1、1,第三篇 理想流动反应器,2,序言,凡是发生化学反应转化过程的容器和设施，概括起来称为反应器。反应器理论就是研讨反应器内流动和混合对化学反应转化过程之影响的共同性规律。最基本最普适的规律属于理想反应器理论、然后通过非理想反应器来描述某些特殊流动状态对转化过程的影响。在冶金中特别是火法冶金中，不连续的间歇式操作方法占有较大的比重，对于不连续操作的反应器，搅拌和混合的研究对于转化过程的效率有重要意义。,3,第一节 流动模型概述,流动模型分类 理想流动模型 平推流（理想置换、活塞流）模型全混流（理想混合、连续搅拌槽式反 应器）模型非理想热流动模型 (考虑轴向返混的）返混模型（中间流模型） （考虑流
2、速分布的）层流模型多级串联全混流模型,4,第一节 流动模型概述,5,31 反应器中流体的流动模型,停留时间：在连续反应器中，常用物料质点的年龄与寿命说明停留时间的长短。 年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留了的时间。（对仍留在器内质点而言） 寿命：指反应物料质点从进入反应器时算起到离开反 应器的时间。（对离开反应器质点而言） * 返混：又称“逆向混合”，指不同年龄质点间的混合。,6,31 反应器中流体的流动模型,一、理想流动模型 平推流模型沿流动方向上物料质点无返混（所有质点逗留时间相同），物料的温度，浓度不断变化；垂直于流动方向上的物料质点参数相同。长径比大、流速较高的管式反应器，
3、固定床 催化反应器中的流体流动可视为平推流。,7,31 反应器中流体的流动模型,全混流模型刚进入反应器的新鲜物料与留存在器内的物料瞬间 达到完全混合（返混最大），器内物料温度、浓度均匀 且与出口处相等。物料质点在器内逗留时间参差不齐， 有的很长，有的很短，形成一个逗留时间分布。 搅拌良好的釜式反应器中的流动可视为全混流。,8,31 反应器中流体的流动模型,9,31 反应器中流体的流动模型,二、非理想流动模型： 实际反应器中的流动模型与理想反应器中的有所偏离： 偏离平推流的几种情况:(a)涡流、湍动、或碰撞引起 的漩涡运动；(b)截面流速不均；(c)沟流、短路、死角。,10,31 反应器中流体的
4、流动模型,偏离全混流的几种情况： (a)搅拌不均的死角； (b)进、出口管设置不当的短路； (c)搅拌形成再循环 界于平推流、全混流之间的中间流：存在不同程度的 返混；反应推动力界于两者之间。 影响后果： 转化率XA， 选择率S，质量。,11,3-2 反应器设计的基本方程（自学）,基本内容：反应器选型，最佳工艺条件确定；反应器体积计算 * 基本方程：物料衡算：计算反应组分浓度变化，（计算反应器体积）热量衡算：计算反应物料温度变化动量衡算：计算反应器压力变化,12,第二节 理想流动反应器,3-3 间歇反应器 搅拌装置；换热夹套或内置盘管；釜。 特点：反应结果仅取决于反应动力学（化学动力学）浓度达
5、分子尺度上均匀，排除传质对反应影响；各处温度相等，不考虑釜内传热问题；所有物料反应时间相同。各参数随时间变化。,13,3-3 间歇反应器,反应时间：由微元时间物料衡算导得：,反应器有效体积： * 间歇反应中的单一反应：反应速率rA，残余浓度CA，转化率xA,14,3-3 间歇反应器,结论： 反应初始条件一定，反应结果（残余浓度或转化率）就一定； 转化率或残余浓度与反应级数无关，而与反应物初始浓度有关。,15,3-3 间歇反应器,反应物初始浓度对反应结果的影响表现为反应级数：反应时间与反应物初始浓度关系n=1(一级反应)：t与CAO无关n=2(二级反应)： n=0(零级反应)： (据此，开发过程
6、中定性判断反应级数)n=0时，与呈直线，直至反应物完全转化为止；n=1,n=2时,随下降渐缓，尤其n=2时，后期变化速率非常小大部分时间花费在反应的末期（应重视反应过程末期动力学研究，后期反应机理是否变化）。,16,3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor,一、特点： 物料的各种参数（如浓度、温度等），不随时间变化，只随物料流动方向上的位置变化；反应速率随空间位置的变化仅限于轴向。物料停留时间相同无返混。,17,3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor,二、计算方法： 由微元体积物料衡算 导得： 反应体积： （3-13）停留时间： （3-14
7、）,18,3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor,积分时注意： 反应过程有无体积变化。若有，则须建立体积流率 ；反应过程是否等温。若等温，k为常数；若变温，则须结合热量衡算建立 关系。,19,3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor,有体积变化时： 对气相反应 化学膨胀因子 为组分A反应1mol时，反应混合物摩 尔数的变化：若 为初始反应混合物中包括惰性物料在 内的所有组分的浓度，则：化学膨胀率（体积膨胀率）,20,3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor,代入式（3-13）积分：,21,3-4 平推流反应器
8、PFR Piston Flow Reactor,四、变温平推流反应器： * 反应体积： 联解微元体积 的物料衡算与热量衡算：沿着流动方向的 和 ，常用差分法或法求解。即求得 关系。,22,3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor,对绝热反应：式（3-17）为：令“绝热温升”，是一重要工程概念。其意义为：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 ，则对的定义式积分为： （3-22）此式即每一流动方向的位置上，T与XA之关系。,23,3-5 全混流反应器,特点釜内各处温度、浓度等参数相同，并等于出口温度、浓度 基本公式： 由整个釜的物料衡算，可得定态时
9、：（3-24）（3-25）,24,3-5 全混流反应器,由整个釜的热量衡算确定反应温度：等温平推流反应器与全混流反应器的比较 See list3-3。 See P96例3-2,25,3-6 多级全混流反应器的串联及优化,多个连续反应器组合操作方式 并联：扩大生产能力。无论平推流还是全混流反应器，对一级不可逆反应，当各反应器体积相等时，所需点反应体积最小。 串联：提高 ；降低1、平推流反应器：避免反应管过长而受到设备制造、安装、操作等限制。2、全混流反应器：降低返混的影响，提高过程推动力。,26,3-6 多级全混流反应器的串联及优化,除最后一级外，其余各级都在高于单级时的浓度下操作平均推动力 级
10、数越多，越接近平推流。 （平推流浓度变化为过CAO、g、e、c、a各点的曲线）,27,3-6 多级全混流反应器的串联及优化,一、多级全混流反应器串联的计算 （1）计算依据： 物料衡算 动力学方程 * 由任一釜之中组分的物料衡算：（3-27） （3-28）若知反应的动力学关系，即可计算各釜的反应体积；或各釜出口转化率和釜数。,28,3-6 多级全混流反应器的串联及优化,（2）解析计算： * 对一级反应： , 由式（3-28）可得： （3-31） 当各级体积相等（即各级接触时间相等），则 （3-33）,29,3-6 多级全混流反应器的串联及优化, （3-34）由（3-32）知：,30,3-6 多级
11、全混流反应器的串联及优化,图解计算 * 原理：由物料衡算式（操作线方程）：由动力学方程：平行线的根数反应器级数,31,3-6 多级全混流反应器的串联及优化,讨论：,32,3-6 多级全混流反应器的串联及优化,二、多级全混流反应器串联的优化：存在各级转化率 的最佳分配问题。对一级不可逆反应，总反应体积最小的必要条件：各釜反应体积相等（VRi=VRi+1）对可逆放热反应：还存在各级反应器温度 的最佳分配问题。,33,3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较,一、理想流动反应器的组合 最终转化率 的比较：在等温、等体积下反应级数、反应器类型的不同对 的影响不同。,34,3-7 理想流动反应器的组合
12、与反应体积比较,二、理想流动反应器的体积比较 比较前提：进料流率Vo、进料浓度CAO、反应温度T、最终反应率XAf相同 间歇反应器与平推流反应器：体积相同 (不计辅助时间)；皆无返混 全混流反应器与平推流反应器：（3-40）,35,3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较,VRMVRP，前者返混,36,3-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较,（3）等体积多级全混流反应器与单个平推流反应器 对一级不可逆反应：（3-41）串联级数m一定时，XAf,则 XAf， m （当m6时，效果不明显） 对二级不可逆反应：2AR或A+BR（CAO=CBO），可得类似情况,37,3-7 理想流动反应器的 组
13、合与反应体积比较,38,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,一、平行反应：L（主反应） L（主反应） A M（副反应） 或 A+B M（副反应） 如取代、加成、分解反应 1、定义： * 总选择率为反应过程中瞬时选择率之平均值,39,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,（1）平推流反应器：（2）全混流反应器：（3）M个全混流反应器串联：,40,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,2.瞬时选择率SE1，k1 L（主反应） 对A E2,k2 M（副反应）主副反应级数为n1、n2:（3-47）,41,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,选择率的温度效应：（3-48）,42,3-
14、8 理想流动反应器中多重反应的选择率,选择率的浓度效应,43,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,加料方式的选择： 对平行反应： k1 L（主反应）A+B k2 M（副反应） 则瞬时选择率：（3-49）结论：ref.P107 List3-4(必读！) * 结合反应级数、浓度、反应器类型进行选择,44,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,二、连串反应：如卤化、水解反应 .瞬时选择率：对一级连串反应E1 E2,45,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,46,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,瞬时选择率：温度效应：决定 大小，与平行反应结论一致。浓度效应：较平行反应复杂,4
15、7,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,对 的影响：取决于主、副反应级数相对大小 当主反应级数高时， 有利于 ； 当主反应级数低时， 有利于 。当 不能盲目追求过高的转化率。工业生生产中，常在较低转化率下操作，将未反应原料分离回收后再循环使用。,48,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,.最佳反应时间与最大效率： 概念：多重反应中生成物收率在连串反应中， （ymax）。,49,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,（1）间歇反应器或平推流反应器 将式（3-55）对 求导，使其为零， 得最佳反应时间， （3-59） 最大收率， （3-61）,50,3-8 理想流动反应器中多重反应
16、的选择率,（2）全混流反应器：,51,3-8 理想流动反应器中多重反应的选择率,3.总选择率S 不论何种型式反应器，对一级连串反应： 若 ：间歇操作（或平 推流操作）全混流操作SBR或SPRSMR 若 则在低单程转化率下，S高 若 则即使转化率较高，S也较高,52,3-9 全混流反应器的热稳定性,一、热稳定性和参数灵敏性的概念 * 热平衡与热稳定：对连续流动反应器，若物料流量、组成和温度；冷却（或加热）介质的温度等参数不变，则反应器的操作状态不变，处于定态，反应器达到热平衡。当出现某种干扰时，反应会偏离原有定态。干扰消除后，会出现两种情况：一种是有自衡能力，能自行恢复到原有定态，谓之稳定的定态
17、；一种是无自衡能力，不能自行恢复到原有定态，使反应器不能正常运转，温度失控，甚至发生冲料，爆炸等危险，谓之不稳定的定态。,53,3-9 全混流反应器的热稳定性,热稳定性与参数的灵敏性：微调各有关参数（流量、进口温度、冷却强度等）时，反应器内温度（或反应结果）变化的幅度参数的灵敏性 反应器设计应注意的两个问题 （1）热稳定性条件：给予传热温差的限制传热面积结构复杂 （2）参数灵敏性：灵敏性过高参数调节精度要求操作困难,54,3-9 全混流反应器的热稳定性,二、全混流反应器的多重定态（多态） 以一级不可逆放热反应为例加以说明： （反应过程无体积变化；反应器设间壁冷却器） 放热速率（S形曲线） （3
18、-73）移热效率（直线）,55,3-9 全混流反应器的热稳定性,* QR曲线与QC直线的交点处，QR=QC，反应器达到热平衡，该交点称为系统的操作状态点（热平衡点）。 * 根据不同的操作参数，QR与QC交点，可能不止一个，这种有多个交点的现象，称反应器的多重状态（多态）。,56,3-9 全混流反应器的热稳定性,多态操作点，虽皆满足QR=QC的热平衡条件，皆处于热平衡状态，但具有不同特征： 若在b1点操作，当外界有一微小扰动使T时，由于此时QRQC，T将回到b1点。可见：无论T在b1点附近有所升高或降低，系统将能自动回复到b1点，即系统具有热自衡能力，b1点称为热稳定的状态点。其判据为： 放热曲
19、线斜率 移热曲线的斜率（3-76）,57,3-9 全混流反应器的热稳定性,a1点也是“热稳定的状态点”。但a1点温度太低，转化率太低，并非期望的操作点；而b1点反应温度与转化率都足够高，是期望的操作点。 c1点的情况（特征）不同。当因外界干扰时，由于QRQC，T将一直上升至b1点；当时，由于QR可见：c1点不具有热自衡能力，是非稳定的状态点。,58,3-9 全混流反应器的热稳定性,对于可逆反应，,59,3-9 全混流反应器的热稳定性,三、操作参数对热稳定性的影响：改变操作参数（如Vo、yAO、To；Tc、F、K），都会对热稳定性产生影响； Fig3-20 改变QC截距, 若,60,3-9 全混流反应器的热稳定性,改变QC截距,若：* 若Tc、F、K超过一定限度，则会使全混流反应器处于低温稳定态 为此,需减小传热温差,61,3-9 全混流反应器的热稳定性,四、最大允许温差： 热稳定条件对全混流反应器设计的一个限制。 决定了全混流反应器的冷却介质温度条件及控制要求。 最小传热面积决定了传热面积的设置要求。,
