 在最優(yōu)循環(huán)比下的平推流反應(yīng)器 面積=/CA0 (3) 1（-/rA）對xA的曲線上存在著極小值示

19、意圖2022-2-2338(3) 1/(-rA) 對xA的曲線上存在著極小值示意圖 1/rA 0 xA (c) 平推流反應(yīng)器 面積=/CA0 1/rA 0 xA (d) 全混流反應(yīng)器 面積=/CA0 2022-2-2339(3) 1/(-rA) 對xA的曲線上存在著極小值示意圖 若反應(yīng)物料的起始轉(zhuǎn)化率（XA0）大于( XAM) ，而出口轉(zhuǎn)化率（XAf）大于( XAM) ，此時(shí)同正常動(dòng)力學(xué)，應(yīng)選用平推流反應(yīng)器或多釜串聯(lián)的全混流反應(yīng)器；如圖a的右半部分。 當(dāng)XA0小于XAM，而XAf XAM的場合，此時(shí)可視為反常動(dòng)力學(xué)和正常動(dòng)力學(xué)的組合，因此選全混流反應(yīng)器串聯(lián)平推流反應(yīng)器最優(yōu)；即物料先進(jìn)入全混流反

20、應(yīng)器，使關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率達(dá)到，然后再將物料送入管式反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)到終點(diǎn)。此種組合所需反應(yīng)器體積最小。2022-2-2340平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較 定性分析 當(dāng)完成相同的任務(wù)時(shí)，反應(yīng)速率取決于 （1-XA）值的大小及其分布。 在全混流反應(yīng)器中，由于返混達(dá)最大，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度為反應(yīng)器出口處的濃度，因而整個(gè)反應(yīng)過程處于低濃度范圍操作。 平推流反應(yīng)器，由于物料不存在返混，因此，反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物濃度較高。2022-2-2341平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較結(jié)論：對于同一個(gè)單一級數(shù)反應(yīng)，在相同工藝條件，達(dá)到相同的轉(zhuǎn)化率，所需的反應(yīng)體積是平推流反應(yīng)器的最小，而全混流反應(yīng)器的體積最大。亦即，若反應(yīng)器的體積相同，則平推流反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化率最大，全混流反應(yīng)器的最小。2022-2-2342平推流反應(yīng)器與全混流反應(yīng)器的比較對于平推流反應(yīng)器，在恒溫下，設(shè)計(jì)方程：0011nnnAAAAAAAXrkCkCyX 定量分析 假設(shè)反應(yīng)為n級反應(yīng)，其動(dòng)力學(xué)方程：0100111AfnXAAAPAnnAAy