反应工程概论 教材 南京工业大学专用(3-4).doc

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1、第三章硅酸盐高温反应装置操作解析法在工业反应装置中，化学反应过程除了受到化学反应和传递过程规律作用外，还受到反应装置的类型和物料在反应装置中的流动与混合情况的影响，研究这些宏观动力学因素对于化学反应的影响，对于正确的进行反应装置的设计和操作具有重要意义，因此，本章在简要介绍常用工业反应装置的基本类型后，着重阐述物料在反应器中的流动类型与停留时间分布的概念，介绍了几种典型的流动模型及其模型参数。第一节反应装置类型硅酸盐反应装置的种类繁多，各具有不同的特点，对于热工设备传统的分类方法是按照产品，热源，和

2、操作方式等来区分成各种硅酸盐窑炉。如果采用反应工程的观点则可将硅酸盐工业反应装置按如下方法进行分类：一、按物料流动形态分类(一）平推流反应器（PFR）反应器中的全部物料以相同速度沿着同一方向起头并进地向前流动，所有物料颗粒在反应器中都具有相同的停留时间。在稳定状态下，垂直于流动方向的同一截面上的物料的组成不随时间改变，这是一种理想流动反应器。在工业生产中对于长径比大于50和雷诺数大于10000的管式反应器可以近似的当作平推六反应器处理。例如隧道窑的预热带和冷却带内的气体流动模型可用平推流反应器来作近

3、似描述。（二）全混流反应器（CSTR）（CMR）反应器中的物料由于完全混合均匀。各处的物料浓度和温度完全相同，并且等于反应器出口处的物料浓度和温度，这也是一种理想流动反应器。工业生产中的搅拌釜式反应器内的物料流动接近于这种流动模式。在陶瓷生产中，采用高速烧嘴的新型间歇式窑炉内的气体流动情况近似于全混流模型。（三）多级组合反应器为了适应生产上的不同要求，采用相同或不同型式的理想反应器通过串联或并联方式组合在一起而成，其中物料的流动形态可以比理想流动情况有所偏离。（四）扩散流反应器反应器中的物料流动符合

4、扩散模型的反应器，即在平推流上叠加一个与流动方向相反的扩散，它是描述非理想流动的主要模型之一，特别适用于反混程度不大的系统，如固定床反应器等。二，按气固两相接触方式分类(一）固定床反应器固体物料固定不动，而气体流过固体物料时发生气固相反应，这是工业生产中广泛应用的管式反应装置之一。其特点在于物料一次装入，流体连续流动，属于半间歇式操作，流体接近于平推流流动，气固接触面较小，床内容易形成温度分布，床和外部的热交换能力较小，可以近似地把倒焰窑当作固定床反应处理。（二）移动床反应器固体物料和气体同时逆向或

5、同方向移动。连续式操作，物料与气体都接近于平推流流动，气固相接触面积较小，床内产生温度分布，床与外部的热交换能力较大，移动床反应器也是广泛应用的管式反应装置之一，立窑和炼铁高炉可作为移动床反应器的应用实例。（三）流化床反应器反应器内固体物料颗粒与气流接近完全混合状态，气固两相接触面积较大，传热快，床内温度均匀，床与外部热交换能力大，是广泛应用的管式反应装置。（四）喷腾床反应器气固两相接触方式类似于流化床，在高速气流作用下，不能流态化的粗大固体颗粒如同喷泉似的随气体喷流而上升，在床层上方的空隙部分，颗

6、粒沿喷流的周围边界下落，然后又被气流带起，循环往复，这种反应器具有流化床反应器的优点，在固体颗粒干燥和焙烧中获得广泛应用。三，按结构特征分类(一）立窑：窑体呈垂直竖立的圆桶状。（二）隧道窑：窑体呈长方形，水平放置，由窑墙，窑顶和窑车围成码烧坯体的窑内空间，如同隧道，故得此名称。（三）回转窑：窑体是一个倾斜放置的回转式圆筒。（四）池窑：窑体是一个水平放置的砖砌方形结构，窑内熔制玻璃料的部分如同长方形的浴池。（五）倒焰窑：窑体是砖砌的方形或圆形构造物，窑内底座分布若干吸火孔，使烟气经此孔和烟窗排放。此外

7、，尚可按操作方式或其他方法进行分类，掌握不同类型反应装置的结构特征和传递特性，对于合理选用，改进现有反应装置和开发新型反应装置具有重要的理论指导意义。第二节反应器中的物料流动类型与停留时间分布一、物料的流动与返混现象（一）理想流动与非理想流动前已述及，工业反应器中进行的化学反应受到动量、质量和热量等物理过程的影响，为了弄清楚这种影响的规律，首先必须研究反应器中物料的流动和混合情况，因为流动是传递过程的基础，另外，物料流动的速度分布和方向不同会使物料颗粒在反应器中的停留时间不同，而停留时间不同的物料之

8、间的混合，即通常所说的“返混”，必将降低反应物的浓度，进而影响了化学反应速率，特别在反应器的工程放大过程中，传递过程和返混等宏观动力学因素对化学反应过程的影响显的更加重要，因此有必要研究反应器中物料的流动与混合问题。工业反应器中的流动情况是很复杂的，为了从复杂的流动现象中找出其本质性规律，如果采用物理意义明确，数学表达简便并且能反映流动过程主要特征的流动模型，即物料在反应器中的流动和混合状况的物理图象或数学表达方式，来描述某些理想的反应器，则实际的反应器就可以理想反应