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1、第三章 理想流动反应器 n概述 n按照操作方式，可以分为间歇过程和连续过程，相应 的反应器为间歇反应器和流动反应器。 n对于间歇反应器，物料一次性加入，反应一定时间后 把产物一次性取出，反应是分批进行的。物料在反应 器内的流动状况是相同的，经历的反应时间也是相同 的。 n对于流动反应器，物料不断地加入反应器，又不断地 离开反应器。 n考察物料在反应器内的流动状况。有的物料正常的通 过反应器，有的物料进入反应器的死角，有的物料短 路（即近路）通过反应器，有的物料在反应器内回流 。 第三章 理想流动反应器 n在流动反应器中物料的流动状况不相同，造成物料浓 度不均匀，经历的反应时间不相同，直接影响反
2、应结 果。 n物料在反应器内的流动状况看不见摸不着。人们采用 流动模型来描述物料在反应器内的流动状况。流动模 型分类如下： n平推流模型 n全混流模型 n n 理想流动模型 n流动模型 n 非理想流动模型 n特别强调的是，对于流动反应器，必须考虑物料在反 应器内的流动状况；流动模型是专指反应器而言的。 平推流模型 全混流模型 第三章 理想流动反应器 第一节 流动模型概述 31 反应器中流体的流动模型 一、物料质点、年龄、奉命及其返混 1. 物料质点 n物料质点是指代表物料特性的微元或微团。物料 由无数个质点组成。 2.物料质点的年龄和寿命 n年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器开 始到某一
3、时刻，称为年龄。 n寿命是对离开反应器的质点而言，指从进入反应 器开始到离开反应器的时间。 3.返混 （1）返混指流动反应器内不同年龄质点间的混合。 在间歇反应器中，物料同时进入反应器，质点的年龄都 相同，所以没有返混。 在流动反应器中，存在死角、短路和回流等工程因素， 不同年具的质点混合在一起，所以有返混。 （2）返混的原因 a.机械搅拌引起物料质点的运动方向和主体流动方向 相反，不同年龄的质点混合在一起； b.反应器结构造成物料流速不均匀，例如死角、分布 器等。 造成返混的各种因素统称为工程因素。在流动反应器 中，不可避免的存在工程因素，而且带有随机性，所 以在流动反应器中都存在着返混，只
4、是返混程度有所 不同而已。 二、理想流动模型 1.平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型 ） 平推流模型认为物料进入反应器后沿着流动方向象气缸 里的活塞一样向前移动，彼此不相混合。 1）模型特点 （1）物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变 化； （2）垂直于流动方向的任一截面上的物料参数相同（没有 边界层）； （3）沿流动方向的截面间不相混合； （4）质点的奉命相同，任一截面上的质点的年龄相同； （5）返混0,不同年龄的质点不相混合（参见（3）。 2）适用范围 管式反应器：L/D较大，流速比较大。 2.全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模 型） 全混流模型认为物
5、料进入反应器后，在一瞬间，进入反 应器的新鲜物料和反应器内的物料达到完全混合。 1）模型特点： （1）反应器内物料质点完全混合，物料参数处处相同， 且等于出口处的参数； （2）同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合， （3）反应器内物料质点的年龄不同。同一时刻离开反应 器的物料中，质点的寿命也不相同。 （4）返混 2）适用范围： 搅拌反应器，强烈搅拌。 三、非理想流动模型 1. 实际反应器存在着程度不一的工程因素，流动状况不 同程度的偏离理想流动，称为非理想流动。 2. 非理想流动模型 在理想流动模型的基础上考虑非理想因素的流动模型 ，称为理想流动模型。常用的非理想流动模型有： 1）轴向混
6、合模型 2）多级串联全混流模型 目前大部分非理想流动模型都是以平推流模型为基础 发展而成的。 四、流动状况对化学反应的影响 流动状况对化学反应的影响有两方面：物料质点的浓度 和在反应器内的停留时间。 1.物料质点浓度 间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器中物料质点的 浓度变化如图32所示。 间歇反应器和平推流反应器的反应推动力CA均大于全混 流反应器的CA。实际上是物料的浓度不同，反应速率不 同。 2.物质质点的停留时间和反应时间 物料从进入反应器开始到离开反应器的时间称为停留时间 ，实际上是物料质点的寿命。 物料质点进入反应器开始所经历的反应时间称为反应时间 。对于离开反应器的物料质点而言
7、，反应时间通常不等于 停留时间，但目前一般以停留时间来衡量反应时间。 平推流反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时 间相同，即所有物料质点的反应时间相同； 全混流反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停留时 间各不相同，从0，物料质点的反应时间各不相同。 非理想流动反应器：同一时刻离开反应器的物料质点的停 留时间的分布状况介于平推流反应器和全混流反应器之间 ，其反应时间也介于其间。 32 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
8、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。 33 间歇反应器 一、间歇反应器的特征 工业上充分搅拌的间歇反应器接近于理想间歇反应器 ，如图35。 1. 反应器内物料达到分子尺度均匀，浓度处处相等 ，可排除物质传递对反应过程的影响。 2. 反应器内各处温度相等，不需考虑反应器内热量传 递。 3. 反应物料同时加入又同时取出，物料的反应时间相 同。 第二节 理想流动反应器 二、间间歇反应应器性能的数学描述 1.反应时间应时间 xA的关系 在反应器
9、中，物料浓度和温度是均匀的，只随反应时间 变化，可以通过物料衡算求出反应时间 t和xA的关系式。 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 在dt时间内对A作物料衡算： A流入量 = A流出量 + A反应量 + A累积量 0 = 0 + 积分： 等容过程： 上式适用于等容、变温和等温的各种反应系统。 由式（35），只要已知反应动力学方程就能计算反 应时间 。一般采用数值积分或图解法。如图36所 示。已知动力学数据曲线，然后求取 之间曲线下的面积即为t/CA0。同样也可作出 曲线，然后求取 之间曲线下的面积即为反应时间 t，如图37所示。 图解积分示意图 t/cA0 rA-1 xxAf
10、xA0 t rA-1 CACAf CA0 2.实际操作时间 实际操作时间=反应时间(t) + 辅助时间 (t) 辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。 3.反应器体积 VR=V(t+t) 式中V为单位时间所处理的物料量。 三、间间歇反应应器中的单单反应应 设有单一反应AP 动力学方程为 n1时， 按式（35）残余浓度式 或转化率公式： 残余浓度式是计算经反应后残余A的浓度，而转化率式 是计算A的利用率，根据工艺要求可以公式（35）计 算。间歇反应中反应速率、转化率和残余浓度的计算 结果列于表31。 反应级 数反应速率残余浓度式转化率式 n=0 n=1 n=2 n级 n1 表31 理想间歇反
11、应器中整级数单反应的反应结果表达式 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： ， 成正比 1级反应： ， 无关 2级反应： ， 成反比 利用上述的反应特性，可以定性判别反应级数，例如确 定xAf，然后测定的关系，判别反应级数。 3.残余浓度和反应时间的关系（转化率和反应时间的 关系） 0级反应： ， 直线下降 1级反应： 较缓慢下降 2级反应： 缓慢下降 对于一级或二级不可逆反应，在反应后期CA的
12、下降速 率，即xA的上升速率相当缓慢，若追求过高的转化率 或过低的残余浓度，则在反应后期要花费大量的反应 时间。 例31中，由计算可知， 当转化率为0.5时，t0.535h， 当转化率为0.9时，t4.81h， 当转化率为0.99时，t52.9h。 所以，不能片面追求转化率，导致反应时间 过长，大幅度增加操作费用。 34 平推流反应器 一、平推流反应器特点 平推流反应器是指物料的流动状况符合平推流模型，该 反应器称为平推流反应器，常用PFR表示。 平推流模型是一种理想流动模型，所以平推流反应器是 一种理想反应器，实际反应器中物料的流动，只能以不 同的程度接近平推流，不可能完全符合平推流。 平推
13、流反应器具有以下特点： 1. 物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化 ，不随时间变化； 2. 任一载面上的物料参数相同，反应速率只随轴向变化； 3. 反应物料在反应器内停留时间相同，即反应时间相同； 4. 返混0 1.二、平推流反应应器计计算的基本公式 反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：微元体积dVR 在单位时间内对A作物料衡算： A流入量 A流出量 A反应量 A累积量 所以： 积分： 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： 对比间歇反应器： 可知，二者具有一定的等效性。 1.三、
14、等温平推流反应应器的计计算 等温平推流反应器是指反应物料温度相同，不随流动 方向变化。 将 代入平推流反应器体积计算公式 若为等容过程 则 等温等容过程平推流反应器计算式见表32 反应级 数反应速率反应器体积转化率式 n=0 n=1 n=2 n级 n1 表32 等温等容平推流反应器计算式 1.四、变变温平推流反应应器 变温平推流反应器，其温度、反应物系浓度、反应速率 均沿流动方向变化，需要联立物料衡算式和热量衡算方 程式，再结合动力学方程求解。 在稳定状态时，有 物料衡算： 热量衡算：对象为dVR 物料带入热量物料带走热量传向环境热量反应热 0 式中 分别为i组分的摩尔流量、i组分的等压摩尔热
15、容、微元 体积中物料温度、环境温度、反应热（放热为负 ，吸热 为正） 由物料衡算和热量衡算及动力学方程 三者联立，采用差分法或Runge-Kutta法求解。 当过程为等温或绝热过 程时，可以简化。 1.等温过过程 热量衡算式简化为 由 则有 积分 式中A为换热 面积 2.绝热过绝热过 程 热量衡算式简化 为 由 则有 令 称为绝热 温升，即为在绝热条件下组分A完全反应时物料的温升。 则 积分之，得 当xA0=0,有 35 全混流反应器 全混流反应器是指物料流动状况符合全混流模型，该反应 器称为全混流反应器（CSTR）.在实际反应器中，连续搅 拌釜式反应器由于强烈搅拌，物料混合均匀，其流动状况 接近全混流。 一、全混流反应器的特点 1. 反应器内物料参数（浓度、温度等）处处相等，且等于 物料出口处的物料参数。 2. 物料参数不随时间而变化； 3. 反应速率均匀，且等于出口处的速率，不随时间变化。 4. 返混 1.二、全混流反应应器计计算的基本公式 2.反应器体积VR 衡算对象：关键组分A 衡算基准：整个反应器（V） 稳定状态： A流入量A流出量 A反应
