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第四章　管式反应器第四章　管式反应器本章内容? 理想流动模型? 等温管式反应器的计算? 管式与釜式反应器反应体积的比较? 循环反应器? 变温管式反应器的计算本章内容活塞流模型的基本假定等温管式反应器设计与分析管式反应器与釜式反应器的性能比较 循环管式反应器的分析计算管式反应器的变温操作4.1　理想流动模型—基本概念　流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的描述，这一状况对反应结果有非常重要的影响。　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，也称为逆向混合。4.1　理想流动模型—基本概念（续1）? 活塞流模型（平推流）： ? 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) 轴向上无返混 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。 ? 特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。层流湍流活塞流4.1　理想流动模型—基本概念（续2）? 全混流模型： ? 基本假定： 径向混合和轴向返混都达到最大 符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐 ? 特点 反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值? 管径较小，流速较大的管式反应器－－可按活塞流处理? 剧烈搅拌的连续釜式反应器－－可按全混流处理4.2　等温管式反应器的设计? 单一反应进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量4.2　等温管式反应器的设计（续1）该方程组初值为：解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的转化率或收率或各关键反应的反应进度。然后将 Fi 和 变为反应变量的函数，即可求解方程组。解时一般用数值法。简单情况可解析求解。4.2　等温管式反应器的设计（续2）对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组? 复合反应4.2　等温管式反应器的设计（续3）? 复合反应对A的物料衡算：对P的物料衡算：对Q的物料衡算：　系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。4.2　等温管式反应器的设计（续4）? 复合反应4.2　等温管式反应器的设计（续5）? 复合反应对A的物料衡算：对P的物料衡算：k1 ? k24.2　等温管式反应器的设计（续6）根据空时的定义　对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停留时间问题？　对变容反应，空时等否物料在反应器内的平均停留时间？自测题自测题4.3 　管式与釜式反应器反应体积的比较? 前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 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4.3.1　 正常动力学达到相同的转化率，管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器04.3.2　反常动力学对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。4.3.3　有极大值情况若:XAf XAm ，则 Vrp Vrm若：XAf XAm ，则 Vrp Vrm此时，可以：釜式与管式的串联Reactor4.4　循环反应器　对于单程转化率不高的情况，为提高原料的利用率，将反应器出口物料中的产品分离后再循环进入反应器入口，与新鲜原料一起进行反应。4.4　循环反应器（续1）设循环物料与新鲜原料量之比为循环比：故,反应器的物料处理量为：在混合点处对A做物料衡算：化简后得：用(1＋Ψ)Q0 代替 Q0，用 XA0代替 0，即在实际操作中,只要 足够大，如： 则可认为是等浓度操作。4.4　循环反应器（续2）分析：结果相当于无循环管式反应器结果相当于恒定转化率下的操作，即CSTR反应器温变热反应热4.5　变温管式反应器4.5.1　管式反应器的热量衡算假设：? 管式反应器内流体流动符合活塞流假定； ? 反应器内温度分布：径向均匀，轴向变化取微元体积dVr作为控制体积，衡算依据为热力学第一定律：G为流体的质量速度GA=Q0ρ4.5.1　管式反应器的热量衡算（续）故有：此即管式反应器轴向温度分布方程令wA0为组分A的初始质量分数，MA为A的相对分子量,则：管式反应器中反应温度与转化率的关系式4.5.2　绝热管式反应器 若绝热操作，则 得等温反应XA放热反应吸热反应TXA 和 T的关系图4.5.2　绝热管式反应器（续1）等温反应，T=T0；放热反应，T＞T0；吸热反应， T＜T0吸热反应，较高的进料温度有利；放热反应，较低的进料温度有利。 4.5.2　绝热管式反应器（续2）区别在于： 管式反应器--不同位置上的T～XA关系；间歇釜式反应器--不同时间下的T～XA关系；连续釜式反应器--在等温下操作，在出口处的XA一定、温度T也一定。 一般来说，绝热操作为管式反应器，选择较高的进料温度。