第四章反应器基本原理5节ppt.ppt

§4 流动体系的动力学模型 所谓流动体系的动力学模型，实际上指的是描述流动体系中化学反应速度的微分方程。 因为实际反应器中存在的大部分是流动体系，有许多是气相反应，因此我们要在一般化学动力学的基础知识上着重讨论一下流动体系的化学动力学。 4-1 流动体系中的化学反应速度和空间时间 在间歇操作的反应器里，反应时间是很直观的，从反应开始到反应终了的时间就是反应时间，而且反应器中所有的反应物都是停留了这样长的时间。 在连续操作的流动体系中，物料在反应器里随进随出，化学反应的反应时间就不很直观，首先要确定在流动体系中化学反应速度是怎样表示的，然后才能找到在流动体系中相当于反应时间的物理量。 例如在图4-25所示的一个连续操作的流动体系里，在操作条件下物料的起始总体积流量是FV0，反应物的起始摩尔浓度是cA0，若反应物A的变化情况用转化率xA的变化来表示，物料经过的反应器体积由 时，组分A的转化率由 。 若是稳定的流动，则在dV中对反应物A的物料衡算： 单位时间进入dV的组分A = 单位时间离开dV的组分A + 单 位时间在dV中已起反应的A 即 式（4-14）就是单位时间、单位反应体积内反应物A的改变量，即在流动体系中化学反应速度的表示形式。 由物料衡算的过程可以看出，即使物料的总体积流量因化学变化而有改变，反应速度也可用式（4-14）那样简单的形式表示，这是用转化率xA的变化来表示流动体系中反应速度的优点。 由流动体系中反应速度的表示式（式4-14）可以看出，在流动体系中相当于反应时间dτ的物理量是物料流过的反应器体积与物料的起始体积流量之比，称为空间时间（ ），即： 当物料经过的反应器体积由 时，物料在反应器内按起始的体积流量计算的空间时间为 因此，在流动体系中化学反应的空间时间是反应器体积的函数，对于管式反应器，空间时间是管长的函数。 在使用空间时间时注意： （1）FV0是物料在操作条件下入口处的总体积流量，对于液相反应或是反应前后分子数相同的气相反应，在温度不变的情况下，反应前后物料的总体积流量不会改变，即 。 若物料在连续操作的反应器中的流动情况属于活塞流，则按式（4-16）所计算的空间时间就是物料在反应器中的实际反应时间。 若物料的流动情况不是属于活塞流，所有的物料微团在反应器中的停留时间有个分布，则按式（4-16）所计算的空间时间只是物料在反应器中的平均停留时间。 （2）对于反应前后分子数有变化的气相反应，反应前后物料总体积要改变，所以物料的总体积流量在反应器内随着转化率的增加而有变化，按式（4-16）算出的空间时间并不是真实的停留时间，而是以起始总体积流量计算的停留时间，这个时间可以称作虚拟的停留时间。 虚拟的停留时间虽然并不等于物料在反应器中的真实停留时间，但是因为它直接把反应器体积（V）和物料的起始总体积流量（FV0）联系起来，因而便于进行反应器的计算和比较。 （3）对于气－固或是液－固的非均相的流动体系（见图4-26），反应器体积有一部分被固体颗粒填充，物料只能在未被固体颗粒填充的空隙里流动，若颗粒床层的空隙率为ε，则空隙体积为 式中：V空 － 空隙体积 [m3]； V床 － 床层体积 [m3]； ε － 空隙率。 此时计算流动体系中空间时间的式（4-15）应为 所以 式中：V空 － 空隙体积 [m3]； V床 － 床层体积 [m3]； ε － 空隙率。 （4）在实际操作时，经常还用“空间速度”这个概念来度量流动体系停留时间的大小。 空间速度（SV）的定义是在操作条件下每单位体积的床层在每小时内流过进料的体积，即 例如，有一个固定床催化反应器，床层体积是2.00 [m3]，空隙率是0.500，物料的起始体积流量是1.00 [m3/min.]，则该流动体系的“空间速度”和空间时间为：