非理想反应器——返混

化学反应工程名词解释1．返混：不同年龄粒子之间之间的混合；或是指反应器中逗留了不同时间，因而具有不同的性质的物料粒子之间的混合或即经历了不同的反应时间的物料粒子之间的混合，又称逆向混合。

(上述只要答对一种情况给3分)。

2．临界流化速度：是指刚刚能使粒子流化起来的气体空床流速。

3．模型法：就是通过对复杂的实际过程的分析，进行合理的简化，然后用一定的数学方法予以描述，使其符合实际过程的规律性，然后加以求解。

4. 速率控制步骤：是指一个连串过程速率（度）最小，而且比其他步骤的速率（度）小得多的步骤，它的速度决定着整个过程的速度，称为速率控制步骤。

5．速率方程：在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率与温度及浓度的关系的关系式。

6．非理想流动：凡是流动状况偏离平推流和全混流这两种理想情况的流动，统称非理想流动。

7．颗粒带出速度：当气速增大到某一速度时，流体对颗粒的曳力和颗粒的重力相等，则颗粒就会被气流所带走，这一速度称带出速度。

（或是指流体速度大于固体颗粒在流体中的沉降速度时，颗粒粒子被气流带出床层，这个速度叫做带出速度或称终端速度。

）8. 固定床反应器:凡是流体通过固定的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称固定床反应器。

9．理想反应器：是指能以活塞流或全混流来描述其流动状况的反应器。

10．停留时间：是指流体以进入系统时算起，到其离开系统时为止，在系统内总共经历的时间，即流体从系统的进口至出口所耗费的时间：11. 多段绝热反应器：是指多次在绝热条件下进行反应，反应一次之后经过换热以满足所需温度条件，再进行下一次的绝热反应。

每反应一次，称为一段，一个反应器可做成一段，也可以将数段合并在一起组成一个多段反应器固定床催化反应器：12．空速：在规定条件下，单位时间内进入反应器的物料体积相当于几个反应器的容积，或单位时间内通过单位反应器容积的物料体积，称为空速13．停留时间分布：由于同时进入反应器的物料颗粒在反应器中的停留时间有长有短，因而形成一个分布，称为停留时间分布。

非理想流动及反应器1.停留时间分布的密度函数在t ＜0时，E （t ）=_______。

（0）2.停留时间分布的密度函数在t ≥0时，E （t ）_______。

（＞0）3.当t=0时，停留时间分布函数F （t ）=_______。

（0）4.当t=∞时，停留时间分布函数F （t ）=_______。

（1）5.停留时间分布的密度函数E （θ）=_______E （t ）。

（t ）6.表示停留时间分布的分散程度的量=2θσ_______2tσ。

（21t）7.反应器物料的停留时间的分布曲线是通过物理示踪法来测定的，根据示踪剂的输入方式不同分为_______、_______、_______、_______。

（脉冲法、阶跃法、周期示踪法、随机输入示踪法）8.平推流管式反应器t t =时，E （t ）=_______。

（∞） 9.平推流管式反应器t t ≠时，E （t ）=_______。

（0） 10.平推流管式反应器t t ≥时，F （t ）=_______。

（1） 11.平推流管式反应器t ＜t 时，F （t ）=_______。

（0） 12.平推流管式反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。

（0）13.平推流管式反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。

（0）14.全混流反应器t=0时E （t ）=_______。

（tt et -1）15.全混流反应器其E （θ）曲线的方差=2θσ_______。

（1）16.全混流反应器其E （t ）曲线的方差=2t σ_______。

（2t ）17.偏离全混流、平推流这两种理想流动的非理想流动，E （θ）曲线的方差2θσ为_______。

（0～1）22.脉冲示踪法测定停留时间分布0C CA对应曲线为_______。

（E （t ）曲线）23.阶跃示踪法测定停留时间分布0C CA对应曲线为_______。

（F(t)曲线）24.非理想流动不一定是由_______造成的。

o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a 返混一个重要的化学工程概念 Backmixing –A Important Chemical Engineering Concept 张海涛 丁百全 (华东理工大学化工学院 上海 200237) 在化学工程领域返混是一个重要的工程概念返混又称逆向混合是指不同年龄质点之间的混合这里的逆向是时间概念上的逆向不同于一般搅拌混合 1. 返混的起因 返混产生的原因有两点(1) 反应器内的环流运动物料在连续反应器中的反向运动造成返混如循环反应器中的循环流连续流动塔式反应器中的轴向反向扩散以及连续釜式反应器中的搅拌作用(2) 反应器内物料的流速分布不均匀当反应器内物料的流速分布不均匀时也同样可以改变反应器内的浓度分布造成返混 2. 返混的度量 返混现象有两种极限情况[1]一种是假定反应物料以稳定流率流入反应器在反应器中平行向前移动好像用一个活塞在气缸中推动气体向一个方向移动一样该反应器称为活塞流反应器其特点是沿着物料的流动方向物料的温度浓度不断变化而垂直于物料流动方向的任何截面上物料的所有参数如温度浓度压力流速都相同因此反应器中没有返混另一种假定反应物料以稳定流率流入反应器在其中刚进入的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的都等于反应器出口处的物料性质这种反应器称为全混流反应器全混流反应器的返混程度最大而介于活塞流与全混流反应器之间的是有不同程度返混的非理想反应器 2.1 停留时间的概念 返混是由物料在反应器中的停留时间分布来度量的所谓停留时间是指物料质点从进入反应器开始到离开为止在反应器中总共停留的时间 物料在反应器中的停留时间分布是一个随机过程因此可用停留时间分布密度与停留时间分布函数来描述由于这两种函数关系密切本文主要介绍停留时间分布密度 停留时间分布密度的定义是同时进入反应器的N 个流体质点中停留时间介于t 与间的质点所占分率dt t +N dN 为dt t E )( 2.2 停留时间的实验测定 停留时间分布通常由实验测定主要的方法是应答技术即用一定的方法将示踪物加到反应器进口然后在反应器出口物料中检验示踪物信号以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据示踪物输入的方法有多种如阶跃注入法脉冲注入法等本文主要介绍脉冲注入法的实验 脉冲法是当反应器中流体达到定态流动后在某个极短的时间内将示踪物脉冲注入进料中然后分析出口流体中的示踪物随时间的变化以确定逗留时间分布实验的具体作法是使物料以稳定的流率V 通过反应体积V R然后在某个瞬间(t 0时)用极短的时间间隔t ∆向进料中注入浓度为C 0的示踪物并保持混合物的流率仍为V 同时在出口处测定o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b li c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a 示踪物浓度C 随逗留时间t 的变化 以去离子水为料液高锰酸钾溶液为示踪物采用脉冲注入法进行实验测定多级转盘塔的逗留时间分布实验装置如图1所示转盘安装在每级的中间改变电阻平稳地调节转轴速度实验时去离子水从蒸馏水瓶经泵l 输送到高位槽2调节针形阀3经流量计4让料液充满转盘塔5或6开动电机搅拌调节电压电阻使转速稳定待流量稳定后用针筒自进口快速注入一定量的示踪物料高锰酸钾溶液注射时同时计时每隔一定时间间隔在出口处取样进行比色分析在一定流率V 0及转速下求得示踪物的消光度随时间的变化直到消光度为零实验即告结束 图1 多级转盘塔停留时间分布测定实验流程示意图 3. 返混的影响 返混改变了反应器内物料的浓度分布使反应物的浓度普遍下降产物的浓度普遍上升因此返混的利弊决定于反应动力学的浓度效应对正级数的反应返混降低了反应推动力使反应速率降低转化率降低对负级数的反应返混提高反应速率有利于反应对自催化反应返混使产物产物同时又是催化剂浓度增加也有利于反应对复合反应中的平行反应若主反应级数高于副反应级数返混使主产物选择率下降若主反应级数低于副反应级数返混使主产物选择率提高对复合反应中的连串反应返混使反应物浓度降低产物浓度提高因而使主产物的选择率下降 实际反应器中由于流动情况复杂返混情况不同流体质点在反应器中逗留时间不同都会影响到反应的转化率 在实际反应器中由于物料质点的逗留时间不同其反应程度也不一样出口时物料中各个质点的浓度也不相同为了计算平均转化率就要根据不同的逗留时间求得出口物料的平均浓度根据逗留时间分布密度的定义逗留时间在t 与t+dt 间的质点所占的分率为E(t)dt 若这部分质点的浓度为C A 则出口物料中反应组分A 的平均浓度A 为 ∫∞=0)(dt t E C A A C (1) 若知道物料质点的逗留时间分布密度就可由上式算出出口平均浓度 下面的例子说明根据逗留时间分布密度计算平均转化率的方法反映了逗留时间分布对转化率的影响连续反应器中进行一级液相反应[2]为了判断反应器中的流型采用脉冲法加入示踪物进行停留时间分布测定测得下列实验数据采用同样空时的CSTR 可以达到82.18转化率问这反应器可达到的转化率为多少o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a C o p y r i g h t e d E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 200237 P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a 时间t,s 10 20 30 40 50 60 70 80 示踪物浓度 0 3 5 5 4 2 1 0 解首先计算平均停留时间 平均停留时间t 连续型计算公式和离散型计算公式分别为 ∑∑=∫∫=∞∞∞∞0000p p p p c tc dt c dt tc t 124553)701()602()405()305()203(+++++×+×+×+×+×==40s 利用CSTR 的反应结果计算k 对一级反应 c c c k −=0τ s x x k /1151.0)8218.01(408218.0)1(=−=−=τ实际反应器的转化率 dt t E e c c x kt )(1100∫−=−=∞− 离散型为∑∆−=−=∞−00)(11t t E e c c x kt 其中∑∆=∞0)(t c c t E p p 时间 t,s 浓度 )(t E Kt kt e − t t E e kt ∆−)( 20 3 0.015 2.3 0.1003 0.015 30 5 0.025 3.45 0.0307 0.0079 40 5 0.025 4.60 0.01 0.0025 50 4 0.02 5.75 0.0031 0.0006 60 2 0.01 6.90 0.001 0.0001 70 1 0.005 8.05 0.0003 1.510-5 ∑∆−t t E e kt )(=0.0261 x=1kt e −=140115.0×−e =10.01005=99 由于实际反应器转化率在PFR 与CSTR 之间所以是非理想反应器 4. 结语 总之返混是反应器连续化后才出现的一种工程现象在分析设计和使用各种类型的反应器时都必须把反应器中的返混状况作为一项重要的特征加以考虑某些反应器具有特殊的型式或结构如一般管式反应器的长径比必须大于100连续釜式反应器的多釜串联操作等究其原因就是出于限制返混的考虑 参考文献 [1] 朱炳辰化学反应工程化学工业出版社,1998,7591[2] 朱炳辰房鼎业姚佩芳化学反应工程例题与习题华东化工学院出版社19937980。