(整理)平推流模型 模型特点
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1、平推流模型(活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型)2、活塞流模型假定:①径向流速分布均匀;②径向混合均匀;③轴向无返混。
全混流模型假定:①径向混合达到最大;②轴向混合达到最大。
流动模型:是反应器中流体流动与返混情况的描述,这一状况对反应结果有非常重要的影响。
:在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合称为返混,也称为逆向混合。
3、平推流模型模型特点(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)任一截面上的质点的年龄相同;质点的寿命相同;(5)返混=0,不同年龄的质点不相混合。
4、平推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=05、简述等温恒容平推流反应器空时、反应时间、停留时间三者关系?答:空时是反应器的有效容积与进料流体的容积流速之比。
反应时间是反应物料进入反应器后从实际发生反应的时刻起到反应达某一程度所需的反应时间。
停留时间是指反应物进入反应器的时刻算起到离开反应器内共停留了多少时间。
由于平推流反应器内物料不发生返混,具有相同的停留时间且等于反应时间,恒容时的空时等于体积流速之比,所以三者相等。
6、管式反应器与釜式反应体积的比较:(P107-110)①在正常动力学下,管式反应器的反应体积小于釜式反应器反应体积;②在反常动力学下,管式反应器的反应体积大于釜式反应器反应体积。
7、考察各种组合反应器所能达到的出口浓度。
a .b.c.000121/2A A Af R C C C V k k V τ==++0011200011(1)A A A A Af R R R C C C C C V V V k k k V V V ===+++,010000()111R A k A A Af R R V C exp k C V C e C V V k k k V V ττ--===+++d. e. F 、 G 、 101k k Af A A e C C e C k τττ--==+000()(2)/2R Af A A V C C exp k C exp k V τ=-=-100000()()()(2)R R R Af A A A V V V C C exp k C exp k exp k C exp k V V V τ=-=--=-2100212k A A A A C C e C C k ττ-==+2012011[][]2212k A Af A A A C C C C C e k ττ-=+=++。
平推流模型 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)垂直流动方向的任一截面上的物料参数相同;(3)沿流动方向的截面间不相混合;4)返混=0,不同年龄的质点不相混合。
适用范围:L/D 较大,流速比较大。
全混流模型(理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型)模型特点: (1)同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间达到完全分散混合。
(2)物料参数处处相同,并等于出口处的参数;器内物料参数不随时间变化。
(3)器内物料粒子的年龄不同;同一时刻离开反应器的物料中,粒子的寿命也不相同。
(4)返混=∞,粒子停留时间分布最大。
适用范围:搅拌反应器,强烈搅拌。
在连续操作的反应器中,对于恒容过程,物料的平均停留时间也可以看作是空时,两者在数值上是等同的; 若为变容过程,在一定的反应器体积 VR 下,按初始进料的体积流量计算的平均停留时间,并不等于体积起变化时的真实平均停留时间,而且,平均停留时间与空时也有差异。
1间歇釜式反应器优缺点用于非生产性的操作时间长,即每次投料、排料、清釜和物料加热的时间,产物的损失较大且控制费用较大等。
适用于经济价值高、批量小的产物,如药品和精细化工产品等的生产。
每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间 反应器有效体积 VR :式中 V ′为单位时间的物料处理量反应器的实际体积 V 实: 2 平推流反应器 物料衡算式特点:(1) 各点浓度、温度和反应速度不随时间而变化,故单元时间上 t 可任取; (2) 沿流动方向物料浓度、温度和(–rA)都在改变,故应取单元体积 ∆V = dV ; (3)流体流动为连续稳定流动,在单元时间、单元体积内反应物的积累量为零。
3 全混流反应器全混釜物料衡算式特点:(1)釜内各处物料参数相同,不随时间改变,不随时间改变,过程参数与空间位置和时间无关。
(2)釜内参数与流出参数一致,所以釜内与流出流体的反应速率值均为 (–rA)f 。
【摘要】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文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。
一、理想流动模型1.1 平推流模型特点: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 、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。
1.2 全混流模型特点: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。
关于返混:返混:又称逆向混合,是指不同年龄质点之间的混合,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。
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:△C A 等温下:C A 、C Af 、C A *(a) 间歇反应器 △C A 随时间变化 ↓ (b) 平推流反应器 △C A 随时间变化 ↓ (c) 全混流反应器 △C A 随时间变化 ↓C AC Af△C A 反应时间C A o C A*C AfC Af轴向长度C A o C A*C Af 轴向长度C A o C A*C A△C A △C A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、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。
2.1 间歇反应器2.1.1 间歇反应器的特征生产周期:反应时间+清洗、拆卸、安装等辅助时间。
第三章 理想流动反应器概述按照操作方式,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。
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。
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。
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。
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,直接影响反应结果。
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:理想流动模型 流动模型非理想流动模型特别强调的是,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。
第一节 流动模型概述3-1 反应器中流体的流动模型平推流模型全混流模型一、物料质点、年龄、奉命及其返混1.物料质点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年龄是对反应器内质点而言,指从进入反应器开始到某一时刻,称为年龄。
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。
平推流反应器的特点
平推流反应器是一种常见的反应器类型,其特点主要包括以下几个方面:
1. 高效性:平推流反应器的特殊结构设计使得反应物质与催化剂之间的接触面积更大,反应速率更快,反应效率更高。
2. 反应均匀性:平推流反应器中反应物质的流动是均匀的,可以保证反应物质在反应过程中的分布均匀,从而避免了反应不均匀导致的副反应和废料等问题。
3. 温度控制能力强:平推流反应器具备良好的温度控制能力,可以通过调节进出口温度和流速等参数来控制反应温度,从而保证反应过程的稳定性和可控性。
4. 可扩展性:平推流反应器的结构简单,体积小,可以根据需要进行扩展,从而满足不同规模的反应需求。
总之,平推流反应器具备高效性、反应均匀性、温度控制能力强和可扩展性等特点,是一种广泛应用于化工、制药等领域的重要反应器类型。
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全混流模型和平推流模型在工业上的应用全混流模型和平推流模型是在工业领域中应用广泛的两种流体模型。
它们在各自的应用场景中发挥着重要作用,对于工业生产过程的优化和效率提升起到了关键的作用。
全混流模型是一种在流体力学中常用的模型,它基于对流体流动的宏观描述和统计分析,通过求解流体的运动方程和连续性方程,预测流体在各个位置和时间点上的速度和压力分布。
全混流模型适用于流体在管道、河流、湖泊等封闭或半封闭环境中的运动和混合过程的研究。
在工业上的应用中,全混流模型常常被用于设计和优化液体的搅拌和混合设备,如反应釜、搅拌槽等。
通过分析流体在设备内的流动特性,可以确定最佳的搅拌参数,提高混合效果和反应速率,从而提高生产效率和产品质量。
平推流模型是一种在流体力学中常用的模型,它基于对流体流动的微观描述和分子动力学分析,通过求解流体的纳维-斯托克斯方程和输运方程,预测流体的速度、温度和浓度分布。
平推流模型适用于研究流体在微小尺度和高速流动情况下的运动和传输过程。
在工业上的应用中,平推流模型常常被用于设计和优化微流体设备,如微反应器、微混合器等。
通过分析流体在微通道内的流动特性,可以实现高效的传质和反应过程,提高生产效率和产品性能。
全混流模型和平推流模型在工业上的应用具有以下特点和优势:1. 提高效率:通过对流体流动过程的建模和分析,可以优化设备的设计和操作参数,提高流体的混合、传质和反应效率,从而提高工业生产的效率和产能。
2. 降低成本:通过准确预测流体的流动特性和传输行为,可以优化工艺流程,减少资源和能源的消耗,降低生产成本。
3. 提高产品质量:通过精确控制流体的流动和混合过程,可以实现均匀的温度和浓度分布,减少不均匀现象和局部反应,提高产品的质量和一致性。
4. 降低环境风险:通过对流体流动过程的模拟和分析,可以预测和评估可能的风险和事故,提前采取措施,降低环境污染和安全风险。
全混流模型和平推流模型在工业上的应用具有重要的意义和广阔的发展前景。
平推流模型 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)垂直流动方向的任一截面上的物料参数相同; (3)沿流动方向的截面间不相混合;4)返混=0,不同年龄的质点不相混合。
适用范围:L/D 较大,流速比较大。
全混流模型(理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型)模型特点: (1)同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间达到完全分散混合。
(2)物料参数处处相同,并等于出口处的参数;器内物料参数不随时间变化。
(3)器内物料粒子的年龄不同;同一时刻离开反应器的物料中,粒子的寿命也不相同。
(4)返混=∞,粒子停留时间分布最大。
适用范围:搅拌反应器,强烈搅拌。
在连续操作的反应器中,对于恒容过程,物料的平均停留时间也可以看作是空时,两者在数值上是等同的; 若为变容过程,在一定的反应器体积 VR 下,按初始进料的体积流量计算的平均停留时间,并不等于体积起变化时的真实平均停留时间,而且,平均停留时间与空时也有差异。
1间歇釜式反应器优缺点用于非生产性的操作时间长,即每次投料、排料、清釜和物料加热的时间,产物的损失较大且控制费用较大等。
适用于经济价值高、批量小的产物,如药品和精细化工产品等的生产。
每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间 反应器有效体积 VR :式中 V ′为单位时间的物料处理量反应器的实际体积 V 实: 2 平推流反应器 物料衡算式特点:(1) 各点浓度、温度和反应速度不随时间而变化,故单元时间上 t 可任取; (2) 沿流动方向物料浓度、温度和(–rA)都在改变,故应取单元体积 ∆V = dV ; (3)流体流动为连续稳定流动,在单元时间、单元体积内反应物的积累量为零。
3 全混流反应器全混釜物料衡算式特点:(1)釜内各处物料参数相同,不随时间改变,不随时间改变,过程参数与空间位置和时间无关。
(2)釜内参数与流出参数一致,所以釜内与流出流体的反应速率值均为 (–rA)f 。
(3)定常态操作,所以累积量 = 0 平推流反应器的串联操作N 个平推流反应器串联操作,设 N 个平推流反应器的出口转化率分别为 x1、x2、、xN 。
第一个反应器物料衡算:第二个反应器物料衡算:第 i 个反应器物料衡算: N 个平推流反应器串联:R t t t =+0()R V V t t '=+V V =δϕ10001()xR AA A A V dx c F r =-⎰2002()x R AA xA A V dxc F r =-⎰00()x RiAA xA A iV dxc F r =-⎰121012()()()NRiRNRR R i A A A A A x x x AAA x x A A A NV V V V V F F F F Fdx dx dx r r r ===++⋅⋅⋅+=++⋅⋅⋅+---∑⎰⎰⎰若每个反应器内的温度相同,则(-rA)也相同,有:结论:N 个平推流反应器串联操作,其总体积为 VR ,则其最终转化率与一个具有相同体积( VR )的单个平推流反应器所能获得的转化率相同。
单个平推流反应器可以拆分为 N 个平推流反应器串联操作,只要满足两者的所到达的转化率相同,即可。
2 平推流反应器并联并联操作反应器的总体积等于各个支路反应器体积之和:并联操作反应器的总物料体积流量等于各个支路体积流量之和:基础设计方程:若干个平推流反应器并联操作,要使最终转化率达到最大或使反应器总体积最小,前提条件是要尽可能减少返混,而只有当并联各支路之间的转化率相同时没有返混。
如各支路的转化率不同,就会出现不同转化率的物流相互混合,即不同停留时间的物料的混合,就是返混。
并联操作要满足: 或3 全混流反应器并联多个全混流反应器并联操作时,要满足并联的全混流反应器体积最小,就要求每一支路达到相同的转化率,这与平推流反应器并联操作的要求相同。
并联操作要满足: 或 4 多釜串联 基础设计方程对任意第 i 釜中关键组分A 作物料衡算流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量FA, i-1 FA, i (-rA)i Vi 0整理得:或: 恒容系统: 对于 N 釜串联操作的系统,总空时:釜与釜之间不存在返混,所以总的返混程度小于单个全混釜的返混。
τ 小于单个全混釜达到相同转化率 xAN 时的空时。
各釜之间不存在返混,故总的返混程度小于单个全混釜的返混。
000()ANx R AA A A V dx c F r =-⎰123R R R R V V V V =+++0010203νννν=+++000()A x R AA A V dx c r τν==-⎰12ττ=1212R R A A V V F F =12ττ=1212R R A A V V F F =,1,()A i A i A i Ri F F r V -=+-0,10,(1)(1)()A A i A A i A i Ri F x F x r V --=-+-00,,10()()()A A iA i A Ai Ri A i A iC x x F xV r r ν--∆==--,,100()()A iA i Ri i Ai A A A i A ix x V x F C r r τ--∆===--,1,0()A i A i Ri i A iC C Vr τν--==-12N ττττ=++⋅⋅⋅+0012()()A ANA N A NC x x r τττ-++⋅⋅⋅+<-解析法计算出口浓度或转化率 (1)一级反应第1个釜的出口浓度:第2个釜的出口浓度:依此类推,可求出第n 个釜的出口浓度为:若各釜的温度或体积相等,即:则: 2)二级反应以上面方法,可以推出: 达到指定转化率反应器总体积随釜数 N 增加而减少。
釜数总成本费用与釜数的关系如右图所示。
N =4 ,总费用最少。
釜数N 增加,生产操作的难度和费用也增加。
因此串联釜数的最优选择一般不超过4。
3.等温、等体积情况的图解计算 图解法原理联立并解基础设计式和动力学方程5 循环反应器(Recycle Reactor)前面已介绍过平推流反应器的主要优点是没有返混,因此,在同样的转化率下反应器体积最小。
在工业上却经常把部分产物循环送至反应器入口。
此类反应器称为循环反应器,见图。
循环反应器的一个重要参数是循环比 β,定义为:当 β = 0 时无循环,即为 PFR 情况。
当 β = ∞ 时,全部循环,即相当于CSTR 的情况。
2.5 反应器选型与 操作方式评选单一反应:没有产物分布问题,设计中只需考虑反应器的大小,即生产能力的大小; 复合反应:存在产物的分布,主要考虑产物的收率或选择性。
单一反应2.5.1.1 简单反应器的大小比较 一、简单反应器的设计方程单一不可逆反应: A → P ,等温,n >0,动力学方程为:(1)间歇釜处理物料量为 FA0,不计辅助时间010111111,1A A A A A C C C C k C k ττ-==+01212222221122,1(1)(1)A A A A A A C C C C C k C k k k ττττ-===+++011221(1)(1)(1)1A A ANNN Ni ii C CC k k k k ττττ===++⋅⋅⋅++∏1212,i i k k k τττ==⋅⋅⋅===⋅⋅⋅=01,1(1)(1)A ANANNNiiC C x k k ττ==-++Ai iC ,,11()()A A i A i i r C C τ---=⋅-()()A A r k f C -=⋅12νβν==循环物料的体积流量离开反应器物料的体积流量0(1)()(1)n n n A A AAn A A C x r kC kx ε--==+000()Ax B B AA A A V t dx F C r ==-⎰(2)平推流反应器 (PFR): 3)全混流反应器 (CSTR):(4)多混串联反应器 N-CSTR :间歇反应器和平推流反应器的比较1.比较二者的CA~t 、xA~t 、(-rA)~t 曲线,曲线相同,可重叠,说明二者具有相同的特征,不存在返混。
2.二者基础设计式具有相同的函数关系,只是间歇釜设计式采用反应时间(t)作为参数,平推流反应器设计式采用空间时间(τ)作为参数。
二者积分结果一样。
3.二者的操作状态差别很大。
平推流反应器操作是稳定流动状态,间歇反应器操作是与外界没有物料交换。
4.间歇反应器操作过程还要考虑辅助时间的影响。
所以完成相同的生产任务,间歇反应器体积比平推流反应器要大 ν0t0 。
间歇反应器基础设计式平推流反应器基础设计式全混釜与平推流反应器的比较 1.浓度、转化率、速率曲线的比较全混釜中返混最大,釜内反应物浓度处于最低浓度操作,相应的转化率和速率也较低。
平推流反应器中反应物浓度处于高浓度操作,转化率和速率也较大。
结论:达到相同转化率,全混釜体积较大,平推流反应器体积较小。
全混釜与平推流反应器设计式的比较全混釜(CSTR):平推流反应器(PFR)当进料流量 FA0、温度 T 、浓度CA0、转化率 xA0 相同时,平推流反应器与全混流反应器的体积比为: 1不可逆反应,级数 n >0转化率 xA 较小时, VC/VP →1,平推流反应器的体积与全混釜的体积相差不大。
随转化率 xA 增大,反应物浓度变化增大,达到相同的转化率,VC/VP 比值增大; 级数 n 的增大,达到相同的转化率,两种反应器的 VC/VP 比值增加得更大。
级数 n 相同,转化率相同,随 ε 的增大,两种反应器的 VC/VP 比值增加得更大; 级数高、转化率高、膨胀率大的反应,应考虑采用PFR 。
2.对于级数 n = 0 的不可逆反应:反应速率只受温度的影响,与浓度无关,即浓度对反应器体积无影响, VC =VP 。
3.当级数 n <0 时,情况与 1 相反。
串联N –CSTR 与PFR 的性能比较等温等容反应时,用 N 个相同体积的 CSTR 串联操作所需的反应器总体积 VN 与完成相000()Ax P P AA A AV dx F C r τ==-⎰000()C C A A A A A V x x F C r τ-==-1000()NN N i Ai i A A A A i V x F C C r ττ=∆===-∑∑00()Ax AA A dx t C r =-⎰000000()()x AB A Adx V t t c t r ννν=+=+-⎰00()A x A P A A dx C r τ=-⎰000()A x A P A A dx V c r ν=-⎰0000(1)()()(1)n C C A A A A A A n nA A A A A A V x x x x x F C r r kC x τε-+====---00000(1)1()(1)n x x P P A A A A n n A A A A A V dx x dxF C r kC x τε+===--⎰⎰01111n A A A A C C nx P P A AA A x x x V V x dx x εττε⎛⎫+ ⎪-⎝⎭==⎛⎫+⎪-⎝⎭⎰同生产任务的 PFR 体积 VP 之比 R = VN / VP 与反应级数有关。