第三章 反应器内的流体流动
化学反应工程 第三章 理想反应器(1)

反应器型式与操作方法的评选
反应器开发的任务
根据化学反应的动力学特性来选择合适 的反应器型式
结合动力学和反应器两方面特性来确定 操作方式和优化操作设计
根据给定的产量对反应器装置进行设计 计算,确定反应器的几何尺寸并进行某 些经济评价
反应器特性
反应流体的流动状态、混合状态以及器内的传热性 能等
dt
–若反应体积恒定,则:
dT (H r )(rA )
dt
Cv
dT dx A
dt
dt
–结合初始条件:
t 0,T T0 , C A C A0 , xA xA0
–积分得: T T0 ( xA xA0 )
3.2 半分批式操作的釜式(完全混 合)反应器
反应器特征 操作目的 反应器分析
V V0 vt
初始条件: t 0, CA 0 求解微分方程得到:
VC A
e
k 1
dt
(
vC
A0
1
e
k 1
dt
dt
C)
Cekt vC A0 k
代入初始条件,得: C vC A0
k
VC A0
vC A0 k
(1
ekt )
C A v(1 ekt ) v(1 ekt ) 1 ekt
CvV
dT dt
dx A dt
UA
Cv V
(Tm
T)
(H r )C A0 Cv
以上为变温操作的热量衡算式。
–将物料衡算式和热量衡算式结合,可联立求解反应器的温 度、组成随时间变化规律。
绝热操作
反应器内的流体流动

2、降低返混程度的措施 、 降低返混程度的主要措施是分割,通常有横 分割, 分割 向分割和纵向分割两种,其中重要的是横向分割。 向分割和纵向分割两种,其中重要的是横向分割。 (1)连续操作的搅拌釜式反应器 为减少返混,工业上常采用多釜串联 多釜串联的操作。 多釜串联 当串联釜数足够多时,连续多釜串联的操作性能 就很接近理想置换反应器的性能。(横向纵向?)
示踪物选择的要求: 1 必须与进料具有相同或者相近的流动性 质,以及尽可能相同的物理性质; 2 易于检测,检测灵敏,方法简便。 3 不能与反应物料发生化学反应或被吸附 4 用于多相系统检测的示踪物不发生相际间 的传递。
根据停留时间分布的比较,理想置换反应器优于理想 混合反应器。所以理想置换反应器的转化率高于理想混合 反应器。 也就是说,使停留时间分布尽可能集中,可以增加反 应器的生产能力。但是需要强调的是,反应器中转化率还 与其它很多因素有关,这只是从物料质点的停留时间进行 分析。
年龄 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间; 反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间; 是对仍留在反应器中的物料质点而言的。 是对仍留在反应器中的物料质点而言的。 寿命 反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间; 反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间; 是对已经离开反应器的物料质点而言的。 是对已经离开反应器的物料质点而言的。 返混: 返混: 又称逆向返混,不同年龄的质点之间的混合。 又称逆向返混,不同年龄的质点之间的混合。是 时间概念上的混合。 时间概念上的混合。
二、返混及其对反应过程的影响 1、返混含义 、 专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合,是 逆向的混合,或者说是不同年龄质点之间的混合。 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达到极限状态; 非理想流动反应器存在不同程度的返混.
反应器内流体流动与混合非理想流动

F ( ) 1 e
1 e
上述两表达式中已不包含 τ,故与全混流容
器的大小及流量无关,其分布曲线见图 。
E(t) 1/τ
F(t) 1.0
0
t
0
t
全混流的E(t)、F(t) 函数曲线
全混流的平均停留时间
t tE (t )dt t e dt
应器的管径较小、较长,物料在其中的流
速较快时,返混程度很小,此时可近似按
平推流进行分析与设计。
平推流反应器中所有物料质点的停留时间
都相同,且等于整个物料的平均停留时间。
采用脉冲示踪法测定平推流的停留时间分
布密度函数 E(t)
C(t)
C0 E(t)
t=0
t=0 t=0
t t tt
激励曲线
t
停留时间分布积累函数(阶跃示踪时)
C (t ) t / F (t ) 1 e C0
停留时间分布密度函数
dF (t ) 1 t / E (t ) e dt
无因次时间表示的停留时间分布函数
E ( ) E (t )
t
1
e
t
e
同样的停留时间分布可以是不同的返混造 成的。 不能直接用测定的停留时间分布来描述返 混的程度,必须借助于模型方法。
数学模型方法
分析器内复杂的实际流动状况,进行
合理的简化,通过数学方法来表述或关联 返混与停留时间分布的定量关系,然后再 进行求解。
建立流动模型的基本思想: 根据实测的停留时间分布,假设一种流动 状态,令这种流动状态下的停留时间分布 与实测结果一致,并根据假设的流动状态 的模型参数,结合在其中进行反应的特征
化学反应工程第三章均相理想反应器

第三章均相理想反应器反应器的开发主要有两个任务:1.优化设计—反应器选型、定尺寸、确定操作条件。
2.优化操作—根据实际操作情况,修正反应器的数学模型参数,优化操作条件。
最根本任务—最高的经济和社会效益。
3.1 反应器设计基础3.1.1反应器中流体的流动与混合理想反应器的分类对理想反应器(ideal reactor),主要讨论三种类型:1.间歇反应器(Batch Reactor—BR);2.平推流反应器(Plug /Piston Flow Reactor—PFR);3.全混流反应器(Continuously Stirred Tank Reactor—CSTR)。
返混(back mixing)—不同停留时间的粒子之间的混合;混合(mixing)—不同空间位置的粒子之间的混合。
注意:返混≠混合!平推流—物料以均一流速向前推进。
特点是粒子在反应器中的停留时间相同,不存在返混。
T、P、C i随轴向位置变(齐头并进无返混,变化随轴不随径)。
全混流(理想混合)—物料进入反应器后能够达到瞬间的完全混合。
特点是反应器内各处的T、P、C i相同,物性不随反应器的位置变,返混达到最大。
3.1.2 反应器设计的基础方程反应器的工艺设计包括两方面的内容:1.由给定生产任务和原料条件设计反应器;2.对已有的反应器进行较核,看达到质量要求时,产量是否能保证,或达到产量时,质量能否保证。
反应器设计的基础方程主要是:1.动力学方程;2.物料衡算方程;3.热量衡算方程;4.动量衡算方程。
一、物料衡算方程对反应器内选取的一个微元,在单位时间内,对物质A有:进入量=排出量+反应消耗量+积累量(3.1-1)用符号表示:F in F out F r F b即:F in=F out+F r+F b(3.1-2) 1.对间操作,反应过程无进料和出料,即:F in=F out=0则:-F r=F b(3.1-4) 反应量等于负积累量。
2.对连续稳定操作,积累量为零,即:F b=0则F in=F out+F r(3.1-6)二、热量衡算方程对反应器内选定的微元,单位时间内的热量变化有:随物料流-随物料流+与边界交+反应热=积累热量入的热量出的热量换的热量符号:Q in Q out Q u Q r Q b入为正放热为正即:Q in-Q out+Q u+Q r=Q b(3.1-8) 1.对于稳定操作的反应器,热的积累为零,即:Q b=0Q in-Q out+Q u+Q r=0(3.1-9) 2.对稳态操作的绝热反应器,Q u=Q b=0,即:Q in-Q out+Q r=0(3.1-10) 反应热全部用来升高或降低物料的温度。
反应器基础知识—流体流动

改善措施
1、增大流体在设备内的湍流程度,以消除轴向扩散而造
非 理
成的停留时间分布不均匀的现象。
想 2、在反应器内装设填充物,以改变设备内速度分布和浓
流 动
度分布,从而使停留时间分布趋于均一化。但要注意避免
的 沟流和短路现象的发生。
改
善 3、增加设备级数或在设备内增设挡板。
4、采用适当的气体分布装置,或调节各组反应管的阻力,
停留时间描述
理 想 混 合 流 动 模 型
E(t) 1 et /
F (t) 1 et /
e d 1 0
2
2e d
1 1
0
流体流动
流体的流动特征:
指反应器内流体的流动状态和混合情况,它们随反应器的几何结 构(包括内部构件)和几何尺寸不同发生变化。由于反应流体在反 应器内流动的复杂性导致反应器内不仅存在流体流速的分布,更重 要的是还存在浓度和温度的分布。使得反应器内存在不同停留时间 的流体粒子以及不同停留时间流体粒子之间的混合即返混,从而导 致反应器内反应物料处于不同的温度和浓度下进行反应。影响反应 速率和反应选择性,使反应结果发生变化。
t≤0, F(t)=0 0<t<∞,0<F(t)<1 t=∞, F(t)=1。
E(t) dF(t) dt
1、数学期望
停
留 时 间
1.0
t 0 tdF(t) 0 tE(t)dt
分
布 的 2、方差
特
征 值
2 t
(t t)2 E(t)dt
0
t 2 E(t)dt t 2
0
停
脉冲法:
留
流体流动的描述
1、停留时间分布密度函数
停
固定床反应器设计

孔隙率分布
4、流体在固定床中流动的特性
流体在固定床中的流动情况较之在空管中的流动要复杂得多。 固定床中流体是在颗粒间的空隙中流动,颗粒间空隙形成的孔道 是弯曲的、相互交错的,孔道数和孔道截面沿流向也在不断改变。
空隙率是孔道特性的一个主要反映。在床层径向,空隙率分布的 不均匀,造成流速分布的不均匀性。
催化剂微孔内的扩散过程对反应速率有很大的影响。反应物进入微孔后, 边扩散边反应。如扩散速率小于表面反应速率,沿扩散方向,反应物浓度 逐渐降低,以致反应速率也随之下降。采用催化剂有效系数对此进行定量 的说明。
实际催化反应速率 催化剂化剂内表面与外温度, 浓度相同时的反应速率
rP rS
结论:当 ≈1时,反应过程为动力学控制,当 <1时,反应过程为内
扩散控制。
内扩散不仅影响反应速率,而且影响复杂反应的选择性。如平行反应中, 对于反应速率快、级数高的反应,内扩散阻力的存在将降低其选择性。又 如连串反应以中间产物为目的产物时,深入到微孔中去的扩散将增加中间 产物进一步反应的机会而降低其选择性。
注意事项:
固定床反应器内常用的是直径为3~5mm的大颗粒催化剂,一般难 以消除内扩散的影响。实际生产中采用的催化剂,其有效系数为 0.01~1。因而工业生产上必须充分估计内扩散的影响,采取措施 尽可能减少其影响。在反应器的设计计算中,则应采用考虑了内扩 散影响因素在内的宏观动力学方程式。
外扩散过程
流体与催化剂外表面间的传质。
NA kcASe cGA cSA
在工业生产过程中,固定床反应器一般都在较高流速下 操作。因此,主流体与催化剂外表面之间的压差很小, 一般可以忽略不计,因此外扩散的影响也可以忽略。
结论:外扩散的影响也可以忽略。
固定床反应器内的体流动

球粒: da2 AS
非球粒:AP
AS=AP
1
da
AP
2
➢ 比表面相当直径dS:用比面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的
直径。 比表面积Sg: m2/m3:单位体积的催化剂所具有的表面积。 m2/g:单位质量 的催化剂所具有的表面积。
球粒:
d
2 S
6
d
3 S
非球形颗粒:
AP VP
=
d
应器中时,包括床层中的自由空间,每单位体积反应器中催化剂的质量。记 为,单位可用g/cm3、g/l或kg/m3表示。
固定床反应器内的流体流动
固定床特性
➢ 1.体积相当直径dV:用体积相同的球形颗粒的直径表示非
球形颗粒的直径。
球粒:
6
dV3
VS
非球粒: VP
VP =VS
1
dV
6VP
3
➢ 面积当量直径da:用面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。
di didi
固定床当量直径de
de=4RH=4 流道的有效截面积 流道的润湿周边
de
2 31
dS
式中:dS:比表面当量直径
固定床反应器中流体流动特性
➢ 流体在固定床中的流动的复杂性 在床层径向,流速分布不均匀,滞流、过渡流、湍流同时存在
径向、轴向返混同时存在。 ➢ 固定床流体流动模型
流体流动由两部分合成:一部分为流体以平均流速沿轴向作理想 置换式流动;另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散。 ➢ 使气体分布均匀的办法 a.使催化剂各部位阻力相等。 b.采用气体分布器。如分布锥、分配头、设栅板等。 c.附加导流装置。
流体通过固定床的压力降
化工原理上册 第3章 流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离

τm
AP
(a)
(b)
(c)
图3-5 物体的不同形状和位向对曳力的影响 (a)-平板平行于流向;(b)-平板垂直于流向;(c)-流线型物体
水平方向,颗粒所受曳力:
颗粒微元: dFD p cosdA w sindA
总曳力:FD p cosdA w sindA
A
A
Pcosa dA PdA
τwdA
aB
A VB
V
A a(1 ) (1 )
aB a
3.3 流体和颗粒的相对运动
流体和颗粒相对运动的情况:
① 颗粒静止,流体绕过颗粒流动; ② 流体静止,颗粒流动; ③ 颗粒和流体都运动,维持一定相对速度。
3.3.1 流体绕过颗粒的流动
(1) 曳力 阻力:颗粒对流体的作用力 曳力:流体对颗粒的作用力
② 非球形颗粒的曳力系数 计算方法: ◇ 近似用球形颗粒公式,ds→da 或 dv ◇ 实测ξ-Rep 关系(书P168 图3.3.2)
3.3.2 颗粒在流体中的流动
(1) 颗粒在力场中的受力分析
Fb
① 质量力 Fe mae Vs sae
②
浮力
Fb
m
s
ae
Vs ae
③
曳力
FD
AP
1 2
u 2
1
)3
( 6dV2 / a )1/3 ( 6dV2 )1/3
a
因此, dV
6
a
2)等比表面积当量直径 da 指:与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
a
as
d
2 s
6
d
3 s
6/ ds
da
因此,da 6 / a
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t tE(t )dt tdF(t )
0 0
1
(3-4)
化学反应工程
3.2.1 停留时间分布的定量描述
(4)散度,即方差 。是变量(时间t)对坐标原点的二 次矩,即
t tE(t )dt tdF(t )
0 0
1
(3-5)
为了运算方便,上式可变形为
t E(t )dt (t ) 2
化学反应工程
化学反应工程
3.1.2 返混对生产过程的影响
返混的结果将改变反应器内组分的浓度,刚流入反应器 内新物料中反应组分的浓度高,设备内的物料是经过一 段时间时,必然使高浓度的进口物料降低到一个较
低浓度上,返混程度越大,浓度降低的程度就越大,这 就势必降低反应的速度,从而降低了设备的生产能力。 对于复合反应过程,返混引起的浓度变化将直接影响其 选择性。
F ( )
N N
(3-7)
(3-8) (3-9)
E
dF ( ) d
0
dF( ) E( )d
2 0
( ) dF( ) ( ) 2 E( )d (3-10)
化学反应工程
3.2.2 用对比时间作变量的停留时间分布
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
具体计算结果如下表3-2所示:
表3-2 例3-1的计算值
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
F (t ) 和 E (t ) 曲线如下图3-4:
图3-4
化学反应工程
例3-1的 F (t ) 和 E (t ) 曲线
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
0 0
图3-6
化学反应工程
理想置换反应器的E和F曲线
3.3 两种理想流动模型的停留时间分布
由图可知对于平推流(即理想置换)反应器,有如下关 系:
化学反应工程
3.3 两种理想流动模型的停留时间分布
(2)全混流模型 即理想混合模型。 在t=0时,因为物料全部切换为示踪剂,故进口处示踪剂 占的分率为c(0)=1,对t至t+dt时间间隔内示踪物作物料
t0
时,F(t)=0;当 t 时, 1 F (t ) 0 ,上式等号
1 VR tdF(t ) 0 V0
右边第一项等于0,第二项为:
1 VR tdF(t ) 0 V0
,因此
tE (t )dt
0
等号右边恰好等于平均停留时间,由此可见平均停留时 间就是空时 t 。这个结果仅适用于没有扩散的情况, 反应器体积可由下式计算: VR V0
理想混合的E和F可标绘成如下图3-7:
图3-7 全混流的E和F曲线
化学反应工程
3.3 两种理想流动模型的停留时间分布
从两种理想流动反应器的停留时间分布规律可清楚的 看出: 完全不返混时
2 0
2
完全返混时 2 1
如果反应器处于部分返混,即非理想流动时,存在
0 1
由散度可容易的判别出反应器的类型,确定返混程度 的大小。
化学反应工程
3.1.1 返混的定义
物料在反应器内必然涉及混合,这种混合既有空间上的 混合,也有时间上的混合。如果是同时进入反应器的物 料位于反应器不同的空间位置,这些物料发生的混合只
是简单的混合,不能叫返混。如果原来不同位置的物料
是在不同时间进入反应器的,由于反应时间不同,因此 物料的浓度必然不同,这样的物料在混合后,混合物的 浓度与原来位置上的浓度不同,这种混合过程叫返混。
求此条件下的 、 、
及 。
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
解:本实验采用脉冲示踪法,测定的时间间隔相同 (t 120 s ),故计算式为:
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
表3-4 例3-2的计算值
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
F (t ) 和 E (t ) 曲线如下图3-5:
图3-5 例3-2的 F (t )和E (t ) 曲线
化学反应工程
3.3 两种理想流动模型的停留时间分布
(1)平推流模型 流体在反应器内无返混,同时进入反应 器内的流体质点也同时离开系统。反应器空时为 V v , 也就是说在平推流反应器中,在t=0时进入反应器的质点, 将在 V v 时离开反应器。即其E(t)和F(t)曲线如图3-6 所示。其E(t)-t曲线有如下特征:
当 为定值时,
散度
化学反应工程
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
间变化关系如表3-3所示。
表3-3 示踪剂浓度随时间的变化关系 时间t/s 出口示踪剂浓 度c/(g/m3) 0 0 120 240 360 480 600 720 840 6.5 12.5 12.5 10.0 5.0 2.5 1.0 860 0.0 1080 0.0
(3)部分返混模型
化学反应工程
3.2 流体在反应器内的停留时间分布
1
停留时间分布的定量描述 用对比时间作变量的停留时间分布 寻求停留时间分布的实验方法
2
3
化学反应工程
3.2.1 停留时间分布的定量描述
(1)停留时间分布的密度函数,通常以E(t)来记之。其 定义为:在定常态下的连续流动的系统中,同一时间流 入反应器的N个流体质点,停留时间在t与t+dt之间的流
表3-1 出口示踪剂浓度随时间的变化 时间/s 出口示踪剂浓 度/(g/L) 0 0 15 25 35 45 55 65 75 85 95
0.5 1.0 2.0 4.0 5.5 6.5 7.0 7.7 7.7
求此条件下的
、
及
。
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
解:本实验测定的数据并非连续曲线而是离散型 的。 、 、 及 的计算式如下:
内上一层塔板的液体通过筛孔漏到下一层塔板上,或者
下一层塔板上的液体被带到上一层塔板上(不同塔板上 液体新旧不同即停留时间不同),均属于返混,所以, 精馏塔内要严格控制液泛量和漏液量,不至于因严重返 混而降低分离的效率。
化学反应工程
3.1.4 反应器内的流动状态
按照返混程度的不同,可以把反应器内流体流动归纳为 下述三个模型: (1)平推流模型 (2)全混流模型
体的质点所占的分率应为dN/N=E(t)dt。依此定义E(t)应
具有归一化的性质,即
即
化学反应工程
3.2.1 停留时间分布的定量描述
(2) 停留时间分布函数,以F(t)记之。其定义为,在 定常态下的连续流动系统中,相对在t=0瞬间流入器内的 物料,在器出口料流中停留时间小于t的物料质点数 所
占的分率。依此定义,E(t)和F(t)之间应具有如下关
为了限制返混,对高径比较大的流化床反应器,常在其
内部装置横向挡板以减少返混。而对高径比较小的,则 可设置垂直管作为内部构件,也就是纵向分割的一例。
化学反应工程
3.1.3 降低返混程度的工业措施
(3)物理设备控制返混 精馏过程虽属物理过程,不存在化学反应,但精馏塔内 同样存在返混的现象,塔内的液泛和漏液即属此例。塔
化学反应工程
3.2.2 用对比时间作变量的停留时间分布
(1)对比时间的定义 用时间和反应器空时的比值作自变
VR V 量,叫对比时间,用符号 来表示,即: t , 0 (2)以对比时间为自变量的停留时间分布规律。
停留时间分布函数:
停留时间分布密度函数: 平均停留时间: 方差:
2 1 0 1 0
图3-1 CO2气提法尿素合成塔
化学反应工程
3.1.3 降低返混程度的工业措施
以二氧化碳气提法尿素合成塔为例,反应物料从底部进 入,自下而上流动,最后合成反应液由塔内的溢流管自 塔底引出,不凝气从塔顶排出。
相关数据对比如下:
化学反应工程
3.1.3 降低返混程度的工业措施
⑵流化床反应器 流化床反应器是气固相连续操作的一种工业反应器,流 化床中由于气泡运动造成气相和固相都存在严重的返混。
化学反应工程
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
目前,示踪剂加入的方法有两种。 ⑴阶跃输入法。
图3-3
化学反应工程
阶跃法测定停留时间分布函数
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
如果进口物料的体积流量为V,在时间t时,出料示踪剂 的总量应为Vc,它由两部分组成,一部分是阶跃输入后 的物料量Vc0+ 中停留时间小于t的示踪剂,其量为Vc0+F
(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
化学反应工程
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:
化学反应工程
3.1.3 降低返混程度的工业措施
(1)气液反应器 对于气液鼓泡反应器,由于气泡搅动所 造成的液体反向流动,形成很大的液相
循环流量。
1.气体进口;2.气体出口;3.液体进 口;4.送高压甲铵泵的甲铵液出口;5. 尿液出口; 6.塔壁温度指示孔;7.液位传送器孔;
8.漩涡清除器;9.多孔板;10.溢流管
两种停留时间分布规律之间的关系。