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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,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 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、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
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