任务5连续操作管式反应器的计算课件.ppt

1、任务5连续操作管式反应器的计算 工作任务：根据化工产品的生产条件进行连续操作管式反应器的设计与计算。理想置换流动反应器：连续操作的长径比较大的管式反应器。适用于液相、气相反应。1、当用于液相反应和反应前后无摩尔数变化的气相反应时，可视为恒容过程；当用于反应前后有摩尔数变化的气相反应时，为变容过程。2、如果在反应过程中利用适当的调节手段使温度基本维持不变，则为恒温过程，否则即为非恒温过程。管式流动反应器内的非恒温操作可分为绝热式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。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

2、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。表 两种生产邻硝基苯胺方法的工艺参数对比 反 应 条 件高 压 釜 法管式反应器法氨 水 浓 度（克/升）290300-320物质的量之比（邻硝基氯苯/氨水）1：81：15反 应 温 度（）170-175230反 应 压 力（MPa）3.515反 应 时 间（分钟）42015-20反 应 收 率

3、（%）9898成 品 熔 点（）69-69.569-70设备生产能力（公斤/升小时）0.0120.65.1基础计算方程式 连续操作管式反应器的特点：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、反应器浓度、温度等参数随轴向位置变化，故反应速率随轴向位置变化。3、由于径向具有严格均匀的速率分布，在径向不存在浓度分布。物料衡算物料衡算 应物的累积量元体积内反微元时间微的反应物量体积内转化掉微元时间微元积的反应物量离开微元体微元时间内积的反应物量进入微元体微元时间内求取反应器的有效体积和物料在反应器中的停留时间：求取反应器的有效体积和物料在反应器中的停留时间：

4、AfAxxAAARrdxFV0)(0AfAxxAAARrdxVcV0)(00AfAxxAAARrdxcVV0)(00注意：由于反应过程物料的密度可能发生变化，体积流量也将随之变注意：由于反应过程物料的密度可能发生变化，体积流量也将随之变化，则只有在化，则只有在恒容过程恒容过程，称，称 为物料在反应器中的停留时间才是准确为物料在反应器中的停留时间才是准确的。的。5.2恒温恒容管式反应器的计算恒温恒容管式反应器的计算 连续操作管式反应器在恒温恒容过程操作时，可结合恒温恒容连续操作管式反应器在恒温恒容过程操作时，可结合恒温恒容条件，计算出达到一定转化率所需要的反应体积或物料在反条件，计算出达到一定转

5、化率所需要的反应体积或物料在反应器中的停留时间：应器中的停留时间：一级不可逆反应：一级不可逆反应：AfAxxAAAARxkcdxVcVV0)1(0000AfAxxkV11ln00二级不可逆反应：二级不可逆反应：AfxAAAARxkcdxVcVV0220000)1()1(00AfAAfxkcxV分析、讨论：分析、讨论：将物料在间歇操作釜式反应器的反应时间与在连续操作管式反应器将物料在间歇操作釜式反应器的反应时间与在连续操作管式反应器的停留时间的计算式相比：的停留时间的计算式相比：分析：在这两种反应器内，反应物浓度经历了相同的变化过程，只是在分析：在这两种反应器内，反应物浓度经历了相同的变化过程，

6、只是在间歇操作釜式反应器内浓度随时间变化，在连续操作管式反应器内间歇操作釜式反应器内浓度随时间变化，在连续操作管式反应器内浓度随位置变化而已。也可以说，仅就反应过程而言，两种反应器浓度随位置变化而已。也可以说，仅就反应过程而言，两种反应器具有相同的效率，只因间歇操作釜式反应器存在非生产时间，即辅具有相同的效率，只因间歇操作釜式反应器存在非生产时间，即辅助时间，故生产能力低于连续操作管式反应器。助时间，故生产能力低于连续操作管式反应器。结果：间歇操作釜式反应器生产能力低于连续操作管式反应结果：间歇操作釜式反应器生产能力低于连续操作管式反应器。在恒温恒容过程时是完全相同的，即在相同的条件下，器。在

7、恒温恒容过程时是完全相同的，即在相同的条件下，同一反应达到相同的转化率时，在两种反应器中的时间值相同一反应达到相同的转化率时，在两种反应器中的时间值相等。等。例题例题在一连续操作管式反应器中生产乙酸乙酯，试计算在一连续操作管式反应器中生产乙酸乙酯，试计算所需反应器有效体积。（生产条件与例所需反应器有效体积。（生产条件与例3-23-2中相同）中相同）30/8.1mkmolcAhmV/979.030min)./(0174.03kmolmk 5.0Afx300521.0)5.01(8.1600174.05.0979.0)1(mxkcxVVAfAAfR 比较例2-5与例3-1的结果 例2-5 有效体积

8、1.008m3 例3-1 有效体积1.04m3 例5-1 有效体积为0.521m35.3 恒温变容管式反应器设计恒温变容管式反应器设计 通常情况下，液相反应可近似作恒容过程处理。但当反应通常情况下，液相反应可近似作恒容过程处理。但当反应过程密度变化较大而又要求准确计算时，就要把容积变化过程密度变化较大而又要求准确计算时，就要把容积变化考虑进去。考虑进去。对于气相总分子数变化的反应，引起的容积、浓度等的变对于气相总分子数变化的反应，引起的容积、浓度等的变化，更应考虑。化，更应考虑。结论：反应过程中，因反应温度变化，会发生物料密度的改结论：反应过程中，因反应温度变化，会发生物料密度的改变，或物料的

9、分子总数改变，导致物料的体积发生变化。变，或物料的分子总数改变，导致物料的体积发生变化。恒温变容管式反应器计算恒温变容管式反应器计算恒温变容管式反应器的计算恒温变容管式反应器的计算气相反应：气相反应：)1(00AAAtxyVV)1(00AAAtxyFFAAAAAAxyxcc0011ddxxycddnVrAAAAAAA0011)(恒温变容管式反应器计算式恒温变容管式反应器计算式 化学反应化学反应 速率方程速率方程 计算式计算式 （零级）（零级）（零级）（零级）（二级）（二级）PAPA)(200BAccPBAPAkrA)(AAkcr)(2)(AAkcrAAARkxFV00000)1ln()1(AA

10、AAAAAARkcxyxyFVAAAAAAAAAAAAAARxxyxyxyykcFV1)1()1ln()1(212020200200例5-2气相反应在恒温下进行：气相反应在恒温下进行：A+BPA+BP，物料在连续操作管，物料在连续操作管式反应器的初始流量为式反应器的初始流量为360m360m3 3/h/h，组分，组分A A与组分与组分B B的初的初始浓度均为始浓度均为0.8kmol/m0.8kmol/m3 3，其余惰性物料浓度为，其余惰性物料浓度为2.4kmol/m2.4kmol/m3 3，k k为为8m8m3 3/（kmolkmol min min）,求组分求组分A A的转的转化率为化率为9

11、0%90%时反应器的有效体积。时反应器的有效体积。AAAAAAAAAAAAAARxxyxyxyykcFV1)1()1ln()1(212020200200A物质为关键组分（着眼组分）物质为关键组分（着眼组分）膨胀因子在恒温恒压的连续系统中发生反应MvLvBvAvMLBA对于液相反应，反应前后物料的体积流量变化不大，一般作为恒容过程。对于气相反应，反应前后物料的体积流量变化较大。当MLBAvvvv时：选定关键组分A，定义每转化1mol的A时所引起的体系物质总量的变化，称作A组分的膨胀因子，记做：)()(1BAMLAAvvvvv一般式为：niiAAvv11例：计算下列反应的化学膨胀因子计算下列反应的

12、化学膨胀因子1.A+BP+S 2.AP+S 3.A+3B2P4.2AP+2S解：01)11()11(1A、11 1)11(2A、21)31(23A、2122)21(4A、5.4 绝热连续操作管式反应器的计算绝热连续操作管式反应器的计算 在反应进行过程中，系统与外界不发生热量交换的反在反应进行过程中，系统与外界不发生热量交换的反应器，称为绝热式反应器。这类反应器的计算与前面讨论应器，称为绝热式反应器。这类反应器的计算与前面讨论的恒温反应器的计算方法不同。的恒温反应器的计算方法不同。恒温反应器中反应速率只恒温反应器中反应速率只是转化率的函数是转化率的函数，而，而绝热反应器的管截面上各点的温度不绝热

13、反应器的管截面上各点的温度不同，则反应速率不仅是转化率的函数，而且也是温度的函同，则反应速率不仅是转化率的函数，而且也是温度的函数。数。所以，须对反应系统列出所以，须对反应系统列出热量衡算式，热量衡算式，然后与然后与物料衡物料衡算式、反应动力学方程式算式、反应动力学方程式联立求解，才能求得为达到一定联立求解，才能求得为达到一定转化率所需要的反应器有效体积。转化率所需要的反应器有效体积。热量衡算 内由于反应产生的热量微元时间微元体积积的物料带走的热量微元时间内离开微元体积的物料所带进的热量微元时间内进入微元体)()(0000AAfptTAAxxcMFHFTT如果反如果反应过程应过程无物质无物质的量的的量的变化变化 0FFt00AxAfpTAAxcMFHFTT0000)(0000000)()()()(TAApTApAAfHyTTcMHTTcMFFx五、装置的几何特性 槽、叶轮、挡板和其他附件(如换热用盘管等)的相对位置及其尺寸比等构成厂搅拌装 置的几何持性。在某种搅拌槽中得到的结果不适用于几何特性不同的其他搅拌槽，因此建立标准构型的搅拌槽方可满足化工操作中多数工艺过程对搅拌的要求。标准构型搅拌装置的几何尺寸为：六平片式涡轮，轮径D13器径T；叶轮距器底高度HjD;叶片宽度W15D，叶片长度Z14D；液深HT；挡板数4：板宽Wh0.25T。确定槽型、叶轮型式等后，主要的几何持性如下。