1、3.5 3.5 平推流反应器平推流反应器 Piston Flowing ReactorPiston Flowing ReactorSO3 Production Plant and Gas Treatment (Ballestra)磺化反应器本装置是以连续多管膜式反应器为基础的磺化（硫酸化）装置，此装置以洗涤剂工业中使用的所有主要原材料生产磺酸和活性物，如：十二烷基苯、直链烷基苯、醇类、月桂醚、-烯烃等。磺化反应工艺流程重油催化裂化重油催化裂化(FCC)(FCC)装置总图装置总图 在催化裂化装置中反再系统地反应器为提升管反应器，它是基于平推流的基础上建立起来的。自60年代以来,提升管反应器由于其
2、气固通量大、气固接触效率高以及操作范围宽等特点,在催化裂化工业中得到了广泛的应用。然而,随着人们的研究深入,其径向流动结构的严重非均匀性和较大的气固返混也逐渐为人们所认识。2）在流体流动的方向不存在流体质点间的混和，即无返混现象。流体在管内作平推流流动具有如下两特征：1）在与流动方向呈垂直的截面上没有流速分布；u表示流体器内流速，L表示轴内距离)(tLVvdVudltt000uu 0vVtt因此，各质点具有相同的停留时间 ，等于反应时间t。对于非等分子反应，需要按变容过程来考虑。在整个过程中:对于恒容反应过程平均停留时间，反应时间和空时一致。对气相反应，恒温，恒压等分子反应上式也适用。对于液相
3、反应，均可视为恒容过程。膨胀因子：每反应掉一个摩尔的组分A所引起反应物系总摩尔数的变化量。即：AAAynnn000)(所以)1(00AAAynnAAAAAAFFyFF0000)1(nRTPVPFFRTvAAA/)(000导出VAAAFFTPdVRtt000)(1F，F0分别为物系反应后的摩尔流率和起始摩尔流率，yA0为着眼组分A的起始摩尔分率。FRTPv0上式若对于恒温、恒压过程，则有VAAAVAAAVAAAydVyFdVRTPFFdVRTPtt00000000001)1(在这些场合，空时和停留时间是不相等的，使用时应加以区别。累积量=输入量 -输出量对器内微元容积dV进行物料衡算，列出组份A
4、的物料衡算式。根据衡算的一般形式：的反应量微元的单位时间在的摩尔数流出单位时间从的摩尔数的单位时间进入的AdVAdVAdVdVrdFAAA)(0平推流管式反应器的基础设计方程AAAAAdFxFddF00)1(dVrdFFFAAAA)()(dVrdFAA)(AAAVArdFdV000AAAAArdvCVFV0000AxAAArdxC00AAAxCCAAAAAAArdCCrdxCFV000001AAAxCCAAAAArdCrdxCt000恒容过程01AAACCx0AAACdCdx恒容过程平推流与分批式完全混合反应器设计方程完全一致，因此只要反应是在等温下进行，第二章的速率式都适用于平推流。对于变容
5、过程，其反应速率方程中的各个浓度需同时考虑因化学反应和容积而改变造成的浓度变化。但如果速率方程过于复杂，则往往需要用数值积分或下图的图解法求解方程。例3-5-1 应用管径为D=12.6cm的管式反应器来进行一级不可逆的气体A的热分解反应，其计量方程为A=R+S；速率方程为 -rA=kCA；而k=7.8 109 exp -19220/T（s-1），原料为纯气体A，反应压力P=5 atm（50.101325MPa）下恒压，T=500 0C 恒温反应。反应过程中压力恒定，要求A的分解率达到 0.9，原料气体的处理速率为FAO=1.55 kmol/h，求所需反应器的管长L、停留时间t、空时（理想气体）
6、。)/(66.195773082.055.1300hmPRTFvAPRTxyFPFRTvAAA/)1(00反应流体在管内的体积流速为：解：反应气体的进料体积流速为：00AFF 1112APRTCA0100/)1(AAACxFv)1()1()1()1(0000AAAAAAAAAAxCxxFCxFvFCAxAAAxdxxkvV00)1()1(1)(0083.0)(88.2911ln21hsxxkAA)(0.13)126.0(14.388.291046.544423202mDvDVL所以VVAAAVxldVvxRTFPdVvdVt000001)1(AAAdxrFdV0sxkxdxktAxAAA57.
7、1810ln124.0111ln11103.5-2 变温操作的操作方程在定常态下应有:的反应混合物的焓变单位时间内通过微元与外界的换热量单位时间内微元dVdVdVrHdTcFdTcFdlTTUAATrdTTTPpiPiTTRpiRim)()()()()()()(000 dTcFdTcFdlTTUATTPpiPiTTRpiRim 00)()()()()(dVrHdTcFATrdTTTPpiPi)()()()(00当PPiPiRPiRicFcF)()()()(如果将平推流反应器出口的产物部分地返回到入口处与原始物料混合，这类反应器为循环操作的平推流反应器。dTcFdVrTHrdlTTUAdTTTP
8、piPiAm0)()()()()(0dTcFdVrTHrdlTTUAPPiPiAm)()()()()(0变温操作方程为3.6-1单一反应的评选1.反应器的选型只考虑如何有利于反应速率的提高。对于单一反应，反应速率和反应物浓度的关系可能有三种性状：（1），对于一切n0的不可逆等温反应。平推流，串联全混流的容积小。呈单调上升和AAr1(2)1/（-rA）随XA的增大而单调下降，对于一切n0的不可逆等温反应。全混流为佳。（3）1/（-rA）对xA 的曲线上线存在着极小值，自催化绝热操作的放热反应，当xA小于最小的1/（-rA）值的xAM时，全混流最佳；若xA0大于xAM，则具有（1)的特性，平推流或
9、串联全混流；当xA0 xAM而xAxAM时，全混流串平推流最佳，循环操作的平推流次之；平推流反应器；全混流最差。2.最优操作温度的选定 不可逆反应，尽可能提高温度。可逆吸热反应，尽可能提高温度。可逆放热反应，存在最优的操作温度。对于 一级可逆反应，原料为纯物质A，恒容。)1(0KkCrAAAA其中 exp0kTEkk)11(exp00TTkHKKr（1）等温操作的最优温度)1(000KCCCkrAARAAA代入平推流设计方程 xrdvCVAAAA000)11()()(ln)11(000000AARARAKCKCCKCCKkvV)1(exp1)1(0000KvKkvKCCKCARAA若固定V和v
10、0，则xA为K和k的函数，对于给定=V/v0，可选定使xA，max时最大的操作温度。（2）变温操作的最优温度分布 对于可逆放热反应，存在使反应速率最大的反应温度，Topt RA)()1(000AARAAACCkkCr对-rA对T求导)()1(ln)(002001012AARAAoptCCEkCEkREET)()1(ln)(0000012AARAAeCCkCkREET1212ln)11(EEEERTTeopt3.6-2复合反应复合反应 1.串联反应 SkPkA21122210max,kkkAPkkCC1212)ln(kkkktopt上两式适用于平推流反应器或间歇式全混流反应器。对于全混流反应器来
11、说:25.0120max,1kkCCAmP21,1kkoptm平推流优于全混流，k1=k2时两者偏差最大。2.平行反应 对于单一反应组份的平行反应 a.P随xA的增大而单调增长，应该无返混有利。b.P随xA的增大而单调下降，返混有利。c.P对xA曲线存在最大值，反应前期返混有利，后期不利。对于 PkBA1SkBA2111bBaAPCCkr 222bBaASCCkr)()(212121bbBaaASPPCCkkrrS为提高产物P收率，应使SP增大。a.如果a1a2，b1b2，应选择无返混反应器。b.如果a1a2，b1 b2，应采用本身返混最大的。d.若E主E副，应在高温，反之应在低温。c.如果a1a2，b1 b2，在高CA和低CB下有利P的反应，则在反应器后串接一个分离器提高P的收率。
