连续流动反应器中的返混测定

连续流动反应器中的返混测定

A 实验目的

本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来定量返混程度，从而认识限制返混的措施。本实验目的为

(1) 掌握停留时间分布的测定方法。

(2) 了解停留时间分布与多釜串联模型的关系。

(3) 了解模型参数n 的物理意义及计算方法。

B 实验原理

在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一 一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。

物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数f ()t 和停留时间分布函数F ()t 。停留时间分布密度函数f ()t 的物理意义是：同时进入的N 个流体粒子中，停留时间介于t 到t+dt 间的流体粒子所占的分率N dN 为f ()t dt 。停留时间分布函数F ()t 的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t 的物料的分率。

停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q 的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。

由停留时间分布密度函数的物理含义，可知

()()dt t C V dt t f ?= (1)

()?∞=0dt t VC Q (2)

所以 ()()()()()dt t C t C dt t VC t VC t f ??∞

∞==

00 (3) 由此可见()t f 与示踪剂浓度()t C 成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，

以饱和KCl 作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCl 浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即()()t L t f ∝，这里()∞-=L L t L t ，t L 为t 时刻的电导值，∞L 为无示踪剂时电导值。

停留时间分布密度函数()t f 在概率论中有二个特征值，平均停留时间（数学期望）t 和方差2

t σ。 -

t 的表达式为： ()()()???∞

∞

∞-==000dt t C dt t tC dt t tf t (4) 采用离散形式表达，并取相同时间间隔,t ?则：

()()()()t L t L t t t C t t tC t ∑?∑=?∑?∑=

- (5)

2t σ的表达式为：

()()()2

02022t dt t f t dt t f t t t -=-=??∞∞σ (6)

也用离散形式表达，并取相同t ?，则：

()()()()()22222t t L t L t t t C t C t t

-∑∑=-∑∑=σ (7) 若用无因次对比时间θ

来表示，即t t

＝θ，

无因次方差222t t σσθ＝。

在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用的是多釜串联模型。

所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与若干个全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数n 是虚拟值，并不代表反应器个数，n 称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以

推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关系，并得到无因次方差2θσ与模型参数n 存

在关系为

21

θσ=n (8)

当 1=n ，

12=θσ ，为全混釜特征； 当∞→n ，

02→θσ， 为平推流特征； 这里n 是模型参数，是个虚拟釜数，并不限于整数。

C 预习与思考

（1）为什么说返混与停留时间分布不是一一对应的？为什么我们又可以通过测定停留时间分布来研究返混呢？

（2）测定停留时间分布的方法有哪些？本实验采用哪种方法？

（3）何谓返混？返混的起因是什么？限制返混的措施有哪些？

(4) 何谓示踪剂？有何要求？本实验用什么作示踪剂？

(5) 模型参数与实验中反应釜的个数有何不同？为什么？

D 实验装置与流程

实验装置如图2–22所示，由单釜与三釜串联二个系统组成。三釜串联反应器中每个釜的体积为1L ，单釜反应器体积为3L ，用可控硅直流调速装置调速。实验时，水分别从二个转子流量计流入二个系统，稳定后在二个系统的入口处分别快速注入示踪剂，由每个反应釜出口处电导电极检测示踪剂浓度变化，并由记录仪自动录下来。

E 实验步骤及方法

(1) 通水，开启水开关，让水注满反应釜，调节进水流量为20h L ，保持流量稳定。

(2) 通电，开启电源开关。

① 启动电脑、打印机，打开数据采集软件;

② 开电导仪并调整好，打到“测量”档位以备测量；

③ 开动搅拌装置，转速应大于300min r 。

(3)待系统稳定后，用注射器迅速注入5mL 示踪剂，同时点击软件上单釜操作界面“开始”按钮，再点击“返回”按钮返回主操作界面，迅速进入三釜操作界面点击软件上“开始”按钮，开始采集数据。

(4)当记录仪上显示的浓度在2min 内觉察不到变化时，即认为终点己到。

(5)关闭仪器，电源，水源，排清釜中料液，实验结束。

F 实验数据处理

根据实验结果，我们可以得到单釜与三釜的停留时间分布曲线，这里的物理量 - 电导值L 对应了示踪剂浓度的变化；走纸的长度方向对应了测定的时间，可以由记录仪走纸速度换算出来。然后用离散化方法，在曲线上相同时间间隔取点，一般可取20个数据点左右，

再由公式（5），（7）分别计算出各自的2t t σ和-，及无因次方差2

22-=t t σσθ。通过多釜串

联模型，利用公式（8）求出相应的模型参数n ，随后根据n 的数值大小，就可确定单釜和

图2–22 连续流动反应器返混实验装置图

1–全混釜（3L ）；2、3、4–全混釜（1L ）； 5–转子流量计；6–电机；

7–电导率仪；8–电导电极；9–记录仪；10–四笔记录仪或微机

三釜系统的两种返混程度大小。

若采用微机数据采集与分析处理系统，则可直接由电导率仪输出信号至计算机，由计算机负责数据采集与分析，在显示器上画出停留时间分布动态曲线图，并在实验结束后自动计算平均停留时间、方差和模型参数。停留时间分布曲线图与相应数据均可方便地保存或打印输出，减少了手工计算的工作量。

G 结果与讨论

（1）计算出单釜与三釜系统的平均停留时间-

t ，并与理论值比较，分析偏差原因；

（2）计算模型参数n ，讨论二种系统的返混程度大小；

（3）讨论一下如何限制返混或加大返混程度。

H 主要符号说明

()t C - t 时刻反应器内示踪剂浓度；

()t f - 停留时间分布密度；

()t F - 停留时间分布函数；

()t L L L t ,,∞ - 液体的电导值；

n - 模型参数；

t - 时间；

v - 液体体积流量；

－t - 数学期望，或平均停留时间；

22,θσσt - 方差；

θ - 无因次时间。

参 考 文 献

（1） 陈甘棠主编 . 化学反应工程 . 北京：化学工业出版社，1981

（2） 朱炳辰主编 . 化学反应工程 . 北京：化学工业出版社，1998

（3）

连续流微反应器的优势

连续流微反应器技术对于传统化工装置来说是一门颠覆性的创新技术。而这项技术最大的创举就是让医药化工连续制造生产开启了崭新的高效精细化、大数据智能化时代。 近十年来，连续流微反应器技术发展迅速，通过对通道形状的优化设计，通道尺寸已经延展到毫米级，且能保持微反应器特性，以满足工业化生产的需求，同时实现“尺寸放大”和“数增放大”。尤其适用于难混合、强放热、难控制的多相快反应，及中间体不稳定，易燃易爆反应。目前此设备的材质主要是玻璃、碳化硅及金属，主要设备供应商来自欧洲。 配位聚合对聚合反应条件要求苛刻，其聚合过程伴随剧烈放热，撤热不利时，很容易暴聚。微反应器体系相对封闭，容易实现反应条件的高要求，并且其混合空间小，能够快速混合单体和催化剂，控制反应局部环境的均匀性。通常，所使用的金属反应管道壁面可以使撤热更容易。此外，工业上烯烃配位聚合压力一般较高，烯烃单体易燃易爆，而连续流微反应器更容易实现高等级耐压。采用多个连续流微反应器并联，一个反应器出问题，可以隔离处理，不会造成更大的伤害。 一、连续流微反应器的优点优势： 传质、传热效率高，传质速度快，转化率和收率比表面积大，具有高效热交换效率。降低能耗的同时提高产物选择性，保持环境清洁减少化工生产过程中对环境的影响。快速有效的混合，精准控制反应时间和反应温度提高转化率，避免副反应发生。采用连续流动反应，

反应器中停留的化学品很少易于控制反应过程，提高反应安全性。温度可控，时间可控。可以实现实验室到工业生产的直接放大。 二、连续流微反应器缺点： 由于连续流微反应器结构所限，目前最大的缺点是固体物料无法通过微通道，如果反应中有大量固体生成，微通道极易堵塞，导致生产无法继续进行。虽然能放大，但目前生产能力还是较弱。不是所有反应都适合微反应。如很慢的液固反反应，反应无吸放热现象，传统工艺选择性和收率很高的反应。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项目投资和管理等。公司立足于客户具体项目，以“以终为始”的项目开发思路为指导，着眼于“双赢”和共同发展。目前，公司已经完成了多个项目的工业化，有丰富的工程化经验。完善的设施，丰富的经验覆盖工艺开发到工业化的各个阶段。惠和化德是您理想的合作伙伴！

化工基础第六章工业反应器

第6章工业化学反应过程及反应器 6.1 概述 1．工业化学反应过程的特征 在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。 化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。 大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。 实践证明，同一化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面： ①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。 ②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。 ③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。工业反应器内存在一个停留时间分布。 工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过

程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程。 2．化学反应工程学的任务和研究方法 化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。在一般的化工单元操作中，通常采用的方法是经验关联法，例如流体阻力系数、对流传热系数的获得等等，这是一种实验-综合的方法。但化学反应工程涉及的内容、参数及其相互间的影响更为复杂，研究表明，这种传统的方法已经不能解决化学反应工程问题，而采用以数学模型为基础的数学模拟法。 所谓数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。 建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，它将复杂的反应工程问题先分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法予以描述。

实验8 连续流动反应器中的返混测定

实验8 连续流动反应器中的返混测定实验八连续流动反应器中的返混测定 1.目的及任务 1.1 实验目的 1.了解全混釜和多釜串联反应器的返混特性; 2.掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法; 3.了解停留时间分布与多釜串联模型的关系; 4.了解模型参数n的物理意义及计算方法。 1.2实验任务 1. 用脉冲示踪法测定单反应釜停留时间分布，确定返混程度; 2. 用脉冲示踪法测定三反应釜串联系统的停留时间分布，确定返混程度; 2.基本原理 在连续流动的釜式反应器内，激烈的搅拌使得反应器内物料发生混合，反应器出口处的物料会返回流动与进口处物料混合，形成空间上的返混;为限制空间返混的发生程度，通常从几何空间上将一个反应釜分成多个反应釜，可以使返混程度降低。 在连续流动的釜式反应器内，不同停留时间的物料之间的混合形成时间上的返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而测定不同状态的反应器内停留时间分布时，我们可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而要借助于反应器数学模型来间接表达。

停留时间分布的测定方法有脉冲法，阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。 由停留时间分布密度函数的物理含义及物料衡算，可知 QftdtVCtdt,,, ，，，，(1) 示踪剂加入量符合 , ，，Q,VCtdt(2) ,0 由(1)与(2)可得停留时间分布密度函数 VCtCt，，，，，，ft,, ,,(3) ，，，，VCtdtCtdt,,00 由此可见与示踪剂浓度成正比。因此，本实验中用水作为连续流动的物料，，，，，ftCt 以饱和KCl作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCl 浓度与电导值L成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即，这里，，，，ft,Lt，，，为t时刻的电导值，为无示踪剂时电导值。 Lt,L,LLLt,t? 停留时间分布密度函数在概率论中有二个特征值，即平均停留时间(数学期望)，，ft ,22t和方差。与的表达式为: ,,ttt ,tCtdt，，,,,0ttf，，tdt,, (4) ,,0，，Ctdt,0 ,,2222，，，，，，,,t,tftdt,tftdt,t (5) t,,00 ,t,采用离散形式表达，并取相同时间间隔则: ,,tCt,t,t,Lt，，，，t,, (6) ，，，，,Ct,t,Lt 22，，，，,tCt,tLt222，，,,,t,,t (7) t，，，，,Ct,Lt 222,,,,t若用无因次对比时间来表示，即，无因次方差。 ,,tt,t在测定了 一个系统的停留时间分布后，如何来评介其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用的是多釜串联模型。

03流体流动习题答案

17. 流体通过圆管端流流动时，管截面的速度分布可按下面经验公式来表示：1 7max ()r y u u R =，式中y 为某点与壁面的距离，即y =R -r 。试求其平均速度u 与最大速度u max 的比值。 解：在距离管中心r 处取一厚为dr 的流体薄层，并定义此处流体的速度为r u ， 则流体通过此环隙的体积流量2S r r dV u dA ru dr π== 1/7 m a x (2)(2)( ) R R S r R r V r u dr r u dr R ππ-= = ? ? 那么 1/7 m a x 2 1/7 21 ()R S V u u R r r dr A R R ππ= = -? (1) 令 R r t -= 那么 dr dt =- 当 0r =时，t R =; 当 r R =时，0t = 有 1 8 2 2 15 1/7 777 49()18120 1 1 7 7 R R R R r t dt R ++-= - = ++? (2) 代入(1)式， m a x 49 2120 u u = 于是 max /49/600.817(0.82)u u == 18. 一定量的液体在圆形直管内作层流流动。若管长及液体物性不变，而管径减至原有的1/2，问因流动阻力而产生的能量损失为原来的若干倍? 解：流量不变，S V u A = ? 当'2 d d = 时，'4u u = 根据哈根~泊谩叶公式，有 2 32f lu p d μ?= 当'4u u =，'2 d d = 时 2 2 32432'1616() 2f f l u lu p p d d μμ?= = =? 19. 内截面为1000 mm×1200 mm 的矩形烟囱的高度为30 m 。平均摩尔质量为30 kg/kmol 、平均温度为400℃的烟道气自下而上流动。烟囱下端维持49 Pa 的真空度。在烟囱高度范围内大气的密度可视为定值，大气温度为20℃，地面处的大气压强为101.33×103 Pa 。流体流经烟囱时的摩擦系数可取为0.05，试求烟道气的流量为若干(kg/h)?

连续流动反应器停留时间分布的测定

连续流动反应器停留时间分布的测定 一、实验目的 1、了解连续流动反应器内停留时间分布的含义及其产生的原因； 2、加深对停留时间分布概念的理解； 3、掌握如何应用停留时间分布的测定来描述反应器中的逆向混合情况； 4、掌握停留时间分布的测试方法及其结果的处理。 二、实验原理 停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。 脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入注流体，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图2形象地描述。 图2 脉冲法测定停留时间分布示意图 由概率论知识可知，概率分布密度函数E(t)就是系统的停留时间分布密度函数。因此，E（t）dt就代表了流体粒子在反应器内停留时间介于t到t+dt之间的概率。 在反应器出口处测得的示踪剂浓度c(t)与时间t的关系曲线叫响应曲线。由响应曲线就可以计算出E（t）与时间t的关系，并绘出E（t）～t关系曲线。计算方法是对反应器作示踪剂的物料衡算，即 Qc(t)dt=mE(t)dt （1）式中Q表示主流体的流量，m为示踪剂的加入量。示踪剂的加入量可以用下式计算 ?∞= 0)( m dt t Qc（2）在Q值不变的情况下，由（1）式和（2）式求出：

?=∞ )() (t E dt t c t c ） （ （3） 关于停留时间分布的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t),即 dt t E )(t F 0 ?∞ =）（ （4） 用停留时间分布密度函数E （t ）和停留时间分布函数F （t ）来描述系统的停留时间，给出了很好的统计分布规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。 数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间t ,即 ?∞=??=∞∞ )()()(00dt t tE t dt t E dt t tE （5） 方差是和理想反应器模型关系密切的参数。它的定义是： 2 022)(t dt t E t t ?∞ -=σ （6） 对活塞流反应器02=t σ；而对全混流反应器22t t =σ；对介于上述两种理想 反应器之间的非理想反应器可以用多釜串联模型描述。多釜串联模型中的模型参 数N 可以由实验数据处理得到的2 t σ来计算。 232 N σt = （7） 当N 为整数时，代表该非理想流动反应器可以用N 个等体积的全混流反应器的串联来建立模型。当N 为非整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。 三、实验装置 装有二叶平桨的釜式反应器、储水槽、转子流量计、水泵、反应器、搅拌电机、示踪剂进样口、传感器 四、实验步骤 1、将总水阀打开，按下仪器的电源按钮及水泵按钮、调节流量开关，使充满反应器； 2、调节流量计至所需流量； 3、当流量稳定后，从示踪剂入口处用注射器快速注入1.5ml KCL 。 4、通过传感器测定出第三个反应釜出口处的电导率，并每隔30s 采集一组数据 五、实验数据

全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案.

·8·化学工业与工程技术 2000年第 21卷第 1期全混流釜式反应器控制策略和最优操作方案王国军熊洁羽常州技术师范学院化学工程系常州 213001 全混流釜式反应器是广泛用于化工、制药生产的流动反应器。对于此类反应器中所进行的反应过程开发 ,其主要问题是确定优选的操作方案 ,这将取决于开发方法和控制策略。通常采用逐级经验放大法进行反应过程的开发 ,由于逐级经验放大法放大效应欠佳 (放大过程中反应结果与小试指标之间出现未 曾预期的差异 ,或虽可预期但却无从控制的差异,且开发周期长 ,耗资大。本文采用数学模型方法 ,以不同控制策略对全混流釜式反应器的最优操作方案进行了研究。2未反应物不回收循环的单级全混流釜式反应器的最优反应率摘要本文采用数学模型方法 TQ053. 202文献标识码A文章编号1006 -7906 (2000 01 -0008 -04 ,以不同控制策略提出了全混流釜式反应器中进行不同类型反应的最优操作方案 ,可用于指导反应过程的开发设计。关键词化学反应器全混流控制策略最优化中图分类号 1引言正确选择最终反应率是单级全混流釜式 反应器开发设计的一个十分重要的环节 ,可以操作费用为控制目标确定其最优反应率。此系权衡在较大的反应器中 (高设备费用实现较高反应率 (低反应物成本,与 在较小的反应器中 (低设备费用的低反应率 (高反应物成本的问题。 2. 1简单反应在单级全混流釜式反应器中进行简单反应A+ B →R, rA= kv CA n ,则反应器小时操作总费用为 [1] : ＄t= V R＄m+ FA0＄A = kv Cn FR-xA n ·＄m+ xFAR ·＄A (1 A0 (1 【作者简介】王国军 (1956- ,男 (满族 ,黑龙江省哈尔滨人。 1982年大学毕业 ,副教授。现从事高校教学、科研和化工设计工作 , 主要研究方向为化工过程开发和工业催化。【收稿日期】 1999-10-21 据此得到反应器小时操作总费用最低的条件为 : kv Cn n -xA n+1 ·＄m = 1A2 ·＄A (2 A0 (1 x 由此条件即可求取最优反应率 ,进而确定反应器最优操作方案 : 进料速率 : FA0 = FR/ xAopt 反应器尺寸 : V R= kv CnFA0 xAopt A0 (1 -xAopt 单位产品成本 :＄t/ FR= V R＄m F+ RFA0＄A 对于其它类型的简单反应 ,可据此法确定其相应的最优操作方案。 2. 2竞争反应在单级全混流釜式反应器中进行竞争反应 1Q, rQ= k1 CA A,反应器小时操作总费用为 : 2 S, rs= k2 CA ＄t= V R＄m+ FA0＄A FQ( k1 +k2

连续流反应器工艺设计

微反应器因为具有良好的混合于传热学近年来在聚合反应中表现出非常大的潜力。本文对微反应的相关特点进行了详细的介绍。使得其在聚合反应中成为化工高分子领域的研究热点。 （1）微通道反应器微通道的比表面积一般为5000—50000m2m-3,而在常规反应容器内,比表面积约为100m2m-3,少数为1000m2m-3。微通道的比表面积大,具有很大的热交换效率,即使是激烈的放热反应,瞬间释放出大量反应热也能及时移出,维持反应温度在安全范围内。由于反应物总量少,传热快,特别适用于研究异常激烈的合成反应而避免爆炸的危险。 （2）可以将各种催化剂固定在芯片微通道中得到高比表面积的微催化床,提高催化效率。 （3）在微通道反应器中进行合成反应时,反应物配比、温度、压力、反应时间和流速等反应条件容易控制。反应物在流动过程中发生反应,浓度不断降低,生成物浓度不断提高,副反应较少。 （4）微通道反应器采用连续流动的方式进行反应,对于反应速度很快的化学反应,可以通过调节反应物流速和微通道的长度,控制它们在微通道反应器中的反应时间。 （5）由于微通道反应器中微通道宽度和深度比较小,一般为几十到几百微米,使反应物间的扩散距离大大缩短,传质速度快,反应物在流动的过程中短时间内即可充分混合 （6）在微通道反应器中进行合成反应时,需要反应物用量甚微,

不但能减少昂贵、有毒、有害反应物的用量,反应过程中产生的环境污染物也极少,实验室基本无污染,是一种环境友好、合成研究新物质的技术平台。 （7）在微通道反应器中得到产物的量与近代分析仪器,如GC、GC2MS、HPLC及NMR的进样量相匹配,使近代分析仪器可用于直接在线监测反应进行的程度,大大提高了研究合成路线的速度。 （8）随着微加工技术的发展,由微传感器、微热交换器、微混合器、微分离器、微反应单元、微流动装置等组成的集成系统,在合成反应研究中受到越来越多的关注。 （9）微通道反应器微流控芯片高通量、大规模、平行性等特点使多个或大量微反应器的集成化与平行操作成为可能,从而提高了合成新物质、筛选新药物的效率,大幅度地降低了研究成本。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项目投资和管理等。公司立足于客户具体项目，以“以终为始”的项目开发思路为指导，着眼于“双赢”和共同发展。目前，公司已经完成

流体流动习题答案

流体流动习题 1. 雷诺准数的表达式为_________。当密度ρ＝1000kg/m3,粘度μ=1厘泊的水,在内径为d=100mm,以流速为1m/s 在管中流动时,其雷诺准数等于__________,其流动类型为______、 答案:Re=d ｕρ/μ ; 105; 湍流 2. 某流体在圆管中呈层流流动,今用皮托管测得管 中心的最大流速为2m/s,此时管内的平均流速为 _________、 答案: 1m/s 3. 圆管中有常温下的水流动,管内径d=100mm,测得其中的质量流量为11、8kg/s/,其体积 流量为______、平均流速为_______、答案:0、0118m3/s ;1、5m/s 4. 管出口的局部阻力系数等于__1、0___,管入口的局部阻力系数等于__0、5__、 5. 流体在园直管内流动,当Re≥4000时的流型称为＿＿＿, 其平均速度与最大流速的关 系为＿＿＿,而Re≤2000的流型称为＿＿＿,平均速度与最大流速的关系为＿＿＿。 答案:湍流; ≈0、8umax; 层流; ＝0、5 umax 6. 某设备上,真空度的读数为80mmHg,其绝压=____mH2O= _____Pa 、 (该地区的大气压为 720mmHg) 答案: 8、7mH2O ; 8、53×104pa 7. 应用柏努利方程所选取的截面所必须具备的条件就是______________。 8.流体静压强P 的作用方向为( B ) A.指向受压面 B.垂直指向受压面 C.垂直受压面 D.平行受压面 9、 层流与湍流的本质区别就是 ( D ) A 、 湍流流速>层流流速; B 、 流道截面大的为湍流,截面小的为层流; C 、 层流的雷诺数<湍流的雷诺数; D 、 层流无径向脉动,而湍流有径向脉动。 10、 在稳定流动系统中,水由粗管连续地流入细管,若粗管直径就是细管的2倍,则细管流速就是粗管的( C )倍 A 、 2 B 、 8 C 、 4 11、 某液体在一等径直管中作稳态流动,若体积流量不变,管内径减小为原来的一半,假定管内的相对粗糙度不变,则层流时,流动阻力变为原来的( C ) 2 22322642d lu u d l du u d l h f ρμμ ρλ= ??=??= 1624 4 212 212 212212121 2==???? ??=???? ?????? ? ??==d d d d d d d u d u h h f f 12、 如图所示,三个容器A 、B 、C 内均装有水,容器C 敞口。密闭容器A 、B 间的液面高度差为z1=1m,容器B 、C 间的液面 高度差为z2=2m,两U 形管下部液体均为水银,其密度ρ0=13600kg/m3,高度差分别为R=0、2m,H=0、1m,试求:容器A 、B 上方压力表读数pA 、pB 的大小。 例1-1附图

柴诚敬化工原理课后答案(01)第一章 流体流动

第一章 流体流动 流体的重要性质 1．某气柜的容积为6 000 m 3，若气柜内的表压力为5.5 kPa ，温度为40 ℃。已知各组分气体的体积分数为：H 2 40%、 N 2 20%、CO 32%、CO 2 7%、C H 4 1%，大气压力为 101.3 kPa ，试计算气柜满载时各组分的质量。 解：气柜满载时各气体的总摩尔数 ()mol 4.246245mol 313 314.86000 0.10005.53.101t =???+== RT pV n 各组分的质量： kg 197kg 24.246245%40%4022H t H =??=?=M n m kg 97.1378kg 284.246245%20%2022N t N =??=?=M n m kg 36.2206kg 284.246245%32%32CO t CO =??=?=M n m kg 44.758kg 444.246245%7%722CO t CO =??=?=M n m kg 4.39kg 164.246245%1%144CH t CH =??=?=M n m 2．若将密度为830 kg/ m 3的油与密度为710 kg/ m 3的油各60 kg 混在一起，试求混合油的密度。设混合油为理想溶液。 解： ()kg 120kg 606021t =+=+=m m m 33 122 1 1 21t m 157.0m 7106083060=??? ? ??+=+ = +=ρρm m V V V 3 3t t m m kg 33.764m kg 157 .0120=== V m ρ 流体静力学 3．已知甲地区的平均大气压力为85.3 kPa ，乙地区的平均大气压力为101.33 kPa ，在甲地区的某真空设备上装有一个真空表，其读数为20 kPa 。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同？ 解：（1）设备内绝对压力 绝压=大气压-真空度= () kPa 3.65Pa 1020103.8533=?-?

化学反应工程原理-副本第五章-连续流动釜式反应器

第五章 连续流动釜式反应器 1 连续流动釜式反应器的特 点： 。 2 表征循环反应器特性的一个重要参数是 ，它表示循 。 3 简述返混对反应过程的影响 4 作出BR 反应器、PFR 反应器及CSTR 反应器的浓度分布图 5 根据PFR 反应器及CSTR 反应器的设计方程，图解比较两种反应器在反应级数n 大于0、等于0及小于0时的反应器体积V PFR 与V CSTR 的大小。 6 CSTR 中，瞬时选择率β、出口状态下的选择率f β和平均选择率β的关系是 7对于反应级数为一级和二级的简单反应，分别在CSTR 和PFR 反应器中进行反应，关键组分的转化率一样，通过作图说明在两种反应器中进行反应，反应级数对完成反应任务所需要的反应器体积的影响。 8 混合是 进入反应器物料之间的混合；返混是 进入反应器物料之间的混合。返混是 过程的伴生结果；返混与 无关，与 有关。 9 返混的起因是：（1） ，包括：循环反应器的循环流，CSTR 中的搅拌作用；（2） ，包括：流体以层流流经管式反应器，反应器内的死区、沟流、短路。限制返混的措施有： 。 10 一液相复合反应Q A P A k k ?→??→?21，均为基元反应。在单一连续釜中等温反应，已知该温度

下，213k k ,问当最终转化率为80％时，目的产物P 的瞬时选择性为： ，总选择性为： 。 12 反应物A 的水溶液在等温PFR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。 13 反应物A 的水溶液在等温CSTR 中进行两级反应，出口转化率为0.5，若反应体积增加到4倍，则出口转化率为 。 14 在PFR 中进行等温二级反应，出口转化率为0.8，若采用与PFR 体积相同的CSTR 进行该反应，进料流量Q 0保持不变，为达到相同的转化率0.8，可采用的办法是使C A0增大 倍。 15 等温下，进行一级不可逆反应，动力学式为（-γ A ）=kCA ，k = 1min-1，CA0=1kmol/m3，PFR 、CSTR 的τ均为 1 min ，计算最终转化率。

实验一 多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定

实验一多釜串联连续流动反应器中停留时间分布的测定一、实验目的 本实验通过单釜与三釜反应器中停留时间分布的测定，将数据计算结果用多釜串联模型来描述返混程度，从而认识限制返混的措施。 1、掌握停留时间分布的测定方法； 2、了解停留时间分布与多釜串联模型的关系； 3、掌握多釜串联模型参数N的物理意义及计算方法。 二、实验原理 在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混和称为返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。然而在测定不同状态的反应器内停留时间分布时，可以发现，相同的停留时间分布可以有不同的返混情况，即返混与停留时间分布不存在一一对应的关系，因此不能用停留时间分布的实验测定数据直接表示返混程度，而必须借助于反应器数学模型来间接表达。 物料在反应器内的停留时间完全是一个随机过程，须用概率分布方法来定量描述。所用的概率分布函数为停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)。 停留时间分布密度函数E(t)的物理意义是：同时进入的N个流体粒子中，停留时间介于t到t+dt间的流体粒子所占的分率dN/N为E(t)dt。 停留时间分布函数F(t)的物理意义是：流过系统的物料中停留时间小于t的物料所占的分率。 停留时间分布的测定方法有脉冲输入法、阶跃输入法等，常用的是脉冲输入法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量Q的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。 由停留时间分布密度函数的物理含义，可知： E(t)dt＝VC(t)/Q (1) ?∞= )(dt t VC Q (2)

所以 ? ? ∞ ∞ = = )() ()() ()(dt t C t C dt t VC t VC t E (3) 由此可见E (t )与示踪剂浓度C (t )成正比。 本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCl 作示踪剂，在反应器出口处检测溶液的电导值。在一定范围内，KCl 浓度与电导值成正比，则可用电导值来表达物料的停留时间变化关系，即E (t )∝L (t )，这里L(t)＝L t －L ∞，L t 为t 时刻的电导值，L ∞为无示踪剂时电导值。 停留时间分布密度函数E (t )在概率论中有二个特征值——平均停留时间（数学期望）t 和方差σt 2。 t 的表达式为： ???∞∞ ∞ = =00 )()()(dt t C dt t tC dt t tE t (4) 采用离散形式表达，并取相同时间间隔Δt ，则： )() ()()(t L t tL t t C t t tC t ∑∑=?∑?∑= (5) σt 2的表达式为： ??∞ ∞ -=-=0 220 22)()()(t dt t E t dt t E t t t σ (6) 也可采用离散形式表达，并取相同Δt ，则： 222 22 ) ()()()(t t L t L t t t C t C t t -∑∑=-∑∑=σ (7) 若用无因次对比时间θ来表示，即：t t /=θ， 无因次方差：222 t t σσθ=。 在测定了一个系统的停留时间分布后，如何来评价其返混程度，则需要用反应器模型来描述，这里我们采用多釜串联模型。 所谓多釜串联模型是将一个实际反应器中的返混情况作为与若干个全混釜串联时的返混程度等效。这里的若干个全混釜个数N 是虚拟值，并不代表反应器个数，N 称为模型参数。多釜串联模型假定每个反应器为全混釜，反应器之间无返混，每个全混釜体积相同，则可以推导得到多釜串联反应器的停留时间分布函数关

《反应工程》第六章 固定床反应器

第六章固定床反应器 1.凡是流体通过不动的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称作_______。（固定床反应器） 2.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于_______，因此与返混式的反应器相比，可用较少量的催化剂和较小的反应器容积来获得较大的生产能力。（平推流） 3.固定床中催化剂不易磨损是一大优点，但更主要的是床层内流体的流动接近于平推流，因此与返混式的反应器相比，可用_______的催化剂和_______的反应器容积来获得较大的生产能力。（较少量、较小） 4.目前描述固定床反应器的数学模型可分为_______和_______的两大类。（拟均相、非均相） 5.描述固定床反应器的拟均相模型忽略了粒子与流体之间_______与_______的差别。（温度、浓度） 6.描述固定床反应器的数学模型，忽略了粒子与流体之间温度与浓度的差别的模型称之为_______。（拟均相模型） 7.描述固定床反应器的数学模型，考虑了粒子与流体之间温度与浓度的差别的模型称之为_______。（非均相模型） 8.描述固定床反应器的拟均相模型，根据流动模式与温差的情况它又可分为平推流与有轴向返混的_______模型，和同时考虑径向混合和径向温差的_______模型。（一维、二维） 9.固定床中颗粒的体积相当直径定义为具有相同体积P V 的球粒子直径，表达式V d =_______。（3/1)/6(πP V ） 10.固定床中颗粒的面积相当直径是以外表面P a 相同的球形粒子的直径，表达式 a d =_______。（ π/P a ）11.固定床中颗粒的比表面相当直径是以相同的比表面V S 的球形粒子直径来表示，表达式S d =_______。（V S /6） 12.对于非球形粒子，其外表面积P a 必大于同体积球形粒子的外表面积 S a ，故可定义颗粒的形状系数=S ?_______。（P S a a /） 13.颗粒的形状系数 S ?对于球体而言，=S ?_______，对于其他形状的颗粒S ?_______。 （=1、均小于1）14.固定床的_______定义为水力半径H R 的四倍，而水力半径可由床层空隙率及单位床层体积中颗粒的润湿表面积来求得。（当量直径e d ） 15.固定床中的传热实质上包括了_______、_______以及_______几个方面。（粒内传热、颗粒与流体间的传热、床层与器壁的传热）

管式反应器课程设计

化学化工学院 化工专业课程设计 设计题目：管式反应器设计 化工系

化工专业课程设计——设计文档质量评分表（100分） 评委签名: 日期：

目录 绪论 .........................................................错误!未定义书签。1设计内容与方法介绍..........................................错误!未定义书签。 反应器设计概述............................................错误!未定义书签。 设计内容..................................................错误!未定义书签。 生产方法介绍..............................................错误!未定义书签。 反应器类型特点............................................错误!未定义书签。 反应器选择及操作条件说明..................................错误!未定义书签。2工艺计算....................................................错误!未定义书签。 主要物性数据..............................................错误!未定义书签。 计算，确定管长，主副反应收率.............................错误!未定义书签。 管数计算..................................................错误!未定义书签。3压降计算公式................................................错误!未定义书签。4催化剂用量计算..............................................错误!未定义书签。5换热面积计算................................................错误!未定义书签。6反应器外径计算..............................................错误!未定义书签。7壁厚计算....................................................错误!未定义书签。 8 筒体封头计算................................................错误!未定义书签。9管板厚度计算................................................错误!未定义书签。10设计结果汇总...............................................错误!未定义书签。11设计小结...................................................错误!未定义书签。

连续流反应器是什么

微反应器已经被大量应用于精细化学品、生物医药和纳米材料制备并实现了工业应用。其在几十微米到几千微米尺度上控制流动、传递和反应过程，具有极高的混合、传热、传质效率。微反应器内传热／传质系数较传统化工设备大１～３个数量级，特别适合于快速反应、高放热反应等。通过微设备的串并联组合，还可以实现不同反应或分离功能的模块化集成。微反应器技术在学术界和工业界都引起了极大的关注。 我们知道微反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器；反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成!特征尺寸通常在微米级别。由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小相对于常规管式反应器而言其比表面积体积比非常大。 因此微反应器具有极高的混合效率，（毫秒级范围实现径向完全混合）、极强的换热能力（传热系数可达25000W/m2.K）传热和极窄的停留时间分布（基本接近平推流）其实,对于微反应技术相对于常规反应器的优势在文献中已有不少详尽的描述。 具体到香料合成方面的应用，具有完全不同于常规反应器结构特征的微反应技术有以下几个突出的优势： 1、微反应器技术可以实现反应物料的瞬间的混合和对反应工艺参数（如温度压力和反应时间等）的精确控制，可以提高反应的收率和选择性； 2、实现过程的连续化和自动化控制。从而提升工艺稳定性并确保产品质量；

3、在线反应体积小保证了化学反应的安全性。此外微反应技术消除了过程放大效应，小试工艺的最佳反应条件可以直接用于工业生产，大大缩短了工艺研发时间。 连续流反应器有着高速混合、高速传热以及反应物停留时间的窄分布、重复性好、系统响应迅速便于操作、原料使用少的特点。据统计，在精细化工反应中有大约20%的反应可以通过微反应技术在收率、选择性或安全性方面得到提升。微反应技术在全世界范围内香料工业研发和生产上的应用正日益增多，在可以预见的未来，这一技术必将得到广泛应用。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项目投资和管理等。公司立足于客户具体项目，以“以终为始”的项目开发思路为指导，着眼于“双赢”和共同发展。目前，公司已经完成了多个项目的工业化，有丰富的工程化经验。完善的设施，丰富的经验覆盖工艺开发到工业化的各个阶段。惠和化德是您理想的合作伙伴！

连续釜式反应器的反应体积

3.4 连续釜式反应器的反应体积 间歇釜式反应器：各参数随时间变化，一次装卸料；连续釜式反应器：基本在定态下操作，有进有出。 一、连续釜式反应器的特点： 反应器的参数不随时间变化； 不存在时间自变量，也没有空间自变量； 多用于液相反应，恒容操作； 出口处的C, T=反应器内的C, T。

根据物料衡算方程： 最后得到连续釜式反应器设计方程为 ： 对于恒容过程，有: 101001() (1-)=(1-)() (-)=() A A R A A A A Af R A A Af A R A F F V R F X F X V R F X X V R =+-+--101 00() ()() Af A A Af A R R A A A X X C X X V V F R Q R --==--或 0(1-) A A A C C X =二、设计方程 00()A Af R A C C V Q R -= -

连续釜式反应器设计方程的几何图示 0 =R V Q

反应器内C、T恒定，不随时间变化，也不随位置变化。所以其内的(-R A )在各点处相同，也不随时间变化—等速反应器。 该方程可对反应体系中的任一组分列出。可理解为：反应体积=反应（或生成）的量/反应（或生成）速率 当同时进行多个反应时，只要进出口组成和Q0已知，就可以针对一 个组分求出反应体积V R （如上式所示）。 注意：

1. 空时－衡量生产能力（只针对连续反应器而言），其定义为： 注意:Q 0是指反应器进口位置的体积流速！ 含义：以流速Q 0填充体积为V R 的反应器需要多长时间。 τ↓，生产能力↑（比较时Q 0应在相同的T ， P 下求得，即在同一基准下进行比较。) ；τ↑生产能力↓； 2. 空速－单位反应体积、单位时间内所处理的物料量，可表示为空时的倒数，即：s↑时，生产能力↑。 1 s τ =330V m (s)Q m s R ==τ两个重要的物理量－空时、空速

化工原理第1章答案 流体流动

第一章 流体流动 1．若将90kg 相对密度为0.83的油品与60kg 相对密度为0.71的油品混合，试求混合油的密度。 解：)/(777710 608309060 903m kg m =++= ρ 2．试计算空气在-40℃和41kPa(真空度)下的密度和重度，大气压力为1.013×105Pa 。 解：335/902.0) 4015.273(831429 )104110013.1(m kg RT pM =-???-?==ρ 33/902.0/85.881.9902.0m kgf m N ==?=γ 3．燃烧重油所得的燃料气，经分析测知其中含生8.5%CO 2，7.5％02，76％N 2，8%H 20(均系体积百分率)。试求温度为500℃，压力为1.013×105Pa 时，该混合气体的密度。 解：3/693.0) 50015.273(831444 1013002m kg RT pM CO =+??== ρ 3/504.0) 50015.273(831432 1013002 m kg RT pM O =+??== ρ 3/441.0) 50015.273(831428 1013002 m kg RT pM N =+??== ρ 3/284.0) 50015.273(831418 1013002 m kg RT pM O H =+??== ρ 3/455.0m kg x i V i m =∑=ρρ

4．烟道气的组成约为含13％CO 2，11％H 20，76％N 2(均系体积％),计算400℃时常压烟道气的粘度。 解： cp M y M y i i i i i m 62 /12/12/12/162/162/162 /12 /1101.302876.01811.04413.028100.3176.018100.2311.044100.3013.0----?=?+?+????+???+???= ∑∑= μμ5．液体混合物的组成为乙烷40％和丙烯60％(均为摩尔百分率)，计算此液体混合物在-100℃时的粘度。乙烷和丙烯在-100℃时的粘度分别为0.19mPa ·s 和0.26mPa ·s 。 解：6395.026.0lg 6.019.0lg 4.0lg lg -=?+?=∑=i i m x μμ S mPa m ?=229.0μ 6．某流化床反应器上装有两个U 形管压差计，如本题附图所示。测得R 1＝400mm ，R2＝50mm 指示液为汞。为防止汞蒸气向空间扩散，在右侧的U 形管与大气连通的玻璃管内装入一段水，其高度R 3＝50mm 。试求A 、B 两处的表压力。 解：05.081.91360005.081.91000232??+??=+=gR gR p H g O H A ρρ mmHg kPa Pa 7.5316.71016.73==?=