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

2、同。（4）物料的溫度、濃度沿管長連續變化。2022-3-234 0 Z/2 Z 2022-3-235平推流反應器的設計方程平推流反應器的設計方程 根據平推流反應器的特點，可取反應器中一微元段作物料衡算（如下圖），然后沿管長對整個反應器積分，就可得到平推流反應器的設計基礎式。 物料衡算方程物料衡算方程 0 dZ Z FA0 FAf dVR FA FA+dFA 2022-3-2362022-3-237 FA = FAdFA +-rA） dVR + 0的積累速度反應器中的反應量單位時間的流出量單位時間的流入量單位時間AAAAAARdFrdV 00(1)AAAAAdFdFxF dx 0AAARF dx

3、rdV 00A fxARAAdxVFr即：積分得2022-3-238或000A fxRAAAVdxCvr001AAAAAACdCxdxCC 0A fACACAdCr 恒容時：從上式可得出什么結論？ 平推流反應器基礎設計式1平推流反應器基礎設計式 22022-3-239結論結論1）恒容過程，平推流反應器與分批釜式反應器的設計方程是完全一致；所以只要反應是等容的，第二章中所導得的積分式均適用。同時也說明，在相同的條件下，完成相同的任務，在間歇式反應釜內所需要的反應時間與在平推流反應器內所需要的空間時間是相等的。請問有哪些不同？ 2）對于氣相變容過程，用含膨脹因子的式子表示各個濃度即可。3）如果反應

4、速率方程過于復雜，往往需要用數值積分或如下圖所示的圖解法求解。2022-3-2310圖 平推流反應器的圖解計算示意圖 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 2022-3-2311 由于在平推流反應器內沿軸向存在著反應速率的分布，所以實際上很難實現等溫操作。而且多數反應也并不希望在等溫下進行，常見的是絕熱或變溫下操作條件下的管式反應器。下面就此進行探討。見P74考慮如圖所示的平推流反應器，截取段容積為dVR的微元段，微元段長度為dZ，在微元段內反應轉化率的變化為dxA、溫度變化為dT，由此對微元體作熱量平衡：圖 平推

5、流反應器的熱量衡算示意圖 0 dZ dVR Z U (T Tm) D dZ G G T T + dT 2022-3-2313 設單位截面積反應流體的質量流量為G，管徑為D，流體在微元段中恒壓比熱容為CPt ， 單位時間內的熱量：.流體流入微元段帶入的熱量 .流體流出微元段帶出的熱量 .流體在微元段反應放出的熱量 .從微元段傳給換熱介質的熱量 2(/4)PtGD C T2( /4)()PtGD CTdT()AArRrHdV2( /4)RdVD dZ()()mK TTD dZ2022-3-2314帶入的熱量帶出的熱量反應放出的熱量傳給換熱介質的熱量=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：反應器入口處A的質量分率) 0AAAAGdxrMdZ管式反應器的軸向溫度分布方程2022-3-2315 整理得： 從上可知管式反應器的軸向溫度分布方程，與間歇釜式反應器的熱量衡算式的形式甚為相似，差別在于： 自變量的不同，間歇反應器的自變量為時間t，平推流反應器則用軸向距離； 間歇釜式

7、反應器是對整個反應器物料作衡算，平推流反應器是對微元反應體積。04()()AArmAAAPtGKdZHTTMDdxdTdxGC2022-3-23161)絕熱操作 絕熱操作時K=0，系統與外界沒有熱交換，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 絕熱反應過程轉化率與溫度的關系 2022-3-2318 不同反應器中，絕熱方程在本質上還是有不同反應器中，絕熱方程在本質上還是有區別的：區別的： 平推流反應器：反映的

8、是絕熱條件下，不同軸向位置溫度與轉化率的關系； 間 歇 反應器：反映的是絕熱條件下，不同反應時間溫度與轉化率的關系； 全混流反應器：反映的是絕熱條件下，出口轉化率與操作溫度關系。2022-3-2319 絕熱反應器的求解要用下面三個式子聯立求解。000()()ArAAAPtAHTTxxC M00A fxARAAdxVFr200(/4)A fxAAAdxD ZFr或，0expEkkRT2022-3-23202) 非絕熱變溫管式反應器非絕熱變溫管式反應器 絕熱反應器的不足之處在于：反應器的進出口溫差太大。如 如果為可逆放熱反應，T，平衡轉化率 （見P113圖4.8）產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，T速率變慢 。2022-3-23212) 非絕熱變溫管式反應器非絕熱變溫管式反應器很多工業反應器要進行溫度控制，與環境有熱交換。控制反應器在一定的溫度下操作（優化和安全操作）。換熱介質的選定：根據所控制的溫度范圍確定，原則應保持溫差不宜過大，以免傳熱速率太快，操作不穩定。 例如：高溫-煙道氣、熔鹽、高壓蒸氣等；低溫-水、空氣等。也可以適當安排利用產物的余熱來加熱原料。非絕熱變溫管式反應器，由于化學反應與傳熱同時進行，這就需要保證有一定的傳熱面積，通常采用列管式反應器。 2022-3-23223）管式反應器的最佳溫度序列 對于不可逆反應和可逆吸熱反應，其最佳操作溫

10、度序列應遵循先低后高，即管式反應器的反應溫度從進口到出口逐漸升高；對于可逆放熱反應則剛好相反。2022-3-23233.10.3 理想流動反應器的組合理想流動反應器的組合與反應器體積的比較與反應器體積的比較 理想流動反應器的組合如右圖所示。 組合的目的是使最終轉化率達到最大或使組合后的總的反應器體積最小。2022-3-23243.10.3.1 平推流反應器的并聯操作n例如有N個活塞流反應器并聯，當反應溫度相同時，若進、出料組成相同，則組合后總的反應器體積與每個反應器的體積有關。000AXARAAdXVV Cr12RRRVVV00102VVV01002000AAXXAARAAAAdXdXVV C

11、V Crr2022-3-23253.10.3.1 平推流反應器的并聯操作n要使 組合后的反應器體積最小，則必須滿足：01020,0,RRVVVV0100200012AAXXAARAAAAdXdXVV CV Crr000012AAXXAAAAAAdXdXCCrr1232022-3-23263.10.3.1 平推流反應器的并聯操作120102RRVVVV120102RRVVVV即：結論：并聯操作的多個平推流反應器，只要物料的體積流量按反應器的體積大小分配，就可使組合反應器總的體積最小。同時保證各個反應器的出口組成一致。2022-3-23273.10.3.2 循環反應器循環反應器 對于很多反應過程，

12、如合成氨、合成甲醇對于很多反應過程，如合成氨、合成甲醇等過程，由于化學平衡的限制，單程轉化率并等過程，由于化學平衡的限制，單程轉化率并不高，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（含有大量的反應物）的物料進行循環。大量的反應物）的物料進行循環。 如果將反應器出口的反應產物部份地返回如果將反應器出口的反應產物部份地返回到入口處與原始物料混合，然后再進入反應器到入口處與原始物料混合，然后再進入反應器去進行反應，這類反應器簡稱為循環反應器。去進行反應，這類反應器簡稱為循環反應器。帶分離器和換熱器的循環反應器計算方法同于帶分離器和換熱器的循環反應器計算方法同于單一反應器的

13、計算，我們只講下圖所示的具有單一反應器的計算，我們只講下圖所示的具有循環操作的平推流反應器。循環操作的平推流反應器。2022-3-23283.10.3.2 循環反應器循環反應器循環反應器的假設：循環反應器的假設：1）反應器內為理想活塞流反應器；2）管線內不發生化學反應；3）整個體系處于定常態操作。2022-3-2329循環反應器的設計方程 循環比的定義：r0QQ循環物料量新鮮原料量注：不同的循環比定義，其含義是不同的。 因此，反應器的物料處理量（即反應器入口處的關鍵組分因此，反應器的物料處理量（即反應器入口處的關鍵組分的體積流量）：的體積流量）：00r0QQQ1Q 2022-3-2330現對現

14、對M點作組分點作組分A的物料衡算（是對組分的物料衡算（是對組分A的物質量的物質量進行衡算）：進行衡算）：進入進入M點的物質的量：點的物質的量： （量綱：（量綱：kmol/h） 出出M 點的物質的量：點的物質的量： （量綱：（量綱：kmol/h） = 0A0rA0A00A0AfQ CQCQ CQ C1 X0A0A01Q C1 X0A0Q C 0A00A0AfQ CQ C1 X0A0A01Q C1 XAfA0XX1+2022-3-2331由于反應流體在反應器內仍呈平推流，所以其設計方程可采用式：fA0R0A0XQ CrAXAAdXV f0R0A01Q CrAAXAXAdXVfAfXR0A01+V1

15、Q CrAXAAdXfAfrXA01+0VCQrAXAAdX這就是循環活塞流管式反應器的設計方程2022-3-2332 當 ， XA0=0 ，該循環反應器變為一般的活塞流管式反應器。 當 ，XAiXAf ，該循環反應器變為一般的全混流釜式反應器。 實際上，當 ，即可認為反應器達到了全混狀態（等濃度操作）。0 時時25很大，一般認為時2022-3-23333.10.3.3 反應器型式和操作方式的評選反應器型式和操作方式的評選 本節僅從反應器生產能力和產品分布這兩個影響過程經濟性的主要因素出發，就單一反應討論其反應器型式和操作方法的評選。 由于不存在副反應，所以，在反應器選型時只需考慮如何有利于反

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

17、 平推流反應器 面積=/CA0 2022-3-23351/rA 隨xA的增大而單調下降， 如下圖所示，對于n0的不可逆等溫反應均具有此性狀。采用具有返混的全混流為最佳，多釜串聯將導致反應器容積增大，且釜數愈多容積就愈大。平推流將不利于這類反應。 圖 不同反應器所需的體積(=VR/V0) 1/rA 0 xA (a) 平推流反應器 面積=/CA0 1/rA 0 xA (b) 全 混 流 反 應 器 面 積 = /CA0 1/rA 3/CA0 2/CA0 1/CA0 0 xA (c) 多 釜 串 聯 全 混 流 反 應 器 2022-3-2336(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，可將其分解為單調上升或單調下降，然后根據任務要求進行反應器的選擇或組合。 自催化反應和絕熱操作的放熱反應具有這種征。 當反應器出口轉化率（XAf）小于相應于最大反應速率的（XAM）時，此時同反常動力學，選全混流反應器最佳，而平推流反應器所需的反應容積最大，如下圖a的 左半部分。2022-3-2337 1/rA 0 xAM xA (a) 全混流+平推流 1/CA0 2/CA0 1/rA 0 xA (b) 在最優循環比下的平推流反應器 面積=/CA0 (3) 1（-/rA）對xA的曲線上存在著極小值示

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

20、應器，使關鍵組分的轉化率達到，然后再將物料送入管式反應器繼續反應到終點。此種組合所需反應器體積最小。2022-3-2340平推流反應器與全混流反應器的比較 定性分析 當完成相同的任務時，反應速率取決于 （1-XA）值的大小及其分布。 在全混流反應器中，由于返混達最大，反應器內反應物的濃度為反應器出口處的濃度，因而整個反應過程處于低濃度范圍操作。 平推流反應器，由于物料不存在返混，因此，反應器內反應物濃度較高。2022-3-2341平推流反應器與全混流反應器的比較結論：對于同一個單一級數反應，在相同工藝條件，達到相同的轉化率，所需的反應體積是平推流反應器的最小，而全混流反應器的體積最大。亦即，若反應器的體積相同，則平推流反應器實現的轉化率最大，全混流反應器的最小。2022-3-2342平推流反應器與全混流反應器的比較對于平推流反應器，在恒溫下，設計方程：0011nnnAAAAAAAXrkCkCyX 定量分析 假設反應為n級反應，其動力學方程：0100111AfnXAAAPAnnAAy