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流动模型
第 • 反应器流体流动模型分为理想流动模型和 二 非理想流动模型，用来描述反应器中流体 章 的流动与返混。 已反应流体 与未反应流 其返混为 理 体的混合 极大值 想 流 动 • 通常所指的理想流动模型或理想流动反应 反 器有两类：理想混合（完全混合或全混流） 应 反应器和平推流（活塞流）反应器。 器
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1.2 理想流动模型
第 二 • 反应器中流体流动的两种理想状况。 章 • （1）平推流模型 理• 想 流• 动 反 应 器
（2）全混流模型 年龄——反应物料质点从进入反应器算起已停留 的时间，是对仍留在反应器中的物料质点而言。 寿命——质点在反应器中总共停留的时间，即从 进入反应器到离开反应器的时间，是对已离开反 应器的质点而言。
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1.4 非理想流动模型
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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1.4 非理想流动模型
第 二 • 实际反应器介于上述典型反应器之间，流 章 动和反应状况更为复杂，可能存在死区、 理 短路或沟流、速度分布不均等，与理想反 想 应器有不同程度的偏移。为了便于分析反 流 应器的基本特性，将着重分析两种极端情 动 况下的反应器。 反 应 器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
第二章 理想流动反应器
———2009年3月
化学反应工程
太原理工大学化工学院
郝晓刚
Prof. Ph.D
Taiyuan University of Technology
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完全没有返混
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流动模型
第 二 • 所谓全混流反应器是指反应器内的流体处于完全 章 混合状态，反应流体在器内的混合是瞬间完成的，
反应流体之间进行混合所需的时间是可忽略的， 理 所以反应器内的物料具有完全相同的温度和浓度 想 且等于反应器出口物料的温度和浓度。此时反应 流 器内的返混为无限大。 动 • 所谓平推流反应器是指器内反应物料以相同的流 反 速和一致的方向移动，完全不存在不同停留时间 应 的物料的混合（即返混为零），所以所有的物料 器 在反应器内具有相同的停留时间。本章主要讨论 理想流动反应器。
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1.3 三种反应器的推动力
第 • 化学反应的推动力是化学反应的化学势，一般等 二 温反应条件下化学反应进行的推动力主要是浓度 章 推动力，即反应物浓度与其平衡浓度之差。等温 理 想 流 动• 反 应 器
器
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三种典型反应器
第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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• 第 二• 章• 理• 想 流• 动• 反 应• 器•
流动模型 间歇反应器 平推流反应器 全混流反应器 多级串联全混流反应器 理想流动反应器的组合与反应体积比较 多重反应的选择性 全混流反应器的热稳定性
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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化学反应器
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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热量衡算
第 二 • 对微元体积的反应体系做热量衡算，以单 章 位时间、单位体积为衡算基准，有 理 • 物料带入热量（I） — 物料带出热量（II） 想 + 反应放出热量（III）—给环境热量（V） 流 =积累的热量（IV） 动 反 应 器
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单位时间流入 单位时间内 单位时间内 A在反应器内 的物料A的量 流出的A的量 反应掉A的量 的积累速度
第 二 • ———完成化学反应的特殊容器或设备。 章 • 实验室反应器与工业反应器之间的最大区别——
反应体系的均匀性问题。 理 想 • 工业反应器中不可避免会出现流速、温度和浓度 流 的不均匀空间分布，工程因素对化学反应结果的 动 影响是反应器产生放大效应的根本原因。 反 • 反应器内流体流动状况对反应速率和反应选择性 应 有很大影响，因此反应器中流体流动模型的研究 器 是反应器选型、设计和优化的基础。
2013-8-3 Chemical Reaction Enginee计的基本方程
第 二 • 工业反应器设计，首先要确定生产能力及 章 产品质量要求，确定反应器进出口物料量 理 和状态；然后再根据反应过程特性及化学 想 动力学特征，选择合适的反应器形式和操 流 作方式；最后求出满足工艺要求的反应器 动 体积。 反 应 器
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第 二 章 • 对反应器或某一个确定的关键组分，衡算 基本方程为： 理 想 • 积累速率=输入速率-输出速率-反应消耗速 流 率(+反应生成速率) 动 反 应 • 根据此原理方程，可以对任何复杂的反应 器 器进行分析。
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反应器开发的任务
第 二 • （1）根据化学反应的动力学特性选择合适 章 的反应器类型； 理 • （2）结合动力学和反应器特性确定操作方 想 式和优化的操作设计； 流 动 • （3）根据给定的产量对反应装臵进行设计 反 计算，确定反应器的几何尺寸。 应 器
条件下间歇反应器反应推动力随反应时间逐步降 低，平推流反应器反应推动力随反应器轴向长度 逐步降低，全混流反应器的推动力等于出口处反 应推动力。 在相同的温度和进出口浓度条件下间歇反应器与 平推流反应器的反应推动力相同，且均大于全混 流反应器的推动力，即全混流反应器总是在浓度 推动力最小的状态下操作，物料返混降低了反应 的浓度推动力。
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均相和非均相反应器
•反应器按反应物存在形态可分均相和非均相反应器。 第 二 •均相反应指气相反应、互溶液相的反应，如甲烷氯化、 章 醇酸脂化反应等，反应物、产物和催化剂均处于同一 相，反应不受相间物质传递的影响，只受浓度分布的 理 影响。 想 •而气固催化反应、气液鼓泡反应以及气液固三相反应 流 是典型的非均相反应，反应发生在相界面处或反应物 动 穿过相界面进入另一相进行反应，反应过程要复杂的 反 多，非均相反应器的设计也比均相反应器困难得多。 应 •在很多情况下常采用拟均相模型,用处理均相反应器的 器 方法处理非均相反应器。因此本章将重点讨论等温情 况下的均相反应器。
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第 二 章 理 想 流 动 反 应 器
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物料衡算
第 •如取反应器内微元体积对A组分做物料衡算， 二 以单位时间、单位体积为衡算基准，有 章 •进入A量（I） — 流出A量（II） — 反应掉A 理 （III）=积累A（IV） 想 流 •III=rA∆V∆t 动 •简化： 反 应 （1）间歇反应器：I=II=0； 器 （2）定态操作：IV=0
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连续流动管式反应器（continuous 第 flow tubular reactor）
二 • 也 称 活 塞 流 或 平 推 流 反 应 器 （ plug-flow 章 reactor，PFR）。当管式反应器的长径比 理 很大时，反应器径向的浓度、温度差异很 想 小，轴向的返混与其流动速率相比可忽略， 流 此时反应器内物料流动像活塞一样从反应 动 器的进口推向出口，反应器内没有返混存 反 在。在稳定操作条件下平推流反应器各点 应 器 的浓度、温度等反应参数不随时间变化， 但存在明显的轴向浓度、温度分布。
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第一节 流动模型概述
第 二 章