第章非理想流動反應(yīng)器設(shè)計(jì)課件

1、第4章 非理想流動本章主要內(nèi)容第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析第2節(jié)停留時(shí)間分布第3節(jié)理想流動模型和非理想流動模型第4節(jié) 非理想流動反應(yīng)器設(shè)計(jì)第5節(jié)混合質(zhì)量對反應(yīng)的影響間歇反應(yīng)器平推流反應(yīng)器全混流反應(yīng)器連續(xù)流動反應(yīng)器完全不混合完全混合(a)(b)(c)第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析1. 非理想流動第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析理想流動模型是二種極端狀況下的流體流動，而實(shí)際的工業(yè)反應(yīng)器中的反應(yīng)物料流動模型往往介于兩者之間。在實(shí)際反應(yīng)器中，由于各種工程因素的影響，流動反應(yīng)器內(nèi)物料的流動狀況偏離平推流和全混流。偏離平推流和全混流的流動狀況稱為非理想流動。反應(yīng)器內(nèi)的混合程度完全混合完全不混合介于兩者之間偏離平

2、推流的情況漩渦運(yùn)動：渦流、湍動、碰撞填料截面上流速不均勻溝流、短路：填料或催化劑裝填不均勻第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析偏離全混流的情況死角短路第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析物料在反應(yīng)器內(nèi)的混合情況影響反應(yīng)結(jié)果在化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，首先要進(jìn)行物料的混合。理想流動反應(yīng)器中，認(rèn)為物料的混合達(dá)到了分子狀態(tài)均勻混合的程度。第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析2. 混合現(xiàn)象的分類物料的混合只是一種總稱，可以有不同的分類按混合對象的年齡可以把混合分成兩種：（1）同齡混合：相同年齡物料之間的混合（2）返混：不同年齡物料之間的混合，也稱逆向混合第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析間歇反應(yīng)器中不存在返混 平推流反應(yīng)器不存在返

3、混全混流反應(yīng)器返混達(dá)到極限狀態(tài)非理想流動反應(yīng)器存在不同程度的返混第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析返混對反應(yīng)過程的影響 反應(yīng)器進(jìn)口處反應(yīng)物高濃度區(qū)的消失或減低。 返混改變了反應(yīng)器內(nèi)的濃度分布，使器內(nèi)反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)產(chǎn)物的濃度上升。但是，這種濃度分布的改變對反應(yīng)的利弊取決于反應(yīng)過程的濃度效應(yīng)。 返混是連續(xù)反應(yīng)器中的一個(gè)重要工程因素，任何過程在連續(xù)化時(shí)，必須充分考慮這個(gè)因素的影響，否則不但不能強(qiáng)化生產(chǎn)，反而有可能導(dǎo)致生產(chǎn)能力的下降或反應(yīng)選擇率的降低。 第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析在返混對反應(yīng)不利的情況下，要使反應(yīng)過程由間歇操作轉(zhuǎn)為連續(xù)操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮返混可能造成的危害。選擇反應(yīng)器的型式時(shí)，應(yīng)盡量避

4、免選用可能造成返混的反應(yīng)器，特別應(yīng)當(dāng)有些反應(yīng)器內(nèi)的返混程度會隨其幾何尺寸的變化而顯著增強(qiáng)。因此，在分析各種類型反應(yīng)器的特征及選用反應(yīng)器時(shí)都必須把反應(yīng)器的返混狀況作為一項(xiàng)重要特征加以考慮。第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析 降低返混程度的措施 降低返混程度的主要措施是分割，通常有橫向分割和縱向分割兩種，其中重要的是橫向分割。連續(xù)操作的攪拌釜式反應(yīng)器 為減少返混，工業(yè)上常采用多釜串聯(lián)的操作。當(dāng)串聯(lián)釜數(shù)足夠多時(shí)，連續(xù)多釜串聯(lián)的操作性能就很接近理想置換反應(yīng)器的性能。(橫向)流化床 由于氣泡運(yùn)動造成氣相和固相都存在嚴(yán)重的返混。為了限制返混，常在其內(nèi)部裝置橫向擋板以減少返混。(縱向)第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析

5、按混合尺度的大小混合可分為兩種類型：宏觀混合：設(shè)備尺度上的混合微觀混合：物料微團(tuán)尺度上的混合微團(tuán)是指固體顆粒，液滴、氣泡或分子團(tuán)等尺度的物料聚集體。每個(gè)微團(tuán)是均勻的第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析總體流動設(shè)備尺度上的宏觀均勻液體微團(tuán)間的相對運(yùn)動和剪切力更小尺度上的均勻分子擴(kuò)散微觀均勻3. 間歇釜中混合的強(qiáng)化第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析攪拌是使物料達(dá)到混合的一種手段高轉(zhuǎn)速攪拌器（1）槳式攪拌器 液體的總體循環(huán)流動二、強(qiáng)化混合的手段攪拌第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析a-直葉圓盤渦輪 b-彎葉圓盤渦輪 c-直葉渦輪 d-折葉渦輪 e-彎葉渦輪（2）渦輪式攪拌器第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析第1節(jié) 反應(yīng)器中混

6、合狀態(tài)分析渦輪式攪拌器的總體循環(huán)流動大葉片低轉(zhuǎn)速攪拌器（1）錨式攪拌器 （2）框式攪拌器（3）螺帶式攪拌器 錨式 框式 螺帶式第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析螺帶式攪拌器攪拌效果第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析提高混合效果的措施：消除打旋現(xiàn)象加設(shè)擋板第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析消除打旋現(xiàn)象偏心安裝第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析提高混合效果的措施：加設(shè)導(dǎo)流筒漿式 渦輪式第1節(jié) 反應(yīng)器中混合狀態(tài)分析一、停留時(shí)間分布的定義第2節(jié) 停留時(shí)間分布全混流反應(yīng)器：機(jī)械混合最大逆向混合最大 返混程度無窮大平推流反應(yīng)器：機(jī)械混合為零逆向混合為零 返混程度等于零間歇反應(yīng)器：機(jī)械混全最大逆向混合為零 返混程度等于零停留時(shí)間：

7、連續(xù)流動反應(yīng)器中流體微元從進(jìn)入反應(yīng)器到流出反應(yīng)器出口所經(jīng)歷的時(shí)間第2節(jié) 停留時(shí)間分布同一時(shí)刻離開反應(yīng)器的物料中，在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)歷的停留時(shí)間有長有短，稱為停留時(shí)間分布物料的停留時(shí)間分布范圍為0t，其極限分布為0，即全混流反應(yīng)器的停留時(shí)間分布范圍。停留時(shí)間是隨機(jī)變量，因此停留時(shí)間分布是一種概率分布。需對大量分子集合體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析反應(yīng)器內(nèi)的返混程度不同停留時(shí)間不同反應(yīng)結(jié)果不同濃度不同反應(yīng)速率不同生產(chǎn)能力不同第2節(jié) 停留時(shí)間分布例：在連續(xù)操作的反應(yīng)器內(nèi)，如果在某一瞬間（t=0）極快地向入口物流中加入100個(gè)紅色粒子，同時(shí)在系統(tǒng)的出口處記下不同時(shí)間間隔流出的紅色粒子數(shù)。停留時(shí)間范圍tt+t0-22-33-

8、44-55-66-7出口流中的紅色粒子數(shù)026121822分率N/N00.020.060.120.180.227-88-99-1010-1111-1212170.120.060.040.010第2節(jié) 停留時(shí)間分布若以停留時(shí)間t為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)作圖，則每一個(gè)長方形的面積為 即表示停留時(shí)間為tt+t的物料占總進(jìn)料的分率。第2節(jié) 停留時(shí)間分布假如示蹤劑改用紅色流體，連續(xù)檢測出口中紅色流體的濃度，如果將觀測的時(shí)間間隔縮到非常小，得到的將是一條連續(xù)的停留時(shí)間分布曲線。E(t)t t+dt t圖中曲線下微小面積E(t)dt表示停留時(shí)間在t和t+dt之間的物料占t=0時(shí)進(jìn)料的分率。第2節(jié) 停留時(shí)間分布停留時(shí)間分布密度E(t):同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器的N個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)中，停留時(shí)間介于t與t+dt間的質(zhì)點(diǎn)所占分率為E(t)dt。這里的E(t)就是停留時(shí)間分布密度E(t)曲線下的全部面積代表不同停留時(shí)間的物料占進(jìn)料分率的總和