理想管式循环反应器分析解析
管式反应器结构、流程及仪表介绍
管式反应器结构、流程及仪表介绍全文共四篇示例，供您参考第一篇示例：管式反应器是一种常见的化工设备，用于在一定条件下进行化学反应。
它的结构、流程和仪表的设计及运用对于生产过程起着至关重要的作用。
下面我们将介绍一份关于管式反应器结构、流程及仪表方面的详细内容。
一、管式反应器的结构管式反应器通常由反应器主体、加热装置、搅拌装置和控制系统组成。
其中反应器主体是由管道、容器和支撑构件构成的，通常采用不锈钢或碳钢材料制造，以确保其具有良好的耐压性、耐腐蚀性和密封性能。
加热装置主要包括外部加热方式和内部加热方式，以确保反应物在适当的温度下进行化学反应。
搅拌装置则能够保证反应物在反应器内充分混合，使反应过程更加均匀。
控制系统则通过传感器、执行器和控制器来监控和调节反应器的各项参数，从而确保反应过程的安全、稳定和高效。
二、管式反应器的流程管式反应器的流程通常包括加料、反应、卸料和清洗等步骤。
需要将反应物通过管道加入反应器主体中，然后通过加热装置使反应物达到所需的温度。
在反应过程中，搅拌装置将反应物进行充分混合和反应，直至达到反应末态。
接着，对反应产物进行卸料处理和清洗反应器，清除残留物和污垢，为下一轮的生产做好准备。
三、管式反应器的仪表介绍管式反应器的仪表通常包括温度传感器、压力传感器、液位传感器、流量计和控制器等。
温度传感器用于实时监测反应器内部的温度变化，确保反应温度的稳定性。
压力传感器用于监测反应器内部的压力变化，保证反应过程的安全性。
液位传感器用于监测反应物的液位变化，确保反应器内反应物的稳定供应和控制。
流量计用于测量反应物的流量，控制反应物的进出流程。
控制器则根据传感器所得的数据来对反应器进行自动控制，以确保反应过程的精准性和稳定性。
总结：管式反应器作为一种重要的化工设备，在化学生产过程中扮演着不可替代的角色。
正确的结构设计、合理的操作流程以及精准的仪表控制，对于保证生产过程的安全、高效和稳定至关重要。
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算，确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定，则：
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件：
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得： T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式（完全混 合）反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件： t 0, CA 0 求解微分方程得到：
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件，得： C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合，可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
1理想反应器的概念
1理想反应器的概念，理想流动的概念；理想反应器是指流体的流动混合处于理想状况的反应器。
流动混合的两种理想极限情况：理想混合和理想置换。
2连续、间歇、半连续三种操作方式及各自的特点，不同操作方式对浓度分布的影响；3各种混合的概念，以及关于时间的几个概念；混合：不同物料之间的混合。
理想混合：反应器内物料达到了完全的混合，各点浓度、温度完全均一。
(2) 理想置换：是指在与流动方向垂直的截面上流体各点的流动和流向完全相同，就像活塞平推一样，故又称“活塞流”。
：具有的物料粒子之间的混合返混不同停留时间（年龄）叫返混。
4工业反应器的放大方法；5反应温度、活化能、反应物浓度、反应级数以及反应速度之间的关系；6复杂反应的选择性及反应器的选择；7工业传热装置和传热剂及其适用场合；夹套式水、低温制冷剂氯化钙水溶液、液氨、液氮、有机载冷剂蛇管式和插入式列管式外部循环式8混合的尺度问题；9流型及特点；轴向流——流体从轴向流入叶轮，又从轴向流出叶轮。
该流型有利于宏观混和。
径向流——流体从轴向流入叶轮，从径向流出叶轮。
该流型的剪切作用大，有利于分散过程。
切线流——流体作圆周循环流动。
该流型产生打漩，对过程不利。
10搅拌器类型及特点；螺旋桨式（推进式）、涡轮式、框式和锚式11宏观动力学的概念；宏观动力学概念：宏观动力学就是包括扩散或传质过程在内的化学反应动力学。
12气液非均相反应历程；13气液相反应的类型及各自的特点；14如何通过气液动力学实验来判断属于哪种类型；15气固非均相反应历程；16外扩散控制、内扩散控制、动力学控制的特点，如何判断哪一步是控制步骤，工业上如何消除内扩散和外扩散的影响；17固体工业催化剂的组成；18工业催化的意义；19结晶的概念，溶解度、超溶解度曲线，结晶区域的特点，溶解度与温度的关系，结晶方法的选择等等。
列管式反应器 标准
列管式反应器是一种在管内进行化学反应的设备，其特点是在管内均匀装填催化剂，管间通载热体。
这种反应器利用载热体通过管壁移走或供给热量，结构类似于管壳式热交换器。
为了增强传热效果，不断供给或带走反应热，载热体必须循环。
根据不同的载热体，可以采用不同的循环方式，如内部循环式和外部循环式等。
列管式反应器的标准主要包括以下几个方面：
1. 结构设计：列管式反应器的结构设计应考虑到反应器的安全性、稳定性和耐用性。
反应器的外壳通常由碳钢或不锈钢制成，内管则可以采用不锈钢、合金钢或其他耐腐蚀材料。
此外，反应器还应配备有相应的进出口管道、阀门、仪表等附件。
2. 催化剂填充：列管式反应器内部应均匀填充催化剂，以保证反应的效率和选择性。
催化剂的颗粒大小、孔径和比表面积等因素都会影响反应性能。
因此，在填充催化剂时，需要根据具体的反应条件和催化剂性能进行选择。
3. 传热性能：列管式反应器需要具备良好的传热性能，以维持反应过程中的温度稳定。
这主要通过载热体的循环来实现。
根据不同的载热体，可以采用内部循环式或外部循环式等方式。
内部循环式是指载热体在反应器内部循环，外部循环式是指载热体在反应器外部循环。
4. 安全性能：列管式反应器应具备良好的安全性能，包括耐压、耐温、防腐蚀等。
反应器的设计和制造应符合相关的标准和规范，以确保反应器的安全运行。
5. 检修和维护：列管式反应器应便于检修和维护。
反应器的结构设计应考虑到检修和维护的便利性，如易于拆卸的进出口管道、方便检查的视镜等。
反应器流动模型
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流 动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有 其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合， 是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义 ➢ 对反应过程产生不同程度的影响 在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的 型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注 意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
➢ 连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混，工业上常采用多釜串联的操作。当串联釜 数足够多时，连续多釜串联的操作性能就很接近理想置 换反应器的性能。(横向纵向？)
➢ 流化床 由于气泡运动造成气相和固相都存在严重的返混。为了 限制返混，对高径比较大的，常在其内部装置横向挡板 以减少返混；而对高径比较小的流化床反应器，则可设 置垂直管作为内部构件（横向纵向？）
反应器内浓度变化
搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为 理想混合流动。
非理想流动
理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工 业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。对于所有 偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。
实际反应器中流动状况偏离理想流动状况的原因
种，其中重要的是__________。 连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响 反应结果。所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选 型、计算和优化的基础。流动模型是对反应器中流体流动与 返混状态的描述。
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。
第三章 理想反应器
A2 =
0.92 × 2.3 × (1 − 0.7) × 22.2 × 51047 2 1799.2(110 − 50) =6.65 m
3.1-3 分批式操作的优化分析 用两种目标进行优化: 1.着眼于反应器的平均生产速率 Y R 为最大的优化
YR =
C RV t + t0
kmol h
38
化学反应工程课程讲稿
t opt 。
x A = 1 − exp[− kt ]
微分得
dx A = k exp[− kt ] dt xA = k exp[− kt ] t + t0
或
x A = (t + t 0 )k exp[− kt ] 1 − exp(− kt ) = (t + t 0 )k exp(− kt )
用试差法解满足 Y R 为最大的
d (C AV ) dt
v 为 A 的加料速度，假定恒定，反应流体容积:
dV =v 且 dt
40
化学反应工程课程讲稿
得 VC
A
= Ie − kt +
vC A0 k
t=0，VC A =0 代入上式积分常数 I= − vC A0 /k
vC A0 (1 − e − kt ) VC A = k
CA v[1 − exp(− kt )] 1 − exp(− kt ) = = C A0 k (v0 + vt ) ⎡V ⎤ k ⎢ + t⎥ ⎣v ⎦
(ii)计算 Y R 最大的反应时间 计算所得 x A − t 标绘， t= − 1.0 的 点对 x A −t 曲线作切线， 该切点 x A 和 t 即为
x Aopt 和 t opt 。 t opt =1.6h
第三章 管式反应器
第一节 管式反应器的设计模型
3.1.1 管式反应器的基本特征 1．流动模型（平推流模型） 指任一瞬间进入反应器的物料都在垂直于流向的一个平面内，沿着流向 平行地向前推移，犹如汽缸中的活塞运动一样。该流型的基本特征。 （1）在反应器内流动的物料不发生任何返混（返混、不是一般意义上的 混合，指在反应器中具有不同停留时间的物料间的混合，是连续流动反应 器特有的一种传递现象，在间歇反应器中不存在返混，返混，改变反应器 内浓度分布，反应物浓度下降，产物浓度升高，影响反应器生产能力及产 物的选择性）。 （2）反应器内参数只沿轴向变化。稳定态下，物料参数沿着流体向有相 同的变化序列。 （3）稳态下，器内物料的停留时间相等，且等于平均停留时间。
∫
VR 0
X dVR dxA =∫ 0 (−r ) FA0 A
A
VR = FA 0
∫
xA 0
dx A ( − rA )
根据：在连续反应器的性能方程中，常应用到空时 这一参数 这一参数， 根据：在连续反应器的性能方程中，常应用到空时τ这一参数，规定
τ=
V V0
其定义为在 规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需的时间。式中： 规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需的时间。式中：
式中 k
k
为正逆反应的反应速率常数，αi，βi
则为正逆
反应对反应组分i的反应级数。 反应对反应组分 的反应级数。 的反应级数
2．轴向扩散模型 ． 该模型的基本假定为: 该模型的基本假定为 流体以恒定的流速u通过系统 通过系统； ① 流体以恒定的流速 通过系统； 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一， ② 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一，即径向混合达 到最大； 到最大； 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散， ③ 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散，仅 发 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数Da表示这些因素的综合作用。 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用。 ），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用 （1）物料衡算式 ）
连续均相管式循环反应器中的返混实验
连续均相管式循环反应器中的返混实验4学时一、实验原理及要点1．实验原理在工业生产上，对某些反应为了控制反应物的合适浓度，以便控制温度、转化率和收率，同时需要使物料在反应器内由足够的停留时间，并具有一定的线速度，而将反应物的一部分物料返回到反应器进口，使其与新鲜的物料混合再进入反应器进行反应。
在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。
对于这种反应器循环与返混之间的关系，需要通过实验来测定。
在连续均相管式循环反应器中，若循环流量等于零，则反应器的返混程度与平推流反应器相近，由于管内流体的速度分布和扩散，会造成较小的返混。
若有循环操作，则反应器出口的流体被强制返回反应器入口，也就是返混。
返混程度的大小与循环流量有关，通常定义循环比R 为：流量离开反应器物料的体积循环物料的体积流量=R循环比R 是连续均相管式循环反应器的重要特征，可自零变至无穷大。
当R=0时，相当于平推流管式反应器。
当R=∞时，相当于全混流反应器。
因此，对于连续均相管式循环反应器，可以通过调节循环比R ，得到不同返混程度的反应系统。
一般情况下，循环比大于20时，系统的返混特性已经非常接近全混流反应器。
返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。
然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。
停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。
当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q 的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。
由停留时间分布密度函数的物理含义，可知 ()()dt t C V dt t f ⋅=()⎰∞=0dtt VC Q所以()()()()()dt t C t C dt t VC t VC t f ⎰⎰∞∞==由此可见()t f 与示踪剂浓度()t C 成正比。
理想流动反应器
理想流动反应器第⼆章理想流动反应器研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。
根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型⾮理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。
§2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程⽽⾔的。
间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间⽽变，⽆空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图⽰）停留时间不同：全混反应器（图⽰）⼀、理想流动模型1、平推流模型活塞流或理想置换模型特点：沿物流⽅向，反应混合物T、C不断变化，⽽垂直于物流⽅向的任⼀截⾯（称径向平⾯）上物料的所有参数，如：C、T、P、U等均相同。
总⽽⾔之，在定态情况下，沿流动⽅向上物料质点不存在返混，垂直于流动⽅向上的物料质点参数相同。
实例：长径⽐很⼤，流速较⾼的管式反应器。
2、全混流模型理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，⽽且等于物料在反应器出⼝处的性质。
实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。
关于物料质点停留时间的描述：①年龄：指反应物料质点从进⼊反应器时算起已经停留的时间。
②寿命：指反应物料质点从进⼊反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。
寿命可看作时反应器出⼝物料质点的年龄。
关于返混：返混：⼜称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，⽽⾮⼀般的搅拌混合。
如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，⽽只是统⼀时间进⼊反应器的物料之间的混合。
平推流反应器不产⽣返混，⽽全混流反应器中为完全返混，返混程度最⼤。
关于实际反应器的返混。
介于平推流和全混流反应器之间。
关于各种反应器的推动⼒：△C A(a)间歇反应器△C A随时间变化↘(b)平推流反应器△C A随时间变化↘(c)全混流反应器△C A随时间变化↘⾮理想流动反应器，其反应推动⼒介于平推流和全混流之间。