理想流动反应器解析
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• 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
•
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）。
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 一、特点：
• ①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；
•
②反应速率随空间位置的变化仅限于轴向。
尔数的变化： A
1 VA
[(VL
VM
) (VA
VB
)]
•
若 为初C始i0 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）
A
C A0 A
Ci0
y A0 A
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
V V0 (1 A yAOxA) VO (1 AxA)
• 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]
3－1 反应器中流体的流动模型
• 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；
③所有物料反应时间相同。各参数随时间变化。
3-3 间歇反应器
• 反应时间：由微元时间物料衡算导得：
rAVdt nAOdxA dnA
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CA 0
dCA rA
数值积分法；图解积分法；
3-3 间歇反应器
• 反应器有效体积：VR V (t t ' )
• 三、等温平推流反应器：
•
对等温 n级不可逆反应，反应动力学方程为
rA
kC
n A
• • • • •
⑴上当n无式体代1时积入，变（V当R3化-时1Vk05：l）n1积C1x分AAnVf ：R1VVkn时（0A0ln，3VCC-V1ACA00Rf 6ACC（）0AAkO(f1(3Vn-Ok1[1dxC15)A（CC）)An1NA1 (1xA f
•
（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
•
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） ①浓度达分子尺度上均匀，排除传质对反应影响； ②各处温度相等，不考虑釜内传热问题；
• ②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)： t∝ 1
n=0(零级反应)： t∝
CA0
CA0
• (据此，开发过程中定性判断反应级数)
•
③n=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
• * 间歇反应中的单一反应：反应速率rA，残余浓度CA， 转化率xA See p90,list-31
• 结论：
• ①反应初始条件一定，反应结果（残余浓度或转化率）
• 就一定；为达到一定转化率， k ,则t （与反应级数无关）
•
▲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。
3-3 间歇反应器
合。
3－1 反应器中流体的流动模型
• 一、理想流动模型
• ⑴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，固定床
wk.baidu.com
•
催化反应器中的流体流动可视为平推流。
3－1 反应器中流体的流动模型
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 积分时注意：
• ①反应过程有无体积变化。若有，则须建立体积流
率 V ~ x ,C ~；x 关系
A
A
A
• ②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 k ~ x 关, T系~。x
A
A
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• ⑵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。
3－1 反应器中流体的流动模型
3－1 反应器中流体的流动模型
第三章 理想流动反应器
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
非理热流动模型 (考虑轴向返混的）返混模型 （中间流模型） （考虑流速分布的）层流模型
多级串联全混流模型
第一节 流动模型概述
3－1 反应器中流体的流动模型
•
③物料停留时间相同――无返混。
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 V0CA0dxA rAdVR
导得：
反应体积：
V R
V C xA f
0
A0 0
dx A r（3-13）
A
停留时间：
V R
V
（C3AO-10xA4f ）drxA
0
A
）n1 x
] )
n1
A0
Af
•
等温、等容平推流反应器计算式：
•
see p93,list3-2
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
• ⑵有体积变化时：
• 对气相反应 VAA VBB VLL VMM
• 化学膨胀因子 为A 组分A反应1mol时，反应混合物摩
• (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↓。
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，
• 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
•
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）。
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 一、特点：
• ①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；
•
②反应速率随空间位置的变化仅限于轴向。
尔数的变化： A
1 VA
[(VL
VM
) (VA
VB
)]
•
若 为初C始i0 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）
A
C A0 A
Ci0
y A0 A
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
V V0 (1 A yAOxA) VO (1 AxA)
• 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]
3－1 反应器中流体的流动模型
• 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；
③所有物料反应时间相同。各参数随时间变化。
3-3 间歇反应器
• 反应时间：由微元时间物料衡算导得：
rAVdt nAOdxA dnA
t nA0
V
xAf 0
dxA rA
CA0
xAf 0
dxA rA
CA 0
dCA rA
数值积分法；图解积分法；
3-3 间歇反应器
• 反应器有效体积：VR V (t t ' )
• 三、等温平推流反应器：
•
对等温 n级不可逆反应，反应动力学方程为
rA
kC
n A
• • • • •
⑴上当n无式体代1时积入，变（V当R3化-时1Vk05：l）n1积C1x分AAnVf ：R1VVkn时（0A0ln，3VCC-V1ACA00Rf 6ACC（）0AAkO(f1(3Vn-Ok1[1dxC15)A（CC）)An1NA1 (1xA f
•
（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
•
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） ①浓度达分子尺度上均匀，排除传质对反应影响； ②各处温度相等，不考虑釜内传热问题；
• ②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)： t∝ 1
n=0(零级反应)： t∝
CA0
CA0
• (据此，开发过程中定性判断反应级数)
•
③n=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
• * 间歇反应中的单一反应：反应速率rA，残余浓度CA， 转化率xA See p90,list-31
• 结论：
• ①反应初始条件一定，反应结果（残余浓度或转化率）
• 就一定；为达到一定转化率， k ,则t （与反应级数无关）
•
▲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。
3-3 间歇反应器
合。
3－1 反应器中流体的流动模型
• 一、理想流动模型
• ⑴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，固定床
wk.baidu.com
•
催化反应器中的流体流动可视为平推流。
3－1 反应器中流体的流动模型
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• 积分时注意：
• ①反应过程有无体积变化。若有，则须建立体积流
率 V ~ x ,C ~；x 关系
A
A
A
• ②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 k ~ x 关, T系~。x
A
A
3-4 平推流反应器PFR Piston Flow Reactor
• ⑵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。
3－1 反应器中流体的流动模型
3－1 反应器中流体的流动模型
第三章 理想流动反应器
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
非理热流动模型 (考虑轴向返混的）返混模型 （中间流模型） （考虑流速分布的）层流模型
多级串联全混流模型
第一节 流动模型概述
3－1 反应器中流体的流动模型
•
③物料停留时间相同――无返混。
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 V0CA0dxA rAdVR
导得：
反应体积：
V R
V C xA f
0
A0 0
dx A r（3-13）
A
停留时间：
V R
V
（C3AO-10xA4f ）drxA
0
A
）n1 x
] )
n1
A0
Af
•
等温、等容平推流反应器计算式：
•
see p93,list3-2
3-4 平推流反应器 PFR Piston Flow Reactor
• ⑵有体积变化时：
• 对气相反应 VAA VBB VLL VMM
• 化学膨胀因子 为A 组分A反应1mol时，反应混合物摩
• (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↓。
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，