理想流动反应器解析
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。
第二章 理想流动与非理想流动1

理想流动与非理想 流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率, 直接影响反应结果,研究反应器的流动模型是反应器选型、设计 和优化的基础。 流动模型可以抽象出两种极限的情况:一种是完全没有返混 的活塞流反应器;另一种是返混达到极大值的全混流反应器。 实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活 塞流反应器处理,多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器,物料质点是平推着向前流动的,物料质点在反 应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中,不同 年龄的质点达到完全混合,有的逗留时间很短,有的却很长,返 混程度最大。 活塞流与全混流是两种理想流型:前者理想置换,没有返混;后 者理想混合,返混最大。而介于两者之间的流型,是非理想流型, 存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型 亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型,如图2-1(c)所 示,是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器,在反应器中,刚进 入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。 反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的,等于反应器出口 处的物料性质,即反应器内物料温度、浓度均匀,与出口处物料 温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐, 有的很短,有的很长,形成一个逗留时间分布。 搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
(2)热量衡算 热量衡算以能量守恒与转化定律为基础,在计算反应速率时必须 考虑反应物系的温度,通过热量衡算可以计算反应器中温度的变 化。与物料衡算相仿,对反应器或其一微元体积进行反应物料的 热量衡算,基本式为 (带入的热焓)=(流出的热焓)十(反应热)十(热量的 累积)十(传向环境的热量) (2-2) 式中反应热项,放热反应时为负值,吸热反应时为正值。
化学反应工程第三章反应器内的流体流动

物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型, 则:
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时,时间间隔可以取成等值,得:
平均停留时间和散度可按下式计算:
当 为定值时,
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液(
),测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成,从一 个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应,示 意如图3-8:
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为:
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 (N ) N 1 ] c0 1 ! 2 ! 3! (N 1 )!
(t);另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0-中时间
大于t的示踪剂,其量为Vc0-[1-F(t)] 。即:
即得:
(3-15)
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂,即 ,则上 c F ( t ) 式可以改写成: (3-16) c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律,采用阶跃输 入法,输入的示踪剂浓度 ,在出口处测定响应曲线得到 的数据如下表3-1所示:
占的分率。依此定义,E(t)和F(t)之间应具有如下关
系: 以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时 ,关于E(t)、F(t)曲线以及它 们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线
第二章理想流动反应器

c A0 c A0 = ; VR 1 + 2kτ 1+ k V0 2
(b)两全混流反应器串联: c Af .b =
c A0 c A1 = ; VR (1 + kτ )2 1+ k V0
−k
VR V0
(c)平推流反应器与全混流反应器串联或(d)全混流反应器与平推流反应器串联:
c Af .c =
c e c e c A1 或 c Af .d = c A1e = A0 = A0 VR ( 1 + kτ ) 1 + kτ 1+ k V0
s=
rL rL α 1 = = = rA rL + rM α + 1 1 + 1
=
α
dc L − dc A c Lf
对平推流反应器,总选择率
S=
c A0 − c Af
∫ =
c Af
c A0
− sdc A
c A0 − c Af
c Lf c A0 − c Af
对全混流反应器,其出口组成与反应器内的组成一致,总选择率: S = s =
11. 等温自催化反应 A→R,反应速率 rA = kc A c R ,则平推流反应器所需体积小于全混流反应器,全混流 串联平推流反应器总体积最小。 采用多级串联全混流反应器可提高反应过程的推动力。 0 级等温不可逆单反应,全混流反应器、平推流反应器、间歇反应器的停留时间相同。 即: (1)tMFR>tPFR (2)tMFR=tPFR (3)tMFR<tPFR 多级串联连全混流反应器,当级数趋于无穷时反应器的总体积等于平推流反应器的总体积。 对于一级不可逆反应,采用多级全混流反应器串联后,为保证总反应体积最小各釜反应体积应相等。 等温恒容一级不可逆反应,相同体积的 PFR 与 MFR,各种组合的转化率:
化学反应工程-9-第二章-均相理想流动反应器

表1 几种桨叶在不同要求下的不同适用情况
过程 桨叶形状 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 螺旋桨式 涡轮式 平桨式 特征参数 容积/mL 0~3.785ⅹ105 0~2.08ⅹ105 0~7.57ⅹ105 固体含量/% 0~50 0~100 65~90 物料流量/ (cm3/s) 0~1.90 0~63 0~0.19 容积/mL 0~39.7ⅹ103 0~75.7ⅹ103 0~189ⅹ103 容积/L 0~3.97ⅹ103 0~37.85ⅹ103 0~37.85ⅹ103 要求 D/d H/D 没有 限制 补充说明
螺旋桨叶:NV=0.5;
NV=0.93D/d,D为釜直径。
六叶涡轮桨叶,叶片宽度和直径之比W/d=1/5 ,当Red>104,
功率数NP、NV和Red之间的关系如下图:
二、釜式反应器内混合概念
对于CSTR,存在两种混合。 1、返混 不同停留时间物料间的混合,即返混。CSTR是返混达到最大 的一种反应器。 问题:完全混合如何判断? 经验标准是:
a b
rS k 2C A2 CB2
a
b
瞬时选择率: 则:
rP SP rP rS
1 1 SP rS k 2 a2 a1 b2 b1 1 C A CB 1 k1 rP
问题:如何提高选择率?
⑴连续操作 ① a1 a2,b1 b 2 对 C A、C B 的控制应使都高,操作方式如下:
螺旋桨 式,平 直叶, 三叶 41.0 0.32
桨叶型 式 KL KT
螺距式, 涡轮式, 三叶 六平叶 43.5 1.00 71.0 6.30
六叶后 掠弯式 70.0 4.80
风扇涡 轮式, 六叶 70.0 1.65
平桨式, 二叶 36.5 1.70
第三章 理想反应器

(3.3-6)
Vt = VR / f
(3.3-7)
式中f为填充系数或装料系数,是一个根据经验确定的参数,一般为0.4~0.85, 对不起泡不沸腾物料取0.7~0.85,对易起泡沸腾物料取0.4~0.6。
二、平推流反应器(PFR)反应体积的计算
单位时间A流入微元体的量为: V0CA0 (1 - x A ) 单位时间A流出微元体的量为: V0CA0(1 - xA - dxA ) 单位时间A在微元体内的反应量为: rA d V R 则定态下A的物料衡算式为:
∫ V R
= -V0
dC CAf
A
r CA0
A
dx A
=
-
dC A CA0
(3.3-12)
∫ ∫ τ
= CA0
dx xAf
A
0 rA
=-
dC CAf
A
r CA0
A
(3.3-13)
将式(3.3 -13)与间歇反应器反应时间的积分式 (3.3-5)比较,可以看出:
对恒容过程,为达到相同转化率,在间歇反应器中所需的反应时 间与在PFR中所需的接触时间相同。
第三章 理想反应器
本章讨论的主要内容: 1. 论述反应器内的流动模型,着重阐述混合与返混的异同
及理想流动模型的特征; 2. 以均相反应为背景,讨论理想反应器设计的基本方法; 3. 讨论理想流动反应器中复合反应的收率和选择率。
§3.1 概述
流动模型 是描述流体流经反应器时物料质点的流动与返混状况的模型,对各
2. 全混流模型
特征:
1)反应器内所有空间位置的温度、浓度、反应 速率等参数都相同,且等于出口处相应的值;
转化率和反应时间的关系

由表中所列结果,可以得出以下几点结论。 1. 对于任一级反应,当CA0、xAf或CAf确定后,kt即为定值: 当k↗,t↘;当k↘,t↗。对于任一级反应都是如此。 2. 当转化率xAf确定后,反应时间与初始浓度的关系和反应 级数有关。
0级反应: kt CA0 xA , t与CA0 成正比 1级反应: 2级反应:
所以:
积分:
V0CA0dxA rA dVR
VR V0CA0
X Af 0
dxA rA
上式是平推流反应器体积计算的普遍式,适用于等 温、非等温、等容和非等容等过程。
对于等容过程,反应器进口与出口流量均为V0,故:
xAf dx VR A CA0 0 V0 rA
对比间歇反应器:
t C A0
表3-1 理想间歇反应器中整级数单反应的反应结果表达式
反应级数 反应速率 残余浓度式
kt CA0 CA
转化率式
kt CA0 xA
xA kt C A0
n=0
rA k
CA CA0 kt
C kt ln A0 CA
kt ln 1 1 xA
n=1
rA kCA
2 rA kCA
3-2 反应器设计的基本方程
反应器设计的基本内容 1. 选择合适的反应器形式 2. 确定最佳的工艺条件 3. 计算所需反应器体积 反应器设计的基本方程 1. 物料衡算方程 某组分累积量= 某组分流入量-某组分流出量-某组分反应消耗量 2. 热量衡算方程 带入的热焓= =带出的热焓+反应热+热量的累积+传给环境的热量 3. 动量衡算方程 上述为反应器设计的基本方程,在列出这些方程时,需要 动力学方程和流动模型。
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用

➢气液鼓泡反应器 因为气泡搅动所造成旳液体反向流动,形成很大旳液相循环
流量。所以,其液相流动十分接近于理想混合。 ①放置填料 ②设置多孔多层横向挡板,把床层提成若干级 ③设置垂直管
理想流动反应器旳分类和应用
分类 ➢ 理想混合流反应器 ➢ 理想平推流反应器 应用
实际生产中,连续操作釜式反应器能够近似看作是理 想混合流,连续操作管式反应器能够近似看作是理想平 推流。
降低返混程度旳措施
返混对反应器旳意义 ➢ 对反应过程产生不同程度旳影响 在返混对反应不利旳情况下,要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时,应该考虑返混可能造成旳危害。选择反应器旳 型式时,应尽量防止选用可能造成返混旳反应器,尤其应该注 意有些反应器内旳返混程度会随其几何尺寸旳变化而明显增强。
➢ 在工程放大中产生旳问题
➢ 连续操作旳搅拌釜式反应器 为降低返混,工业上常采用多釜串联旳操作。当串联釜 数足够多时,连续多釜串联旳操作性能就很接近理想置 换反应器旳性能。(横向纵向?)
➢ 流化床 因为气泡运动造成气相和固相都存在严重旳返混。为了 限制返混,对高径比较大旳,常在其内部装置横向挡板 以降低返混;而对高径比较小旳流化床反应器,则可设 置垂直管作为内部构件(横向纵向?)
➢ 间歇反应器中不存在返混 ➢ 理想置换反应器不存在返混 ➢ 理想混合反应器返混到达极限状态 ➢ 非理想流动反应器存在不同程度旳返混
返混对反应过程旳影响
➢ 返混带来旳最大影响是反应器进口处反应物高浓度区旳消 失或减低。 ➢ 返混变化了反应器内旳浓度分布,使器内反应物旳浓度下 降,反应产物旳浓度上升。但是,这种浓度分布旳变化对反 应旳利弊取决于反应过程旳浓度效应。 ➢ 返混是连续反应器中旳一种主要工程原因,任何过程在连 续化时,必须充分考虑这个原因旳影响,不然不但不能强化 生产,反而有可能造成生产能力旳下降或反应选择率旳降低。
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• 三、等温平推流反应器:
•
对等温 n级不可逆反应,反应动力学方程为
rA
kC
n A
• • • • •
⑴上当n无式体代1时积入,变(V当R3化-时1Vk05:l)n1积C1x分AAnVf :R1VVkn时(0A0ln,3VCC-V1ACA00Rf 6ACC()0AAkO(f1(3Vn-Ok1[1dxC15)A(CC))An1NA1 (1xA f
•
化速率非常小――大部分时间花费
•
在反应的末期(应重视反应过程末
•
期动力学研究,后期反应机理是否变化)。
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 一、特点:
• ①物料的各种参数(如浓度、温度等),不随时间变 化,只随物料流动方向上的位置变化;
•
②反应速率随空间位置的变化仅限于轴向。
•
③物料停留时间相同――无返混。
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
二、计算方法:
由微元体积物料衡算 V0CA0dxA rAdVR
导得:
反应体积:
V R
V C xA f
0
A0 0
dx A r(3-13)
A
停留时间:
V R
V
(C3AO-10xA4f )drxA
0
A
• * 间歇反应中的单一反应:反应速率rA,残余浓度CA, 转化率xA See p90,list-31
• 结论:
• ①反应初始条件一定,反应结果(残余浓度或转化率)
• 就一定;为达到一定转化率, k ,则t (与反应级数无关)
•
▲转化率或残余浓度与反应级数无关,而与反
•
应物初始浓度有关。
3-3 间歇反应器
)n1 x
] )
n1
A0
Af
•
等温、等容平推流反应器计算式:
•
see p93,list3-2
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
• ⑵有体积变化时:
• 对气相反应 VAA VBB VLL VMM
• 化学膨胀因子 为A 组分A反应1mol时,反应混合物摩
合。
3-1 反应器中流体的流动模型
• 一、理想流动模型
• ⑴平推流模型
• 沿流动方向上物料质点无返混(所有质点逗留时间相
同),物料的温度,浓度不断变化;垂直于流动方向上
的物料质点参数相同。
•
长径比大,流速较高的管式反应器,固定床
•
催化反应器中的流体流动可视为平推流。
3-1 反应器中流体的流动模型
• (c)搅拌形成再循环〕
• 界于平推流、全混流之间的中间流:存在不同程度的
返混;反应推动力界于两者之间。
• 影响后果:
•
转化率xA↓,
• 选择率S↓,质量↓。
3-2 反应器设计的基本方程(自学)
• 基本内容:反应器选型,最佳工艺条件确定;
•
反应器体积计算
• * 基本方程:
• 物料衡算:计算反应组分浓度变化,
•
(计算反应器体积)
• 热量衡算:计算反应物料温度变化
• 动量衡算:计算反应器压力变化
•
第二节 理想流动反应器
• 3-3 间歇反应器
搅拌装置;换热夹套或内置盘管;釜。 • 特点:
反应结果仅取决于反应动力学(化学动力学) ①浓度达分子尺度上均匀,排除传质对反应影响; ②各处温度相等,不考虑釜内传热问题;
第三章 理想流动反应器
第一节 流动模型概述
流动模型分类 理想流动模型 平推流(理想置换、活塞流)模型
全混流(理想混合、连续搅拌槽式反 应器)模型
非理热流动模型 (考虑轴向返混的)返混模型 (中间流模型) (考虑流速分布的)层流模型
多级串联全混流模型
第一节 流动模型概述
3-1 反应器中流体的流动模型
③所有物料反应时间相同。各参数随时间变化。
3-3 间歇反应器
• 反应时间:由微元时间物料衡算导得:
rAVdt nAOdxA dnA
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CA 0
dCA rA
数值积分法;图解积分法;
3-3 间歇反应器
• 反应器有效体积:VR V (t t ' )
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 积分时注意:
• ①反应过程有无体积变化。若有,则须建立体积流
率 V ~ x ,C ~;x 关系
A
A
A
• ②反应过程是否等温。若等温,k为常数;若变
• 温,则须结合热量衡算建立 k ~ x 关, T系~。x
A
A
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 停留时间:在连续反应器中,常用物料质点的年龄与 寿命说明停留时间的长短。
• 年龄:指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留Hale Waihona Puke 了的时间。(对仍留在器内质点而言)
• 寿命:指反应物料质点从进入反应器时算起到离开反 • 应器的时间。(对离开反应器质点而言) • * 返混:又称“逆向混合”,指不同年龄质点间的混
尔数的变化: A
1 VA
[(VL
VM
) (VA
VB
)]
•
若 为初C始i0 反应混合物中包括惰性物料在
• 内的所有组分的浓度,则:
•
化学膨胀率(体积膨胀率)
A
C A0 A
Ci0
y A0 A
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
V V0 (1 A yAOxA) VO (1 AxA)
• 二、非理想流动模型: • 实际反应器中的流动模型与理想反应器中的有所偏离: • 偏离平推流的几种情况:[(a)涡流、湍动、或碰撞引起 的漩涡运动;(b)截面流速不均;(c)沟流、短路、死角]
3-1 反应器中流体的流动模型
• 偏离全混流的几种情况:
• 〔(a)搅拌不均的死角;
• (b)进、出口管设置不当的短路;
• ⑵全混流模型 • 刚进入反应器的新鲜物料与留存在器内的物料瞬间 达到完全混合(返混最大),器内物料温度、浓度均匀 且与出口处相等。物料质点在器内逗留时间参差不齐,
有的很长,有的很短,形成一个逗留时间分布。 • 搅拌良好的釜式反应器中的流动可视为全混流。
3-1 反应器中流体的流动模型
3-1 反应器中流体的流动模型
• ②反应物初始浓度对反应结果的影响表现为反应级数: ▲反应时间与反应物初始浓度关系
n=1(一级反应):t与CAO无关
n=2(二级反应): t∝ 1
n=0(零级反应): t∝
CA0
CA0
• (据此,开发过程中定性判断反应级数)
•
③n=0时,与呈直线↓,直至反应物完全转化
• 为止;n=1,n=2时,随下降渐缓,尤其n=2时,后期 变