第三章釜式反应器-2[1]

VR i V0
实际生产中属于活塞流的情况有： 管式反应器：它的流型基本上是理想置换模型 （活塞流模型），特别是在长径比很大、流速 较高时可看作是理想置换。 如：CH4+H2O=CO+3H2-Q1 CH4+2H2O=CO2+4H2-Q2 固定床反应器（近似）：氨合成塔、CO变换 液 炉、SO2转化器 圆盘 实验用的膜式反应器 （可用于多相反应、均相反应）
1.物料衡算 以质量守恒定律为依据，对任何类型的反应器，都 可作某一反应组分的物料衡算，如果反应器内物料 均匀，可对整个反应器作物料衡算，否则按微元反 应体积进行。
反应组分A 的流入速率(1) ＝反应组分A 的流 出速率(2) ＋反应组分A 的反应速率(3)＋反应 组分A 的累积速率(4)
上式是对反应物而言的，若为反应产物，上面式子 右边的第二项改为生成速率，并将其移至式子左边。 1）对于单个反应，建立一个连续性方程。 2）对于多个反应，找到描述反应过程所需的关键组 分的数目，然后找到合适的反应组分作为关键组分， 分别对它们建立物料衡算式。（复合反应系统，需建 立多个物料衡算式）
逆向返混对化学反应的影响 a.影响反应的转化率和选择性 i 短路和沟流： 由于短路和沟流，使这部分粒 子停留时间短、转化率下降，即τ↓→x↓, 从而降低了平均接触时间 ii 死区和角循环：死区占据了反应器的有效 空间（相当于VR降低）使其余粒子的停留时 间缩短，转化率降低，即τ↓→x↓ iii 对需要严格控制反应时间的化学反应来 说，过长的时间反而使副反应增加，影响选 择性（产品性能）
b.影响化学反应速率
流型不同，返混程度不同，使得物系参数（T、C 等）不同，从而影响化学反应速率。
活塞流
反应推动力随反应时间逐 反应推动力随反应 渐降低,活塞流出口推动力 器轴向长度逐渐降 低 最小（H/D=8-10倍）
全混流
反应推动力不变，等 于出口处反应推动力
从图中可看出，理想置换反应器推动力大，反应 速度快，而返混使推动力下降。反应速率下降不 同程度返混的两种反应器，CA0、CAf分别代表反 应组分A的进、出口浓度，CA*为反应组分A的平 衡浓度，由于反应都是在等温下进行，故CA*为 常数。如果温度相同，进出口浓度相同，即CA0 CAf 、CA*都相同的条件下进行同一化学反应，则 理想置换反应器推动力最大。 因为反应组分的实际浓度CA沿反应器轴向长度而 逐渐降低，而理想混合反应器的实际浓度由进口 处的CA0瞬间降到出口处的CAf 值，故推动力小。
汽
(2)理想混合模型（全混流）（完全混合）
反应物料以稳定的流入速率进入反应器后，新鲜 物料粒子与存留在反应器内的物料粒子在瞬间达 V 、C 、X 到完全混合。
0 A0 A0
高与直径相类似
T、 C A 、 r A
VR、 CAf、XAf rAf、Tf
特征： 1）在反应器内各处的参数T、P、C相同，并 等于反应器出口值。 CA=CAf T=Tf rA =rAf 2) 粒子在反应器内停留时间不同，参差不齐 形成一个逗留时间分布。 实际生产接近全混流反应器的有：
( t ) M 0, ( M )t 0
（2）质点流动状况不同 间歇：物料中的所有流体粒子（流体粒子是 能代表反应物系特征的微元）。在反应器内 的反应时间是相同的，不存在返混或逗留时 间分布问题。反应物料（质点）不流动。 流动：物料粒子在反应器内的逗留时间可能 并不相同，可能存在着不同程度的返混和逗 留时间分布问题。物料处于连续稳定流动。
3）多相反应：分别对每一项作物料衡算式， 增加了物料衡算式的数目。 4）对间歇反应器，反应期间无输入输出， （1）=0，（2）=0 5）对流动反应器，（4）=0，即（1）=（2） +（3） 6）对于不稳定体系，如半间歇反应器，需要 同时考虑上式中的各项。
2、热量衡算 上式中反应组分A的反应量与反应过程的温度 条件有关，计算非等温反应器的反应体积时， 需同时考虑物料衡算和热量衡算。 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）
b.由于垂直于流向的截面上流速不均匀造成 i 层流引起的径向流速不均匀 ii 设备有死角，则停留时间很长 iii 沟流和短路 同样反应器，中间停留
时间短，两边长，因为 出口小，上下粒子转弯 处去造成τ增长 沟流
存在滞流区（死角）
填料层到一定高度作一槽，把气体引到中间，填料塔 液体容易从壁留下，停留时间短，而其余停留时间长 短路
对于（3）吸热反应取“+”，放热反应取“-”
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 “-” 热效应是若干反应的代数和 4）对间歇反应， （1）=0，（2）=0 5） 连续反应， （4）=0 6）半间歇反应器，各项均需考虑。
工业生产中的反应器，在进行逗留时间测定的基础 上可以用这些修正的非理想流动模型而描述。 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。
3秒 3秒
产生返混的原因
a.由于物料粒子与流体流向作相反的运动
i 强烈搅拌所引起的流动（搅拌引起的再循环） ii 对流（由于温度、密度不同而造成） 气体从上往下走，在反应过程中放热，使气 体温度升高、重力减小，气体有上浮趋势 iii 分子扩散或涡流扩散 从上到下的气体在反应过程中，浓度 减小，所以有向上扩散的趋势
1.间歇反应器与流动反应器的区别 （1）反应物系参数的变化情况不同 间歇反应器：物料是间歇地加入和取出，物 料不流动，反应的各种参数（如温度、浓度 、压力等）随时间而变，但不随反应器内空 间位置而变。 ( c ) 0, ( c ) 0
t
M
M
t
流动反应器：物系参数只随位置而变，不随 时间而变 c c
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) 5.经济衡算式 经济的输入=经济的输出+经济的消耗+经济的积累 我们着重讨论最简单的情况-----等温反应器的计算 方法。这样只需考虑物料衡算与动力学方程即可。 对非等温反应器的计算，只作简要加以讨论。
来自实验室的化学反应动力学数据，若不计传递过 程的影响，就会使反应机理、反应级数、活化能及 选择性以及反应速率表达式发生错误而不能反映实 际情况。此外，在反应器的模拟、放大、设计以及 分析反应器的稳定性和可控性方面，都会有一定的 影响。因此，只有弄清传递过程对化学反应的影响 才能正确地用化学动力学数据来进行反应器设计、 模拟、放大和操作控制。研究传递过程对化学反应 的影响，首先要研究流动模型，因为流动模型是传 递过程的基础。
第三章 釜式反应器
3.1反应器中流体的流动模型
研究流动模型的目的 本章讨论流动模型与化工原理流体动力学 的流动模型不是一回事，这里是指流体流 经反应器时的流动和返混状况。建立各种 流型的数学模型（研究粒子在反应器的停 留时间分布），目的是进行反应器体积和 反应率的计算。

流动模型：是指流体流经反应器时的流 动和返混的状况。
3.动量衡算式 输入的动量（1） =输出的动量（2） +消耗的 动量（3） +累积的动量（4） 1）对流动反应器才需建立 2）当Δ P与P处于同一数量级时考虑 例：合成塔Δ P=8-12Kg/cm2 不予考虑，因为不 处于同一数量级 2 总P=～320Kg/cm 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。
除此之外，还有一种中间型反应器：
CA0
ΔCA↨ CA*
CAf
二、 反应器设计的基本方程 工业反应器中化学反应的进行总是伴随着质 量、热量以及动量的传递过程，这些传递过 程对化学反应速率都有直接的影响。所以根 据物热以及动量衡算得到计算反应器的基本 方程，再结合化学反应的速率方程，就可以 计算反应器体积。
只有在流动模型确定之后，才能正确分析动量传 递、传质、传热和化学反应等过程。 本章的重点是阐述流动模型的基本概念、讨论间 歇釜式反应器、连续釜式反应器（理想混合反应 器）的设计计算。并对理想混合反应器的热稳定 性进行讨论。在讨论反应器流体流动模型之前， 先讨论流动过程与间歇过程的主要区别（复习） 一、理想流动反应器的基本概念 理想反应器：间歇反应器 流动反应器（全混流、活塞流）
3.2间歇釜式反应器的设计计算
间歇反应器的特点是分批装料和卸料，其操 作时间是由两部分组成，一时间，即装料、卸 料及清洗等所需时间之和。涉及反应器的关 键就在于确定每批所需操作时间，其中尤以 反应时间的确定最为重要，而辅助时间主要 根据经验来确定。
强烈搅拌的反应器，例：普钙的生产 Ca5（PO4）3F+H2SO4→Ca(H2PO4)2+CaSO4+HF 流化床（ 沸腾床）反应器 如硫酸生产中硫铁矿的 焙烧 实验室用的无梯度反应器，循环量»出料量的反应 器
(3)非理想流动反应器 为了进一步分析流动模型的本质，下面介绍 几个概念 a、物料粒子的年龄与寿命 连续反应器内，物料中各个粒子的逗留时间 可能并不相同，为了说明逗留时间的长短， 通常采用两种表示，年龄与寿命 年龄：指存留在器内的粒子，在器内已经逗 留了的时间 寿命：指粒子从进入反应器算起，到粒子离 开反应器，粒子总共在反应器内逗留的时间
有（有的停留时间长， 有的短） 空间位置
由于连续反应器有许多优点，化工生产已广泛 应用。下面着重讨论流动反应器的流动模型。 ２.连续流动反应器内流体的流动模型 (1)活塞流反应器（理想置换或挤出流反应器）
V0 、CA0、XA0 CAf、xAf
进料
出料
反应物料以稳定的流入速率进入反应器后， 粒子平行地向前移动。 特征： 1）垂直于物料流向的任一截面上，所有的 物系参数（T、P、C、u）都是相同的 2）所有的粒子在反应器内的停留时间都相 同。
综上所述，二者的区别 间歇反应器 加料方法 间歇 粒子停留 相同 时间 ≠0（即浓度随 时间而变） =0 （浓度不随 c ( ) M 位置而变） 停留时间 没有 分布 自变量 时间
( c )M t
t
流动反应器 连续
可能不同（也可能相同， 当理想置换时）
=0（浓度不随时间而变）
≠0（浓度随位置而变）
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 4秒 非理想流动：介于最大和 最小之间 不同年龄的粒子混合
对各种流动模型进行的数学描述就得到流动 的数学模型。 化工生产中有许多型式的反应器，如管式、 槽式等，这些反应器中流体流动的情况很复 杂。但在众多的反应器中，就流体的返混情 况而言，可以抽象出两种极限的情况。 活塞流反应器：完全没有返混 全混流反应器：返混达到大
实际生产中的多数管式反应器、固定床催化 反应器都可作为活塞流反应器处理。 实际生产中的多数槽式反应器都可作全混流 反应器处理。 在这两种理想流动反应器的基础上，经过适 当修正和组合，可以得到比较符合实际的多 种非理想流动模型。例如在活塞流模型基础 上考虑轴向返混的扩散模型、考虑流速分布 的层流模型等。在全混流基础上发展的多级 串联全混流模型等。