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化学反应工程期末考试复习资料 四、理想流动管式反应器 1. 人们设想了一种理想流动， 即假设在反应器内具有严格均匀的速度分布， 且轴向没有任 何混合，这种流动状态为活塞流，理想排挤或平推流 2. 理想流动反应器的特点 （1） 在正常情况下，它是连续定态操作，在反应器的各个径向截面上，物料浓度不 随时间而变化 （2） 反应器内各处的浓度未必相等，反应速率随空间位置而变化。 （3） 由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应 速率随空间位置的变化将只限于轴向。 3. 理想管式反应器设计方程 0000 0 () xAf A AAA A dx VFFC r 4. 空时又称空间时间，定义为反应器体积RV与流体进反应器的体积流量0的比值 0 RV （度量连续流动反应器生产强度的参数，空时越大，反应器生产强度越小） 5. 空速：空时的倒数，物理意义是单位时间单位反应器体积所能处理进口物料的体积 01 R SV V 6. 停留时间指的是反应物料从进入反应器时算起到离开反应器时为止所经历的时间。 0 R V RV t 反应器体积 反应器中物料的体积流率 （1） 间歇反应器中停留时间等于反应时间 （2） 理想管式反应器：对恒容过程，空时=停留时间；非恒容过程：空时停留时间 （3） 对于平推流反应器的等温恒容过程 000 0 0 0() Af AA x RA A A FC Vdx C r 7. 表征反应前后分子数变化程度的方法有膨胀率法和膨胀因子法 8. 膨胀率A定义是反应组分 A 全部转化后系统体积变化得分率 10 0 xAxA A xA VV V 9. 膨胀因子法：膨胀因子定义是原料 A 消耗 1 摩尔时，反应系统总物质的量的变化 ()() aAbBpPsS psab A a 则 （1） 反应系统有惰性物料是， 因惰性物料在反应前后是不变的， 因此膨胀因子A值 与进料中有无惰性物料无关。 （2） 0A 表示反应后分子数增加，0A表示反应后分子数减少；0A表示 反应前后分子数不变。 （3） 对等压过程： 0 0 0 00 00 11 A A t t A AAA AA AA t F y F FV y xxy FV 10. 变分子数反应过程 等温，变容理想流动反应器设计 （1） 一级反应设计方程式： 00 1 (1)ln(1 R AAA A AA V xx FkC ） （2） 二级反应设计方程式： 22 2 0 0 1 2(1)ln(1)(1) 1 RA AAAAA A AA A Vx xx FkCx 11. 空时和停留时间的区别 空时和停留时间的差别是由于反应过程中流体密度降低， 所以气体通过反应器时速度将 增大，空时计算以反应器进料体积流量为基准，没有考虑加速的因素；而平均停留时间 计算时则考虑了加速的影响因素。 12. 反应物浓度在变分子数反应过程 00 0 11 ()() 11 AA AAA A AA AA xx CCC xy x 五、连续流动釜式反应器 1. 全混流：返混程度最大时，反应器内的物料浓度处处相同，不同停留时间的流体粒子间 达到最大混合。 2. 间歇釜只是反应器内各空间位置上不同浓度物料之间的混合，不存在返混；平推流反应 器中根本不存在轴向混合现象，也就是不存在返混；在连续流动釜式反应器中，返混程 度最大。 3. 连续流动釜式反应器的特点 （1） 物料在反应器内充分混合 （2） 反应器内各处物料参数均一 （3） 反应器出口物料组成与反应器内物料组成相同。 （4） 反应器内连续进料与出料为一定态过程 4. 连续流动釜式反应器的基本方程 000 0 0 ( )( ()() AAA AAA A AA CCr dV VCCC x rr 基本设计方程) 5. 连续流动釜式反应器中的均相反应 （1） 方法：解析解、图解法 （2） 一级反应： 0 0 1 11 AAAA AAA CCCx k CkCx （3） 二级反应： 0 00 1 41 2 AA AA CC k CC k 6. 管式循环反应器 （1） 循环比：表征循环反应器特性的一个重要参数是循环比 R，它是表示循环物料的 流量与离开反应系统的流量之比。 0 R R 01 1 AA AAf CC R CC （2） 混合物料衡算方程： 00001 0 1 1 (1) 1 . 1 AAfA AAf A AAf CRCRC CRC C R R xX R 混合浓度： 转化率： （3） 当循环比等于零时，10AACC是一个理想管式反应器； 当循环比趋于无穷大时， 必然使进口浓度接近于出口浓度，即当R 时，1AAfCC，性能与连续釜 式反应器相同，相当于全混流反应器。 7. 连续釜式反应器的返混 （1） 返混不是一般意义的混合，它专指不同时刻进入反应器内的物料之间的混合。 （2） 返混是连续化生产后才出现的一种混合现象 （3） 返混改变了反应器内的浓度分布， 返混的结果使反应器内反应物的浓度下降， 反 应产物的浓度上升。 （4） 返混是连续反应器中的一个重要工程因素。 8. 高浓度物料变小的原因 （1） 喷射效应 （2） 搅拌器的搅拌 （3） 搅拌桨的剪切 （4） 分子扩散 9. 返混的原因 （1） 反应器内物料的环流流动 （2） 反应器中物料不均匀的流速分布 10. 返混的结果：形成了物料的停留时间分布，在反应器内引起了浓度分布的变化。 11. 限制返混的措施：分割。通常有横向分割和纵向分割之分，其中重要的是横向分割；为 了减少返混，工业上常采用多釜串联操作，是横向分割的典型例子。 12. 多釜串联反应器 （1） 连续釜式反应器的特点是釜内反应物料浓度降至出料水平，从而降低了反应速 率 （2） 采用多釜串联操作是的平均浓度以及相应的平均反应速率都比单釜要高，所需 反应器的总体积自然就降低了。 （3） 串联的釜数越多，效果越好，结果越接近于理想管式反应器结果 13. 对于一级反应，多釜串联方程式 00 0(1) (1)(1) AA ANAn NN ii CC CCx kk 14. 二级反应，多釜串联方程式 11 (1) 1 n i nkx 六、反应过程中的混合现象及其对反应的影响 1. 混合现象的分类 （1） 按混合对象的年龄：同龄混合和返混 （2） 按混合发生的尺度大小：宏观混合和微观混合 2. 在发生均相反应之前，必须反应物料达到分子尺度均一，这种发生于反应之前的混合过 程常称为预混合过程（包括湍流混合和分子扩散） 3. 全混流和平推流在宏观混合上是两种极限的流动状态。 4. 停留时间分布：停留时间分布是随机的，用两种概率分布规律来定量描述物料在流动反 应器内的停留时间分布（停留时间分布密度和停留时间分布函数） （1） 停留时间分布密度( )f t：在定常条件下的连续流动系统中，对于某一瞬间0t 时流入反应器的物料，在反应器出口流体中停留时间介于t与tdt之间物料所 占的分率为( )f t dt。 归一化性质： 0 ( )1.0f t dt （2） 停留时间分布函数( )F t：在定常态下的连续流动系统中，相对于0t 瞬间流入 反应器的物料，在反应器出口物料流中停留时间小于t的物料所占的分率。 （3） ( )f t与( )F t间的关系： 0 ( ) ( )( )dt( ) t dF t F tf tf t dt 若时间为无限长： 0 ( )( )1.0Ff t dt 5. 停留时间分布的实验测定：应答技术 6. 应答技术：即用一定的方法将示踪物加入反应器进口，然后在反应器出口物料中检测示 踪物的信号以获得示踪物在反应器中停留时间分布规律的实验数据。 7. 示踪物是利用其光学、电学、化学或放射性的特点进行检测的。 8. 示踪物的基本要求 （1） 示踪物必须与进料具有相同或非常相近的流动性质，两者尽可能具有相同的物 理性质 （2） 示踪物要具有易于检测的特殊性质，而且这种性质的检测愈灵敏，愈简洁，实验 结果就愈精确。 （3） 示踪物不能与反应器内物料发生化学反应或被吸附，否则就无法进行示踪物的 物料衡算。 （4） 用于多相系统检测的示踪物不发生由一相转移到另一相的情况。 9. 示踪物的输入方法：阶跃输入法、脉冲输入法和周期输入法 10. 脉冲法：测得停留时间密度函数( )f t 脉冲法是当反应器中流体达到定态流动后，在某个极短的时间将示踪物脉冲注入进料中， 然后分析出口流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布。 11. 阶跃法：测得停留时间分布函数( )F t 阶跃法是当设备内流体达到定态流动后，自某瞬间起连续加入示踪物流，然后分析出口 流体中示踪物浓度随时间的变化，以确定停留时间分布 12. 停留时间分布的数字特征（数学期望和方差） （1） 数学期望： 0 0 0 ( ) ( ) ( ) tf t dt ttf t dt f t dt 不管设备型式和个别质点停留时间，只要反应体积与物料体积流量比值同，平均停留时 间相同。 （2） 方差：各个物料质点停留时间t与平均停留时间mt差的平方加权平均值。 22 222 2 0 =1 1 t t t 对平推流反应器： 对全混流反应器： 对一般流型反应器：0 （3） 对比时间：和tt，其停留时间分布函数值相等( )( )FF t 2 2 20 ( )1 t fd t 13. 平推流反应器的停留时间分布 22 ( )0,( ) ( )0,( )1 0 t ttf tttf t ttF tttF t 时，时， 时，时， 14. 全混流反应器的停留时间分布 ( )1 ( )1 ( ) t t t t F te t dF t t f te dtt 当1,(t)0.632ttF即，全混流反应器的， 说明有 63.2%的物料在反应器中的停 留时间小于平均停留时间。 15. 停留时间分布曲线的应用 （1） 滞留区存在：滞留区是指反应器中流体流动极慢以至于不流动区域 特征：拖尾现象严重 （2） 存在沟流或短路： 由于催化剂颗粒或填料装填不均匀， 而造成低阻力通道，使部 分流体快速从此通道通过。 特征：存在双峰 （3） 循环流：反应器、鼓泡塔和流化床中存在流体的循环流动 特征：存在多峰 （4） 流速分布不均 （5） 扩散 16. 微观混合及其对反应结果的影响 （1） 流体的混合台对一级反应不发生影响。 （2） 在间歇操作的反应器和平推流反应器中， 混合状态对反应结果没有影响， 因为此 时所有物料的停留时间相同。 （3） 宏观流体不论进行何级反应，都可直接利用停留时间分布函数和反应动力学方 程计算反应结果 （4） 微观流体则应按流动模型来计算结果 17. 滴际混合：两个液滴由于表面张力的作用，在相互碰撞的时可能合并成一个大液滴，而 一个大液滴在湍流作用的影响下又可能破裂成小液滴， 也即分散液滴经历着合并-再分 散的