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第三章 反应器内的流体流动

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化学反应工程 第三章 理想反应器(1)

化学反应工程 第三章 理想反应器(1)
–当反应为强放热反应，即（-ΔHr）很大时，可通 过控制A的滴加速率vCA0来控制放热量，从而控 制反应温度。
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

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

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

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

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

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

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

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

环境工程原理第03章流体流动

环境工程原理第03章流体流动

第一节 管道系统的衡算方程
对于理想流体的流动，由于不存在因黏性引起的摩擦阻力，故
hf 0 ；若无外功加入，We 0
1 2
um2
+
gZ
+
p


0
伯努利（Bernoulli）方程
动能、位能和静压能
(3.1.19)
1 2
um2
+
gz
+
p


常数
理想流体在管路中作稳态流动而又无外功加入时，在任一截面 上单位质量流体所具有的总机械能相等，也就是说，各种机械 能之间可以相互转化，但总量不变。
um

1 A
udA
A


1 2
u
2
m

1 A
A
1 u2dA 2

1 2
u2
m

1 2
um2
由于工程上常采用平均速度，为了应用方便，引入动能
校正系数α，使

1 2
u2
m

1 2

um
2
α的值与速度分布有关，可利用速度分布曲线计算得到。经证
明，圆管层流时，α＝2，湍流时，α＝1.05。工程上的流体流
1
p1
1
2
um2
+ gz +
p2 dp
p1

We

hf
(3.1.11) (3.1.14) (3.1.15)
不可压缩流体和可压缩流体稳态流动过程单位 质量流体的机械能衡算方程
第一节 管道系统的衡算方程
机械能衡算方程的其他形式
对于不可压缩流体，比体积 或密度ρ为常数，

第三章 管式反应器

第三章 管式反应器
第三章 管式反应器
第一节 管式反应器的设计模型
3.1.1 管式反应器的基本特征 1．流动模型（平推流模型） 指任一瞬间进入反应器的物料都在垂直于流向的一个平面内，沿着流向 平行地向前推移，犹如汽缸中的活塞运动一样。该流型的基本特征。 （1）在反应器内流动的物料不发生任何返混（返混、不是一般意义上的 混合，指在反应器中具有不同停留时间的物料间的混合，是连续流动反应 器特有的一种传递现象，在间歇反应器中不存在返混，返混，改变反应器 内浓度分布，反应物浓度下降，产物浓度升高，影响反应器生产能力及产 物的选择性）。 （2）反应器内参数只沿轴向变化。稳定态下，物料参数沿着流体向有相 同的变化序列。 （3）稳态下，器内物料的停留时间相等，且等于平均停留时间。
∫
VR 0
X dVR dxA =∫ 0 (−r ) FA0 A
A
VR = FA 0
∫
xA 0
dx A ( − rA )
根据：在连续反应器的性能方程中，常应用到空时 这一参数 这一参数， 根据：在连续反应器的性能方程中，常应用到空时τ这一参数，规定
τ=
V V0
其定义为在 规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需的时间。式中： 规定条件下，进入反应器的物料通过反应器所需的时间。式中：
式中 k
k
为正逆反应的反应速率常数，αi，βi
则为正逆
反应对反应组分i的反应级数。 反应对反应组分 的反应级数。 的反应级数
2．轴向扩散模型 ． 该模型的基本假定为: 该模型的基本假定为 流体以恒定的流速u通过系统 通过系统； ① 流体以恒定的流速 通过系统； 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一， ② 在垂直于流体运动方向的横截面上径向浓度分布均一，即径向混合达 到最大； 到最大； 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散， ③ 由于湍流混合，分子扩散以及流速分布等传递机理而产生扩散，仅 发 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数Da表示这些因素的综合作用。 生在流动方向（即轴向），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用。 ），并以轴向扩散系数 表示这些因素的综合作用 （1）物料衡算式 ）

化学反应过程与设备课件03反应器中的流体流动模型

化学反应过程与设备课件03反应器中的流体流动模型

理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。

反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。

这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。

这些流动特征影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。

所以，研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、计算和优化的基础。

流动模型是对反应器中流体流动与返混状态的描述。

一般将流动模型分为两大类型，即理想流动模型和非理想流动模型。

非理想流动模型是关于实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。

è 理想置换流动模型¢含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。

与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。

¢特点在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。

所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间。

¢反应器内浓度变化¢长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。

è理想混合流动模型¢含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。

反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。

反应器内物料质点返混程度为无穷大。

¢特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。

¢反应器内浓度变化¢搅拌十分强烈的连续操作搅拌釜式反应器中的流体流动可视为理想混合流动。

è非理想流动理想流动模型是二种极端状况下的流体流动，而实际的工业反应器中的反应物料流动模型往往介于两者之间。

对于所有偏离理想置换和理想混合的流动模式统称为非理想流动。

化学反应工程备课-第三章

化学反应工程备课-第三章

②示踪剂浓度很低时也能够检测，这样可控示踪剂量减少而不 影响主流体流动；
流动模型概述
（1）间歇反应器 反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作
参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内 的反应时间相同。
不存在物料返混与逗留时间分布问题。 （2）连续反应器 在定态下，反应物料的温度、浓度等操作参数随空间位置 而异，而任一空间位置处的物料操作参数不随时间而变，所 有物料质点在反应器中的逗留时间可能相同也可能不同。 存在物料返混与逗留时间分布问题。
（3）平行反应加料方式的选择
2、连串反应 (1)连串反应的选择率
对于一级连串反应
（2）连串反应的温度、浓度效应 温度效应与平行反应相同
浓度效应： ——提高连串反应选择率可以通过适当选择反应物的初始浓 度和转化率来实现。
——初始浓度对连串反应选择率的影响，取决于主、副反应 级数的相对大小，主反应级数高时，增加初始浓度有利于提 高选择率；反之，主反应级数低时，降低初始浓度才能提高 选择率。
等温进行时，
4、多级全混流反应器的串联及优化
反应级数越多，最终转化率越高，在处理量—定时，各级 反应体积越大，最终转比率也越高。
若各级全混流反应器的温度相等，体积相同．作图法求解的 步骤如下：
多级全混流反应器串联的优化
一级不可逆反应，m个全混流反应器，各级温度相同，所 需的总反应体积
——间歇反应器，反应过程中带入与流出的热焓为零； ——流动反应器，在定态下，上式中热量的累积为零；对等温 流动反应器，在定态下，带人热焓与流出热焓相等；对绝热反 应器，传向环境的热焓为零。
(3)动量衡算 动量衡算以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的
压力变化。

理想流动反应器反应器内的流体流动

理想流动反应器反应器内的流体流动

长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流
动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳
定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中
的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷 大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出 口处物料性质与反应器内完全相同。
在工程放大中产生的问题 由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度 的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析 各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混 状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分 割两种，其中重要的是横向分割。
理想流动
非理想流动
理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状 态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。 反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流
速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓
度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义
对反应过程产生不同程度的影响 在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转 为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的 型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注
意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
推流。
练 习
理想流动模型分为两种类型，即________和_________ 返混专指________进入反应器的物料之间的混合 说明下列反应器中的返混情况： 间歇反应器中返混为_____, 理想置换反应器返混为_______

反应器操作与控制基础知识—反应器内的流体流动

反应器操作与控制基础知识—反应器内的流体流动
《化学反应器操作与控制》
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
理想混合模型
非理想流动模型
理想置换流动模型
非理想流动模型
非理想流动模型
一是由于反应器中物料颗粒的运动(如搅拌、分子扩散等)导致与主 流体流动方向相反的运动；
二是由于设备内部结构特点造成的各处速度的不均匀性。
例如：设备的两端、挡板等易产生死角； 反应器内因催化剂或填料装填不均匀易造成沟流或短路； 直径较大的鼓泡塔或釜式反应器内易造成循环流等。
横向分割
挡网
流化床反应器
挡板
非理想流动模型——降低返混的措施
纵向分割
垂直构件
流化床反应器
《化学反应器操作与控制》
理想流动模型
理想流动模型
理想流动模型——一、分类
理想置换流动模型
理想混合流动模型
理想流动模型
理想流动模型——二、特点
理想置换模型
平推流模型
活塞流模型
理想置换流动模型
①在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓 度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。
②所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时 间，且等于物料通过反应器所需的时间；
③垂直于物料流向的任一截面上，所有的物系参 数都是均匀的，亦即任一截面上各点的温度、 压力、浓度和流速都相等。理想置换流动 模型特点
理想置换流动模型
长径比较大和流速较高 的连续操作管式反应器中的流 体流动可视为理想置换流动。
非理想流动模型——1.返混
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。
定义
返混
影响
返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反 应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。反应速率 下降，改变复杂反应的选择性。

化学反应工程 第三章 理想反应器(3)

化学反应工程 第三章 理想反应器(3)

a( )
d
d
其中，
f (, x) 1 rA
(1 )
f ( , x) rA 1
rA
f [ , b( )] 1
rA2
db( ) dxA2 0 d d
d[ ,a( )] 1
rA1
da( ) d
d
d
[ 1
xA2]
xA2
(1 )2
dx xA2
A
r xA1
解：分别计算两种联结方式下出口反应 物浓度
–若CSTR在前，PFR在后时
对CSTR
对PFR
1
C A0 C A1 kC A1
C A1
C A0
1 k1
2
dC C A1
A
1
ln CA1
kC C A 2
A
k
C A2
CA2 CA1 exp(k 2 )
由此，出口反应物A的浓度为
C A2
A
1
rA1
(1
xA2
)2
0
–即：
dx x A 2
A
r xA1
A
1 rA1
xA2
(1 )
–而， xA2
1
xA2
x A1
–由此，可得：
1
dx xA2
A
r x A1
A
rA1 x A2 x A1
–或者，
1
rA1 ( xA2 xA1 )
dx xA2 A
r xA1
A
1
rA1 ( xA2 xA1 )
为理想气体)
解：
V
v0
C A0
xA dx A 0 rA
–而

第三章理想流动1

第三章理想流动1
(-rA) ∆V ∆t ⑴ ⑵ ⑶ ⑷ 间歇反应器： ⑴和⑵为0； 连续流动反应器：稳态操作 ⑷为0； 不稳态操作 包括四项； 半间歇式反应器：包括四项
19
这是一通用的物料衡算方程，对连续 流动系统、间歇系统均适用。 • 物料衡算方程意义？ 给出了CA(xA)随反应器位置或 t 变化 的定量关系。
5
第三部分 ： 单一反应、平行反应、串联反应的特点 平行反应、串联反应的选择率、收率、瞬 时选择率、平均选择率 反应选择性的浓度效应与温度效应 一级平行、串联反应在PFR和CSTR的选择 率和收率计算 反应器类型与操作方式的选择对平行反应 选择性的影响
6
化学反应器的类型很多，由于反应物 料的性质、反应条件及生产规模不同，反 应器的型式、形状、大小也各异。
34
平推流的特点？
• 流动方向上，物料T、C不断变化； • 沿半径方向（垂直于流体流动方向）的任 何截面上，物料的所有参数，如T、C、P、 流速都相同； • 所有物料质点在反应器中的停留时间完全 相同； • 反应器中没有返混，即返混为零。
35
平推流属于理想流动模型的一种，符合 平推流特点的反应器称为平推流反应器。 实际生产中，长度与直径之比较大， 管内流体处于湍流流动，即管径较小，流 速较高的管式反应器，可近似视为平推流 反应器。
为了逐步掌握典型反应器的设计方法， 我们从简单、理想状况入手，然后推广到 比较复杂的情况。
7
首先讨论等温、均相、理想流动情况 下间歇反应器、平推流反应器和全混流反 应器三种理想反应器（典型均相反应装置） 的性能特征及计算方法。
涉及内容不仅是均相反应过程开发及 均相反应器设计计算的理论基础，也是处 理更为复杂的多相化学反应工程问题的基 本方法和理论基础。

化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备

化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备
为 1.5m，管路阻力损失可按 hf = 5.5u2
计算（不包括导管出口的局部阻力），溶 液密度为 1100kg/m3。
试计算：送液量每小时为 3m3 时，容器 B 内应保持的真空度。
pa
1
22
p真
抽真空
1.5m
B
1
A
解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面， 在该两截面间列柏努利方程，有
z2 g
u22 2
5.5u22
1.5 9.81 6.01.182 1100 2.54104 Pa
ZYNC 化学系
3.3流体压力和流量的测量
1．流体压力的测量---U形管压力计 2．流体流量的测量---孔板流量计、文丘里流量计、
转子流量计
ZYNC 化学系
1．流体压力的测量---U形管压力计
ZYNC 化学系
⑴ 粘度μ的物理意义：
y
设有上、下两块平行放置、 面积很大、相距很近的夹板，板 间充满流体，下板固定，以一推 动力F推动上平板以u恒速运动。
y y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ，有：
F u A y
F u A
y
ZYNC 化学系
⑵ 粘度 : 单位：Pa·s，泊P：g·cm-1·s-1
量，其原理与孔板流量计相同。
结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层分离而
产生旋涡，因此阻力损失较小。
qv u0S0 cvS0
2gR(i )
ZYNC 化学系
文丘里流量计
ZYNC 化学系
⑶ 转子流量计 原理：
流体出口
转子上下截面由于压差（p1－p2）所形成的
向上推力与转子的重力相平衡。稳定位置与流

第三章釜式反应器

第三章釜式反应器
热量衡算是以能量守恒与转化定律为基础的。
加入反应器的热量（1） ＝
带走的热量（2） ＋反应热（3） ＋累积的热量 （4）
对于（3）吸热反应取正号放热反应取负号
1）对于单一反应，只需建立一个方程
2）多相反应，需分别对每相建立方程， 多一相，多建立一个
3）反应热 放热 ΔHR “-” QP“+” 吸热 ΔHR “+” QP “-”
• 当气相流动反应器的压力降很大，以 致影响到反应组分的浓度时，就要考 虑动量衡算式。一般情况下，在反应 体积计算时可不考虑。这样反应体积 的计算是物料衡算、热量衡算联立求 解。对于一个单一反应就有二到三个 方程，如果遇到多个反应，计算就非 常麻烦，因此必须根据具体情况作必 要的简化。
• 4.化学动力学方程r=k1f1(x)-k2f2(x)
• 间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作条件较为灵活，可适用于不同品种和不同 规格的产品生产，特别是用于多品种而批量 小的化学品生产。因此，在医药、试剂、助 剂、添加剂等精细化工部门中得到广泛的应 用。其操作时间是由两部分组成：反应时间 （t）和辅助时间（t0）
二者的区别在于年龄是对仍然停留在设备 内的粒子而言。寿命则对已经离开反应 器的粒子而言。所以说寿命也可以说是 反应器出口处物料粒子的年龄。
b、逆向混合（返混） 指不同年龄的粒子之间的混合。所谓逆向，
是指时间概念上的逆向。 理想置换模型：返混最小 理想流动反应
器 理想混合模型：返混最大 非理想流动：介于最大· 和最小之间
例如：扩散模型、多级理想混合模型以 及各种组合模型等等都属于广泛采用 的非理想流动模型。
为什么要研究流动模型？流体在反应器中的 流动情况影响着反应率。反应选择性直接 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。我们知 道，实际进行的化学反应，往往都伴随着 传递过程（动量、热量、质量传递），这 些物理过程都会影响化学反应。例如：不 均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对 化学反应的程度和速率都有一定的影响。
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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。