搅拌式反应器

搅拌釜式反应器的双区模型
化学反应器是化工生产的核心设备，也是化学反应工程研究的核心，它的操作情况对整个生产过程起着决定性的作用。

在连续操作的反应器内，物料的流动与混合状况和因此而产生的反应时间、反应物浓度以及温度等反应参数的分布状况反映了工业反应器的最根本特征。

实际反应器内流体的流动状况存在着非理想流动，改变了物料的流动情况，进而改变了物料的浓度分布，最终则是影响结果。

为了准确地掌握反应器的性能，必须充分考虑实际反应器内的非理想流动对反应器的影响，根据实际情况与理想流型偏离的程度，建立一个较接近实际的流动模型。

造成反应器内流体流动情况变化的主要原因是返混。

由于返混改变物料的流动情况，从而改变反应器内物料浓度的分布，并使物料在反应器内部形成停留时间分布(RTD)， RTD是流体流动情况的宏观体现，通过流体的RTD曲线能定量地估算每个流体相的混合物性和混合程度，以及每个流体相在反应器内的滞流量.当反应器没有外来传质和传热影响，它的特性就取决于特征动力学性质和RTD 曲线的性质。

在反应过程中。

反应的特征动力学性质不会改变。

所以，使用RTD 可以合理而又精确地描述反应器流体流动情况及混合特性，从而预测反应器的性能。

所以RTD模型即可反映物料的流动模型。

如何分析非理想流动和流型对反应器的影响，建立实际反应器内流体的流动模型，前人已经进行了大量的工作。

在许多的文献中，关于非理想因素对反应器性能的影响报道很多。

下面来讨论下反应器内可能存在的非理想因素的影响。

非理想流动和流型对化学反应产率和选择性的影响。

这两方面的影响因素进行综合考虑，用双区模型来描述实际反应器内流体的流动模型。

1、流动模型
釜式反应器内的非理想流动主要有死区和短路。

死区主要存在于反应器的两个顶盖、畸形拐角、挡板与设备的交界处以及压力计的尾部等。

由于死区区域的流体几乎停滞不动，所以死区的存在减少了反应的有效体积；而短路则是当反应器的高径比较小时容易产生。

由于短路流体很快的通过设备，所以，短路降低了反应的效率。

釜式反应器引起返混的主要原因，除了非理想流动之外，还有由搅拌形成的倒流。

釜式反应器和管式反应器相比较，搅拌对釜式反应器至关重要。

搅拌保证物料良好的混合。

反应器内物料搅拌的均匀程度对于反应速度和收率有重大的影响，因此混合问题在流动模型的建立上有其特殊的重要性。

在搅拌釜中，利用叶轮的旋转和其它方式，推动槽内流体在整个搅拌釜内按一定流型循环流动。

对于应用较广的涡轮式搅拌器，从流动情况分析，涡轮搅拌器就象一只无泵壳的离心泵。

物料被抽吸后，在离心力的作用下，流体作切向运动和径向运动，并以很高的绝对速度由出口冲出，出口液体的径向速度使液体流向壁面，然后分成上、下两路回流入搅拌器，形成径向流型的循环流动。

搅拌槽内的流体，以桨叶为界，直观的分为上、下两个回流区。

因此，反应器内流体的流动可用双区模型予以描述。

这种模型比较简单实用,其物理意义也比较明确。

2、数学描述
连续流动的搅拌槽，进出口的位置对流体的流动有很大的影响，因此选用如下两个双区模型分别描述出口位置不同时的流动状况，一是进、出口均在上部；二是进口在上部，而出口在下部。

模型1：进、出口均在上部。

在此情况下，上区存在短路，下区存在死区。

其流型示意图与模型示意图见图1和图2。

图1 反应器流型示意图 图2 模型示意图
由物料平衡
dt dc RV =c k ν+c ν-c k ν-c ν121111011
（1） dt
dc m )V
-R - (1 =c k ν-c k ν22111 （2） 设f ′=V/ν1,将式(1), (2)的两边同时除以ν1得：
dt 12110dc Rf =kc +c -kc -c ＇
（3) dt
dc2m )f -R - (1 =kc -kc 21＇
（4) 由初始条件c1= 0，当t= 0，c2= 0时，则 ）＇＇＇＇11)()((1)(2
121222111121- λλ+e -λλRf λ+Rf λ+e -λλRf λ+Rf λνν+= t F t
λt λ 式中 λ1，λ2的值为： []＇f -R-m -R-m k - R -n-km k+ R-n-km k+ - =λ /, )1(2)1(4)-1()1(21221±-
模型2：进口在上部，出口在下部。

在此情况下，上、下两区不考虑短路，只考虑死区存在,其流型示意图和模型示意图如图3和图4。

图3 反应器流型示意图 图4 模型示意图
由物料平衡
dt
dc1n)V -(R =k)ν+(1 -k ν+νc 120c c (5) dt dc2m )
-R - (1 =k)ν+(1 -k)ν+(121c c (6) 与模型1相同,经过数学推导由初始条件c 1= 0,当t= 0,c 2= 0时可得：
c + -λλe λ+-λλe λλλ(t)=c t λt λ)1(12
11
212212
21
)1(1)(2
11
212210
221+ -λλe λ+-λλe λλλ=c t F(t)=c t λt λ 式中 λ1，λ2的值为：
[]
＇f R-n -R-m R-n -R-m +k - -n-m k+ -n-m k+ - =λ /, ))(1(2))(1)(1(4)1()1()1)(1(212221±3、结论
对于连续流动的搅拌釜式反应器,其流体的流动可用双区描述为 a.物料的进、出口均在反应器上方 ）＇＇＇＇11)()((1)(2
121222111121- λλ+e -λλRf λ+Rf λ+e -λλRf λ+Rf λνν+= t F t
λt λ 式中 λ1，λ2的值为：
[]＇f -R-m -R-m k - R -n-km k+ R-n-km k+ - =λ /, )1(2)1(4)-1()1(21221±-
b.进口在反应器的上方,出口在反应器下方 )1(1)(2
11
212210
221+ -λλe λ+-λλe λλλ=c t F(t)=c t λt λ 式中 λ1，λ2的值为：
[]
＇f R-n -R-m R-n -R-m +k - -n-m k+ -n-m k+ - =λ /, ))(1(2))(1)(1(4)1()1()1)(1(212221±
参考文献
[1] 陈甘棠主编.化学反应工程.北京:化学工业出版社, 1981
[2] 韩其勇.化学反应器的流动模型.武汉:武汉大学出版社, 1989
[3] 史密斯JM.化工动力学.第三版.北京:化学工业出版社, 1988。