理想反应器

理想反应器
•在工业上化学反应必然要在某种设备内进行，这种设备就是反应器。

根据各种化学反应的不同特性，反应器的形式和操作方式有很大差异。

•从本质上讲，反应器的形式并不会影响化学反应动力学特性。

但是物料在不同类型的反应器中流动情况是不同的。

•
理想流动反应器
流体流动状况影响反应速率和反应选择率，直接影响反应结果。

研究反应器中的流体流动模型是反应器选型、设计和优化的基础.
流动模型是反应器中流体流动与返混的描述。

流动模型：理想流动模型和非理想流动模型。

理想流动模型：完全没有返混的平推流反应器和返混为极大值的全混流反应器。

非理想流动模型是对实际工业反应器中流体流动状况对理想流动偏离的描述。

流动模型相关的重要概念
●物料质点
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。

●物料质点的年龄和寿命
年龄是对反应器内质点而言，指从进入反应器算起已经停留的时间，称为年龄。

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。

返混
1）返混指流动反应器内不同年龄年龄质点间的混合。

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，不同年龄的质点混合在一起，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。

简单混合与返混
若相互混合的物料是在相同的时间进入反应器的，具有相同的反应程度，混合后的物料必然与混合前的物料完全相同。

这种发生在停留时间相同的物料之间的均匀化过程，称之为简单
混合。

如果发生混合前的物料在反应器内停留时间不同，反应程度就不同，组成也不会相同。

混合之后的物料组成与混合前必然不同，反应速率也会随之发生变化，这种发生在停留时间不同的物料之间的均匀化过程，称之为返混。

•按物料在反应器内返混情况作为反应器分类的依据将能更好的反映出其本质上的差异。

•按返混情况不同反应器被分为以下四种类型
1.间歇反应器
•间歇操作的充分搅拌槽式反应器（简称间歇反应器）。

在反应器中物料被充分混合，但由于所有物料均为同一时间进入的，物料之间的混合过程属于简单混合，不存在返混。

2.平推流反应器
理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。

在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。

典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。

•理想置换反应器（又称平推流反应器或活塞流反应器）。

在连续流动的反应器内物料允许作径向混合（属于简单混合）但不存在轴向混合（即无返混）。

典型例子是物料在管内流速较快的管式反应器。

理想流动模型
平推流模型（活塞流模型、理想置换模型、理想排挤模型）
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中平行地像气缸活塞一样向前移动
1）模型特点
•物料参数（温度、浓度、压力等）沿流动方向连续变化；
•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）；
•沿流动方向的截面间不相混合；
•质点的寿命相同，任一截面上的质点的年龄相同；
•返混＝0,不同年龄的质点不相混合。

2）适用范围
管式反应器：L/D较大，流速比较大。

3.全混流反应器
•连续操作的充分搅拌槽型反应器（简称全混流反应器）。

在这类反应器中物料返混达最大值。

2.全混流模型（理想混合模型、连续搅拌槽式反应器模型）
假设：反应物料以稳定流量流入反应器，在反应器中，刚进入的新鲜物料与存留在反应器中的物料瞬间达到完全混合。

1）模型特点：
✓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；
✓同一时刻进入反应器的新鲜物料在瞬间分散混合，
✓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。

✓返混＝∞
2）适用范围：
搅拌反应器，强烈搅拌。

非理想流反应器
•非理想流反应器。

物料在这类反应器中存在一定的返混，即物料返混程度介于平推流反应器及全混流反应器之间。

间歇反应器
•反应物料一次投入反应器内，在反应过程中不再向反应器内投料，也不向外排出，待反应达到要求的转化率后，再全部放出反应物料。

反应器内的物料在搅拌的作用下其参数（温度及浓度）各处均一。

•优点：操作灵活，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产精细化工产品的生产
•缺点：装料、卸料等辅助操作时间长，产品质量不稳定
间歇反应器特点
①由于剧烈搅拌、混合，反应器内有效空间中各位置的物料温度、浓度都相同；②由于一次加料，一次出料，反应过程中没有加料、出料，所有物料在反应器中停留时间相同，不存在不同停留时间物料的混合，即无返混现象；③出料组成与反应器内物料的最终组成相同；④为间歇操作，有辅助生产时间。

一个生产周期应包括反应时间、加料时间、出料时间、清洗时间、加热（或冷却）时间等。

间歇反应器设计方程
•反应器有效容积中物料温度、浓度相同，故选择整个有效容积V’R作为衡算体系。

在单位
时间内，对组分A 作物料衡算：
0=0+ •整理得
•当进口转化率为0时，分离变量并积分得
•为间歇反应器设计计算的通式。

它表达了在一定操作条件下，为达到所要求的转化率x A 所需的反应时间t r 。

•在恒容条件下，
•上式可简化为：
•间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间
t r ，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡'=⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-⎥⎦
⎤⎢⎣⎡'的积累量物料中单位时间内的量消失的物料内反应单位时间的量的物料单位时间排出的量的物料单位时间进入A A A A R R R R V V V V ()1A R A s mol d d 00-⋅='---t n V r A
A dn dt V r +。