理想流动模型

【摘要】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文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。一、理想流动模型1.1平推流模型特点：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。1.2全混流模型特点：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。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：△CA等温下：CA、CAf、CA*(a)间歇反应器△CA随时间变化↓(b)平推流反应器△CA随时间变化↓(c)全混流反应器△CA随时间变化↓CACAf△CA反应时间CAoCA*CAfCAf轴向长度CAoCA*CAf轴向长度CAoCA*CA△CA△CA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。二、非理想流动模型1、偏离平推流反应器的几种情况：漩涡运动，径向流速分布不均匀，沟流或短路，死角。2、偏离全混流反应器的几种情况：死角、短路、再循环3、返混情况对化学反应影响主要是由于物料质点的停留时间不同所造成。2.1间歇反应器2.1.1间歇反应器的特征生产周期：反应时间＋清洗、拆卸、安装等辅助时间。特点：①剧烈的搅拌，混合完全均匀，无浓度梯度存在；②反应器有足够的传热条件，反应器内无温度梯度；③物料同时加入，并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。应用：由于操作灵活，但生产能力小，常用于精细化与生物化工产品的生产。2.1.2间歇反应器性能的数学描述物料衡算式：dtdxndtdnVAAOAAAfAfxxAAAOAARAOdxCdxVnt00对等容过程：AfAAxcCAAAAAOdcdxCt00对液相反应，反应前后液体体积变化不大，可看作等容过程，反应时间t，反应物A反应物B一定配比辅助：加热（或冷却）测量T、P、加料口等间歇反应器搅拌辅助时间t，，生产能力为V（单位时间所处理的物料量），则反应器体积VR＝V（t＋t，）辅助时间t，容易确定，对反应时间t的时间须事先知道动力学数据AAx1关系曲线（或数学表达式）。对等容过程，也可依据AAC1关系曲线（或数学表达式）求取t：2.1.3间歇反应器中的单一反应单一反应的动力学方程式常可以下式表示：nAAkC反应级数不同，反应时间t的积分式形式不同，各级反应的反应时间分别为：（等容过程）反应级数反映速率残余浓度式转化率式n＝0kAAACCkt0AAxCkt0n＝1AAkCAACCkt0lnAxkt11lnn＝22AAkC011AACCktAAAxxktC10N级n≠1nAAkC)(1111nAOnACCnktktCnxnAOA1)1(1)1(讨论：通过反应时间t与初始浓度0AC的关系可判断反应级数2.2平推流反应器2.2.1平推流反应器的特点1.反应器各截面上物料参数只随流向变化，不随时间变化。2.无径向浓度梯度，只须考虑轴向的变化。3.无返混，各质点停留时间相同。2.2.2平推流反应器计算的基本公式Afx00ACVAxAfC00AxAfXAAAOORdXCVV0或AfXAAAOORdXCVV0讨论：(1)在形式上与间歇反应器一致，故间歇反应器结论适用于平推流反应器；(2)须知AAx1的关系，等温等容条件与间歇反应器一致。2.2.3变温过程物料衡算RAAAdVdxCV00热量衡算RARapiidVHdATTKdTCN)(联立求解得：达到一定转化率所需的反应体积。讨论：(1)对等温反应，热量衡算简化为：RARadVHdATTK)()(可求出平推流反应器所需的传热面积。(2)对绝热反应，传热项为零RARpiidVHdTCN)(AAARAdxNdNdV0AARpiidxNHdTCN0)(令AdxdT，则piiARACNNHdxdT0)(称之为绝热温升，其意义时在绝热条件下，组分A完全反应时反应物系的温度升高的数值，若00Ax，则AAxTTxTT00或这样就把绝热条件下每一瞬间的反应温度T与转化率Ax联系起来。2.3全混流反应器2.3.1全混流反应器的特点根据全混流的定义，由于强烈搅拌作用而时釜内反应物料的浓度和温度处处相等，同时，时进入反应器的反应物料在瞬间与存留于反应器的物料达到瞬间完全混合，且反应器出口处即将流出的物料也与釜内的物料浓度相等。相对平推流反应器而言，全混流反应器内的反应浓度与出口浓度相等，故在转化率相同的情况下，反应物的浓度低于平推流反应器，而产物浓度则高于平推流反应器。2.3.2全混流反应器计算的基本公式对整个反应器作物料衡算较方便，定态条件下，反应器内反应物料的累积量为零，对组分A作物料衡算RfAAfAAVxCVCV)()1(0000fAAAfAAfARCCxCVV)()(000或fAAfARxCVV)(00若反应器进口物料中已含反应产物，且可用0Ax来表示其转化率，则fAAAfARxxCVV)()(0002.3.3图示全混流和平推流反应器的停留时间比较（1）图示法：平推流：曲线下的面积；全混流：矩形面积（2）公式法：反应级数平推流全混流n=0fxCkAA0fxCkAA0A1AfC0ACACn=1Afxk11lnAfAfxxk1n=2AfAfAxxCk11020)1(1AfAfAxxCk