管式反应器--化工材料.ppt

第三章理 想 反 应 器 --------管式反应器 重点掌握的知识点 等温管式反应器设计方程的推导与应用。 管式和釜式反应器的对比。 循环反应器的计算与分析。 返混得基本概念 3.10.1 平推流反应器 工业上的管式反应器其长径比较大的可近似地按平推流反应器处理。（示意图见下图） 平推流反应器的特征 （1）通过反应器的物料质点，沿同一方向以同一流速流动，在流动方向上没有返混。 （2）所有物料质点在反应器中的停留时间都相同。 （3）同一截面上的物料浓度相同、温度相同。 （4）物料的温度、浓度沿管长连续变化。 平推流反应器示意图 3.10.2 平推流反应器设计 平推流反应器的设计方程 根据平推流反应器的特点，可取反应器中一微元段作物料衡算（如下图），然后沿管长对整个反应器积分，就可得到平推流反应器的设计基础式。 ■ 物料衡算方程 FA = FA＋dFA +-rA） dVR + 0 或 结论 1）恒容过程，平推流反应器与分批釜式反应器的设计方程是完全一致；所以只要反应是等容的，第二章中所导得的积分式均适用。同时也说明，在相同的条件下，完成相同的任务，在间歇式反应釜内所需要的反应时间与在平推流反应器内所需要的空间时间是相等的。请问有哪些不同？ 2）对于气相变容过程，用含膨胀因子的式子表示各个浓度即可。 3）如果反应速率方程过于复杂，往往需要用数值积分或如下图所示的图解法求解。 ■平推流反应器的热量衡算 由于在平推流反应器内沿轴向存在着反应速率的分布，所以实际上很难实现等温操作。而且多数反应也并不希望在等温下进行，常见的是绝热或变温下操作条件下的管式反应器。下面就此进行探讨。见P74 设单位截面积反应流体的质量流量为G，管径为D，流体在微元段中恒压比热容为CPt ， 单位时间内的热量： ①.流体流入微元段带入的热量 ②.流体流出微元段带出的热量 ③.流体在微元段反应放出的热量 ※ ④.从微元段传给换热介质的热量 带入的热量－带出的热量＋反应放出的热量－传给换热介质的热量=0 整理得： 从上可知管式反应器的轴向温度分布方程，与间歇釜式反应器的热量衡算式的形式甚为相似，差别在于： ①自变量的不同，间歇反应器的自变量为时间t，平推流反应器则用轴向距离； ②间歇釜式反应器是对整个反应器物料作衡算，平推流反应器是对微元反应体积。 1)绝热操作 绝热操作时K=0，系统与外界没有热交换，有 若不考虑热容随物料组成及温度的变化，积分上式得： 式中： ——温度T0～T之间，反应物系的平均比热容 该反应器的绝热方程与间歇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/λ。 若放热反应， λ＞0，直线斜角＜90 ° 若吸热反应， λ＜0，直线斜角＞90° 若等温反应， λ＝0，直线斜角＝90° 不同反应器中，绝热方程在本质上还是有区别的： ①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； ②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； ③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。 绝热反应器的求解要用下面三个式子联立求解。 2) 非绝热变温管式反应器 绝热反应器的不足之处在于：反应器的进出口温差太大。如 如果为可逆放热反应，T↑，平衡转化率↓ （见P113图4.8） 产物分布的控制也不容易作到 （不利于提高选择性） 对于可逆吸热反应，T↓速率变慢 。 2) 非绝热变温管式反应器 很多工业反应器要进行温度控制，与环境有热交换。控制反应器在一定的温度下操作（优化和安全操作）。 换热介质的选定：根据所控制的温度范围确定，原则应保持温差不宜过大，以免传热速率太快，操作不稳定。 例如：高温--烟道气、熔盐、高压蒸气等；低温--水、空气等。也可以适当安排利用产物的余热来加热原料。 非绝热变温管式反应器，由于化学反应与传热同时进行，这就需要保证有一定的传热面积，通常采用列管式反应器。 3）管式反应器的最佳温度序列