《【2017年整理】理想流动反应器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】理想流动反应器（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 理想流动反应器研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。根据流体流动质点的返混情况理想流动模型 非理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。2.1 反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程而言的。间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间而变，无空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图示）停留时间不同：全混反应器 （图示）一、理想流动模型1、平推流模型 活塞流或理想置换模型特点：沿物流方向，反应混合物 T、C 不断变化，而垂直于物流方向的任一截面（称径向平面）上物料的所有参数，如：C、
2、T、P、U 等均相同。总而言之，在定态情况下，沿流动方向上物料质点不存在返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。实例：长径比很大，流速较高的管式反应器。2、全混流模型 理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，而且等于物料在反应器出口处的性质。实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。关于物料质点停留时间的描述： 年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间。 寿命：指反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。寿命可看作时反应器出口物料质点的年龄。关于返混：返混：又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合
3、，即“逆向”为时间上得逆向，而非一般的搅拌混合。如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，而只是统一时间进入反应器的物料之间的混合。平推流反应器不产生返混，而全混流反应器中为完全返混，返混程度最大。关于实际反应器的返混。介于平推流和全混流反应器之间。关于各种反应器的推动力：CA等温下：CA 、CAf 、C A *(a) 间歇反应器 CA 随时间变化 (b) 平推流反应器 CA 随时间变化 (c) 全混流反应器 CA 随时间变化 CACAfCA反应时间CAoCA*CAf CAf轴向长度CAoCA*CAf轴向长度CAoCA*CACA非理想流动反应器，其反应推动力介于平推流和全混流之间。二、
4、非理想流动模型1、 偏离平推流反应器的几种情况：漩涡运动，径向流速分布不均匀，沟流或短路，死角。2、 偏离全混流反应器的几种情况：死角、短路、再循环3、 返混情况对化学反应影响主要是由于物料质点的停留时间不同所造成。2.2 理想流动反应器 ideal flow reactor2.2.1 间歇反应器 batch reactor一、间歇反应器得特征反应物 A反应物 B一定配比辅助：加热（或冷却）测量T、P 、加料口等间歇反应器搅拌生产周期：反应时间清洗、拆卸、安装等辅助时间。特点： 剧烈的搅拌，混合完全均匀，无浓度梯度存在；反应器有足够的传热条件，反应器内无温度梯度；物料同时加入，并同时停止反应，
5、所有物料具有相同的反应时间。应用：由于操作灵活，但生产能力小，常用于精细化与生物化工产品的生产。二、间歇反应器性能的数学描述物料衡算式：dtxntVAOAAAf AfxxROCt00对等容过程： Af AxcCOdt00对液相反应，反应前后液体体积变化不大，可看作等容过程，反应时间 t，辅助时间t， ，生产能力为 V（单位时间所处理的物料量） ，则反应器体积 VRV （t t ， ）辅助时间 t， 容易确定，对反应时间 t 的时间须事先知道动力学数据 关系曲线Ax1CA（或数学表达式） 。对等容过程，也可依据 关系曲线（或数学表达式）求取AC1t：1/ At/CA0 t1/ ACAf CA0
6、CAXA0 XAf X三、间歇反应器中的单一反应单一反应的动力学方程式常可以下式表示：nAkC反应级数不同，反应时间 t 的积分式形式不同，各级反应的反应时间分别为：（等容过程）反应级数 反映速率 残余浓度式 转化率式n0 kAACkt0 Axkt0n1 CAtlnAt1lnn2 2Ak01ACktAAxkt0n 级 n1 n )(11nOCntktCxnAOA1)()1(讨论：通过反应时间 t 与初始浓度 的关系可判断反应级数0例：以醋酸（A）和正丁醇（ B）为原料在间歇反应器中生产醋酸丁酯，操作温度为 100，每批进料 1Kmol 的 A 和 4.96Kmol 的 B，已知反映速率 VA1
7、.045 Kmol/(m3h)，试求醋酸2AC转化比率 分别为 0.5、0.9、0.99 所需的反应时间，已知醋酸与正丁醇的密度分别为x96Kg/m3和 740Kg/m3。解： CH3COOH （A） +C4G9OH （B） CH 3COOC4H9 （C） + H 2O（D） 对每 KmolA 而言，投料情况是：醋 酸（A） 1Kmol 60Kg 30625.9m正丁醇（B） 4.96 Kmol 386 Kg 4738该反应为液相反应，反映过程中体积不变，且每次投料体积 V=0.559m33/79.15.0mkolVNCAOoAfxAfOxCkdt2代入得 52.9h t4810.3 t0.2
8、.2.2 平推流反应器 plug flow reactor一、平推流反应器的特点1. 反应器各截面上物料参数只随流向变化，不随时间变化。2. 无径向浓度梯度，只须考虑轴向的变化。3. 无返混，各质点停留时间相同。二、平推流反应器计算的基本公式 AfxAdx0ACVCx已知：初始条件 V0 CAO XAO=0 出口：X Af (CAf) 求：。VOCAO(1-XA)=VOCAO(1-XA-dXA)+AdVR简化： VOCAO dXA AdVRfXRd0或 AfXOV0讨论： 在形式上与间歇反应器一致，故间歇反应器的结论适用于平推流反应器； 1须知 的关系，等温等容条件与间歇反应器一致。 2 Ax
9、下边分两种情况进行讨论：1、 反应过程为变分子反应 MVLBVA通常以化学膨胀因子来描述反应过程中分子数的变化： )()(1BAMcAiA vvv若反应过程中有惰性物质 I，初始状态为 则 )1()( 0000 AIBA xyVCxV反应过程中 不变，可令 称为膨胀率。y0 AA可见，变分子反应的转化率给定时，还与 相关。依然可由 积出。RVAfxRdCV0此时 与 关系更复杂，下边以一级不可逆反应为例说明：AxAAAxxVNC1)1(000微分得 Add20)(对一级反应 AAxkC10AxAR dVf0 )1ln()(ffxk或 AfAfAxkl1大家可下去推导 n 级反应的情形AfxAn
10、RdkCV01)(2、 变温过程物料衡算 RAVx0热量衡算 RAapi dVHTKdN)(联立求解得：达到一定转化率所需的反应体积。讨论： 1 对等温反应，热量衡算简化为： RAadVHdTK)()(可求出平推流反应器所需的传热面积。2 对绝热反应，传热项为零 RApiCN)(AARAdxdV0RpiHT)(令 ， 则AdxpiARACNdx0)(称之为绝热温升，其意义时在绝热条件下，组分 A 完全反应时反应物系的温度升高的数值，若 ，则0AAxTxT0或这样就把绝热条件下每一瞬间的反应温度 T 与转化率 联系起来。Ax2.2.3 全混流反应器 CSTR continuous stirrin
11、g flow Tank reactor一、全混流反应器的特点前面已经给大家介绍过全混流模型的反应器特点，这里再回顾一下。根据全混流的定义，由于强烈搅拌作用而时釜内反应物料的浓度和温度处处相等，同时，时进入反应器的反应物料在瞬间与存留于反应器的物料达到瞬间完全混合，且反应器出口处即将流出的物料也与釜内的物料浓度相等。相对平推流反应器而言，全混流反应器内的反应浓度与出口浓度相等，故在转化率相同的情况下，反应物的浓度低于平推流反应器，而产物浓度则高于平推流反应器。二、全混流反应器计算的基本公式对整个反应器作物料衡算较方便，定态条件下，反应器内反应物料的累积量为零，对组分 A 作物料衡算 RfAfAV
12、xCV)(1(00fAfAR)()(00或 fARxV)(表示安出口浓度计算的反应速率。fA)(若反应器进口物料中已含反应产物，且可用 来表示其转化率，0Ax则 fARxCV)(00和平推流反应器停留时间的比较图形 A1AfC0AC平推流：曲线下的面积全混流：矩形面积公式：反应级数 平 全零级 同左fxCkA0一级 Af1lnAfxk1二级 AfxCk0 20)(AfC2.2.4 多级全混流反应器的串联及优化一、多级全混流反应器的浓度特征全混流反应器的反应速率始终处于出口反应物浓度的低速率状态，采用多级全混流反应器串联后，可以降低返混影响的程度，提高反应速率或减少反应器体积。CA0 CA1 C
13、A2CAfCAfCA3CA2CA0CA1多级全混流反应器串联级数越多，过程就越接近平推流反应器，那么，是不是级数越多越好呢？下边加以说明：二、多级全混流反应器串联的计算解决这一问题有两种方法：解析计算、图解计算1 解析计算设各釜都在定态的等温条件下操作，反应过程中物料体积不发生变化，对任一釜之中的组分 A 进行物料衡算 RiAiAi VxCVxCV)1()1(00则 AiiRi或 Aiix)(10以一级反应为例，由 ，即定时0VRiiAiikCx)(10iAiAiiCk11或即 . . . iAk01 mAmkC1miC10)(最终转化率 0AmAx1)(iiAmkx若 则21 i)(1工业生
14、产常与此相符，将各级釜做成等体积的，便于制造安装。上式可求出 值。 )1(1mAxk或 001()Ri mAVVkx可见，已知 和最终转化率 ，可求出每级反应釜体积。k,0AmxmA一 定 时0VRiAmx2 图解计算对非一级反应，图解计算更方便 11AiiAiii iCC以 为纵坐标，C A 为横坐标作图，每一级 均为直线关系，直线斜A AiiC率为 ，并经过点 。i1)0,(1i又该级的出口浓度 亦满足动力学方程式，若各级反应釜动力学方程相同，Ai反映到 图上就是同一曲线，由此曲线和上述直线即可确定出口浓度AC AiCCA3 CA2 CA1 CA0A3 A2A1M各级反应釜体积相等时，即 相同，各级直线平行。i若各级反应釜内温度不相同，则需按级给出各级反应釜内的动力学曲线。三、多级全混流反应器串联的优化反应器的设计中常碰到类似这样的问题，物料处理量 V0，进料组成 CA0 及最终转化率 XAm 均提前确定。反应级数因受生产条件限制亦确定。如何分配各级反应器
