精细化工过程与设备 第三章 上

第三章管式反应器主讲教师李成林（上）精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl2第三章管式反应器3.1概述3.2管式反应器计算基础方程式3.3液相管式反应器3.4气相管式反应器3.5反应器型式和操作方式评选3.6连续流动反应器停留时间分布精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl33.1概述•3.1.1管式反应器构型精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl43.1.1管式反应器构型一、水平管式反应器二、立管式反应器精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl53.1.1管式反应器构型三、盘管式反应器将管式反应器做成盘管的形式，设备紧凑，节省空间，但检修和请刷管道比较麻烦。图3．3所示的反应器由许多水平盘管上下重叠串联而成。每一个盘管是由许多半径不同的半圆形管子相连接成螺旋形式，螺旋中央留出Φ400mm的空间，便于安装和检修。四、U形管式反应器U形管式反应器的管内设有多孔挡板或搅拌装置，以强化传热与传质过程。U形管的直径大，物料停留时间增长，可应用于反应速率较馒的反应。例如带多孔挡板的U形管式反应器，被应用于己内酰胺的聚合反应。带搅拌装置的U形管式反应器适用于非均液相物料或液固相悬浮物料。如甲苯的连续硝化、蒽醌的连续磺化等反应。图3.4是—种内部设有搅拌和电阻加热装置的U形管式反应器。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl63.1.1管式反应器构型•管式反应器的加热或冷却可采用各种方式：–1、套管或夹套传热，如图3.1、3.2(a)、3.2(b)等所示反应器，均可用套管或夹套传热结构；–2、套筒传热．如图3.2(c)、3.3所示反应器可置于套周内进行换热；–3、短路电流加热，将低电压、大电流的电源直接通到管壁上，使电能转变为热能。这种加热方法升温快、加热温度高、便于实现遥控和自控。短路电流加热已应用于邻硝基氯苯的氨化和乙酸热裂解制乙烯酮等管式反应器上；–4、烟道气加热，利用气体或液体燃烧产生的烟道气辐射直接加热管式反应器，可达数百度的高温，此法在石油化工中应用较多。图3.5表示一种采用烟道气加热圆筒式管子炉。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl73.1.2管式反应器特点及应用•特点：–管式反应器结构简单、加工方便；–耐高压、传热面积大，特别适合于强烈放热和加压下的反应；–易实现自动控制、节省动力、生产能力高。•为保证管式反应器内具有良好的传热与传质条件，使之接近于理想置换反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。•应用–管式反应器可用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应。–例如：乙酸裂解制乙烯酮、乙烯高压聚合、对苯二甲酸酯化、邻硝基氯苯氨化制邻硝基苯氨、氯乙醇氰化制乙醇胺、椰子油加氢制酯肪醇、石蜡氧化制脂肪酸、单体聚合以及某些固相缩合反应均已采用管式反应器进行工业化生产。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl83.2管式反应器计算基础方程式理想置换反应器等容过程变容过程等温过程非等温过程3.2.1计算基础方程式1、物料流动处于稳定状态，反应器内各点物料浓度、温度和反应速度均不随时间而变，故可取任意时间间隔进行衡算。2、沿流动方向物料浓度、温度和反应速度改变。3、稳定状态下，微元时间、微元体积内反应物的积累量为零。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl90AAAARFdFdFdrdVd01AAAFFx0AAAdFFdx0AAARFdxrdV00AfxARAAdxVFr000AfxARAAdxVCVr000AfxRACAAVdxCVr物料衡算式因为所以代入上式，得积分，得(3.1)(3.2)精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl103.2.2空间时间和空间速度•空间时间和它的倒数空间速度二者都可用来表示管式流动反应器的生产能力，例如空间时间2s就表示每2s所处理的原料体积与反应器的体积相等。进料体积流量一定时，空间时间愈小，表明所需反应器体积愈小，反应器的生产能力愈大。又如空间速度5h-1。表示反应器每小时处理的原料体积为反应器体积的5倍。空速愈高，反应器生产能力愈大。•必须注意的是，由于反应过程物料的密度可能会发生改变，体积流量也随之变化，空间时间往往不等于物料在反应器内停留的时间。只有在等密度(即等容)过程，空间时间才与物料停留时间相等，并为管式流动反应器内物料的反应时间。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl113.3液相管式反应器3.3.1等温液相管式反应器一、反应器体积计算一级反应等容条件代入式（3.2）（3.3）（3.4）精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl12二、管径与管长计算①先规定流体运动的雷诺数Re，确定管径d，再根据VR，计算管长l。将代入上式，得②根据已有管材规格，计算管长l，最后验算雷诺数Re，看其是否属于湍流流动。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl133.3.2变温液相管式反应器•一、绝热管式流动反应器•由于绝热，传递给环境或载热体的热量力零。•由于连续稳定操作，微元时间、微元体积内热量的积累项为零。•此时热量衡算式为,0tbtpbARrATFMCTTdFMCTTdrdVHd（3.7）精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl140,0tbtpbAArATFMCTTdFMCTTdFdxHd0,tpAArATFMCdTFdxH0,00ArATAAtpFHTTxxFMC000pArATFMCdTFHdx00,00ArATAApyHTTxxMC00,ArATpyHMC00AATTxx（3.8）（3.9）（3.10）（3.11）（3.12）简化为精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl15二、非绝热、非等温管式流动反应器00,tpAArsATFMCdTFdxHKdATT00,tpAArsATFMCdTFdxHKTTddl02,4tpArsATFMCdTrddlHKTTddl热量衡算式（3.13）（3.14）上述热量衡算式与物料衡算式、动力学方程式联合求解，就可以计算转化率和温度沿管长的分布和达到一定转化率所需反应器体积。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl16数值法求解步骤一、把微分方程改写成差分方程二、把转化率xAf等分为许多微量ΔxA,xAf=nΔxA,n为计算区间数。三、从第一区间开始计算。四、按同样步骤，假设T2计算Δl2检验T2，…，对第2至第n区间进行计算。五、把Δl1，Δl2，…，Δln相加,即为转化率达到xAf时所需管长，并可依据计算所得数据作出温度和转化率沿管长的分布图。精细化工过程与设备资环学院化工系2020/1/19精细化工过程与设备（2009-2010学年)LiCl173.4气相管式反应器AmabaaAbBmM00001tAAAAAAFFFxFyx000011tAAAAAARTVFyxVyxp00011AAAAtAAAFxFCVVyx0011AAAAAAxCCyx0011AAAAAAxppyx对于反应其膨胀因子变容过程总的量流量变为体积流量为等容过程，δA=001AAACCx