管式反应器-相关计算.ppt

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1、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16.1.1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2图6-1水平管式反应器3图6-2几种立式管式反应器4图6-3盘管式反应器图6-4U形管式反应器图5管式反应器的加热或冷却方式①套管或夹套传热

2、②套筒传热③短路电流加热④烟道气加热6-5圆筒式管式炉66.1.2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7理想置换假设的内容是①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；②轴向上的同截面上浓度、温度分布均匀可归纳为①同截面质点流速相等

3、，流经反应器所用的时间相同，径向混合均匀；②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(Re>104)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86.2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：FA0FA9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10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

4、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11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τ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τ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12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

5、以得出t=τ的结论呢？136.2.2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=πd2L/4可知，d、L可有多解，但应使Re>104，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14(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>10415(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16例6.1化学反应A+2B→C+D在管式反应

6、器中实现，rA=1.98×10-2CACBkmol/(m3·min)。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1.5×10-2Pa·s。要求使A的转化率达到0.98，求反应体积，并从Φ24×6,Φ35×9,Φ43×10三种管材中选择一种。17解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3密度ρ=(FVAρA+FVBρB)/(FVA+FVB)=948.0kg/m3反应器任意位置，CA=CA0(1-xA)

7、CB=CB0-2CA0xA，所以rA=kCACB=CA0(1-xA)(CB0-2CA0xA)18代入已知数据得VR=0.134m3分别计算三种管材的管长、Re值列入表中管材VR/m3d/mL/mRe×10-4Φ24×60.0121184.810.4Φ35×90.1340.017590.47.4Φ43×100.023322.55.4可见，三种管材均可满足Re>104的要求，但采用Φ24×6管长太长，而采用Φ43×10管材时，Re值偏小，所以采用Φ35×9管材.196.2.3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