反应器内的流体流动

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反应器内的流体流动

2、降低返混程度的措施、降低返混程度的主要措施是分割，通常有横分割，分割向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。（1）连续操作的搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用多釜串联多釜串联的操作。多釜串联当串联釜数足够多时，连续多釜串联的操作性能就很接近理想置换反应器的性能。(横向纵向？)
示踪物选择的要求： 1 必须与进料具有相同或者相近的流动性质，以及尽可能相同的物理性质； 2 易于检测，检测灵敏，方法简便。 3 不能与反应物料发生化学反应或被吸附 4 用于多相系统检测的示踪物不发生相际间的传递。
根据停留时间分布的比较，理想置换反应器优于理想混合反应器。所以理想置换反应器的转化率高于理想混合反应器。也就是说，使停留时间分布尽可能集中，可以增加反应器的生产能力。但是需要强调的是，反应器中转化率还与其它很多因素有关，这只是从物料质点的停留时间进行分析。
年龄反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；反应物料质点从进入反应器算起已经停留的时间；是对仍留在反应器中的物料质点而言的。是对仍留在反应器中的物料质点而言的。寿命反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间；是对已经离开反应器的物料质点而言的。是对已经离开反应器的物料质点而言的。返混：返混：又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。又称逆向返混，不同年龄的质点之间的混合。是时间概念上的混合。时间概念上的混合。
二、返混及其对反应过程的影响 1、返混含义、专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。间歇反应器中不存在返混; 理想置换反应器不存在返混; 理想混合反应器返混达到极限状态; 非理想流动反应器存在不同程度的返混.

化学反应工程课件-8讲解

15
习题1.1
第一章习题答案
一个75kg的人大约每天消耗6000kJ热量的食物,假设食物为葡萄糖,其反应方程式为:
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O -ΔH=2816kJ如果人吸入的空气中含CO20.04%、O2 20.96%，呼出的气体中CO2含量上升到4.1%、O2含量降低到16.1%，请问人每千克体重代谢所消耗的空气的速率。
➢ 循环操作的平推流反应器 ➢ 反应器特性特性分析---推动力
化学反应推动力------体系组成与平衡组成的差化学反应的化学势
3
复习
返混对反应器体积的影响（反应级数n>0)
xA dxA
0 rA
xA rA
V
v0cA0
xA 0
dxA rA
V
v0cA0
xA rA
返混对反应器体积的影响（反应级数n<0)
该反应为一级不可逆反应,反应速率常数与温度的关系为:
k 1.391014 exp( 37700) RgT
c c α1α 2 bβ1> β2, A、B维持高水平
α1> α2，β1< β2, A浓度高水平、 B在低浓度水平 1）半间歇反应器， 2）平推流，A可以轴向进料， B侧向连续进料 3）多级串联全混流反应器
8
流动模型与反应选择性
总选择性定量分析最终产品分别：
s
1 xA
• x=0.201 y=103.96 • 反应需O2: 6000/2816/0.201×6=63.6 (mol) • 空气消耗速率: 63.6/0.2096/75=4.05 mol/kg • 4.05×22.4/24/60=0.063 L/min·kg
17

反应器内流体流动与混合非理想流动

F ( ) 1 e

1 e

上述两表达式中已不包含 τ，故与全混流容
器的大小及流量无关，其分布曲线见图。
E(t) 1/τ
F(t) 1.0
0
t
0
t
全混流的E(t)、F(t) 函数曲线
全混流的平均停留时间
t tE (t )dt t e dt
应器的管径较小、较长，物料在其中的流
速较快时，返混程度很小，此时可近似按
平推流进行分析与设计。
平推流反应器中所有物料质点的停留时间
都相同，且等于整个物料的平均停留时间。
采用脉冲示踪法测定平推流的停留时间分
布密度函数 E(t)
C(t)
C0 E(t)
t=0
t=0 t=0
t t tt
激励曲线

t

停留时间分布积累函数（阶跃示踪时）
C (t ) t / F (t ) 1 e C0
停留时间分布密度函数
dF (t ) 1 t / E (t ) e dt
无因次时间表示的停留时间分布函数
E ( ) E (t )
t
1

e

t

e
同样的停留时间分布可以是不同的返混造成的。不能直接用测定的停留时间分布来描述返混的程度，必须借助于模型方法。
数学模型方法
分析器内复杂的实际流动状况，进行
合理的简化，通过数学方法来表述或关联返混与停留时间分布的定量关系，然后再进行求解。
建立流动模型的基本思想：根据实测的停留时间分布，假设一种流动状态，令这种流动状态下的停留时间分布与实测结果一致，并根据假设的流动状态的模型参数，结合在其中进行反应的特征

第二章理想流动与非理想流动1

第二章
理想流动与非理想流动反应器
流体在反应器中的流动情况影响着反应速率、反应选择率，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。流动模型可以抽象出两种极限的情况：一种是完全没有返混的活塞流反应器；另一种是返混达到极大值的全混流反应器。实际生产中的多数管式反应器及固定床催化反应器等可作活塞流反应器处理，多数槽式反应器可作全混流反应器处理。
对活塞流反应器，物料质点是平推着向前流动的，物料质点在反应器中的逗留时间相同不产生返混。而在全混流反应器中，不同年龄的质点达到完全混合，有的逗留时间很短，有的却很长，返混程度最大。活塞流与全混流是两种理想流型：前者理想置换，没有返混；后者理想混合，返混最大。而介于两者之间的流型，是非理想流型，存在着不同程度的返混现象。
2 全混流模型亦称理想混合模型或连续搅拌槽式反应器模型，如图2-1（c）所示，是一种返混程度为无穷大的理想化流动模型。
全混流假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中，刚进入反应器的新鲜物料与存留在器内的物料在瞬间达到完全混合。反应器中所有空间位置的物料参数都是均匀的，等于反应器出口处的物料性质，即反应器内物料温度、浓度均匀，与出口处物料温度、浓度相等。而物料质点在反应器中的逗留时间参差不齐，有的很短，有的很长，形成一个逗留时间分布。搅拌十分强烈的连续搅拌槽式反应器中的流体流动可视为全混流。
（2）热量衡算热量衡算以能量守恒与转化定律为基础，在计算反应速率时必须考虑反应物系的温度，通过热量衡算可以计算反应器中温度的变化。与物料衡算相仿，对反应器或其一微元体积进行反应物料的热量衡算，基本式为（带入的热焓）＝（流出的热焓）十（反应热）十（热量的累积）十（传向环境的热量）（2-2）式中反应热项，放热反应时为负值，吸热反应时为正值。

化学反应工程第三章反应器内的流体流动

物料的浓度变化。
如测定数据属于离散型，则：
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
在实验时，时间间隔可以取成等值，得：
平均停留时间和散度可按下式计算：
当为定值时，
散度
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-2 在稳定操作的连续搅拌式反应器的进料中脉冲
m 50g
注入染料液（
）,测出出口液中示踪剂浓度随时
多级混合模型是由N个容积为V的全混釜串联组成，从一个釜到下一个釜的管道内无返混且不发生化学反应，示意如图3-8：
图3-8 多级混合模型
3.4.1 多级混合模型
经推导可得该多级混合模型的停留时间分布规律为：
F ( ) cN 1 1 1 1 1 exp( N )[1 ( N ) ( N ) 2 ( N ) 3 （N ) N 1 ] c0 1 ！ 2 ！ 3! （N 1 ）！
（t）；另一部分是阶跃输入前的物料量为Vc0－中时间
大于t的示踪剂，其量为Vc0－[1-F（t）] 。即：
即得：
（3-15）
如果阶跃输入前进口物料中不含示踪剂，即，则上 c F ( t ) 式可以改写成：（3-16） c0
3.2.3 寻求停留时间分布的实验方法
例3-1 测定某一反应器停留时间分布规律，采用阶跃输入法，输入的示踪剂浓度，在出口处测定响应曲线得到的数据如下表3-1所示：
占的分率。依此定义，E(t)和F(t)之间应具有如下关
系：以及
3.2.1 停留时间分布的定量描述
在t=0时 F(0)=0和t=∞时，关于E(t)、F(t)曲线以及它们之间的关系示于图3-2中。
图3—2 停留时间分布曲线

化工原理流体流动

化工原理流体流动化工原理中的流体流动是一个非常重要的概念，它涉及到化工工艺中许多关键环节，如管道输送、反应器内流动、搅拌反应等。

流体流动的研究不仅可以帮助我们更好地理解化工过程中的现象，还可以指导工程实践，提高工艺效率，降低能耗成本。

本文将从流体流动的基本原理、流体力学方程、流体流动的类型以及流动特性等方面进行探讨。

首先，我们需要了解流体流动的基本原理。

流体力学是研究流体静力学和动力学规律的学科，其中流体流动是动力学的重要内容。

流体流动的基本原理包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等。

质量守恒原理指出在流体流动过程中，单位时间内通过任意截面的流体质量不变；动量守恒原理指出在流体流动中，单位时间内通过任意截面的动量不变；能量守恒原理指出在流体流动中，单位时间内通过任意截面的能量不变。

这些基本原理为我们理解流体流动提供了重要的理论基础。

其次，我们需要了解流体力学方程。

流体力学方程是描述流体运动规律的基本方程，包括连续方程、动量方程和能量方程。

连续方程描述了流体的质量守恒规律，动量方程描述了流体的动量守恒规律，能量方程描述了流体的能量守恒规律。

通过这些方程，我们可以定量地分析流体流动的特性，为工程设计和优化提供依据。

接下来，我们需要了解流体流动的类型。

根据流体的性质和流动状态，流体流动可以分为层流和湍流两种类型。

层流是指流体在管道内沿着同一方向以相对较小的速度均匀流动的状态，流线呈直线状并且不会相互交叉。

湍流是指流体在管道内以不规则的、混乱的方式流动的状态，流线呈曲线状并且会相互交叉。

不同类型的流体流动具有不同的特性，需要采用不同的方法进行研究和控制。

最后，我们需要了解流体流动的特性。

流体流动的特性包括速度分布、流动阻力、流体混合等。

速度分布描述了流体在管道内的速度分布规律，可以通过实验和模拟计算进行研究。

流动阻力是指流体在管道内流动时受到的阻力，它与管道的几何形状、流体的黏度等因素有关。

流体混合是指不同流体在管道内的混合过程，它对于化工反应器内的反应效果具有重要影响。

反应器基础知识—流体流动

改善措施
1、增大流体在设备内的湍流程度，以消除轴向扩散而造
非理
成的停留时间分布不均匀的现象。
想 2、在反应器内装设填充物，以改变设备内速度分布和浓
流动
度分布，从而使停留时间分布趋于均一化。但要注意避免
的沟流和短路现象的发生。

改
善 3、增加设备级数或在设备内增设挡板。
4、采用适当的气体分布装置，或调节各组反应管的阻力，
停留时间描述
理想混合流动模型
E(t) 1 et /
F (t) 1 et /
e d 1 0
2
2e d
1 1
0
流体流动
流体的流动特征：
指反应器内流体的流动状态和混合情况，它们随反应器的几何结构（包括内部构件）和几何尺寸不同发生变化。由于反应流体在反应器内流动的复杂性导致反应器内不仅存在流体流速的分布，更重要的是还存在浓度和温度的分布。使得反应器内存在不同停留时间的流体粒子以及不同停留时间流体粒子之间的混合即返混，从而导致反应器内反应物料处于不同的温度和浓度下进行反应。影响反应速率和反应选择性，使反应结果发生变化。
t≤0， F(t)=0 0＜t＜∞，0<F(t)<1 t＝∞， F(t)＝1。
E(t) dF(t) dt
1、数学期望
停
留时间
1.0
t 0 tdF(t) 0 tE(t)dt
分
布的 2、方差
特
征值
2 t
(t t)2 E(t)dt
0
t 2 E(t)dt t 2
0
停
脉冲法：
留
流体流动的描述
1、停留时间分布密度函数
停

6 第二章反应器内流体流动与混合 (1)--梁斌 97-2003

反应器内物料的流动方向和速度分布的不
同，造成物料粒子在反应器内的停留时间不同，从而引起各粒子反应程度的差异，造成物料浓度分布不同，这降低了反应效率，影响了产品质量和产量。流动状况对化学反应的影响有两方面：物料的浓度和停留时间。
物料在反应器内存在浓度和温度分布，使
器内物料处于不同的温度和浓度下进行化
处理量和实际操作时间来决定的。
• 根据生产任务求得物料在单位时间内的物料处理量 V′。 • 每批实际操作时间由反应时间 t 和辅助时间 t0 组成。辅助时间包括加料、调温、缷料和清洗等时间。
1.每批实际操作时间 =反应时间 + 辅助时间
t R t t0
2.反应器有效体积 VR ：
VR V (t t0 )
x
x+△x
管式反应器
管径较小、管子较长
和流速较大的管式反应器
可近似地按平推流来处理。
一、平推流反应器特性 (1)属连续定态操作，反应器各个截面上的参数(浓度、温度、转化率等)相同，且不随时间而变化； (2)器内参数(浓度、温度、压力等)沿流动方向连续变化，反应速率也随轴向位置变化；
动量衡算方程
在列出上述基本方程时，需要知道动力学
方程和流动模型。 2.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
2.2 简单反应器
简单反应器分为： 1.间歇釜式反应器 2.平推流管式反应器 3.全混流釜式反应器
讨论等温恒容过程，只需结合动力学方
适用于经济价值高、批量小的产物，如药
品和精细化工产品等的生产。
一.间歇釜式反应器传递特性(装置特性)

化学反应器的流体力学计算

化学反应器的流体力学计算化学反应器是化学工业中最重要、最关键的设备之一。

在化工过程中，化学反应器内的流体力学性质对反应器的性能、效率、稳定性都有着重要的影响。

因此，在化学反应器的设计和优化中，流体力学计算变得尤为重要。

化学反应器内液流的性质和特点化学反应器内的液流可以看作是流体与反应物、催化剂、反应产物相互作用的结果。

反应器中的管道、搅拌、反应器壁等对流体的流动都会有一定的影响，使得反应器内的流体运动变得复杂。

在这种情况下，学习和掌握反应器内液流的性质和特点对于反应器的设计和优化至关重要。

反应器内流体的流动现象可以归结为以下几种：遇阻流动：反应器中的管道、设备、反应器壁等都会对流体的流动产生阻力。

阻力和液体的速度成正比，对于高流速的液体而言，阻力也会相应增大。

湍流和层流：液体流动的速度仿佛是波浪般变化，并且流速和流量都不稳定，这时液体流动就进入了所谓的湍流状态。

反之，若液体流动较为稳定，没出现波浪状況，则处于層流狀態。

对流：是指在恒温条件下，流体由于密度的差异而产生的运动。

具有密度差异的流体在被加热时，密度越小的流体就会向上移动，密度高的流体就会下沉。

这种现象通常用来解释化学反应器内的温度梯度和质量分布。

反应器内流体的性质和行为，需要通过流体力学计算来进行评估和分析。

此外，对于化学反应器而言，还需要考虑反应物的浓度、反应速度、自由能和活化能等因素对反应器的影响。

化学反应器的流体力学计算化学反应器内液流的特点和行为，不仅对反应器的设计和优化有着重要影响，也对反应过程的质量和效率有着直接的影响。

因此，针对反应器内复杂的液流问题，流体力学计算应运而生。

在化学反应器内液流的计算中，需要考虑的因素非常多。

比如液体的密度、粘度、流速、温度、某些化学反应的速度等等。

针对这些因素，有许多流体力学计算模型可以用来模拟流体的流动和行为。

其中最常用的方法是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟。

理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用

➢滞留区的存在 ➢存在沟流与短路 ➢循环流 ➢流体流速分布不均匀 ➢扩散
上述是造成非理想流动的几种常见原因，对一个流动系统可能全部存在，也可能是其中的几种，甚至有其它的原因。
返混及其对反应过程的影响
返混含义：专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
理想流动非理想流动理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。
反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。
种，其中重要的是__________。连续搅拌釜式反应器为减少返混，工业上常采用________的操作
由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。
理想置换流动模型
含义：理想置换流动模型也称作平推流模型或活塞流模型。与流动方向相垂直的同一截面上各点流速、流向完全相同，即物料是齐头并肩向前运动的。

固定床反应器内的体流动

球粒： da2 AS
非球粒：AP
AS=AP
1
da
AP
2
➢ 比表面相当直径dS：用比面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的
直径。比表面积Sg: m2/m3:单位体积的催化剂所具有的表面积。 m2/g:单位质量的催化剂所具有的表面积。
球粒：
d
2 S
6
d
3 S
非球形颗粒：
AP VP
=
d
应器中时，包括床层中的自由空间，每单位体积反应器中催化剂的质量。记为，单位可用g/cm3、g/l或kg/m3表示。
固定床反应器内的流体流动
固定床特性
➢ 1.体积相当直径dV：用体积相同的球形颗粒的直径表示非
球形颗粒的直径。
球粒：
6
dV3
VS
非球粒： VP
VP =VS
1
dV
6VP
3
➢ 面积当量直径da：用面积相同的球形颗粒的直径表示非球形颗粒的直径。
di didi
固定床当量直径de
de=4RH=4 流道的有效截面积流道的润湿周边
de
2 31
dS
式中：dS:比表面当量直径
固定床反应器中流体流动特性
➢ 流体在固定床中的流动的复杂性在床层径向，流速分布不均匀，滞流、过渡流、湍流同时存在
径向、轴向返混同时存在。 ➢ 固定床流体流动模型
流体流动由两部分合成：一部分为流体以平均流速沿轴向作理想置换式流动；另一部分为流体的径向和轴向的混和扩散。 ➢ 使气体分布均匀的办法 a.使催化剂各部位阻力相等。 b.采用气体分布器。如分布锥、分配头、设栅板等。 c.附加导流装置。
流体通过固定床的压力降

国家开放大学《化学反应过程及设备》形考任务1-4参考答案

国家开放大学《化学反应过程及设备》形考任务1-4参考答案形考任务11.均相反应的基本特点是反应体系已达到（）尺度上的均匀混合。

A.工业B.实验室C.分子D.原子2.对于连串反应：，P为目的产物，下列做法能够提高目的产物的选择性的是（）。

A.增大k1/k2的比值B.增大主反应的活化能C.提高物料中反应物A的浓度D.提高反应温度3.现有某反应活化能为120kJ/mol，温度由300K上升10K，反应速率常数增大到原来的（）倍。

A.1.1B.3.2C.4.7D.104.等温恒容条件下，某不可逆反应的达到一定转化率所需的反应时间与初始浓度无关，仅与转化率有关，那么该反应为（）。

A.零级B.一级C.二级D.三级5.对于可逆放热反应，在一定条件下，反应速率最大时对应的温度称为（）。

A.最适宜温度B.平衡温度C.完全转化温度D.起燃温度6.对于平行反应：A→P（目的产物）；A→S（副产物），当主副反应级数相同时，下列做法能够提高目的产物的选择性的是（）。

A.增大k1/k2的比值B.增大主反应的活化能C.提高物料中反应物A的浓度D.提高反应温度7.一反应关键组分A的转化率为96%，对A产物的选择性为75%，则该反应中A 的收率为（）。

A.0.77B.0.75C.0.74D.0.728.可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应的速率的关系为：r正（）r逆。

A.﹥B.﹦C.﹤D.无法确定9.分子经过一次反应即生成产物的反应，称为（）。

A.简单反应B.复杂反应C.基元反应D.非基元反应10.化学工业品生产以下包括三个主要阶段：原料的预处理、化学反应过程及产物的分离与净化。

其中产物的分类和净化是最为核心的部分。

（×）11.间歇式操作适用于大批量产品的生产。

（×）12.连续操作是指反应器中的原料有一些是分别加入或取出的，而另一些则是连续通过的。

（×）13.物料衡算、热量衡算和动量衡算通式为：累积量=输入量-输出量。

化学反应过程与设备(反应器设计和优化)

k A0 exp( E ) RT
19
活化能E 反应活化能是为使反应物分子“激发”所需的能量。活化能的大小是表征化学反应进行难易程度的标志。活化能高，反应难于进行；活化能低，则容易进行。但是活化能E不是决定反应难易程度的唯一因素，它与频率因子A0共同决定反应速率。理解活化能时应注意之点： a.活化能E不同于反应的热效应，它并不表示反应过程中吸收或放出的热量，而只表示使反应分子达到活化态所需的能量，故与反应热效应并无直接的关系。 b.活化能E不能独立预示反应速率的大小，它只表明反应速率对温度的敏感程度。 E愈大，温度对反应速率的影响愈大。除了个别的反应外，一般反应速率均随温度的上升而加快。E愈大，反应速率随温度的上升而增加得愈快。 c.对于同一反应，即当活化能E一定时，反应速率对温度的敏感程度随着温度的升高而降低。
9
2.化学反应速率的表达
2.1对均相、等温、等压、封闭系统的单一反应：重点
aA bB rR sS
反应物：
ri
1 dni V d
rA
1 dn A , V dt
rB
1 dn B , V dt
产物：
1 dn R rR , V dt
1 dns rs , V dt
32
将以上各式带入反应速率方程，可得：
将以上动力学方程带入 c
cA
A0
dc A 即可求得结果。 ( rA )
思考：
反应速率用分压如何表达？
33
恒温变容过程速率方程的积分式
34
7.复杂反应动力学方程
可逆反应：反应物发生化学反应转化为产物的同时，产物之间也在发生化学反应回复为原料。
17
（2）基元反应与非基元反应：基元反应：如果反应物分子在碰撞中一步直接转化为产物分子，则称该反应为基元反应。非基元反应：若反应物分子要经过若干步，即经由几个基元反应才能转化成为产物分子的反应，则称为非基元反应。（3）单分子、双分子和三分子反应单分子、双分子、三分子反应，是针对基元反应而言的。参加反应的分子数是一个，称之为单分子反应；反应是由两个分子碰撞接触的，称为双分子反应。（4）反应级数反应级数：是指动力学方程式中浓度项的指数。它是由实验确定的常数。可以是整数、分数，也可以是负数。

理想流动反应器

第二章理想流动反应器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。

根据流体流动质点的返混情况｛理想流动模型非理想流动模型本章主要介绍理想流动模型的反应器，包括平推流反应器和全混流反应器。

§2.1反应器流动模型反应器中流体流动模型是相对连续过程而言的。

间歇反应器：反映温度、浓度仅随时间而变，无空间梯度所有物料质点在反应器内经历相同的反应时间连续反应器：停留时间相同：平推流反应器（图示）停留时间不同：全混反应器（图示）一、理想流动模型1、平推流模型活塞流或理想置换模型特点：沿物流方向，反应混合物T、C不断变化，而垂直于物流方向的任一截面（称径向平面）上物料的所有参数，如：C、T、P、U等均相同。

总而言之，在定态情况下，沿流动方向上物料质点不存在返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。

实例：长径比很大，流速较高的管式反应器。

2、全混流模型理想混合或连续搅拌槽式反应器模型特点：在反应器中所有空间位置的物料参数（C、T、P）都是均匀的，而且等于物料在反应器出口处的性质。

实例：搅拌很好的连续搅拌槽式反应器。

关于物料质点停留时间的描述：①年龄：指反应物料质点从进入反应器时算起已经停留的时间。

②寿命：指反应物料质点从进入反应器到离开反应器的时间，即质点在反应器中总共停留的时间。

寿命可看作时反应器出口物料质点的年龄。

关于返混：返混：又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合，即“逆向”为时间上得逆向，而非一般的搅拌混合。

如间歇反应器，虽然物料被搅拌均匀，但并不存在返混，而只是统一时间进入反应器的物料之间的混合。

平推流反应器不产生返混，而全混流反应器中为完全返混，返混程度最大。

关于实际反应器的返混。

介于平推流和全混流反应器之间。

关于各种反应器的推动力：△C A等温下：C A、C Af、C A *(a)间歇反应器△C A随时间变化↘(b)平推流反应器△C A随时间变化↘(c)全混流反应器△C A随时间变化↘非理想流动反应器，其反应推动力介于平推流和全混流之间。

理想流动反应器反应器内的流体流动

长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流
动可视为理想置换流动。
理想混合流动模型
含义：理想混合流动模型也称为全混流模型。反应物料以稳
定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中
的物料瞬间达到完全混合。反应器内物料质点返混程度为无穷大。
特点：所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。
在工程放大中产生的问题由于放大后的反应器中流动状况的改变，导致了返混程度的变化，给反应器的放大计算带来很大的困难。因此，在分析各种类型反应器的特征及选用反应器时都必须把反应器的返混状况作为一项重要特征加以考虑。
降低返混程度的措施
降低返混程度的主要措施是分割，通常有横向分割和纵向分割两种，其中重要的是横向分割。
理想流动
非理想流动
理想流动反应器的分类和应用
反应器内流体的流动特征主要指反应器内反应流体的流动状态、混合状态等，它们随反应器的几何结构和几何尺寸而异。反应流体在反应器内不仅存在浓度和温度的分布，而且还存在流
速分布。这样的分布容易造成反应器内反应物处于不同的温度和浓
度下进行反应，出现不同停留时间的微团之间的混合，即返混。
生产，反而有可能导致生产能力的下降或反应选择率的降低。
降低返混程度的措施
返混对反应器的意义
对反应过程产生不同程度的影响在返混对反应不利的情况下，要使反应过程由间歇操作转为连续操作时，应当考虑返混可能造成的危害。选择反应器的型式时，应尽量避免选用可能造成返混的反应器，特别应当注
意有些反应器内的返混程度会随其几何尺寸的变化而显著增强。
推流。
练习
理想流动模型分为两种类型，即________和_________ 返混专指________进入反应器的物料之间的混合说明下列反应器中的返混情况：间歇反应器中返混为_____, 理想置换反应器返混为_______

反应器设计中的流体动力学分析

反应器设计中的流体动力学分析在化学工程和相关领域中，反应器的设计是至关重要的环节。

而流体动力学分析在这一过程中扮演着举足轻重的角色，它对于确保反应器的高效运行、优化反应条件以及提高产品质量和产量都具有不可替代的作用。

要理解反应器设计中的流体动力学，首先得明确什么是流体动力学。

简单来说，流体动力学就是研究流体（包括液体和气体）在各种条件下的流动行为和规律的科学。

在反应器中，流体的流动特性会直接影响到反应物的混合、传热、传质等过程，从而对反应的速率、选择性和转化率产生深远的影响。

以常见的搅拌式反应器为例，流体在搅拌桨的作用下形成复杂的流动模式。

如果搅拌桨的设计不合理，就可能导致流体的流动不均匀，出现死区或者短路现象。

死区是指流体流动缓慢甚至几乎停滞的区域，在这些区域，反应物无法充分混合，反应效率低下；而短路则是指流体未经充分反应就快速流出反应器，同样会降低反应的转化率。

通过流体动力学分析，可以预测这些不良流动现象的出现位置和程度，并据此优化搅拌桨的形状、尺寸、转速等参数，以实现更均匀、更高效的流体混合。

另一种常见的反应器类型是管式反应器。

在管式反应器中，流体沿着管道流动，其流动状态通常可以分为层流和湍流。

层流时，流体的流动层次分明，速度分布呈抛物线形；而湍流时，流体的速度和压力等参数呈现出随机的脉动和混合。

在设计管式反应器时，需要根据反应的特点和要求来选择合适的流动状态。

例如，对于一些快速反应，通常希望流体处于湍流状态，以促进反应物的快速混合和传热。

流体动力学分析可以帮助确定达到所需流动状态所需的管径、管长、流速等条件，以及评估可能出现的压降和能量损失。

在进行流体动力学分析时，数学模型的建立是关键的一步。

常见的模型包括连续性方程、动量方程和能量方程等。

这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理。

然而，由于实际反应器中的流动情况非常复杂，这些基本方程往往需要进行简化和假设才能求解。

例如，对于低雷诺数的流动，可以忽略惯性力的影响；对于等温反应，可以不考虑能量方程。

第2课反应器流动模型

课程纲要
流动模型
理想流动模型非理想流动模型课程作业
理想混合流动模型
理想混合特点：理想混合特点：（1）反应器内的浓度和温度均匀一致，并且等于出口处的物料浓度和温度。（2）物料粒子的停留时间参差不齐，有一个典型分布。返混：返混：在反应器内，不同停留时间的粒子间的混合。思考（1）引起返混的原因有哪些？（2）分析返混的利弊，如何控制返混程度（具体措施）？
课程纲要
流动模型
理想流动模型非理想流动模型课程作业
理想置换流
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课程纲要流动模型理想流动模型非理想流动模型课程作业
引起返混的原因
（1）由于搅拌造成涡流扩散，使物料粒子出现倒流。（2）由于垂直于流向的截面上流速分布不均所致，如管式反应器内流体作层流，流速呈抛物线分布，同一截面上不同半径处的物料粒子的停留时间不一样，它们之间的混合也就是不同停留时间的物料间的混合，也就是返混。（3）反应器内形成的死角也会导致返混。
课程纲要
流动模型
理想流动模型非理想流动模型课程作业
本课总结（1）理想置换流动模型（2）理想混合流动模型
课程纲要
流动模型
理想流动模型非理想流动模型课程作业
课程作业
阅读下一课内容，阅读下一课内容，思考平推流和全混流对反应速率有什么影响？（？（不做到作业对反应速率有什么影响？（不做到作业本上）本上）预习：课预习：第3课反应器设计和优化均相反应速率及反应动力学
课程纲要流动模型理想流动模型非理想流动模型课程作业
理想混合流动模型也称为全混流模型。由于强烈搅拌，反应器内物料质点返混程度为无穷大，所有空间位置物料的各种参数完全均匀一致。反应物料以稳定的流量进入反应器，刚进入反应器的新鲜物料与存留在其中的物料瞬间达到完全混合，而且出口处物料性质与反应器内完全相同。流体由于受搅拌的作用，进入反应器的物料质点可能有一部分立即从出口流出，停留时间很短，另有一部分可能刚到出口附近又被搅拌出来，致使这些物料质点在反应器中的停留时间极长。所以，物料质点在理想混合反应器中的停留时间参差不齐，存在停留时间的分布。

反应器操作与控制基础知识—反应器内的流体流动

《化学反应器操作与控制》
非理想流动
非理想流动模型
理想流动模型
理想置换模型
理想混合模型
非理想流动模型
理想置换流动模型
非理想流动模型
非理想流动模型
一是由于反应器中物料颗粒的运动(如搅拌、分子扩散等)导致与主流体流动方向相反的运动；
二是由于设备内部结构特点造成的各处速度的不均匀性。
例如：设备的两端、挡板等易产生死角；反应器内因催化剂或填料装填不均匀易造成沟流或短路；直径较大的鼓泡塔或釜式反应器内易造成循环流等。
横向分割
挡网
流化床反应器
挡板
非理想流动模型——降低返混的措施
纵向分割
垂直构件
流化床反应器
《化学反应器操作与控制》
理想流动模型
理想流动模型
理想流动模型——一、分类
理想置换流动模型
理想混合流动模型
理想流动模型
理想流动模型——二、特点
理想置换模型
平推流模型
活塞流模型
理想置换流动模型
①在定态情况下，所有分子的停留时间相同，浓度等参数只沿管长发生变化，与时间无关。
②所有物料质点在反应器中都具有相同的停留时间，且等于物料通过反应器所需的时间；
③垂直于物料流向的任一截面上，所有的物系参数都是均匀的，亦即任一截面上各点的温度、压力、浓度和流速都相等。理想置换流动模型特点
理想置换流动模型
长径比较大和流速较高的连续操作管式反应器中的流体流动可视为理想置换流动。
非理想流动模型——1.返混
专指不同时刻进入反应器的物料之间的混合，是逆向的混合，或者说是不同年龄质点之间的混合。
定义
返混
影响
返混改变了反应器内的浓度分布，使器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升。反应速率下降，改变复杂反应的选择性。

化工原理流体流动

化工原理流体流动
化工原理流体流动在化工过程中占据着重要的地位。

流体流动的基本理论是通过质量守恒定律和牛顿运动定律得到的。

在化工过程中，流体流动的特性直接影响着反应器的混合程度、传质速度以及热交换效率等。

因此，研究流体流动的规律对于优化化工过程、提高工艺效率具有重要的意义。

流体的流动可以分为层流和湍流两种形式。

层流是指流体在平行于管道中心轴线方向上的速度分布呈现出均匀的特点，流动延伸线平行于管道中心轴线。

而湍流是指流体在管道中流动时形成的涡流和涡团，速度分布不均匀且随机，并且流动延伸线的方向和管道中心轴线的方向存在明显偏离。

在管道中的流体流动可以通过雷诺数来进行描述。

雷诺数是流体的惯性力和黏性力之比，可以用来判断流体的流动状态。

当雷诺数小于一定的临界值时，流体流动为层流；当雷诺数大于临界值时，流体流动为湍流。

流体流动中的一些重要参数包括流速、温度、密度、黏度等。

这些参数对于流体的流动特性以及传质、传热等过程都有着重要的影响。

在化工过程中，流体流动往往受到一些其他因素的影响，例如管道的几何形状、摩擦阻力、局部阻力以及流体本身的性质等。

对于这些影响因素的研究和分析，可以为化工过程提供可靠的理论基础，有助于优化设计和改进工艺。

总之，化工原理流体流动是化工过程中重要的研究内容之一。

深入理解和掌握流体流动的规律对于提高工艺效率、优化设计具有重要的意义。

反应器内的流体流动