第六章 管式反应器,6.1物料在反应器中的流动,6.2等温管式反应器的计算,6.4管式反应器与连续釜式反应器的比较,6.3 变温管式反应器,6.5循环反应器,6.6管式反应器的最佳温度序列,2,6.1 .1 管式反应器的特点、型式和应用,管式反应器既可用于均相反应又可用于多相反应。具有结构简单、加工方便、传热面积大、传热系数高、耐高压、生产能力大、易实现自动控制等特点,可常压操作也可加压操作，常用于对温度不敏感的快速反应。常见型式有水平、立式、盘管、U型管等,3,图6-1水平管式反应器,4,图6-2几种立式管式反应器,5,图6-3盘管式反应器,图6-4U形管式反应器图,6,管式反应器的加热或冷却方式,套管或夹套传热 套筒传热 短路电流加热 烟道气加热,6-5圆筒式管式炉,6.1.2 物料在管式反应器中的流动（理想置换假设）,流体在管内流动是一种复杂的物理现象，而管内流动的流体进行化学反应时，其流动状况必然影响到化学反应的进行。流体在管内的流动状态通常被概括为层流、过度流、湍流。湍流时，管内流动主体各点上的流体流速可近似认为相同。以此为基础，可对管式反应器内流体的流动模型进行合理的假设,理想置换假设的内容是假定径向流速分布均匀，即所有的质点以相同的速率从入口流向出口，就像活塞运动一样，所以理想置换所对应的流型又称为活塞流；轴向上的同截面上浓度、温度分布均匀,可归纳为同截面质点流速相等，流经反应器所用的时间相同，径向混合均匀；轴向上不同截面上浓度不同，温度可能也有差异，是化学反应的结果，而不是返混的结果,湍流操作(Re104)时，上述假设与实际情况基本吻合。据此，可对管式反应器进行设计计算,6.2 等温管式反应器的计算,6.2.1 反应体积,在管式反应器内，反应组份浓度、转化率随物料流动的轴向而变化，故可取微元体积dVR对关键组份A作物料衡算,输入量：,输出量：,反应量：,FA0,FA,于是,化简之,其中FV0、CA0为已知的常量，rA为反应速率，等温时可表达为转化率xA的函数，分离变量后积分,又,设在理想置换管式反应器中进行等温恒容n级不可逆反应，rA=kCAn。设A的浓度为CA时，A的摩尔流量为nA，则结合转化率的定义，有 CA=nA/FV0=(nA0(1-xA)/FV0=CA0(1-xA),所以rA= kCA0n(1-xA)n，代入反应体积的积分式得,当n=1时，积分结果为,12,对于连续操作的反应系统，定义反应体积VR与物料体积流量FV之比接触时间，亦称为停留时间，用表示： 在操作条件下，进入反应器的物料通过反应体积所需的时间，称为空时，用表示 : 空时的倒数为空速，其意义是单位反应体积单位时间内所处理的物料量，因次为时间-1，用SV表示,对于恒容过程,(恒容) ，也就是,或,比较第三章间歇釜式反应器的反应时间,二者右边形式完全一样，是否就可以得出t=的结论呢？,6.2.2 管径与管长的确定,在反应体积VR确定后，便可进行管径和管长的设计，由VR=d2L/4可知，d、L 可有多解，但应使Re104，满足湍流操作。通常有以下几种算法,(1)先规定流体的Re(104)，据此确定管径d，再计算管长L,由,其中,所以,(2)先规定流体流速u，据此确定管径d，再计算管长L，再检验Re是否104,(3)根据标准管材规格确定管径d，再计算管长L，再检验Re是否104,(4)对于传热型的管式反应器，可根据热量衡算得出的传热面积A，确定管径d和管长L，再检验Re是否104,所以,例6.1 化学反应A+2BC+D在管式反应器中实现，rA=1.9810-2CACBkmol/(m3min)。已知A、B的进料流量分别为0.08m3/h和0.48m3/h；混合后A、B的初浓度分别为1.2kmol/m3和15.5kmol/m3；密度分别为1350.0kg/m3和881.0kg/m3；混合物粘度为1.510-2Pas。要求使A的转化率达到0.98，求反应体积，并从246,359, 4310三种管材中选择一种。,解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3 密度=(FVAA+FVB B)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3 反应器任意位置，CA=CA0(1-xA) CB=CB0-2CA0xA，所以 rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA),代入已知数据得VR=0.134m3,分别计算三种管材的管长、Re值列入表中,可见，三种管材均可满足Re104的要求，但采用246管长太长，而采用4310管材时，Re值偏小，所以采用359管材.,6.2.3 等温变容管式反应器,问题的提出 对于液相反应，认为反应物在反应前后的体积不变，即恒容反应，是符合绝大多数实际情况的近似。但对于管式反应器中进行的气相反应，这种近似与实际情况的出入往往很大，其原因是管式反应器在恒压下操作，由化学反应而导致反应体系摩尔数的变化必然引起反应体积的变化，故这种情况不能作为恒容处理.,例如下列气相反应，设停留时间为，反应物A的转化率为xA，于是,aA + bB sS + rR =0时 nA0 nB0 0 0 =时 nA0(1-xA) nB0-bnA0xA/a snA0xA/a rnA0xA/a,可见，反应开始(=0)时，反应体系的总摩尔数为 n0=nA0+nB0 nA0、nB0分别为A、B的起始摩尔数,在反应进行了时间(=)后时，反应体系的总摩尔数为,n = nA0(1-xA)+nB0-bnA0xA/a+snA0xA/a+rnA0xA/a = nA0+nB0+nA0xA(s+r-b)/a-1),定义,为A的摩尔膨胀系数，,或称为膨胀因子，其物理意义为变化1摩尔反应物A时，引起的反应物系的总摩尔数的变化量,于是，=时,定义=时，反应物A在气相中的摩尔分率为yA,定义=0时，反应物A在气相中的摩尔分率为yA0,设=时，A转化率为xA，对应的反应混合物的体积流量为FV，于是,此时A组份的浓度为CA，所以,用类似的方法可以得到=时A组份的分压为PA,所以,或,于是，对于n级不可逆反应rA=kCAn，其速率方程可表达为,对于恒容情况，A=0，速率方程还原为 rA=k(CA0(1-xA)n,对于气相反应，如果反应物的初浓度以分压PA0(摩尔分数)给出，则根据理想气体状态方程,P: 操作压力; PA0: A组份起始分压; yA0: A组份起始摩尔分数; R: 气体常数; T: 操作温度/K,于是，对于n级不可逆反应rA=kCAn，其速率方程 又可表达为,其中，,在得到停留时间于转化率的关系后，反应体积可由,例6.2 在理想置换管式反应器中进行等温二级不可逆反应A+BR，已知气体物料的起始流量为360.0m3/h，A和B的初浓度均为0.8kmol/m3，其余的惰性气体的浓度为2.4kmol/m3，速率常数为8.0m3/(kmolmin)。要使A的转化率达到0.90，求停留时间和反应体积。,解：,rA=kCACB=kCA2，所以,积之,于是,6.3 变温管式反应器,问题的提出 化学反应经常伴有热效应，有些反应的热效应还较大，工业上实现等温操作比较困难；化学反应通常要求温度随着反应进程有一个适当的分布，以获得较好的反应效果 .,变温操作时，尽管反应器内物料径向混合均匀，但沿轴向(物料流动的方向)，物料的浓度、温度都发生变化，而速率常数又是温度的函数。因此，要对反应进程进行数学描述，需要联立物料衡算方程(速率方程)和热平衡方程.,为方便模型化，可将反应温度和关键组份的转化率表达为反应器轴向位置的函数。,其物料衡算方程为,即,设反应器的内径为d，距反应器入口的轴向坐标为l，于是微元反应体积为,(1) 物料平衡方程,(2) 热平衡方程,设Q1、Q4分别为单位时间内物料带入、带出微元体积的热量；Q2表示单位时间内间壁传热量；Q3表示单位时间内化学反应产生的热；热累积为零。,因此，稳态操作下，热平衡方程为,其中反应的热效应Q3包括反应热QR和物理变化热QP，设物理变化热QP=0，所以,各项热量的计算方法如下：,该式的物理意义为物料通过微元体积时显热的变化。ni、CPi分别表示进入微元体积的组份i的摩尔流量和定压摩尔热容； dT为物料经过微元体积时温度的变化。,间壁传热量,式中K为总传热系数；dA为微元体积的传热面积；d为管内径；T为反应物温度；Ts为传热介质温度。,化学反应热,式中qr为以组份A为基准的摩尔反应热；nA0为A组份的起始摩尔流量,将上面的具体算式代入热平衡方程，得,与物料平衡方程联立,求解可得xATl之间的关系,特别地，当间壁传热量Q2为零时，即绝热过程,假设在反应器中物料温度从T0变化到T，忽略反应过程中物系总摩尔数的变化，上式左端可积分为,式中F0为反应物系起始的摩尔流量； 为反应物系在T0T之间的平均定压热容。,又设FA0=F0yA0(yA0为反应开始时A组份的摩尔分率)，相应于温度从T0到T的变化，组份A的转化率从xA0变化到xA，则上式右端可积分为：,所以,也就是,称为绝热温升或温降，其物理意义为反应物中的A组份完全转化时，引起物系温度变化的度数。,于是,或,此式称为绝热方程，说明了绝热反应过程中A组份的转化率xA和反应温度T之间的关系。,38,上式与间歇反应器、全混流反应器在绝热情况推导出的公式完全一样，所以绝热方程适用于各类反应器。以xA 对温度T作图可得一条直线，如下图，直线的斜率等于1/。 若放热反应， 0，直线斜角90 若吸热反应， 0，直线斜角90 若等温反应， 0，直线斜角90,39,虽然绝热方程反映了三类反应器在绝热条件下操作温度与转化率的关系，但本质上还是有区别的：,平推流反应器：反映的是绝热条件下，不同轴向位置温度与转化率的关系； 间 歇 反应器：反映的是绝热条件下，不同反应时间温度与转化率的关系； 全混流反应器：反映的是绝热条件下，出口转化率与操作温度关系。,40,绝热反应器的求解要用下面三个式子联立：,或,具体解题步骤： (1).给出xAi用式求Ti (2).由Ti用式计算ki , rAi (3).由xAi等用式计算VRi或li 例6.3,41,例6.4 一级反应，rA=kCA，已知A的初浓度为1.0kmol/m3，速率常数为1.0/min。要求转化率达到90.0%，分别采用单釜连续、两等体积釜连续和管式反应器实现，反应时间分别是多少。,解：单釜连续时,42,两等体积釜连续时,采用管式反应器时,43,问题的提出：由以上例题可以看出，对于一定的化学反应，当物料处理量、物料的初浓度及终点转化率一定时，完成反应所需要的反应时间按多釜连续、单釜连续、管式连续反应器的次序递减。,究其原因，主要是因为就釜式连续这种操作方式而言，存在物料返混现象，致使反应物浓度降低，使得反应的推动力降低，其结果就是反应时间长,44,不同形式的反应器主要从两个方面进行比较： 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。换言之，生产能力的比较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。 对简单反应，不存在选择性问题，只需要进行生产能力的比较。对于复杂反应，不仅要考虑反应器的大小，还要考虑反应的选择性。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。因此反应的选择性往往是复杂反应的主要矛盾。,45,实现同一个化学反应，当反应条件，物料处理量、物料的初浓度及终点转化率相同时，理想置换型反应器的反应体积VRP(或停留时间P)与有返混的反应器的反应体积VRC (或停留时间RC)之比定义为容积效率，用E表示,E1，其值越小，说明反应器的容积效率越低