管式反应器相关计算
第四章管式反应器
反应压力及温度分别为2.０26×10５Pa及８15℃。进料含50％（mｏｌ）Ｃ2H６,其余为水蒸汽。进料量等于0．178kg／s。反应速率方程如下：
式中pＡ为乙烷分压。在8１5℃时，速率常数 ,平衡常数 ,假定其它副反应可忽略，试求:
式中的分压以Pa表示，假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。加料组成为２３%Ｂ,46%A,３１％Q（均为重量％），加料中不含酯,当XＢ＝３５%时，所需的催化剂量是多少？反应体积时多少?乙酸乙酯的产量为２0８3kg/h。
解：由反应计量方程式知反应过程为恒容过程,将速率方程变为B组分转化率的函数，其中:
为求各组分初始分压,须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即12．34％B,３2.１％A,５5.4５%Q。于是有:
所以,所需反应器体积:
由计算结果可知,活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大,这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
4.3 1.0１3×1０5Pa及20℃下在反应体积为0.５m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应：
式中的浓度单位为kｍｏl/ｍ3。进气组成为１0%NＯ,1%NO2,９%Ｏ２，80%Ｎ2,若进气流量为0.6m3/h（标准状况下),试计算反应器出口的气体组成。
解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程,原料甲苯与氢的摩尔比等于1,即：
,则有：
示中下标T和Ｈ分别代表甲苯与氢,其中：
所以，所需反应器体积为:
所以,反应器的长度为:
４.２根据习题3．2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解:题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3．2中已算出:
管式反应器
管式反应器4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题 3.2中已算出：0275.8/=Q l h 0 1.231/=A C mo l l 所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X l kC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的4.4在内径为76.2mm 的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯： 26242⇔+C H C H H 反应压力及温度分别为2.026×105Pa 及815℃。
进料含50%(mol)C 2H 6,其余为水蒸汽。
进料量等于0.178kg/s 。
反应速率方程如下：-=AA dp kp dt式中p A 为乙烷分压。
在815℃时，速率常数11.0-=k s，平衡常数47.4910=⨯K Pa ，假定其它副反应可忽略，试求：（1） （1） 此条件下的平衡转化率；（2） （2） 乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。
解：（1）设下标A —乙烷，B —乙烯，H —氢。
此条件下的平衡转化率可按平衡式求取：=B Hp A p p K p5015050150110 1y y y y 5011501y y y 11111 50Py , 1y y y 100B0B 000A A0000000eA eA e A eA AA A AA A HB eA e A A A A A A A A i i AA A AA Ai i i AA A AA A ii i X .X *.X .X *.*X y X X .)X (.X y X .y p X y X X y Xp p p +=+--=+-==+-=+-=+==+-=+-=δννδδδννδνν＝－＝， 61014497150150422.X *.P )X )(X .(X .P y P y y p p p K Ae Ae Ae A H B A H B Ae==-+===若以1摩尔C 2H 6为基准，反应前后各组分的含量如下：262422,,⇔+∑C H C H H H O反应前 1 0 0 1 2 平衡时 1-X e X e X e 1 2+ X e 因此，平衡时各组分分压为：111(1),,222-===+++e e e B H A e e e P X P X P X p p p X X X 将其代入平衡式有：2541() 2.02610/7.491022-⨯⨯=⨯++e ee eX X X X解此一元二次方程得：0.61=e X（2） （2） 所需的反应管长：首先把反应速率方程变为()3/,/.-=A A d p RT kp kmol m sdt RT以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。
4-管式反应器
4.2 等温管式反应器的设计
基于催化剂的质量来表示反应速率
催化剂的堆密度
例4.5
4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较
釜式反应器反应体积的比较方法？ 釜式反应器复合反应目的产物收率的比较方法？
前提条件：
1. 进行相同的反应 2. 采用相同的进料流量和进料浓度 3. 反应温度与最终转化率相同
分三种情况： 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况
重点掌握：
等温管式反应器设计方程的推导和应用 管式和釜式反应器的对比 循环反应器的计算与分析 变温管式反应器的分析与计算，包括：热量衡 算方程的建立、绝热温升和非绝热变温管式反应器 的计算等 深入理解： 活塞流和全混流模型的基本假设与含义，返混 的基本概念 广泛了解： 拟均相的含义和模型假定
4.1 理想流动模型
1、基本概念 2、理想流动分类
1、基本概念
流动模型：是反应器中流体流动和返混情况的描 述，这一状况对反应结果有非常重要 的影响
管中两种实际的流动状况 A.层流，Re<2000，其径向流速分布为抛物面状 B.湍流，Re>4000，其径向流速分布为扁平状
返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒 子之间的混合，称为返混，也称为轴向混 合或逆向混合
4.1 理想流动模型
2、理想流动分类
（依据流体径向速度分布和返混情况） A 活塞流模型（平推流）
1.基本假定： （1）径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口 向出口运动； （2）径向混合均匀，即无浓度和温度梯度； （3）不存在返混，即流体流动方向上不存在流体混合。 符合上述假设的反应器，同一时刻进入反应器的流体 粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时 间相同 2.特点: 径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化
任务5连续操作管式反应器的计算(精)
1 A [(vL vM ) (v A vB )] vA 1 n 一般式为： A vi v A i 1
例： 计算下列反应的化学膨胀因子 1. A+B＝P+S 2. A＝P+S 3. A+3B＝2P 4. 2A＝P+2S 解：
[( 1 1 ) ( 1 1 )] 1、 A 0 1 [( 1 1 ) 1 ] 2、 A 1 1 3、 A [2 (1 3)] 2 1 4、 A [(1 2) 2] 1 2 2
物料衡算
微元时间微 微元时间内 微元时间内 微元时间微元 进入微元体 离开微元体 体积内转化掉 元体积内反 的反应物量 应物的累积量 积的反应物量 积的反应物量
恒温变容管式反应器的计算 气相反应：
Vt V0 (1 y A0 A xA )
Ft F0 (1 y A0 A xA )
c A c A0
(rA ) A0 1 dnA dxA V d 1 y A0 A x A d
气相反应在恒温下进行：A+B→P，物料在连续操作管 式反应器的初始流量为360m3/h，组分A与组分B的初 始浓度均为0.8kmol/m3，其余惰性物料浓度为 2.4kmol/m3，k为8m3/（kmol ·min）,求组分A的转 化率为90%时反应器的有效体积。
VR 1 2 FA0 kcA0 xA 2 2 2 2 A y A0 (1 A y A0 ) ln(1 x A ) A y A0 x A (1 A y A0 ) 1 x A
管式流动反应器内的非恒温操作可分为绝热式 和换热式两种。 • 当反应的热效应不大，反应的选择性受温度的 影响较小时，可采用没有换热措施的绝热操作。这 样可使设备结构大为简化，此时只要反应物加热到 要求的温度送入反应器即可。 • 如果反应过程放热，则放出的热量将使反应后 物料的温度升高。如反应吸热，则随反应的进行， 物料的温度逐渐降低。当反应热效应较大时，则必 须采用换热式，以便通过载热体及时供给或移出反 应热。 管式反应器多数采用连续操作，少数采用半连 续操作，使用间歇操作的则极为罕见。
石油化工工厂装备_07管式反应器_计算
dt u ρ 0.483 ×0.172 ×940
Re =
=
μ
1 ×10-4
= 7.81 ×105
∴流动状态为湍流，查图 得λ= 0.0165
l+∑le u2ρ
△P =λ·
·
dt
2
112.1 + 60 ×0.483 0.172 2 ×940
= 0.0165 ×
×
0.483
公式中的“反应管摩擦系数λ”可通过先计算雷诺数，再利 用“摩擦系数与雷诺数的关系”图查得
什么是雷诺数？ 流体力学中，雷诺数是流体惯性力与黏性力的比值的量度,
他是一个无量纲量。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响 大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体 流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流 场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变 化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。
（二）物料通过反应管的压降
压降pressure drop
流体在管中流动时由于能量损失而引起的压力降低。这种 能量损失是由流体流动时克服内摩擦力和克服湍流时流体 质点间相互碰撞并交换动量而引起的，表现在流体流动的 前后处产生压力差，即压降。
压降的大小随着管内流速变化而变化。
物料通过反应管的压降（P ）计算公式：
雷诺数(Re)计算公式
Re dtu
μ ：流体粘度
【例题】某厂环氧乙烷水合生产乙二醇采用U型管反应器 （粗糙管）。反应器总长l=112.1m，内径dt=0.483m，并已知 物料的密度ρ=940kg/ m3 ，粘度μ=1×10-4 Pa ·s，流速u为 0.172m/s，回弯头当量长度le =60dt ，试计算物料通过反应管 的压降△P。
任务5连续管式反应器设计
y A0
nA0 nt 0
为A组分占反应开始时总物
质的摩尔分数
恒温变容管式反应器计算公式
化学反应
速率方程
计算式
A
P（零级） -rA=k
VR xA
FA0
kA
A
P（一级） -rA=kCA
VR (1 A yA0 ) ln(1 xA ) A yA0 xA
换句话说，若反应器体积相同，连续操作管式反应 器所达到的转化率比连续操作釜式反应器更高。
27
1.间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较
对间歇操作釜式反应 器，其反应时间为：
对连续操作管式反应 器，其反应时间为：
m
CA0
xAf 0
dxA rA
p
VRp V0
xAf
CA0
特征：同一截面上不同径向位置的流体特性（T，CA） 是一致的。所有物料在反应器中的停留时间相同, 即 无返混.操作时，反应器内的状态只随轴向位置变， 不随时间变
2
一、 基础设计方程式
连续操作管式反应器具有以下特点： 1.在正常情况下，它是连续定态操作，故在反应
器的各处截面上，过程参数不随时间而变化； 2.反应器内浓度、温度等参数随轴向位置变化，
复合反应
反应器 的大小
影响
过程的 经济性
影响
产物分布 （选择性、收率等）
单一反应
复合反应
26
（一）简单反应的反应器生产能力的比较
简单反应是指只有一个反应方向的过程。其优化目 标只需考虑反应速率，而反应速率直接影响反应 器生成能力。
即：对简单反应，单位时间、单位体积反应器所能 得到的产物量，为达到给定生产任务所需反应器 体积最小为最好。
管式反应器(上资料
毕业论文题目管式反应器操作与控制专业应用化工生产技术年级姓名指导教师定稿日期：2013年5月25日目录一、管式反应器的概述 (1)二、管式反应器的特点 (2)三、管式反应器的分类 (3)四、管式反应器的日常维护 (5)五、管式反应器故障分析及处理 (5)六、关于管式反应器的计算 (7)七、管式反应器生产实例 (12)八、相关习题 (15)（一）判断题 (15)（二）选择题 (15)（三）填空题 (15)（四）问答题 (15)（五）参考答案 (15)结语 (16)参考文献 (16)致谢 (17)管式反应器操作与控制一、管式反应器的概述管式反应器是一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。
这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。
反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。
通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），物料的流动可近似地视为平推流。
管式反应器返混小，因而容积效率（单位容积生产能力）高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。
此外，管式反应器可实现分段温度控制。
其主要缺点是，反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。
二、管式反应器的特点1、反应物的分子在反应器内停留时间相等，反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化。
2、管式反应器的单位反应器体积具有较大的换热面，特别适用于热效应较大的反应。
3、由于反应物在管式反应器中返混小，反应速度快，流速快，所以它的生产率高。
4、管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产。
5、和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近于理想置换流。
6、反应器内各处的浓度未必相等，反应速率随空间位置而变化；7、由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向。
李绍芬版本 反应工程 课后习题全解 管式反应器
4 管式反应器4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应： 6532664+→+C H CH H C H CH在反应条件下该反应的速率方程为：0.51.5,/.=T H r C C mol l s式中C T 及C H 分别为甲苯及氢的浓度，mol/l ，原料处理量为2kmol/h ，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。
若反应器的直径为50mm ，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。
解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即：00=T H C C ，则有：0(1)==-T H T T C C C X示中下标T 和H 分别代表甲苯与氢，其中：53300330000.5 1.01310 5.6810/8.3141010732/21/0.27810/--⨯⨯===⨯⨯⨯====⨯T T T T p C kmol mRT F Q C kmol h kmol s所以，所需反应器体积为：00000.5 1.500 2.50.95333 1.5 1.501.5 1.5(10.95)10.278100.4329 3.0061.5(5.6810)(1) 1.51---==--=⨯=⨯=⨯--⎰⎰⎰TT X X T Tr T T T H T T T dX dX V Q C Q C C C C dX mX 所以，反应器的长度为：23.0061531.10.05 3.14/4=⨯m4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。
解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出：0275.8/=Q l h 0 1.231/=A C mol l所以，所需反应器体积：00000000(1)()275.80.95818.61 5.2 1.23110.95=--===-⨯-⎰AX Ar A A A B A A A A A dX V Q C kC X C C X Q X lkC X由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。
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d/m 0.012 0.017 0.023
L/m Re×10-4 1184.8 10.4 590.4 7.4 322.5 5.4
dxA rA
FV 0
xA 0
dxA k(1 xA )(CB0 - 2CA0xA )
FV 0
ln
1- xA
k(2CA0 - CB0 ) 1- 2CA0 xA / CB0
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 Φ24×6 Φ35×9 Φ43×10
VR/m3 0.134
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
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：
FA0
FA FA0 (1 xA)
FA
输出量：
再检验Re是否>104
L
=
4VR
d 2
或L
=
u
=
4FV 0 d 2
(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
A = dL
VR
=
d 2L
4
所以
d = 4VR ; L = A
A d
例6.1 化学反应A+2B→C+D在管式反应器中实 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。
用τ表示：
= VR FV
反应体积 = 反应器中物料的体积流 量
• 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 :
=
VR FV 0
=
反应体积 进料的体积流量
• 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
SV
=
FV 0 VR
2
图6-2几种立式管式反应器
3
图6-3盘管式反应器 图6-4U形管式反应器图
4
管式反应器的加热或冷却方式
• ①套管或夹套传热 • 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
5
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
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
1
图6-1水平管式反应器
(1)先规定流体的Re(>104)，据此确定管径d，再计
算管长L
由 Re
=
du
其中
u
=
4FV 0
d 2
所以 d
=
4FV 0 Re
;
L
=
4VR
d 2
(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
L=u
;d
=
(
4VR
1
)2
L
(3)根据标准管材规格确定管径d，再计算管长L，
VR
FV 0CA0
xA 0
dxA rA
FAo
xA 0
dxA rA
设在理想置换管式反应器中进行等温恒容n级不可
ห้องสมุดไป่ตู้
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
解：反应物的体积流量FV0=FVA+FVB=0.56m3
密度ρ=(FVAρA+FVB ρB)/(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)
VR
FV C0 A0
xA 0
1
=
=
FA0 C A0VR
11
对于恒容过程
= VR
FV
或 = VR
FV 0
(恒容) ，也就是
CA0
xA 0
dxA rA
比较第三章间歇釜式反应器的反应时间
t CA0
xA dxA 0 rA
二者右边形式完全一样，是否就可以得出t=τ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=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
∫ VR
FV 0CA0
xA 0
dxA rA
FV 0 (1- (1- xA )n-1)
k
(n
-1)C
n1 A0
(1-
xA
)
n-1
当n=1时，积分结果为
∫ VR
FV 0CA0
xA 0
dxA rA
FV 0 k
ln 1 1 xA
• 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，
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，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
FA dFA FA0(1- (xA dxA))
反应量：
rAdVR
于是
FA0 (1- xA) FA0 (1- (xA dxA)) rAdVR
化简之
FA0dxA rAdVR
又
FA0 FV 0CA0
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