化学反应工程 教学课件 作者 刘军 主编第三章 反应器内的流体流动.pptx

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1、第三章反应器内的流体流动化学反应工程流体在反应器内的停留时间分布3.2两种理想流动模型的停留时间分布3.3返混3.1第三章反应器内的流体流动非理想流动模型3.43.1返混12返混的定义返混对生产过程的影响34降低返混程度的工业措施反应器内的流动状态3.1.1返混的定义物料在反应器内必然涉及混合，这种混合既有空间上的混合，也有时间上的混合。如果是同时进入反应器的物料位于反应器不同的空间位置，这些物料发生的混合只是简单的混合，不能叫返混。如果原来不同位置的物料是在不同时间进入反应器的，由于反应时间不同，因此物料的浓度必然不同，这样的物料在混合后，混合物的浓度与原来位置上的浓度不同，这种混合过程叫

2、返混。3.1.2返混对生产过程的影响返混的结果将改变反应器内组分的浓度，刚流入反应器内新物料中反应组分的浓度高，设备内的物料是经过一段时间反应的旧物料，反应物浓度低，这样，当新旧两种物料返混时，必然使高浓度的进口物料降低到一个较低浓度上，返混程度越大，浓度降低的程度就越大，这就势必降低反应的速度，从而降低了设备的生产能力。对于复合反应过程，返混引起的浓度变化将直接影响其选择性。3.1.3降低返混程度的工业措施（1）气液反应器对于气液鼓泡反应器，由于气泡搅动所造成的液体反向流动，形成很大的液相循环流量。1．气体进口；2.气体出口；3.液体进口；4.送高压甲铵泵的甲铵液出口；5.尿液出口；6.塔

3、壁温度指示孔；7.液位传送器孔；8.漩涡清除器；9.多孔板；10.溢流管图3-1CO2气提法尿素合成塔3.1.3降低返混程度的工业措施以二氧化碳气提法尿素合成塔为例，反应物料从底部进入，自下而上流动，最后合成反应液由塔内的溢流管自塔底引出，不凝气从塔顶排出。相关数据对比如下：3.1.3降低返混程度的工业措施⑵流化床反应器流化床反应器是气固相连续操作的一种工业反应器，流化床中由于气泡运动造成气相和固相都存在严重的返混。为了限制返混，对高径比较大的流化床反应器，常在其内部装置横向挡板以减少返混。而对高径比较小的，则可设置垂直管作为内部构件，也就是纵向分割的一例。3.1.3降低返混程度的工业措施（

4、3）物理设备控制返混精馏过程虽属物理过程，不存在化学反应，但精馏塔内同样存在返混的现象，塔内的液泛和漏液即属此例。塔内上一层塔板的液体通过筛孔漏到下一层塔板上，或者下一层塔板上的液体被带到上一层塔板上（不同塔板上液体新旧不同即停留时间不同），均属于返混，所以，精馏塔内要严格控制液泛量和漏液量，不至于因严重返混而降低分离的效率。3.1.4反应器内的流动状态按照返混程度的不同，可以把反应器内流体流动归纳为下述三个模型：（1）平推流模型（2）全混流模型（3）部分返混模型3.2流体在反应器内的停留时间分布12停留时间分布的定量描述用对比时间作变量的停留时间分布3寻求停留时间分布的实验方法3.2.1停

5、留时间分布的定量描述（1）停留时间分布的密度函数，通常以E(t)来记之。其定义为：在定常态下的连续流动的系统中，同一时间流入反应器的N个流体质点，停留时间在t与t+dt之间的流体的质点所占的分率应为dN/N=E(t)dt。依此定义E(t)应具有归一化的性质，即即3.2.1停留时间分布的定量描述（2）停留时间分布函数，以F(t)记之。其定义为，在定常态下的连续流动系统中，相对在t=0瞬间流入器内的物料，在器出口料流中停留时间小于t的物料质点数所占的分率。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

6、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3.2.1停留时间分布的定量描述3）数学期望，也叫平均停留时间。是变量（时间t）对坐标原点的一次矩。即（3-4）3.2.1停留时间分布的定量描述（4）散度，即方差。是变量（时间t）对坐标原点的二次矩，即（3-5）为了运算方便，上式可变形为（3-6）3.2.1停留时间分布的定量描述在解决反应器有关问题时，经常用到空间时间即空时的概念，空时，那么空时和平均停留时间是什么关系呢，考虑下列情况：有一个装满A分子的反应器，在t=0时刻注入B分子替换A分子，反应器的体积等于A分子所占的体积。在时间间隔内，流出反应器的分子的体积为，而反应器内只有

7、A分子的停留时间大于或等于，其所占的分率为，则在时间间隔内，流出反应器的A分子的体积为：3.2.1停留时间分布的定量描述把时间内所有流出反应器的A分子的体积相加，得到：而为常数，因而：利用分部积分法：并除以体积流率得：3.2.1停留时间分布的定量描述时，F（t）=0；当时，，上式等号右边第一项等于0，第二项为：，因此等号右边恰好等于平均停留时间，由此可见平均停留时间就是空时。这个结果仅适用于没有扩散的情况，反