第四章管式反應器天津大學化工學院反應工程教學組1.第四章管式反應器天津大學化工學院1.理想流動模型等溫管式反應器設計管式與釜式反應器反應體積的比較循環反應器變溫管式反應器計算本章內容2.理想流動模型本章內容2.4.1理想流動模型流動模型：反應器中流體流動與返混情況的描述。返混：在流體流動方向上停留時間不同的流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為逆向混合。

(1)徑向流速分布均勻(2)軸向上無返混活塞流模型（平推流）層流湍流活塞流(1)徑向上物料的所有參數都相同(2)軸向上不斷變化基本假定特點3.4.1理想流動模型流動模型：反應器中流體流動與返混情況管徑較小，流速較大的管式反應器可按活塞流處理4.1理想流動模型全混流模型徑向混合和軸向返混都達到最大反應物系的所有參數在徑向上均一，軸向上也均一，即：各處物料均一，均為出口值基本假定特點

劇烈攪拌的連續釜式反應器可按全混流處理4.管徑較小，流速較大的管式反應器可按活塞流處理4.1理想流動4.2等溫管式反應器的設計進入量=排出量+反應量+累積量4.2.1單一反應單一反應比較5.4.2等溫管式反應器的設計進入量=排出量+反應量4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計平行反應恒容過程6.4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計平行反應恒容4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計連串反應恒容過程k1

k27.4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計連串反應恒容例：4.2在活塞流反應器（PFR）中，于923K等溫下進行丁烯脫氫反應生產丁二烯：

C4H8C4H6+H2原料氣為丁烯與水蒸汽的混合氣，丁烯的摩爾分數10%，操作壓力為105Pa，973K時，k=1.079×10-4kmol/(h.m3.Pa)若要丁烯的轉化率達35%，空時為多少？解8.解8.例4.4管式，4.05MPa,936K下進行如下反應yT0=25％,yH075％,流速0.1m/s,求XTf=80%時所需的反應器長度二甲基萘、一甲基萘及萘的收率獨立反應數？關鍵組分？解T、D、M9.例4.4管式，4.05MPa,936K下進行如下反應yT0恒容設計方程速率方程變換(XT,YD,YM)10.恒容設計方程速率方程變換(XT,YD,YM)10.051015200.00.20.40.60.81.0(反應器長度)11.051015200.00.20.40.60.81.0(反應器4.2.3擬均相模型例4.50.12MPa,898K,乙苯脫氫ASH乙苯/水蒸氣＝1:20,XA=60%,催化劑用量=?解12.4.2.3擬均相模型例4.50.12MPa,898K4.3管式與釜式反應器反應體積的比較1.正常動力學相同條件下，PFR所需的反應體積小于CSTR和BRCSTR單釜CSTR兩釜串PFR或BR13.4.3管式與釜式反應器反應體積的比較1.正常動力學相同條件4.3管式與釜式反應器反應體積的比較2.反常動力學OCSTR單釜CSTR兩釜串PFR或BR結論？14.4.3管式與釜式反應器反應體積的比較2.反常動力學OCST3.有極大值情況4.3管式與釜式反應器反應體積的比較15.3.有極大值情況4.3管式與釜式反應器反應體積的比較15.例：4.6等溫下進行如下反應：操作溫度下平衡常數已知，且進料濃度給定，求當辛醇轉化率達30%時，計算反應體積。（PFR和CSTR）HCl(A)+CH3(CH2)6CH2OH(B)CH3(CH2)6CH2Cl+H2OHCl(A)+CH3(CH2)10CH2OH(C)CH3(CH2)10CH2Cl+H2O（1）PFR反應器解設計方程（B、C）16.例：4.6等溫下進行如下反應：操作溫度下平衡常數已知，且（2）采用CSTR反應器設計方程（B、C）17.（2）采用CSTR反應器設計方程（B、C）17.ReactorM4.4循環反應器32118.ReactorM4.4循環反應器32118.4.5變溫管式反應器

4.5.1管式反應器的熱量衡算反應器內流體流動符合活塞流假定反應器內溫度分布徑向均勻，軸向變化控制體積基本假設熱力學第一定律dVr19.4.5變溫管式反應器

4.5.1管式反應器的熱量衡算Δ

Δ

（4.26）反應熱溫度變20.ΔΔ（4.26）反應熱溫度變20.單一反應復合反應？21.單一反應復合反應？21.4.5.2絕熱管式反應器絕熱22.4.5.2絕熱管式反應器絕熱22.吸熱反應等溫反應放熱反應ABCtZZAZBZCtBtctABRCSTRPFRT,XAABCXAXA1XA2XA3T0TATBTCTO23.吸熱反應等溫反應放熱反應ABCtZZAZBZCtBtctAB圖4.8可逆放熱反應溫度與轉化率關系24.圖4.8可逆放熱反應溫度與轉化率關系24.圖4.9絕熱管式反應器最佳進料溫度25.圖4.9絕熱管式反應器最佳進料溫度25.（1）催化劑用量（2）反應器軸向溫度與轉化率分布例4.7絕熱管式反應器計算26.（1）催化劑用量例4.7絕熱管式反應器計算26.等溫過程絕熱過程27.等溫過程絕熱過程27.管式反應器絕熱操作溫度與濃度分布圖28.管式反應器絕熱操作溫度與濃度分布圖28.4.5.3非絕熱變溫管式反應器（1）催化劑用量（2）反應器軸向溫度與轉化率分布例4.8非絕熱管式反應器計算29.4.5.3非絕熱變溫管式反應器（1）催化劑用量例4.8等溫過程絕熱過程非絕熱變溫過程30.等溫過程絕熱過程非絕熱變溫過程30.過程等溫T=898K絕熱T0=898K非絕熱T0=898K催化劑用量/Kg172549493135XAf=60%時催化劑用量31.過程等溫T=898K絕熱非絕熱催化劑用量/Kg17254944.6管式反應器的最佳溫度序列4.6.1

單一反應等溫操作變溫操作不可逆或可逆吸熱反應?可逆放熱反應?單一反應：生產強度最大復合反應：目的產物的收率（選擇性）最大可逆放熱反應32.4.6管式反應器的最佳溫度序列4.6.1單一反應等溫4.6.2復合反應平行反應生產強度最大P選擇性最大先低溫后高溫低溫E1<E2E1>E2?連串反應1.等溫反應，不存在最佳溫度

若E1<E2,則溫度越低越好若E1>E2,則溫度越高越好2.非等溫反應若E1<E2,則溫度應先高后低33.4.6.2復合反應平行反應生產強度最大P選擇性最大先低例4.9：等溫操作時最優操作溫度的計算最優化目標：P收率最大Topt設計方程34.例4.9：等溫操作時最優操作溫度的計算最優化目標：P收率最大第四章管式反應器天津大學化工學院反應工程教學組35.第四章管式反應器天津大學化工學院1.理想流動模型等溫管式反應器設計管式與釜式反應器反應體積的比較循環反應器變溫管式反應器計算本章內容36.理想流動模型本章內容2.4.1理想流動模型流動模型：反應器中流體流動與返混情況的描述。返混：在流體流動方向上停留時間不同的流體粒子之間的混合稱為返混，也稱為逆向混合。

(1)徑向流速分布均勻(2)軸向上無返混活塞流模型（平推流）層流湍流活塞流(1)徑向上物料的所有參數都相同(2)軸向上不斷變化基本假定特點37.4.1理想流動模型流動模型：反應器中流體流動與返混情況管徑較小，流速較大的管式反應器可按活塞流處理4.1理想流動模型全混流模型徑向混合和軸向返混都達到最大反應物系的所有參數在徑向上均一，軸向上也均一，即：各處物料均一，均為出口值基本假定特點

劇烈攪拌的連續釜式反應器可按全混流處理38.管徑較小，流速較大的管式反應器可按活塞流處理4.1理想流動4.2等溫管式反應器的設計進入量=排出量+反應量+累積量4.2.1單一反應單一反應比較39.4.2等溫管式反應器的設計進入量=排出量+反應量4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計平行反應恒容過程40.4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計平行反應恒容4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計連串反應恒容過程k1

k241.4.2.2復合反應4.2等溫管式反應器的設計連串反應恒容例：4.2在活塞流反應器（PFR）中，于923K等溫下進行丁烯脫氫反應生產丁二烯：

C4H8C4H6+H2原料氣為丁烯與水蒸汽的混合氣，丁烯的摩爾分數10%，操作壓力為105Pa，973K時，k=1.079×10-4kmol/(h.m3.Pa)若要丁烯的轉化率達35%，空時為多少？解42.解8.例4.4管式，4.05MPa,936K下進行如下反應yT0=25％,yH075％,流速0.1m/s,求XTf=80%時所需的反應器長度二甲基萘、一甲基萘及萘的收率獨立反應數？關鍵組分？解T、D、M43.例4.4管式，4.05MPa,936K下進行如下反應yT0恒容設計方程速率方程變換(XT,YD,YM)44.恒容設計方程速率方程變換(XT,YD,YM)10.051015200.00.20.40.60.81.0(反應器長度)45.051015200.00.20.40.60.81.0(反應器4.2.3擬均相模型例4.50.12MPa,898K,乙苯脫氫ASH乙苯/水蒸氣＝1:20,XA=60%,催化劑用量=?解46.4.2.3擬均相模型例4.50.12MPa,898K4.3管式與釜式反應器反應體積的比較1.正常動力學相同條件下，PFR所需的反應體積小于CSTR和BRCSTR單釜CSTR兩釜串PFR或BR47.4.3管式與釜式反應器反應體積的比較1.正常動力學相同條件4.3管式與釜式反應器反應體積的比較2.反常動力學OCSTR單釜CSTR兩釜串PFR或BR結論？48.4.3管式與釜式反應器反應體積的比較2.反常動力學OCST3.有極大值情況4.3管式與釜式反應器反應體積的比較49.3.有極大值情況4.3管式與釜式反應器反應體積的比較15.例：4.6等溫下進行如下反應：操作溫度下平衡常數已知，且進料濃度給定，求當辛醇轉化率達30%時，計算反應體積。（PFR和CSTR）HCl(A)+CH3(CH2)6CH2OH(B)CH3(CH2)6CH2Cl+H2OHCl(A)+CH3(CH2)10CH2OH(C)CH3(CH2)10CH2Cl+H2O（1）PFR反應器解設計方程（B、C）50.例：4.6等溫下進行如下反應：操作溫度下平衡常數已知，且（2）采用CSTR反應器設計方程（B、C）51.（2）采用CSTR反應器設計方程（B、C）17.ReactorM4.4循環反應器32152.ReactorM4.4循環反應器32118.4.5變溫管式反應器

4.5.1管式反應器的熱量衡算反應器內流體流動符合活塞流假定反應器內溫度分布徑向均勻，軸向變化控制體積基本假設熱力學第一定律dVr53.4.5變溫管式反應器

4.5.1管式反應器的熱量衡算Δ

Δ

（4.26）反應熱溫度變54.ΔΔ（4.26）反應熱溫度變20.單一反應復合反應？55.單一反應復合反應？21.4.5.2絕熱管式反應器絕熱56.4.5.2絕熱管式反應器絕熱22.吸熱反應等溫反應放熱反應ABCtZZAZBZCtBtctABRCSTRPFRT,XAABCXAXA1XA2XA3T0TATBTCTO57.吸熱反應等溫反應放熱反應ABCtZZAZBZCtBtctAB圖4.8可逆放熱反應溫度與轉化率關系58.圖4.8可逆放熱反應溫度與轉化率關系24.圖4.9絕熱管式反應器最佳進料溫度59.圖4.9絕熱管式反應器最佳進料溫度25.（1）催化劑用量（2）反應器軸向溫度與轉化率分布例4.7絕熱管式反應器計算60.（1）催化劑用量例4.7絕熱管式反應器計算26.等溫過程絕熱過程61.等溫過程絕熱過程27.管式反應器絕熱操作溫度與濃度分布圖62.管式反應器絕熱操作溫度與濃度分布圖28.4.5.3非絕熱