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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。第一节 流动模型概述在图2-1中，（a）为间歇反应器，反应物料间歇加入与取出，反应物料的温度、浓度等操作参数随时间而变，不随空间位置而变，所有物料质点在器内的反应时间相同。（b）和（c）为连续反应器，在定态下，反应物料的温度、浓度等
2、操作参数随空间位置而异，而任一空间位置处的物料操作参数不随时间而变，所有物料质点在反应器中的逗留时间可能相同也可能不同。所以，对间歇反应器不存在物料返混与逗留时间分布问题，对连续反应器则可能存在返混与逗留时间分布问题。2-1 反应器中流体的流动模型一、理想流动模型 根据反应器中物料流动情况，可以建立两种理想流动模型，即活塞流模型与全混流模型。1 活塞流模型 亦称理想置换模型或平推流模型，如图2-1中（b）所示，是一种返混量为零的理想化流动模型，它假定反应物料以稳定流率流入反应器，在反应器中平行向前移动，好像用一个活塞在气缸中推动气体向一个方向移动一样。它的特点是，沿着物料的流动方向，物料的温度
3、、浓度不断变化，而垂直于物料流动方向的任何截面（又称同平面）上，物料的所有参数，如温度、浓度、压力、流速都相同，因此，所有物料质点在反应器中的逗留时间是相同的，反应器中没有返混。活塞流反应器的基本特征是，在定态情况下，沿流动方向上的物料质点无返混，垂直于流动方向上的物料质点参数相同。长径比很大，流速较高的管式反应器中的流体流动可视为活塞流。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
4、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。年龄与寿命：在连续反应器中，反应物料质点的逗留时间可能相同，也可能不同。通常可用物料质点的年龄与寿命来说明逗留时间的长短。所谓年龄是指反应物料质点从进入反应器时算起已经逗留了的时间。寿命是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逗留的时间。年龄是对仍留在反应器中的物料质点而言的，寿命是对已离开反应器的质点而言的。寿命也可看作是反应器
5、出口处物料质点的年龄。返混及其产生：返混，又称逆向混合，是指不同年龄质点之间的混合。在连续反应过程中返混是一个重要的工程概念。这里所讲的逆向是时间概念上的逆向，不同于一般搅拌混合。对间歇反应器，虽然反应器中的物料被搅拌均匀，但在反应器中并不存在时间概念上的逆向混合。在连续流动反应器中，反应物料的参数随空间位置而变，不同空间位置的参数变化可能引起物料的倒流、错流与回流，从而使不同年龄的质点混合，产生返混。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
6、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。二、非理想流动模型实际反应器中的流动模型与理想反应器有所偏离。图2-3是偏离活塞流的几种情况，产生的原因可能是由于涡流，湍动或流体碰撞反应器中的填料或催化剂引起旋涡运动 （a）；可能是由丁垂直于流体流动方向截面上的流速不均匀（b）；可能是由于填料或催化剂装填不均匀引起的沟流或短路（c)；也可能是由于存在死角。图2-4是偏离全混流的几种情况，产生的原因可能是由于搅拌不均匀造成死角（a）；可能是进、出口管线设置不好引起短路（b）；也可能是搅拌造成再循环。2-2 反应器设计的
7、基本方程工业反应器中发生的过程是质量。热量。动量传递过程与化学反应过程的综合。因此，反应器设计的基本方程，应包括物料衡算、热量衡算与动量衡算方程。通过反应器设计的基本方程可以计算反应器所需的反应体积，对不同类型的反应器，还可优化反应器的结构与尺寸。（1）物料衡算 物料衡算以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基本方程。对理想间歇反应器与全混流反应器，由于反应器中浓度均匀，可对整个反应器进行物料衡算，否则需将反应器分成细小的微元，假定在这些细小的微元中浓度与温度均匀，将这些微元加和起来，成为整个反应器。对反应器或对其某一微元体积进行某反应组分的物料衡算，基本式为 （某组分流入量）（某组分流出量
8、）+（某组分反应消耗量）+（某组分累积量）（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。（3）动量衡算 动量衡算以动量守恒与转化定律为基础，计算反应器的压力变化。当气相流动反应器的压降大时，需要考虑压力对反应速率的影响，此时需进行动量衡算。第二节 理想流动反应器2-3 间歇反应器图2-5 是一种常见的间歇
9、反应器。反应物料按一定配料比一次加入反应器。顶部一般有可拆卸的盖，以供清洗和维修之用。间歇反应器内设置搅拌装置，使器内浓度 均匀。顶盖还开有各种工艺接管用以测量温度、压力和添加各种物料。反应器筒一般都装有夹套或在器内设置盘管用来加热或冷却物料。搅拌器的型号、尺寸和安装位置要根据物料的性质及工艺要求优化选择，以使反应在达到充分混和的前提下功率最省。经过一定的反应时间，达到规定的转化率后，将物料排出。间歇反应器的特点是，反应器内反应物料的浓度与温度均匀，因此反应结果与反应体积的关系由化学动力学确定。间歇反应器的优点是操作灵活，易于适应不同操作条件与不同产品品种，适用于小批量、多品种。反应时间较长的
10、产品生产，特别是精细化工与生物化工产品的生产。间歇反应器的缺点是装料、卸料等辅助操作要耗费一定的时间，产品质量不易稳定。间歇反应器的物料衡算式为整理成：即：恒容时：恒容时转化率与浓度的关系为：所以般说来，液相反应时体积变化不大，气相反应时，物料充满整个反应空间，因此间歇反应过程大多为恒容过程。在间歇反应器中，反应物达到一定转化率所需的反应时间只取决于反应速率，上述计算反应时间的公式，既适用于小型设备，也适用于大型设备。当用中试数据设计大型设备时，只要保证两种情况下化学反应速率的影响因素相同即可，如保持相同的温度，相同的搅拌程度等，这就很容易实现高倍数的放大。间歇反应器所需的实际操作时间包括两部
11、分：反应时间t与辅助时间t,t包括加料、调温、卸料、清洗等时间，按生产实际确定。当单位时间处理的物料量为V时，反应器有效体积为2-4 活塞流反应器活塞流反应器是化工生产中常用的反应器，工业中长径比大于30的管式反应器可视为活塞流反应器。物料在反应器中像活塞一样向前流动，无轴向扩散。定态条件下，器内物料的各种参数如温度、浓度、反应速率等只随物料流动方向变化，不随时间变化，且同一平面上参数相同。因此可取反应器内一微元体积dVR，进行物料衡算。在图2-6中，若反应器进口处组分A的初始浓度为cA0，流体流率为V0 ，则进入微元体积的组分A的摩尔流率为V0cA0（1-xA），离开时的摩尔流率为V0cA0
12、（1-xA-dxA），而在微元体积中组分A的反应速率为rAdvR，在定态时，可作微元物料衡算如下化简得积分得：一、等温活塞流反应器在活塞流反应器中进行n级不可逆反应，反应动力学方程为 ，代入2-11式可求得VR与xA之间的关系。1、反应过程中无体积变化代入2-11，得上式中2、反应过程中有体积变化化学膨胀因子 为组分A反应1mol时，反应混合物摩尔数的变化为：若 为初始反应混合物中包括惰性物料在内的所有组分的浓度，则化学膨胀率为于是可得：则反应物A的浓度为代入2-11积分当 时当 时2-5 单级全混流反应器全混流反应器是另一类在工业生产中广泛使用的反应器，化工中常用的连续流动搅拌釜式反应器可视
13、为全混流反应器。反应物料连续加入反应器，釜内物料连续排出反应器。由于是连续操作，不存在间歇操作中辅助时间的问题，一般说来可用于产量大的产品。全混流反应器在正常情况下为定态操作过程，容易实现自动控制，操作简单，节省人力。原料加入后立即与釜内物料均匀混合，不存在热量积累而引起的局部过热，这种反应器适用于对温度敏感的化学反应，不会引起副反应。由于釜内物料容量大，当进料条件发生一定程度波动时，釜内反应条件不会有明显变化，稳定性好，操作安全。因为强烈搅拌，进入反应器的物料与釜内物料瞬间完全混合，釜内各处的温度、浓度等参数相同，等于出口温度与浓度，因此，可对整个反应器作物料衡算。如下图所示：达到定态的全混
14、流反应器，反应区内反应物的累积量为零，对组分A作物料衡算即上式中 表示按出口浓度计算的反应速率。当反应器进口物料中已含反应产物，即 时全混流反应器无论是在绝热或是与外界有热交换的情况下进行反应，过程基本上是等温进行的，对整个反应器作热衡算就可决定反应温度。达到定态的全混流反应器，反应器内热量累积为零，2-6 多级全混流反应器的串联及优化当活塞流反应器的长度受到设备制造、安装及操作等限制时，不允许做得过长，就采取多个串联。若 相同，操作温度T也相同，多级串联活塞流反应器的总反应体积和单级相同。当处理的反应物料量过大，以致单个反应器的直径过大而难于制造时，可采用多个活塞流反应器并联操作。有机化工中
15、的管壳式反应器，反应管的数量甚至达到数千根。这时，每个反应器的计算与单个相同，为使所需总反应体积最小，应保证各个反应器出口物料组成相同，即各个反应器体积相同。一、多级全混流反应器串联的计算一、多级全混流反应器串联的计算（1）多级全混流反应器串联的推动力相同条件下活塞流反应器的推动力大于全混流反应器。在某些情况下，例如要求反应过程中温度均匀等，需要采用全混流反应器。为提高其过程的推动力，有效的办法是多级串联。级数越多，过程就越接近活塞流。（2）多级全混流反应器串联的解析计算如图2-8所示。设各釜都在定态的等温条件下操作，反应过程中物料的体积不发生变化。以VR1、VRm及CA1、CAm 分别表示各
16、釜的体积和反应物A的浓度，对任一釜i中的组分A进行物料衡算整理得：即：对于一级反应又 接触时间为代入2-34得：即：设 分别为1、2、.m级的接触时间，则将以上各式相乘可得：最终转化率为：所以工业生产上，多级全混流反应器串联时，常将各级做成相等体积，以便设备制造，此时则系统的总体积为当反应级数越多时，最终转化率越高；在处理量一定时，各级反应体积越大，最终转化率也越高。二、多级全混流反应器串联的优化二、多级全混流反应器串联的优化多级全混流反应器串联，当处理的物料量、进反应器组成及最终转化率相同时，反应器的级数、各级的反应体积及各级的反应率之间存在一定的关系。要确定反应器的级数及各级反应器的体积，
17、需要综合考虑多种因素，例如，级数愈多，虽然增大了反应推动力，但设备、流程及操作控制变得复杂，应该合理选定。一般说来，物料处理量、进料组成及最终转化率是设计反应器前规定的，当级数也确定后，我们总是希望合理分配各级转化率，使所需反应体积最小。这就是各级转化率的最佳分配问题。以一级不可逆反应为例。有m个全混流反应器，其各级反应温度相同，为使VR最小，可将上式分别对xA1、xA2求偏导数，即若VR最小，则所以将上式写成变形为此式表明：这就是说，对一级不可逆反应，采用多级全混流反应器串联时，要保证总的反应体积最小，必需的条件是各釜的反应体积相等。对于其他级数的反应，可仿照上述办法求得最佳反应率的分配。上
18、面的讨论建立在各级温度相等的前提下来考虑的，若为可逆放热反应，还存在着各级反应器最佳温度分配的问题。2-7 理想流动反应器的组合与反应体积比较一、理想流动反应器的组合工业生产中常将活塞流反应器与全混流反应器按一定方式进行组合。下面讨论等温下两个体积相同的理想反应器组合，并进行一级反应的情况。组合的几种形式：在理想反应器组合的几种情况中，反应温度相同，进料流率V0、反应物浓度cA0和各反应器体积VR均相同。A、两个全混流反应器并联：每个全混流反应器的出口浓度即为混合后的出口浓度，则B、两个全混流反应器串联：第二个反应器出口浓度为C、活塞流反应器与全混流反应器串联：第二个反应器出口浓度为D、全混流反应器与活塞流反应器串联：第二个反应器出口浓度为