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第三章 釜式反应器 3.1反应器中流体的流动模型 研究流动模型的目的： 本章讨论流动模型与化工原理流体动力学的流动模型不是一回事，这里是指流体流经反应器时的流动和返混状况。建立各种流型的数学模型（研究粒子在反应器的停留时间分布），目的是进行反应器体积和反应率的计算。 流动模型：是指流体流经反应器时的流动和返混的状况。 对各种流动模型进行的数学描述就得到流动的数学模型。 化工生产中有许多型式的反应器，如管式、槽式等。这些反应器中流体流动的情况很复杂。但在众多的反应器中，就流体的返混情况而言，可以抽象出两种极限的情况。 活塞流反应器：完全没有返混 全混流反应器：返混达到极大值实际生产中的多数管式反应器、固定床催化反应器都可作为活塞流反应器处理。 实际生产中的多数槽式反应器都可作全混流反应器处理。 在这两种理想流动反应器的基础上，经过适当修正和组合，可以得到比较符合实际多种非理想流动模型。例如在活塞流模型基础上考虑轴向返混的返混模型、考虑流速分布的层流模型等。在全混流基础上发展的多级串联全混流模型等。 工业生产中的反应器，在进行逗留时间测定的基础上可以用这些修正的非理想流动模型而描述。 例如：扩散模型、多级理想混合模型以及各种组合模型等等都属于广泛采用的非理想流动模型。 为什么要研究流动模型？流体在反应器中的流动情况影响着反应率。反应选择性直接影响反应结果。研究反应器的流动模型是反应器选型、设计和优化的基础。我们知道，实际进行的化学反应，往往都伴随着传递过程（动量、热量、质量传递），这些物理过程都会影响化学反应。例如：不均匀的流速分布、温度分布、浓度分布对化学反应的程度和速率都有一定的影响。 来自实验室的化学反应动力学数据，若不计传递过程的影响，就会使反应机理、反应级数、活化能及选择性以及反应速率表达式发生错误而不能反映实际情况。此外，在反应器的模拟、放大、设计以及分析反应器的稳定性和可控性方面，都会有一定的影响。因此，只有弄清传递过程对化学反应的影响，才能正确地用化学动力学数据来进行反应器设计、模拟、放大和操作控制。研究传递过程对化学反应的影响，首先要研究流动模型。因为流动模型是传递过程的基础。只有在流动模型确定之后，才能正确分析动量传递、传质、传热和化学反应等过程。 本章的重点是阐述流动模型的基本概念、讨论间歇反应器、理想混合反应器的设计计算。并对理想混合反应器的热稳定性进行讨论。在讨论反应器流体流动模型之前，先讨论流动过程与间歇过程的主要区别（复习） 一、理想流动反应器的基本概念 理想反应器：间歇反应器 流动反应器（全混流、活塞流） 1.间歇反应器与流动反应器的区别 （1）反应物系参数的变化情况不同 间歇反应器：物料是间歇地加入和取出，物料不流动，反应的各种参数（如温度、浓度、压力等）随时间而变，但不随反应器内空间位置而变。 流动反应器：物系参数只随位置而变，不随时间而变 （2）质点流动状况不同 间歇：物料中的所有流体粒子（流体粒子是能代表反应物系特征的微元）。在反应器内的反应时间是相同的，不存在返混或逗留时间分布问题。反应物料（质点）不流动。 流动：物料粒子在反应器内的逗留时间可能并不相同，可能存在着不同程度的返混和逗留时间分布问题。物料处于连续稳定流动。 综上所述，二者的区别 由于连续反应器有许多优点，化工生产已广泛应用。下面着重讨论反应器的流动模型。 ２．连续流动反应器内流体的流动模型 (1)活塞流反应器（理想置换或挤出流反应器） 反应物料以稳定的流入速率进入反应器后，粒子平行地向前移动。 特征：1）垂直于物料流向的任一截面上，所有的物系参数T、P、C、u都是均匀的（相同的） 2）所有的粒子在反应器内的停留时间都相同。 实际生产中属于理想置换的情况有： 管式反应器：它的流型基本上是理想置换模型（活塞流模型），特别是在长径比很大、流速较高时可看作是理想置换。 如：CH4+H2O=CO+3H2-Q1 CH4+2H2O=CO2+4H2-Q2 固定床反应器（近似）：氨合成塔、CO变换炉、SO2转化器 实验用的膜式反应器 （可用于多相反应、均相反应） (2)理想混合模型（全混流）（完全混合） 反应物料以稳定的流入速率进入反应器后，新鲜物料粒子与存留在反应器内的物料粒子在瞬间达到完全混合。 高与直径相类似 特征：1）在反应器内各处的参数T、P、C相同，并等于反应器出口值。 CA=CAf T=Tf rA =rAf 2)粒子在反应器内停留时间不同，参差不齐，形成一个逗留时间分布 实际生产接近全混流反应器的有： 强烈搅拌的反应器 例：普钙的生产 Ca5（PO4）3F+H2SO4→